磷石膏组成特性及处理方法

特性磷石膏通常是灰黑色或灰白色，只有少数对生产条件严格工厂的产生的磷石膏杂质少，颜色比较浅，有时呈白色。磷石膏主要物相是二水硫酸钙，晶体的晶型有针状、单分散板状、多晶核和密实四种形态，其中以板状晶体为主。磷石膏的胶凝性能低于天然石膏，胶结性能不如天然石膏，粘滞性、流动性也比天然石膏差，磷石膏浆体凝结时间长，并具有一定的腐蚀性。磷石膏在水中的溶解度极小，随着温度的升高溶解度下降，层间的透水性能优于水平层内的透水性能，是一种应变软化材料。磷石膏的粒径大小比例比较集中，杂质的含量与晶体的形貌与磷矿石有很大的关系，磷石膏的晶型越规则，磷石膏的粒径就越大，杂质含量相对就越少。

杂质磷石膏中的杂质是指除了硫酸钙以外的组分，包括少量未完全分解的磷矿、残留的磷酸以及氟化物、酸不溶物、铁铝化合物、有机质等。根据磷石膏中杂质的物理特性，可以将杂质分为三类：第一类为可溶性杂质；第二类为难溶性杂质；第三类为放射性杂质。其中可溶性杂质对环境的危害最大，随雨水渗透到土壤中污染环境；对于不溶杂质而言，影响相对比较弱。难溶性杂质含量较高，种类不一。

磷磷石膏中磷的含量比较多，是对磷石膏的物理特性影响最大的杂质，磷石膏中因为磷的存在严重制约了其合理化利用。根据磷在磷石膏中的存在形式可以将杂质磷分为三种，分别为可溶磷、难溶磷和共晶磷。其中，可溶磷对磷石膏的性能影响最大。可溶磷主要成分是磷酸，在溶液中发生电离，水溶磷主要以 H3PO4、H2PO4-、HPO42-、PO43-形式存在。

可溶磷容易与钙离子生成难溶性的钙盐，钙盐对二水石膏的水解产生阻碍作用，严重影响了磷石膏进一步的水化的作用。同时，磷酸电离出的氢离子降低了周围环境的 pH，酸性的土壤环境不适合一些植物和微生物的生长。地下水也会受到酸性环境的影响，使生活用水的 pH 降低，影响人类及其它生物的生活。

另外，含磷化合物随雨水流入湖泊，引起水体富营养化，引发赤潮，破坏生态环境平衡。磷石膏中难溶磷的存在形式是 Ca3(PO4)2 和 FePO4，其中 Ca3(PO4)2 含量比较多，大约为 1.2%，难溶磷的分布比较集中，主要分布在颗粒比较大的磷石膏中，难溶磷的物化特性稳定，对磷石膏物性的影响非常小，可以忽略不计。共晶磷即是 HPO42-代替 SO42-进入硫酸钙晶格中产生的固溶体。磷石膏在建筑材料的水化过程中，共晶磷明显降低了石膏的水化率，二水石膏的过饱和度降低，使石膏晶体粗化，结构疏松，降低了建材及水泥的强度，影响石膏的凝结。石膏水化过程中，共晶磷从晶格中析出，变成可溶性的 HPO42-，HPO42-电离出的 PO43-与溶液中的 Ca2+结合生成难溶性Ca3(PO4)2，难溶性的磷酸钙覆盖在晶体的表面阻碍石膏的进一步水化，导致石膏强度降低，电离出的氢离子使浆体 pH 降低，不仅会腐蚀机器设备，干燥后的制品表面还会出现粉化、泛霜现象。

氟根据氟在磷石膏中的存在形式可分为两种，分别为可溶性氟和难溶性氟，可溶性氟主要是 NaF，难溶性氟主要是 CaF2、Na2SiF6。磷石膏中的氟主要是由磷矿石中转移而来的，磷矿石经过硫酸酸解，磷矿石中20%~40%的氟夹杂在磷石膏中。可溶性氟对磷石膏的影响作用主要在于减弱了磷石膏分子间的相互作用力，所以当磷石膏中的可溶性氟含量达到一定程度时，会降低磷石膏的抗压抗折强度。同时可溶性氟会污染环境和影响人的身体健康，可溶性氟大量流入水体和土壤，人体通过食物和饮水摄入过多会导致氟病。

有机杂质磷石膏含有一定的有机物，主要来源于磷矿石的本身和磷矿石酸解过程中添加的有机催化试剂，有机催化试剂成分主要为乙二醇甲醚乙酸酯、异硫氰甲烷等。重金属、放射性杂质磷石膏中重金属离子和放射性物质是需要被关注的问题，其含量大约占0.05%~0.2%，重金属离子有 Cd、Cu、Zn、Pb 等。重金属在土壤中的含量分布受磷石膏堆的影响，距离磷石膏堆越远重金属含量越低。磷石膏中的放射性物质主要有氢、氡等，这些元素发生核衰变时发射的射线与微尘颗粒形成气溶胶，吸入这些颗粒对人体造成伤害。

除杂方法

因为磷石膏中含有磷、氟、有机物等杂质，在综合利用磷石膏之前，需要对磷石膏进行预处理除去其杂质，改善磷石膏的物化性能。当前磷石膏除杂方法主要有化学法、物理法和热处理等方法。

化学法

磷石膏化学处理方法是通过添加化学试剂与杂质反应生成沉淀分离去除，或者生成惰性物质，在后期处理过程中去除。通过向磷石膏中加入熟石灰、石灰石、生石灰等碱性物质来溶解磷石膏中的可溶磷、氟等杂质，同时增大了磷石膏的 pH 值，使可溶性磷和氟转化为惰性物质。由于国内的磷石膏的杂质因磷矿石不同含量波动比较大，在化学法处理之前需要进行预处理工艺。有学者使用硫酸作为浸提剂，实验条件：温度 88℃，浸取时间 45 min，硫酸质量分数为 30%，固含量 0.43 g/mL，经测试磷石膏的氟去除率可达 84.5%，同时可以提高磷石膏的白度。

物理法

物理除杂方法主要有水洗、浮选、球磨等。在物理除杂中水洗是最有效的除杂方法，可以有效的去除磷石膏中的有机质和可溶性杂质。为了避免二次污染，洗涤过的污水必须进一步预处理才可排放。研究水洗处理工艺条件对磷石膏中 P2O5含量的影响，得到在最优工艺条件下，水洗处理后磷石膏中 P2O5 质量分数降至 0.1%以下。

浮选是根据磷石膏杂质颗粒表面物理化学性质的不同，从磷石膏中分离出杂质的一种方法。磷石膏浮选一般采用石灰中和后，同时添加浮选药剂调控矿物表面的疏水性。经过浮选可有效脱出磷石膏中可溶盐和不溶性杂质，从而提高磷石膏的白度和纯度。

热处理法

热处理法是通过高温处理磷石膏，除去其中的有机质和共晶磷。磷石膏经过高温煅烧，共晶磷转化为焦磷酸盐，有机质和氟杂质经过高温处理挥发出去。热处理法的缺点是能耗大、热方式相比，具有加热速度很快，加热均匀，反应迅速的特点。磷石膏热处理后其性能和品煅烧温度高、时间较长。其缺点限制了其广泛的应用。闪烧法是出现的新的热处理方法，和传统的加位都有很大的提高，因此热处理是有效处理磷石膏的方式之一。

来源：国兴建业Tech

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