磷石膏在建设行业的发展现状研究

磷石膏在建设行业的发展现状研究

张丹李瑞雪陈堂丁俊

四川工业科技学院建筑工程学院德阳罗江618000

摘要：磷石膏每年的产排量巨大，如何解决堆存问题、环境污染问题等已经上升为世界难题，而磷石膏资源再利用途径的探索已是目前行业的共性研究课题。本文通过阐述磷石膏的危害，分析磷石膏在建设行业的再利用发展现状，重点论述实现磷石膏资源化利用的途径及其在建设行业的应用。

关键词：磷石膏；发展现状；建设行业；资源化利用途径

1引言

磷石膏（主要成分CaSO4?2H2O）是制备磷肥和磷酸过程中产生的副产物，属工业固体废弃物，湿法生产1t的磷酸就有约5t的磷石膏副产物［1］，其中的硫酸钙含量比天然石膏还高。此外，磷石膏中还含有很多杂质，既有潜在可利用的钙、硫、石英和石膏资源，又含有氟、碱金属元素、磷、镁、铝等有害元素，还含有砷、铅、镉、汞等微量的放射性元素［2］。由于杂质的存在，使堆存的磷石膏对环境影响很大，而杂质种类的繁杂，也使得磷石膏资源化利用难度加大，上升为世界难题。

2磷石膏危害

2.1磷石膏产量大，占用土地资源

据不完全统计，目前，全世界的磷石膏产量超过3亿t/年，世界性的该资源利用率大概10%左右，而中国磷矿资源丰富，位居世界第二，约占全球的10%［3］。根据中国磷石膏市场调研与投资前景研究报告（2019版），中国建材联合会石膏建材分会对我国磷石膏情况进行统计，2016年我国磷石膏的排放量就达到约为7600万t，并2016年以后很长一段时间都会持续在这个水平。而实际的利用情况不是很理想，据2016年的统计，各种途径实现的磷石膏利用总量约2770万t，该年的利用效率约为36.5%［4］。据中国磷复肥工业协会统计，2017年全国磷石膏的排放量约7500万t，当年利用量约2900万t，该年的利用效率约为38.67%，堆存的磷石膏每年新增近5000万t，截止目前为止，中国堆存的磷石膏超过3亿t。

在我国，磷矿主要集中在四川、云南、贵州和湖北等地，磷石膏产出量占全国90%以上的省份有四川、湖北、贵州、云南、重庆、安徽、山东、福建。立足于四川，作为全国重要的磷矿基地之一，目前省内的德阳市、绵阳市共有20多个磷石膏堆场，主要分布在绵阳、绵竹和什邡，截止2019年统计，德阳绵阳两地堆存的磷石膏超过1000万t，占用了大量的土地资源，长时间的堆放造成磷石膏砂化，单位面积的堆放量减少，维持堆场规范建设的成本相应增加，每年的运行维护成本也在相应增加，这给企业的盈利带来挑战，与此同时降低了企业自身的市场竞争力。

2.2磷石膏处理不及时，必然造成环境污染

磷石膏长时间的堆存，如果处理不及时，经过气候的影响，雨淋、风侵蚀等作用，含有的酸性物质及其他有害物质会进入大气、渗入地下，对大气、水流、土壤造成污染，如果人类长期接触磷石膏，也会影响身体健康，严重的甚至会危及生命，这将直接给周边环境的安全问题、社会效益问题带来不可估量的损失。

根据我国危险废物鉴别标准［5］（GB5085.1-2007）条款规定，磷石膏?出液中，无机氟化物含量超过50mg/L，具有?出毒性，属固体危险废物；根据我国污水综合排放标准［6］（GB8978-1996）和磷肥工业水污染物排放标准［7］（GB15580-2011）条款规定，新鲜磷石膏?出液中，磷酸盐含量不得超过50mg/L，氟化物含量不得超过30mg/L。而目前四川省内的磷石膏堆场大部分都存在排放不达标的情况，且堆场的地基防渗处理要求很严格，尽管大部分企业都采取了一系列措施进行防渗处理，但都无法保证有害物质完全不下渗，对周边环境始终存在巨大威胁。因此，磷石膏废物处理、资源合理利用化研究成为国家亟待解决的问题。

国家也越来越重视磷石膏的再利用问题。我国国务院印发的文件《“十三五”节能减排综合工作方案》［8］（国发［2016］74号）中，明确指出：强化主要污染物减排，大力发展循环经济，延伸产业链，实现资源能源高效利用、废弃物资源化利用。统筹推进大宗固体废弃物综合利用，到2020年，工业固体废弃物综合利用率达到73%以上。实施节能减排工程，建设100个资源循环利用产业示范基地、50个工业废弃物综合利用产业基地、20个工农复合型循环经济示范区，推进生产和生活系统循环链接，构建绿色低碳循环的产业体系。

3磷石膏资源再利用发展现状

3.1磷石膏预处理工艺

磷石膏因其杂质含量繁多，性能不稳定，不能直接利用，首先得对磷石膏进行预处理，去除其中的有害杂质。现目前，预处理技术发展成熟的有水洗过滤法、Hans法（柠檬酸处理法）、筛分法、球磨法、浮选法、陈化法、酸碱中和改性法以及煅烧法［9］等。

3.2国外磷石膏在建设行业的资源化利用途径

国外的磷石膏研究，最早是在1960年初。

美国的磷石膏利用，在建设行业主要是用于筑路方面。多年前，佛罗里达磷酸盐研究所对磷石膏进行研究利用，建成一条实验道路，对该条道路进行多年跟踪与检测，检测结果：对地下水没有污染，放射性风险不存在，表明其危害性很低，但磷石膏的利用率仍然很低。巴西也是较早开始利用磷石膏的国家之一，巴西圣保罗大学圣卡洛斯分院与核能研究院利用磷石膏制成高强度磷石膏板，并建成了一座占地56.7m2的房子，但磷石膏中放射性元素氡－222的析出率较高，公众难以接受，巴西的磷石膏再利用率只有10%左右。日本是磷石膏再利用技术较为先进的国家之一，日本的磷石膏利用率高达90%，主要是因为日本磷石膏资源很少，很注重磷石膏的再利用，主要用来生产石膏板和石膏粉等产品［3］。

国外的专家学者对此还做了一系列的研究：

2012年，SEL?UKTüRKEL，EMRAHAKSIN[10]学者将粉煤灰和磷石膏纳入砌块生产，评估技术的可能性。通过掺入多种不同的重量比来代替粘土制备各种混合物，重量比分别为0％，5％，10％，15％，20％，25％和30％，样品均在1000℃的峰值温度下煅烧。测试结果表明：掺入的磷石膏增加了单位重量、强度值，降低了吸水值。

2014年，ZhouJ，YuD[11]等学者提出一种创新工艺——“两步水化工艺”，用于制备磷石膏非烧结砖，7天抗压强度为29MPa，压制成型环节不使用10MPa的低压和水泥。最佳配方为：1.53%的熟石灰、23.47%的河砂和75.0%的磷石膏，水的掺入比例是上述固体的22%。所制备的砖完全满足最高等级MU25的质量要求。

2017年，CamposMP，CostaLJP[12]等学者进行磷石膏研究，测量出制备的砖和板的氡放射率，得出结论：磷石膏用于建筑材料，其中的放射性氡和γ射线不会出现暴露危险，磷石膏可作为用砖材料应用于建设行业。此外，这种做法还可一定程度上解决不可再生资源天然石膏枯竭的问题。

3.3国内磷石膏在建设行业的资源化利用途径

国内对磷石膏在建设行业的再利用研究呈现多途径的方式。

（1）国内示范、试点项目已陆续建设

我国现目前已建成了7套“30万t磷铵-40万t硫酸-60万t水泥”的磷石膏制硫酸联产水泥的大型装置[13]，山东鲁北集团承担的国家重大科技攻关技术项目石膏制硫酸联产水泥技术得到有效突破，实现了消耗该企业单位的磷石膏堆存，达到产销平衡，不仅如此，还一定程度带动消耗附近企业堆存的磷石膏。贵州的瓮福、开磷被国家发改委列为全国发展循环经济试点单位，研发了磷石膏资源再利用生产水泥缓凝剂和石膏砖等技术。鲁西化工集团宁夏化肥公司利用煅烧法进行建筑石膏粉的生产，规模达到20万t/年。江西贵化利用磷石膏进行纸面石膏板技术研究，每年可新建2000万m2。

（2）我省加大力度进行磷石膏整治，效果初显

四川省环境保护研究科学院编制的“1+7”工作方案：一个总体方案（全市磷石膏治理）和7个堆场治理方案（“一堆一策”），成效显著。据媒体数据调查：2016年，什邡首次实现磷石膏“产用平衡”，仅一年时间消耗“库存”磷石膏34万t；2017年产生的磷石膏74万t，而消耗的有132万t。目前什邡市的6家企业，利用磷石膏主要制备水泥缓凝剂、建筑石膏粉、石膏板等，年消耗磷石膏149万t。2017年，什邡通过引进磷石膏再利用企业，推动磷石膏消耗方案的执行。其中包括：华磷科技利用磷石膏制备ECP装配式高强板、路沿石、透水路面等产品，年消耗磷石膏“库存”40万t，2019年10条生产线全部建成，预计投产后年消耗磷石膏130万t，进一步提高磷石膏消耗率。绵竹市委托省环科院制定的堆场“一堆一策”整改方案：对7个停用的堆场采取加固封存磷石膏渣的措施，在堆放地种植植被，恢复土壤；对4个正在使用的堆场，采取整治边坡、绿化、防渗等措施（包括完善堆场挡墙约7670m，渗滤液收集沟10250m，铺设土工布和防渗膜约112.5万m2，覆土绿化面积约5万m2，新增堆场周边地下水监测井39口），消除磷石膏堆存隐患问题。四川绵筑新材料有限公司与清华大学土木工程水利学院联合研究，成立了“高性能绿色建筑材料联合研究中心”。探索将磷石膏再利用应用于公路路基垫层材料。

（3）专家学者不断进行研究，在建设行业各方面逐步发展成熟

制备水泥缓凝剂方面：2019年，李兵、韦莎[14]学者，对磷石膏进行改性，制备水泥缓凝剂。研究表明：用电石渣进行磷石膏改性，影响较大的因素是反应时间和电石渣加入量，影响较小的因素是反应温度。

制备新型墙体材料方面：2018年，张逸超，王莹[15]学者，对磷石膏现浇制备墙体材料进行研究。结果表明：成功现浇制备磷石膏墙体材料的成分比例为：粉煤灰：缓凝剂：减水剂：玻化微珠的掺量=20%-30%：0.1%-0.2%：0.2-0.3%：10%-20%为宜。

制备纸面石膏板方面：2018年，武发德，张羽飞[16]等学者，通过对磷石膏中杂质的分析，放射性物质的监测，研究了磷石膏再利用途径——纸面石膏板的生产与应用。研究表明：大部分磷石膏的放射性普遍低于国标限量；磷石膏pH值在3-5范围；降低磷石膏杂质含量的有效方法采取水洗处理；磷石膏制备的纸面石膏板耐火性较好。

制备石膏砌块方面：2019年，王锋，冉林浦[17]等学者，对磷石膏砌块进行耐水性研究。结果表明：磷石膏中掺入防水剂的比例：液体石蜡：硅油：聚乙烯醇=磷石膏质量的2.0%：0.5%：0.3%，制备的砌块耐水性能效果较佳，强度损失较小。

制备石膏砖方面：2018年，凌辉勋、韩凯锋[18]学者，研究出一种新型制备石膏砖方法，用磷石膏为原材料，掺入电石渣、渣灰、粉煤灰、骨料及减水剂，进过蒸养预处理，配合其他成分，制备蒸压α-型石膏砖。

4结语

磷石膏的产排量及堆存问题已经造成了环境的污染，给相关企业带来负担，使资源再利用问题日趋重视。我国磷石膏代替天然石膏的潜力巨大，今后磷石膏在建设行业的运用应侧重于新型材料制备方面。

虽然目前国内外磷石膏的资源化利用途径很多，一定程度上取得了较好的成果，但堆存的磷石膏量还是很巨大，且仍有很多技术问题亟需解决。如磷石膏利用前需进行预处理杂质，效果比较明显的成本较大，而成本较小的处理方法效果又不明显，且杂质成分随地域的不同而波动较大；现有的磷石膏再利用技术各地不一，缺乏共性处理处置技术，且普遍存在二次污染，推广价值较低等。因此必须进一步进行相关工程应用研究，结合当地产业政策加大整合力度，加快建设磷石膏再利用产业链，让磷石膏真正实现“产销平衡”，消灭“库存”。

参考文献：

[1]郑育春.磷石膏—水泥—聚苯颗粒保温板的制备与性能［J］.新型建筑材料.2019.第46卷（4）：95-98.

[2]何勤.张琼琼.磷石膏煅烧建筑石膏技术及应注意的问题［J］.新型建筑材料.2018.第45卷（10）：49-52.

[3]童俊.“十三五”磷石膏处理处置现状及展望［J］.建筑发展导向.2018第16卷（16）：6-11.

[4]中国磷石膏市场调研与投资前景研究报告（2019版）.2019.4

[5]中华人民共和国国家标准.危险废物鉴别标准（GB5085.1-2007）

[6]中华人民共和国国家标准.污水综合排放标准（GB8978-1996）

[7]中华人民共和国国家标准.磷肥工业水污染物排放标准（GB15580-2011）

[8]国务院.《“十三五”节能减排综合工作方案》（国发［2016］74号）

[9]潘伟.吴帅等.磷石膏的资源利用进展［J］.云南化工.2019.第46卷（4）：16-19.22.

[10]SEL?UKTüRKEL，EMRAHAKSIN.Acomparativestudyontheuseofflyashandphosphogypsuminthebrickproduction[J].Sadhana，2012，37（5）：595-607.

[11]ZhouJ，YuD，ShuZ，etal.AnovelTwo-stepHydrationProcessofpreparingcement-freenon-firedbricksfromwastephosphogypsum[J].ConstructionandBuildingMaterials，2014，73：222–228.

[12]CamposMP，CostaLJP，NistiMB，etal.Phosphogypsumrecyclinginthebuildingmaterialsindustry：assessmentoftheradonexhalationrate[J].JournalofEnvironmentalRadioactivity，2017，172：232-236.

[13]云南省化学化工学会.工业废弃物磷石膏的综合利用［J］.专家意见.2009（6）

[14]李兵.韦莎.电石渣改性磷石膏水泥缓凝剂的研究［J］.无机盐工业.2019.（7）：74-76.

[15]张逸超.王莹.现浇磷石膏墙体材料制备研究［J］.智能城市.2018.第4卷（21）：22-23.

[16]武发德.张羽飞等.磷石膏在石膏板中的应用研究［J］.磷肥与复肥.2018.第33卷（10）：35-37.40.

[17]王锋.冉林浦等.磷石膏砌块耐水性研究［J］.材料科学.2019.第9卷（5）：518-524.

[18]凌辉勋.韩凯锋.蒸压α-型石膏砖及其制作工艺研究［J］.砖瓦.2018.（9）：29-31.