Ca/Al/La LDH对磷石膏可溶性磷的固化研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0057

无机盐工业 ›› 2024, Vol. 56 ›› Issue (12): 134-141.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0057

Ca/Al/La LDH对磷石膏可溶性磷的固化研究

杨雨晴¹^,²(), 罗爱文¹^,², 王杰¹^,², 吴晨捷¹^,²(), 瞿军¹^,², 徐志高¹^,²(), 杜冬云¹^,², 曹艳敏¹^,²

1.中南民族大学资源与环境学院，湖北省重金属污染防治工程技术研究中心，湖北武汉 430074
2.中南民族大学催化转化与能源材料化学教育部重点实验室，湖北武汉 430074

收稿日期:2024-01-29 出版日期:2024-12-10 发布日期:2024-12-31
通讯作者: 吴晨捷（1984— ），女，讲师，主要从事污染治理相关技术研究；E-mail：cjscun@mail.scuec.edu.cn。
徐志高（1975— ），男，教授，主要从事稀土提取分离和矿冶废弃物资源化利用与无害化处理相关技术研究；E-mail：xuzhigaotc@126.com。
作者简介:杨雨晴（2001— ），女，硕士研究生，主要从事固废资源化利用与无害化处理相关技术研究；E-mail：1311785485@qq.com。
基金资助:
湖北省科技计划重大项目“磷石膏污染防治与综合利用相关技术研究与示范”(2022CA004);湖北省自然科学基金宜昌创新发展联合基金(2024AFD136)

Study on solidification of soluble phosphorus in phosphogypsum by Ca/Al/La LDH

YANG Yuqing¹^,²(), LUO Aiwen¹^,², WANG Jie¹^,², WU Chenjie¹^,²(), QU Jun¹^,², XU Zhigao¹^,²(), DU Dongyun¹^,², CAO Yanmin¹^,²

1.Engineering and Technology Research Center for Heavy Metal Pollution Prevention and Control，College of Resources and Environment，South-Central Minzu University，Wuhan 430074，China
2.Key Laboratory of Catalytic Transformation and Energy Materials Chemistry，Ministry of Education，South-Central Minzu University，Wuhan 430074，China

Received:2024-01-29 Published:2024-12-10 Online:2024-12-31

摘要/Abstract

摘要：

磷石膏是湿法磷酸工艺的副产物，含有质量分数为1%~2%的水溶性磷，其大量堆存对环境造成了严重危害。通过采用机械化学法合成Ca/Al/La水滑石（LDH）材料固化磷石膏中的可溶性磷，考察合成条件对产品磷吸附容量的影响，研究对比原始磷石膏和处理后磷石膏制备建筑石膏粉的理化性质差异。通过X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和粒度分析仪对固化前后的磷石膏进行表征，探究固化剂用量对可溶磷固化率和微观结构的影响。结果表明，在n［Ca（OH）₂］∶n［Al（OH）₃］∶n［La₂（CO₃）₃∙xH₂O］=12∶6∶1、球磨转速为600 r/min、球磨时间为1 h的条件下，加6%（体积分数）的乙醇作分散剂所得产品Ca/Al/La LDH（乙醇）磷吸附固化性能较优。Ca/Al/La LDH（乙醇）的添加量为1 g/L时，磷石膏中可溶磷固化率达到89.95%，优于Ca/Al LDH（78.70%）和 Ca/Al/La LDH（80.86%）。乙醇能够使固化剂在磷石膏中分散均匀，与可溶性磷结合更充分，从而提高固化性能。处理后磷石膏制备建筑石膏粉，其抗折和抗压强度分别为6.60 MPa和9.30 MPa，符合建筑石膏2.0级质量标准。该研究结果为磷石膏的无害化与资源化提供了可行思路。

关键词: 磷石膏, 水滑石, 可溶性磷固化, β-半水石膏

Abstract:

Phosphogypsum（PG） is a by-product of the wet phosphoric acid process which contains soluble phosphorous with a mass fraction of 1% to 2%.Stockpiling of large amount of PG will cause serious environmental issues.In this study，Ca/Al/La hydrotalcite（LDH） materials were synthesized by using mechanochemical method and then applied for the solidification of the soluble phosphorus in PG.The effects of synthesis condition on solidification capacity were analyzed and the physiochemical characteristics of gypsum blocks using PG before and after treatment were compared.X-ray diffractometer（XRD），Fourier infrared spectrometer（FT-IR），scanning electron microscope（SEM） and particle size analyzer were applied to explore the effects of the LDH-material dosage on soluble phosphorus solidification efficiency and PG microstructure.The results showed that the optimal synthesis conditions were using 6%（volume fraction） ethanol as the dispersant with a molar ratio of n［Ca（OH）₂］∶n［Al（OH）₃］∶n［La₂（CO₃）₃∙xH₂O］=12∶6∶1，ball milling speed of 600 r/min，and ball milling time of 1 h，which showed best solidification effects on soluble phosphorus.With addition of 1 g/L of LDH materials，the solidification efficiency of soluble phosphorus in PG was up to 89.95% for Ca/Al/La LDH（ethanol），superior than Ca/Al LDH（78.70%） and Ca/Al/La LDH（80.86%）.Ethanol enabled the LDH materials to be uniformly dispersed in PG and therefore could more effectively combine with soluble phosphorus，improving the solidification performance.The flexural and compressive strengths of gypsum blocks prepared using treated PG reached 6.60 MPa and 9.30 MPa，respectively，which were in accordance with the standard of construction gypsum（level 2），and thus provided a feasible approach towards the harmlessness and resourcefulness of PG.

Key words: phosphogypsum, hydrotalcite, soluble phosphorus solidification, β-hemihydrate gypsum

中图分类号:

TQ132.32

杨雨晴, 罗爱文, 王杰, 吴晨捷, 瞿军, 徐志高, 杜冬云, 曹艳敏. Ca/Al/La LDH对磷石膏可溶性磷的固化研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 134-141.

YANG Yuqing, LUO Aiwen, WANG Jie, WU Chenjie, QU Jun, XU Zhigao, DU Dongyun, CAO Yanmin. Study on solidification of soluble phosphorus in phosphogypsum by Ca/Al/La LDH[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(12): 134-141.

图/表 15

表 1

图1

图2

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图8

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表 5

图9

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参考文献 19

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固化剂用量/ （g·L^-1）	可溶性磷质量分数/%
固化剂用量/ （g·L^-1）	Ca/Al LDH	Ca/Al/La LDH	Ca/Al/La LDH（乙醇）
1	0.34	0.30	0.16
2	0.27	0.19	0.12
3	0.26	0.17	0.11
4	0.21	0.16	0.05
5	0.20	0.14	0.04

固化剂	比表面积/（m²·kg^-1）	平均粒径/μm
Ca/Al LDH	105.75	87.44
Ca/Al/La LDH	87.94	88.10
Ca/Al/La LDH（乙醇）	103.85	99.23

温度/ ℃	材料	w（标准稠度用水）/%	凝结时间/min		3 d强度/MPa
温度/ ℃	材料	w（标准稠度用水）/%	初凝时间	终凝时间	抗折	抗压
170	Ca/Al/La LDH	63	4.00	6.05	5.20	8.70
	Ca/Al LDH	59	4.03	4.90	3.90	6.50
	Ca/Al/La LDH（乙醇）	65	4.10	4.70	6.60	9.30
	磷石膏	60	5.45	6.40	5.40	8.60

温度/ ℃	材料	w（标准稠度用水）/%	凝结时间/min
温度/ ℃	材料	w（标准稠度用水）/%	初凝时间	终凝时间
140	Ca/Al/La LDH（乙醇）	65	11.20	>30
150			6.78	7.03
160			4.21	6.18
170			4.10	4.70
180			3.32	5.22

名称	项目	数量	单价	消耗额/元	备注
磷石膏固化	碳酸镧	180.4 g	1万元/t	1.80	每得到1 t合格的磷石膏需原料1 250 kg
	氢氧化钙	700.75 g	400元/t	0.28
	氢氧化铝	368.85 g	2 000元/t	0.74
	乙醇	75 mL	4 700元/t	0.44
	水	0.625 m³	4元/ m³	2.50
	电	250 kW·h	0.725元/（kW·h）	181.25
β-建筑石膏粉	燃料、动力费	1 t		81.50
	合计			268.51

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