Riutilizzo del fosfogesso pretrattato con lavaggio con acqua come aggregato per terreni di riempimento cementati

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16091 (2022) Citare questo articolo

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Il fosfogesso (PG) viene riutilizzato come aggregato nel terreno di riempimento cementato, il che migliora efficacemente l'efficienza di riutilizzo del PG. Tuttavia, le massicce impurità contenute nel PG aggregato influenzerebbero negativamente l'idratazione del legante e quindi peggiorerebbero lo sviluppo della resistenza del materiale di riempimento. Questa ricerca inizia con lo studio di fattibilità sul pretrattamento del PG con il metodo del lavaggio ad acqua. Basandosi sul principio più economico del fabbisogno idrico, le condizioni ottimali per il lavaggio del PG sono state determinate con un tempo di agitazione di 5 minuti e un rapporto solido-liquido di 1:0,5. Quindi, il PG originale e pretrattato è stato inserito nel materiale di riempimento. Rispetto all'utilizzo del PG originale, l'impasto liquido di riempimento utilizzando il PG pretrattato presentava prestazioni di fluidità migliori, ad esempio una viscosità dell'impasto liquido inferiore e una velocità di spurgo più elevata. Inoltre, con l’aggregato PG pretrattato, la resistenza del materiale di riempimento è stata significativamente aumentata di oltre 8 volte. Infine, è stato studiato il comportamento ambientale del terreno di riempimento cementato. Utilizzando il PG pretrattato come aggregato, le concentrazioni di PO43− e F− nell'acqua di spurgo e nei percolati di riempimento potrebbero soddisfare lo standard cinese per lo scarico integrato delle acque reflue. I risultati estendono il riutilizzo del PG come aggregato in un modo più rispettoso dell’ambiente, soddisfacendo le esigenze di miniere sostenibili.

Il riempimento cementato è un mezzo efficace per aumentare il recupero del minerale, migliorare le condizioni di sicurezza e ridurre lo smaltimento superficiale dei rifiuti solidi. Come tipico rifiuto solido, il fosfogesso (PG) è il sottoprodotto generato durante lo sfruttamento delle risorse di fosfato1,2,3. Si stima che la produzione globale di PG sia di circa 100-280 milioni di tonnellate all’anno, di cui la Cina contribuisce per il 25%4,5. Attualmente, il PG viene riciclato come additivi nei materiali da costruzione, negli ammendanti del terreno e nella produzione di cemento, ma con un tasso di utilizzo limitato al 15%6,7,8. Nel 2008, Li et al.9 hanno proposto in modo innovativo una tecnica di riempimento cementata con PG come aggregato, migliorando efficacemente il tasso di utilizzo del PG fino al 60%. Nel processo di riempimento del PG cementato, il PG aggregato (oltre l'80% in peso secco) viene miscelato con legante e acqua fino a formare un impasto liquido di riempimento eterogeneo, che viene poi pompato nelle aree sotterranee estratte. Il liquame si disidrata e si consolida gradualmente, accumulando forza per sostenere le pareti rocciose nelle miniere sotterranee.

Essendo il materiale di riempimento primario, l'aggregato PG è composto principalmente da CaSO4·2H2O e contiene anche grandi quantità di impurità come acidi residui, fosfati, fluoruri e metalli pesanti10,11. Studi precedenti hanno dimostrato che le impurità potrebbero deteriorare seriamente il processo di idratazione del terreno di riempimento e causare inquinamento ambientale. Li e Fall12 hanno aggiunto solfato nel materiale di riempimento in pasta cementata con scorie e hanno scoperto che un elevato contenuto di solfato ha avuto un impatto negativo sulla resistenza all'età precoce e sull'autoessiccazione del materiale di riempimento. Chen et al.13 hanno esplorato gli effetti del cloruro sulle proprietà meccaniche del materiale di riempimento in pasta cementata con ganga. I risultati hanno mostrato che la resistenza iniziale del materiale di riempimento diminuiva ovviamente quando il contenuto iniziale di cloro era superiore al 40‰. Zhou et al.14 hanno preparato un materiale di riempimento cementato utilizzando PG con vari contenuti di fosfato e hanno dimostrato che la forza di 120d diminuiva da 2,04 a 0,30 MPa quando il fosfato disciolto in PG aumentava da 29 a 377 mmol/kg. Quando il contenuto di fosfati nel PG supera 87 mmol/kg, tende a causare inquinamento da fosfati nell'ambiente. Inoltre, vale la pena notare che il PG è un rifiuto solido iperacido con un valore di pH solitamente compreso tra 3, rispetto ad altri aggregati di riempimento neutri1,15. Tuttavia, le reazioni di idratazione si verificano comunemente in condizioni fortemente alcaline (pH > 11,5)16. Pertanto, gli acidi residui nel PG neutralizzerebbero gli ioni idrossile del legante e interferirebbero con la reazione di idratazione del materiale di riempimento, che a sua volta disturba lo sviluppo della resistenza del materiale di riempimento. Di conseguenza, è necessario pretrattare i PG per mitigare gli effetti negativi nel loro utilizzo secondario.