磷石膏渗滤液净化废料作为水泥部分替代物在砂浆中的应用研究

《Results in Engineering》：Phosphogypsum leachate cleaning waste as partial cement replacement in mortars

本研究针对磷石膏渗滤液净化废料（LDW）的环境污染问题，开展其作为水泥替代物在砂浆中的应用研究。结果表明，LDW替代水泥比例不超过10%时，砂浆力学性能显著提升，且污染物被有效固化，环境风险可控。该研究为工业废料资源化利用提供了新思路，具有重要工程与环境意义。

　　

随着全球工业的快速发展，固体废弃物的产生量逐年攀升，预计到2050年将达到460亿吨。其中，磷石膏（PG）作为磷肥工业的副产品，年产量高达3亿吨，其堆存过程中产生的渗滤液（PGL）因高酸性、高浓度重金属和放射性核素而具有严重环境风险。传统的堆存方式不仅占用土地，还可能通过渗滤液污染土壤和地下水。因此，开发磷石膏及其衍生物的安全处置与资源化利用技术迫在眉睫。

近期，一项发表于《Results in Engineering》的研究首次提出将磷石膏渗滤液净化废料（Leachate Decontamination Waste, LDW）作为部分水泥替代物用于砂浆制备。LDW是磷石膏渗滤液经碳酸钙和氢氧化钙两步净化处理后产生的固体废料，含有氟化物、磷酸盐、重金属（如砷、镉、铬）和放射性核素（如²³⁸U、²¹⁰Po）。尽管其成分复杂，但研究团队通过系统性实验证明，LDW在特定比例下不仅能提升砂浆性能，还可实现污染物的有效固化。

为评估LDW的可行性，研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过X射线衍射（XRD）分析LDW和砂浆的矿物组成；利用Frattini测试和强度活性指数评估LDW的火山灰活性；通过力学测试（抗压与抗折强度）比较不同LDW替代比例（2.5%–35%）砂浆的性能；最后依据EN 16637-2标准进行浸出实验，并结合α/γ能谱分析放射性核素的浸出行为。所有实验均以标准砂浆为对照，确保结果可靠性。

3.1. 技术性能：抗压与抗折强度

实验显示，当LDW替代水泥比例不超过10%时，砂浆的力学性能优于参考样品。例如，LDW7.5样本的抗压强度达58.6 MPa，较参考砂浆提升23%。然而，当替代比例超过10%（如LDW35），强度显著下降至25.7 MPa。这表明低比例LDW可通过微晶体形成和孔隙细化增强砂浆结构，而高比例则因磷酸盐等成分干扰水化反应而劣化性能。

3.2. 矿物学表征

XRD分析显示，LDW砂浆中主要晶体相为石英、方解石、波特兰石、钙矾石和磷钙铀矿。其中，磷钙铀矿的出现证实了LDW中铀与磷酸盐的化学固定。值得注意的是，尽管磷含量较高（9.08%），但未形成独立的磷酸钙相，而是以复杂矿物相存在，这可能延缓了强度劣化。

3.3. 环境风险

3.3.1. 浸出测试

pH依赖性浸出实验表明，多数污染物在碱性条件（pH≈12）下浸出率降低，但钒和砷因形成可溶性阴离子（如HVO₄^2?）而仍有浸出风险。动态表面浸出测试中，仅铬、钒、锌、氟离子和硫酸根被检出，其累积释放量（如LDW10的氟离子为690 mg/m²）低于土壤质量法令（SQD）限值。污染物固定机制包括形成低溶解度氢氧化物、掺入C-S-H相或钙矾石晶格。

3.3.2. 放射性影响

LDW的²³⁸U、²¹⁰Po活度浓度虽超1000 Bq/kg，但制成砂浆后放射性指数（I）均低于1（如LDW10的I=0.18），满足欧盟辐射安全标准。浸出液中放射性核素活度<5 mBq/L，与海水本底值相当，表明水泥基质有效固定了放射性物质。

本研究证实，LDW作为水泥替代物（≤10%）可提升砂浆力学性能并实现污染物安全固定。其火山灰活性源于高钙含量和无定形相，而低比例替代避免了磷、氟对水化的负面影响。环境与放射性评估均表明LDW砂浆符合法规要求，为NORM（天然放射性物质）工业废料的资源化提供了技术支撑。未来需进一步研究碳化、干湿循环等恶劣条件下的长期稳定性，以推动其工程应用。