本发明公开一种粗颗粒磷石膏深度净化提纯二水硫酸钙的方法，将磷石膏颗粒进行筛分，收集粗颗粒磷石膏，加入水充分搅拌；在高频振动下，投入纳米TiO₂，并采用紫外光源对料浆进行照射，使其发生光催化氧化反应，保持高频振动，搅拌料浆，使磷石膏颗粒再次充分分散；重复三次；将料浆进行固液分离，得到滤液和滤渣；滤液置于低温环境下，使滤液中溶解的硫酸钙冷却结晶；所得带有结晶的液体进行过滤，得到结晶物；所得滤渣和所得结晶物置于微波场内进行辐照，所得干燥物料即为提纯得到的二水硫酸钙。本发明具有反应条件温和，对有机物、磷化合物、氟化物、汞化合物等各类杂质去除效果明显，磷石膏净化程度高，二水硫酸钙提纯效果优异的优点。