磷石膏基吸水聚合物(PG-WAP)在废水污泥中的水力学行为与资源化应用研究

为解决高含水率污泥处理难题并实现磷石膏(PG)资源化利用，研究人员开发了由PG、普通硅酸盐水泥(OPC)和矿渣(GGBS)合成的磷石膏基吸水聚合物(PG-WAP)。通过水吸附实验、无侧限抗压强度(USC)测试及XRD/TGA/SEM表征，证实PG-WAP平均吸水率达53%，且与膨润土协同作用生成非膨胀性钙矾石(AFt)，显著提升结构完整性。该技术可同步实现污泥脱水与固化，成本较传统方法降低42.13%，为固体废弃物资源化提供了新思路。

　　

随着中国城市化进程加速，每年产生超过10亿立方米的疏浚污泥，其中重金属污染风险与土地资源占用问题日益严峻。传统污泥脱水技术如真空预压和电渗法存在能耗高、二次污染等缺陷，而磷化工产业每年排放的2900-3800万吨磷石膏(PG)利用率不足50%，大量堆存引发环境风险。如何实现两种废弃物的协同资源化，成为环保与工业领域的关键难题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Materials Today Sustainability》发表研究，创新性地提出以PG为主要成分的吸水聚合物(PG-WAP)，通过复合普通硅酸盐水泥(OPC)、矿渣(GGBS)和膨润土，构建兼具高效吸水与固化功能的材料体系。研究采用水吸附测试、力学强度实验结合XRD/TGA/SEM多尺度表征，首次揭示了PG-WAP通过形成非膨胀性钙矾石(AFt)实现"吸附-锁定"水分的双重机制，为污泥脱水与PG消纳提供了"以废治废"的解决方案。

关键技术方法包括：1) 采用水静力称重法测定PG-WAP吸水率；2) 通过无侧限抗压强度(USC)评估材料力学性能；3) 利用X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)解析物相组成；4) 扫描电镜(SEM)观察微观形貌；5) 基于离子浸出实验筛选膨润土作为反应调节剂。

【吸水性能】
PG-WAP在1-2小时内达到饱和吸水，平均吸水率53%。纯PG因板状晶体结构导致水分锁定能力差，而添加9%膨润土可使化学吸水率提升7.96%，形成由AFt和C-S-H凝胶构成的稳定结构。

【凝结特性】
膨润土显著加速水化反应，含12%膨润土的PG-WAP初凝时间从1569分钟缩短至997分钟，AlO₂
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释放速率提升是关键因素。

【力学性能】
含3%膨润土的PG-WAP 28天强度达12.72 MPa，较无添加剂组提升178.18%。但膨润土存在阈值(3-6%)，过量会导致钠钙离子竞争，生成N-(A)-S-H而削弱强度。

【微观机制】
XRD显示AFt特征峰(2θ=7.5°和16°)，TGA证实水化产物在60-150°C区间脱水。SEM观察到PG-WAP中针状AFt与絮状C-S-H交织的致密结构，未反应的PG颗粒被水化产物包裹，形成"微尺度储水层"。

该研究突破性地实现了三重价值：1) 将污泥含水率从150%降至液限以下；2) PG掺量最高达80%，大幅提升固废利用率；3) 较传统带式压滤工艺降低成本42.13%。更值得关注的是，PG-WAP与PG基固化剂联用，可在单次混合中完成脱水-固化全过程，避免传统工艺中二次污泥的产生。这种"脱水-固化一体化"设计为危险废物处理提供了新范式，其揭示的"硫铝酸盐协同水化"机制对开发新型环保材料具有重要指导意义。研究团队特别指出，该技术已具备工程转化条件，未来可通过优化膨润土掺量与PG粒径分布，进一步提升在复杂污泥体系中的适应性。