近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授雷洋团队在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）以“空间解耦电化学策略：破解石灰钝化难题，实现高效污水磷回收（Spatially decoupled electrochemical strategy for lime passivation prevention and sustainable phosphate recovery）”为题发表最新研究成果。研究团队揭示了传统石灰（石）污水除磷工艺中表面钝化的发生机制，并创新性地提出电化学分区溶解-沉淀策略，破解钝化难题并实现磷的高效回收，为污水资源回收与工业低碳转型提供了一条兼具普适性与可持续性的新路径。

推动从各类污水中回收磷，是缓解磷资源短缺、构建可持续磷循环的关键。目前，基于石灰（石）的化学沉淀法仍是处理酸性含磷废水的主流工艺。然而，该工艺普遍面临石灰利用率低、需投加过量药剂，并伴随产生大量含钙污泥及高硬度碱性出水等问题。这些瓶颈共同指向固液界面反应中的共性难题——表/界面钝化现象。该现象广泛存在于环境地球化学系统，如石灰法修复酸性矿山废水、零价铁腐蚀及增强岩石风化等多种环境修复与自然过程，是制约其处理效率与规模化应用的核心机制壁垒。因此，揭示钝化机理并开发有效的抗钝化策略，对推动一系列依赖于界面反应的环境修复技术走向高效、低碳与可持续，具有重要的科学意义与工程意义。

图1 石灰表面钝化现象及机理探究

研究团队发现，石灰遇水放热促使Ca(OH)₂的溶解度随温度升高而下降，并导致颗粒间发生快速团聚。在含磷废水中，团聚体释放的Ca²⁺和OH^–与磷酸盐迅速结合，于颗粒表面原位形成致密的磷酸钙钝化层，从而严重抑制钙离子的持续释放，极大限制了磷的去除效率（图1）。为克服钝化，传统工艺被迫大幅过量投加石灰（钙磷比高达4：1）。即便如此，最终获得的污泥质量偏低（磷含量<6.9wt%），同时出水水质恶化，表现为高硬度（钙离子浓度936.7 mg L^-1）与强碱性（pH 12.7）（图1）。石灰石虽更具经济和环境友好性，但其效能因磷酸钙沉淀在碱性波动下极易发生再溶解而严重受限。

图2 阳极酸性实现持续抗钝化及高效钙释放

无论是石灰的钝化，还是石灰石沉淀的反溶，其核心矛盾均在于钙源溶解（酸性需求）与磷酸钙沉淀（碱性环境）这两步反应在同一区域内紧密耦合、相互制约。为此，研究团队创新性地提出了一类电化学策略，利用电解水反应，将石灰石的溶解与磷酸钙沉淀反应在电化学系统的阴阳两极分区进行。该系统将石灰石置于酸性阳极区，实现了石灰石的持续抗钝化及钙离子的高效释放（图2）；同时在碱性阴极区，利用原位产生的碱度高效驱动磷酸钙沉淀，使磷回收率达到85.7%。该体系在低能耗下稳定运行（14.8 kWh/kg P），可产出高纯度磷产品（磷含量15.2 wt%），并显著提升出水水质（图3）。

图3 阴极碱性实现高效磷酸盐沉淀与回收

通过长期运行测试，团队展示了该系统优异的长期稳定性及良好的处理能力灵活性。此外，经济与环境效益评估显示，相较传统石灰工艺，该电化学策略可实现显著的成本降低（73.2%）及碳减排（29.1%）。

南方科技大学为论文第一单位，南方科技大学环境科学与工程学院博士研究生詹铮铄与硕士研究生吕婧雯为论文共同第一作者，瓦赫宁根大学刘霁瑶博士和南方科技大学讲席教授刘崇炫为论文共同作者。雷洋为论文通讯作者，课题组成员李炜权为研究做出重要贡献。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划项目以及高水平专项资金的联合资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67911-1

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

编辑：曾昱雯