前景廣闊!工業副產石膏資源循環利用的機遇和挑戰在哪里?

            我國石膏分為天然石膏和工業副產石膏。天然石膏或受保護,或因開采危險正逐步減少。隨著社會經濟的發展,工業副產石膏源源不斷產出,正逐步替代天然石膏,甚至超過天然石膏得到大量使用。工業副產石膏種類繁多,但其核心成分都是二水硫酸鈣或無水硫酸鈣,現有工業副產石膏品種可以完全替代天然石膏,經過技術加工后,膠結性能可以大幅度提升。

            當前,在“雙碳”背景下,工業副產石膏發展迎來新的挑戰。目前,在我國工業副產石膏的資源化利用中,還存在著行業規模小、發展不平衡、品質不穩定等問題。多位專家對我國工業副產石膏資源化利用存在的問題、科學利用的途徑等進行交流討論,以期為科學合理、高效地利用工業副產石膏,特別是為企業工業副產石膏的資源化利用提供技術指導和支持,促進工業副產石膏資源化利用的健康發展。

            堅持產品質量底線 追求產業健康發展

            縱觀世界其他發達國家的建筑材料體系,石膏基膠凝材料占據了很大的比例。中國硅酸鹽學會固廢與生態材料分會副秘書長于立安指出,基于石膏基材料具有質量輕、隔音隔熱、防火抗震等諸多優點,未來在我國除了硅酸鹽水泥基材料以外,石膏基材料和耐侵蝕的水工膠凝材料的需求將成倍增長,有著非常廣闊的市場前景。

            前,工業副產石膏在一些地方的市場應用中存在質量問題。中山嘉河環保科技有限公司的技術總監封祁寧長期從事石膏生產工作,對原料端把控、半成品生產、成品加工及工地現場的應用有豐富的經驗。他指出,房地產下行,開發商資金鏈存在風險,必然引起總包方的付款問題,也將導致施工承包商及材料供應商的競爭加劇,主要表現在減少成本和價格競爭。以石膏基自流平為例:隨著競爭日益激烈,石膏基自流平的價格日趨走低。有些企業為降低成本,會在產品的生產過程中加水。水量增加可以增加涂布率,同時流動度的增加可以減少外加劑。但對于石膏基自流平來講,產品需要長期承壓,而水量如果過多,長期來看會對產品質量產生影響。“短期沒問題不代表長期沒問題。”封祁寧說。

            武漢理工大學材料科學與工程學院教授劉剛表示:“磷石膏資源化利用,必須遵循各產業發展的客觀規律和產業間的相互關系,針對不同資源化方法、技術成熟度和市場需求等因素,制定相應的資源化途徑。”因此,各單位要充分了解產品品質,以質量為底線,追求產品健康發展。“任何破壞質量底線的行為都將埋下隱患。

            資源化利用范圍廣 六大技術瓶頸有待突破
            目前,磷石膏的資源化利用涉及水泥行業、建筑材料、道路工程、農業及化工等領域。磷石膏在水泥行業,比較成熟的利用方式是生產緩凝劑和礦化劑。用磷石膏做礦化劑可提高產量,降低能耗,提高水泥熟料的質量,但摻量較少,利用率不高。其次是生產磷石膏基膠凝材料,這種利用方式突破了石膏只能作為氣硬性膠凝材料的限制,采用水化產物對石膏進行包裹,使石膏基材料獲得了較好水硬性,拓寬了石膏基材料的應用范圍。這種利用方式通過調控磷石膏、鋼渣、礦渣體系的活性鈣含量在大幅提高磷石膏摻量的同時,解決了石膏過多造成水泥安定性不良的技術難點,且工藝簡單,只需要一步濕磨,就能耗少、成本低。

            此外,水泥行業還可利用磷石膏制硫酸聯產水泥;道路工程可利用磷石膏作為公路的路基填料、基層膠結料;農業可利用磷石膏呈弱酸性的特點將其作為土壤改良劑,改良鹽化、堿化土壤;礦山可以大量應用磷石膏膠凝材料作為充填材料;造紙工業可利用磷石膏生產磷石膏晶須,以及在化工領域制備制硫酸鉀和硫酸銨等。劉剛表示,隨著技術的不斷成熟,磷石膏在建材行業的應用將是其資源化的主流。

            最新研究發現,以磷石膏為發泡劑,利用其結晶水的分解制成的泡沫瀝青,用于道路工程中可降低瀝青的黏度和道路的碾壓溫度,而且磷石膏作為改性劑,還可以提高瀝青的抗高溫變形能力。
            目前,磷石膏用于道路基層有四種形式:一是磷石膏制備膠凝材料,替代傳統水泥;二是作為填料,填充于級配碎石的空隙中;三是制備成無骨料磷石膏穩定土;四是制備成人造骨料,替代天然骨料用于道路基層。關于實際應用中遇到的問題,劉剛認為有以下六個方面:
            一是硫磷石膏水泥替代普硅水泥,基層材料的早期強度較低,后期強度增長較快,需要增加開放交通的養護時間。

            二是在干縮和溫縮的雙重作用下,半剛性基層的收縮開裂很難避免,需要設計基層材料組分,更好發揮過硫磷石膏水泥微膨脹和失水收縮的協同作用,從而減少半剛性基層的收縮開裂。

            三是路基與基層間的層間防水問題。
            四是由于磷石膏穩定土是粉體壓制成型,抗沖刷性能較差的問題。
            五是基層材料強度和耐久性的問題。如寒冷地區水分是否會引起基層的凍脹開裂,人造骨料表面的一層界面疏松區是否影響強度等,加上人造骨料需要養護和堆存,如何提高早期強度、減少堆存周期也需要行業思考。
            六是環境影響問題。磷石膏大規模應用所滲出的雜質影響環境,目前最有效的方法還是磷化工企業的無害化處理。劉剛表示,若能有效突破以上六大瓶頸問題,將進一步推動磷石膏的大規模應用。
            優化石膏材料品質 加強創新與應用結合
            石膏基未來如何發展?桂林理工大學教授、北京建筑材料科學研究總院首席專家段鵬選提到要從兩大角度來考慮石膏的發展方向:一是技術角度,二是市場角度。
            從技術角度來說,工業副產石膏因為生成工藝、成因不同,導致其純度、雜質、種類、含量、晶型結構各不相同。而不同工藝的雜質在建材和其他應用領域的利害也有不同,需要進行深入的基礎研究,既找出共性,又找出個體特性,方能有針對性地解決問題。因此,基礎研究及科學應用的研究與實際相結合,將是提升整個行業利用水平的必由之路。隨著科技的進步,“雙碳”戰略實施,未來具有低碳、循環、綠色特性的石膏材料應用會越來越廣泛。
            從市場角度來說,脫硫石膏之所以進入我國不到20年時間就能得到非常好的應用,得益于脫硫石膏在國外已經有非常完善的基礎研究。段鵬選指出,“我國從2007年開始著手制定中國脫硫石膏標準,在借鑒國外的標準和技術的基礎上,實現了彎道超車。反觀磷石膏的發展,我國有近60年的生產歷史,但都未能很好地將其應用,有的甚至形成了環境問題。
            封祁寧同樣指出,這一問題與歷史原因和基礎研究不夠有關。因此,他建議我國高校和科研院所加強對石膏的基礎研究,鼓勵企業在力所能及的情況下支持研發工作。高校、科研院所與企業相結合,既能發揮高校科研院所的研究能力,同時還能直接了解企業實際需求,從而形成合力提升行業水平,強化基礎研究。劉剛也寄希望于科研機構和相關企業,希望進一步突破磷石膏副產品作為單一資源的固有思維,結合其他堿性工業固廢,如赤泥、鋼渣、鈦渣、錳渣等,開展協同利用的技術攻關,拓寬工業固廢的利用途徑,開發具有高附加值的產品,實現磷石膏資源化產業大規模、高質量、可持續發展。

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