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磷石膏建筑材料
摘要:
磷石膏是磷肥生产的副产品,每生产1吨磷酸就会产生约4-6吨的磷石膏,世界人口的持续增长在增加了粮食需求的同时,也导致了磷肥产量的增加,从而使磷石膏的产量日益增长,其中约85%的磷石膏未经处理就被排放到海洋或河流中,或着堆放在池塘或沟渠中,造成了严重的污染。因此资源化利用磷石膏具有经济和环境效益。学者们在磷石膏用作土壤稳定改良剂、农用肥料、水泥制品和建筑材料和在水泥缓凝剂等领域进行了广泛的研究。本文综述了磷石膏作为建筑材料的早期研究情况,讨论了磷石膏对材料工作性、单位重量、机械强度和耐久性等性能的影响,为今后可持续地利用磷石膏奠定了基础。
1.引言
磷石膏是磷肥工业(磷酸生产)的副产品,与天然石膏相似,但也有一些不同之处,如水溶磷酸盐(P2O5)、水溶性氟(F-)和P2O5等杂质在石膏晶体晶格中被取代。虽然磷石膏和石膏都是二水硫酸钙,用磷石膏代指湿法生产磷酸的副产物,虽然石膏是指天然矿物。磷石膏主要由硫酸钙脱水(CaSo4.2H2o)组成,占其中的90%以上,还有含量不一的硅、f、P2O5和有机物质等(Rashad,2015年)。磷石膏含有相当数量的镭-226、铀和其他铀衰变产品(IAEA,2013年)。磷石膏的主要化学元素组成随所用磷酸工艺类型的不同而变化,其中CaO含量在32.2%至36.9%之间波动,SO3含量在44%至50.3%之间波动(Rutherford等人,1994年)。表1显示了磷石膏在不同研究中的氧化物组成。粉体主要由粉粒组成。脱水磷石膏的最大粒径从0.5mm到1.0mm不等,典型的50-75%的脱水磷石膏可以通过0.075 mm的筛网。在大多数情况下,半水磷石膏(通过干燥过程)的粒径比脱水形式大。水分含量通常在8%到30%之间波动。当含水量在15%至20%之间波动时磷石膏可以得到最大密度 (IAEA,2013年)。磷石膏是一种湿灰色的粉体(如图1),其体积密度在0.9至1.7g/cm3之间波动。磷石膏最初储存时呈高酸性(pH值在1左右),这与残余酸有关,但这种酸度随着脱水和风化(hentati等人,2015年)而逐渐减少,达到2.5-6(IAEA,2013年);磷石膏颗粒密度在2.27至2.4 g/cm3之间波动,而体积密度在0.9至1.7 g/cm3之间波动(Rutherford等人,1994年)。
氧化物组成 |
Degirmenci and okucu (2007) |
Min等人(2008年) |
Ajam等人(2009年) |
Huang和lin(2010 a,b) |
Gaiducis等人(2011) |
She等人(2011) |
Bouchhima等人(2013年) |
kadirova等人(2014年) |
rashad (2015) |
Zhao等人(2015年) |
hua等人(2016年) |
Huang等人(2016年) |
Li等人 |
SiO2 |
0.44 |
1.25 |
1.37 |
3.21 |
4.35 |
3.62 |
1.37 |
1.89 |
8.82 |
5.94 |
4.86 |
2.3 |
1.37 |
Al2O3 |
0.88 |
0.43 |
0.11 |
1.09 |
0.24 |
0.08 |
0.11 |
0.08 |
0.29 |
0.5 |
4.38 |
0.35 |
0.35 |
Fe2O3 |
0.32 |
0.21 |
0.03 |
0.31 |
0.06 |
0.05 |
0.03 |
- |
0.35 |
1.54 |
- |
0.27 |
0.45 |
CaO |
32.04 |
29.05 |
32.8 |
34.52 |
34.35 |
31.57 |
32.8 |
36.48 |
32.14 |
32.12 |
31.05 |
31.64 |
38.39 |
MgO |
- |
- |
0.007 |
0.06 |
0.72 |
0.17 |
0.007 |
- |
0.09 |
0.3 |
0.26 |
0.29 |
0.12 |
SO3 |
44.67 |
42.19 |
44.4 |
47.3 |
51.11 |
42.48 |
44.4 |
49.89 |
34.51 |
46.02 |
30.95 |
42.1 |
56.68 |
P2O5 |
0.50 |
3.50 |
1.69 |
1.10 |
2.33 |
1.05 |
1.69 |
0.44 |
1.72 |
1.39 |
3.57 |
1.05 |
2.26 |
F- |
0.79 |
- |
0.55 |
0.20 |
0.5 |
- |
0.55 |
- |
0.8 |
0.06 |
- |
0.2 |
- |
Na2O |
0.13 |
0.51 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.12 |
0.07 |
K2O |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0.41 |
0.17 |
0.12 |
TiO2 |
- |
- |
- |
- |
- |
0.06 |
- |
- |
- |
- |
.0.2 |
- |
0.06 |
LOI |
21.06 |
19.48 |
22.3 |
11.01 |
6.34 |
19.88 |
22.3 |
11.22 |
21 |
- |
- |
21.19 |
- |
表一:不同研究测定的氧化物组成
图一:磷石膏原料
磷酸盐在许多国家都有,如图2所示15个最大的磷酸盐生产国(Mineral,2016年),一家磷肥工业工厂每生产一吨磷酸就产生约4-6吨磷石膏,截至2006年的磷石膏总产量估计约为60亿吨(国际IAEA,2013年),在1980年,全世界的磷石膏产量为1.2亿(rutherford等人,1994年)。据估计,世界范围内磷石膏的产量约为1.6亿吨,并可能在今后十年或二十年内达到2亿到2.5亿吨(IAEA,2013年)。磷石膏的主要部分仍被处置在大量储存于水体中,造成土壤、水和大气的严重环境污染(Tayibi等人,2009年)。这种污染可能来自氡气体、f-对大气的污染、放射性核素对地下水的污染、酸度或流动阴离子、吸入二次粉尘、直接接触辐射和长期向下浸出渗水(rutherford等人,1994年)。因此,磷石膏的再利用是一个非常重要的问题。世界上已有大约15%的磷石膏产品被再利用在不同领域,如土壤稳定改良剂、农业肥料、水泥生产中的集控器和建筑材料。本文综述了磷石膏作为建筑材料的研究现状,综述了磷石膏对建筑材料的工作性能、单位重量、机械强度和耐久性等性能的影响,为今后磷石膏在可持续发展方法中的研究和应用奠定了基础。
图二:磷石膏产量前十五的国家
2.杂质和改性方法
磷石膏含有磷酸盐、游离磷酸、有机物和氟化物的杂质,磷石膏还含有一些放射性元素,如ra226、pb 210、po 210、u 238和u 234,这些元素来自于磷酸盐岩(singh,2002年)。bolivar等人(2000)提出在磷矿中存在的po和ra的90%仍留
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