【工业固废】磷石膏在建筑材料领域的综合利用现状

　　1 引言

　　我国是农业生产大国，农业耕地普遍存在“缺磷少钾”现象，磷肥在我国农业经济发展中占据重要地位。生产磷肥需要大量磷酸，目前全球约90%的磷酸采用湿法生产，磷石膏是湿法生产磷酸时排放的固体废弃物。通常，每生产1吨磷酸(H3PO4)产生约(4.5-5.0)吨磷石膏。全球磷石膏的年产量约为(1.0-2.8)亿吨，而其利用率只有15%左右[1]。中国磷复肥工业协会发布的《磷石膏利用现状及“十三五”发展思路》中显示，2014年我国磷石膏产量高达7600万吨，各种途径的磷石膏利用量合计为2300万吨，年综合利用率为30.3%，提前实现了“十二五”规划的利用率达30%的目标，并提出到“十三五”期末，磷石膏的综合利用率要达到40%，磷石膏堆场必须符合有关标准规范，实现安全环保长周期运行[2]。

　　目前，我国磷石膏大部分采用露天堆放和倾入大海两种方式处理，堆存的磷石膏渣已经超过1.2亿吨，不仅侵占大量土地，而且其中含有磷和氟等杂质还严重危害周围的大气、土壤和地下水等生态环境。因此，亟待加强对磷石膏的资源化利用，一方面高效地消耗堆积的磷石膏，解决土地侵占和环境污染等问题，另一方面也促进循环经济的发展，具有重要的社会、环境和经济意义。

　　本文介绍了磷石膏的基本性质、杂质类型和预处理方式，从制备石膏建材、生产水泥缓凝剂以及制硫酸联产水泥等方面重点论述了磷石膏在国内外建筑材料领域的资源化利用现状，分析了现阶段磷石膏利用过程中存在的一系列问题，提出了相应的解决措施，最后展望了其应用前景。

　　2 磷石膏的基本性质和预处理方法

　　2.1 基本性质

　　磷石膏矿(Ca5(PO4)3F)与硫酸反应制备磷酸的反应机理如式(1)所示[3]。该反应产生的磷石膏副产物中主要含有二水结晶物CaSO4˙2H2O。与天然石膏相比，该副产物中CaSO4˙2H2O的含量约为85%，但含水率高，颗粒和结晶形态均不同。

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

　　由于磷矿的来源复杂，磷酸生产工艺各异，导致磷石膏含有较多不同成分的杂质，主要分为可溶性杂质、不溶性杂质和放射性杂质。正是由于这些杂质的存在，限制了磷石膏的资源化利用。磷石膏的主要杂质成分如表1所示。

　　可溶性杂质主要包括可溶性氟化物、游离的磷酸和硫酸及其钠盐、钾盐和钙盐等，可溶性磷会使石膏凝结时间延长，结构疏松，强度降低，钠、钾盐则会使干燥后的石膏制品出现晶花并粉化。

　　不溶性杂质有两种：一是磷矿中存在且不会酸解的硅砂、未分解的矿物和有机质;二是磷矿酸解时与硫酸钙共同结晶产生的磷酸二钙、不溶性磷酸盐和氟化合物。共结晶磷酸盐会与溶液中的Ca2+反应生成难溶的磷酸三钙，使磷石膏晶格粗化，凝结速率减慢，强度降低[4]。

　　磷石膏中放射性物质的种类和数量根据磷矿产地的不同有较大差异，放射性比活性超标的磷石膏会对人体产生极大危害，不宜使用。