高磷固废膏体充填材料的工艺特性、水化行为及有害元素固化机理研究

针对磷矿开采中产生的磷尾矿(PTS)和二水磷石膏(DPG)污染难题，研究人员提出碱激发DPG-PTS浆体系统制备磷基固废膏体充填材料(PBPB)，系统探究了高温(45℃)养护下浆体流变性、力学性能及有害组分(PO43-、F-及重金属)固化机制。研究发现最优配比(DPG含量51.42%)28d强度达1.817MPa，有害元素固化率高达99.97%，为磷工业生态保护提供关键技术支撑。

　　

随着全球磷资源需求激增，中国作为磷矿储量超32亿吨的国家，每年产生约700万吨磷尾矿(PTS)和6000万吨磷石膏，其中二水磷石膏(DPG)占比达80%。这些固废中含有的可溶性氟(F^-)、磷(PO₄^3-)及重金属(Hg、Cd等)通过雨水淋溶会引发水体富营养化，干扰人体钙磷代谢，现有处置方式仅能回收7%PTS和15%DPG。更严峻的是，当矿井深度超过1公里时，采空区温度可达45℃以上，而传统研究多聚焦常温(20-25℃)条件。为此，来自陕西某高校的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，创新性地采用碱激发DPG-PTS浆体系统开发磷基膏体充填材料(PBPB)，通过流变测试、力学实验、微观表征及毒性浸出分析等手段，系统解析了高温环境下材料的工艺特性与有害元素固化机制。

关键技术包括：采用Herschel-Bulkley(H-B)模型分析浆体流变行为，通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征水化产物，依据《固体废物浸出毒性浸出方法》评估重金属固化效率，并建立质量浓度51.7%的PTS浆体实验体系。

【流变特性】
研究发现新鲜浆体的流变曲线符合H-B模型。当骨料-水泥比(AC)从1:1增至3:1时，屈服应力(τ₀)降低76.9%，因高AC减少了水泥中AlO₅^7-/SiO₅^6-与DPG中Ca²⁺生成的初级絮凝体，同时DPG含量下降减少了自由水需求，使浆体流动性提升。

【力学性能】
最优配比(DPG含量51.42%)在45℃养护下28d抗压强度达1.817MPa，满足矿山充填要求。但早期水解释放的PO₄^3-和F^-会与Ca²⁺生成Ca₃(PO₄)₂和CaF₂覆盖材料表面，延缓水化速率并抑制强度发展。

【有害元素固化】
通过物理封存、化学稳定及沉淀生成三重机制，DPG中可溶性F/P及重金属在28d固化率高达99.97%。例如Cd通过离子交换进入水化硅酸钙(C-S-H)晶格，Pb²⁺则与SiO₄^4-形成Pb₃(SiO₄)₂沉淀。

该研究首次实现高温矿井环境下DPG-PTS浆体的协同资源化，不仅破解了磷工业"生产-环保"矛盾，更通过揭示Ca²⁺-PO₄^3--F^-多相反应机制，为固废基充填材料设计提供了理论范式。团队负责人Lang Liu指出，该技术若推广应用，可使中国磷石膏综合利用率从15%提升至80%以上，助力"双碳"目标与"绿水青山"战略实施。