【工業(yè)固廢】磷石膏在建筑材料領(lǐng)域的綜合利用現(xiàn)狀

　　1 引言

　　我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)耕地普遍存在“缺磷少鉀”現(xiàn)象，磷肥在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。生產(chǎn)磷肥需要大量磷酸，目前全球約90%的磷酸采用濕法生產(chǎn)，磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸時(shí)排放的固體廢棄物。通常，每生產(chǎn)1噸磷酸(H3PO4)產(chǎn)生約(4.5-5.0)噸磷石膏。全球磷石膏的年產(chǎn)量約為(1.0-2.8)億噸，而其利用率只有15%左右[1]。中國磷復(fù)肥工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《磷石膏利用現(xiàn)狀及“十三五”發(fā)展思路》中顯示，2014年我國磷石膏產(chǎn)量高達(dá)7600萬噸，各種途徑的磷石膏利用量合計(jì)為2300萬噸，年綜合利用率為30.3%，提前實(shí)現(xiàn)了“十二五”規(guī)劃的利用率達(dá)30%的目標(biāo)，并提出到“十三五”期末，磷石膏的綜合利用率要達(dá)到40%，磷石膏堆場必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保長周期運(yùn)行[2]。

　　目前，我國磷石膏大部分采用露天堆放和傾入大海兩種方式處理，堆存的磷石膏渣已經(jīng)超過1.2億噸，不僅侵占大量土地，而且其中含有磷和氟等雜質(zhì)還嚴(yán)重危害周圍的大氣、土壤和地下水等生態(tài)環(huán)境。因此，亟待加強(qiáng)對磷石膏的資源化利用，一方面高效地消耗堆積的磷石膏，解決土地侵占和環(huán)境污染等問題，另一方面也促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有重要的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。

　　本文介紹了磷石膏的基本性質(zhì)、雜質(zhì)類型和預(yù)處理方式，從制備石膏建材、生產(chǎn)水泥緩凝劑以及制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥等方面重點(diǎn)論述了磷石膏在國內(nèi)外建筑材料領(lǐng)域的資源化利用現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)階段磷石膏利用過程中存在的一系列問題，提出了相應(yīng)的解決措施，最后展望了其應(yīng)用前景。

　　2 磷石膏的基本性質(zhì)和預(yù)處理方法

　　2.1 基本性質(zhì)

　　磷石膏礦(Ca5(PO4)3F)與硫酸反應(yīng)制備磷酸的反應(yīng)機(jī)理如式(1)所示[3]。該反應(yīng)產(chǎn)生的磷石膏副產(chǎn)物中主要含有二水結(jié)晶物CaSO4˙2H2O。與天然石膏相比，該副產(chǎn)物中CaSO4˙2H2O的含量約為85%，但含水率高，顆粒和結(jié)晶形態(tài)均不同。

　　Ca5(PO4)3F+5H2SO4+10H2O→3H3PO4+5CaSO4˙2H2O+HF (1)

　　由于磷礦的來源復(fù)雜，磷酸生產(chǎn)工藝各異，導(dǎo)致磷石膏含有較多不同成分的雜質(zhì)，主要分為可溶性雜質(zhì)、不溶性雜質(zhì)和放射性雜質(zhì)。正是由于這些雜質(zhì)的存在，限制了磷石膏的資源化利用。磷石膏的主要雜質(zhì)成分如表1所示。

　　可溶性雜質(zhì)主要包括可溶性氟化物、游離的磷酸和硫酸及其鈉鹽、鉀鹽和鈣鹽等，可溶性磷會(huì)使石膏凝結(jié)時(shí)間延長，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低，鈉、鉀鹽則會(huì)使干燥后的石膏制品出現(xiàn)晶花并粉化。

　　不溶性雜質(zhì)有兩種：一是磷礦中存在且不會(huì)酸解的硅砂、未分解的礦物和有機(jī)質(zhì);二是磷礦酸解時(shí)與硫酸鈣共同結(jié)晶產(chǎn)生的磷酸二鈣、不溶性磷酸鹽和氟化合物。共結(jié)晶磷酸鹽會(huì)與溶液中的Ca2+反應(yīng)生成難溶的磷酸三鈣，使磷石膏晶格粗化，凝結(jié)速率減慢，強(qiáng)度降低[4]。

　　磷石膏中放射性物質(zhì)的種類和數(shù)量根據(jù)磷礦產(chǎn)地的不同有較大差異，放射性比活性超標(biāo)的磷石膏會(huì)對人體產(chǎn)生極大危害，不宜使用。