DESIGN AND MODELING

Immobilization of heavy metals and radionuclides of phosphogypsum origin in anhydrite cement matrix and verification of environmental safety by leaching and spectroscopy methods

Authors

  • Sofia N. Karpocheva National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Sofia A. Golunova National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Yaroslav M. Oberyukhtin National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Aslan S. Gasiev National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Victoria P. Raskova National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia

How to cite

GOST Karpocheva S. N., Golunova S. A., Oberyukhtin Y. M., Gasiev A. S., Raskova V. P. Immobilization of heavy metals and radionuclides of phosphogypsum origin in anhydrite cement matrix and verification of environmental safety by leaching and spectroscopy methods // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 10. P. 132-142.
APA Karpocheva, S. N., Golunova, S. A., Oberyukhtin, Y. M., Gasiev, A. S. & Raskova, V. P. (2025). Immobilization of heavy metals and radionuclides of phosphogypsum origin in anhydrite cement matrix and verification of environmental safety by leaching and spectroscopy methods. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(10), 132-142.

Abstract

Under the conditions of increasing accumulation of phosphogypsum as a large-tonnage industrial waste, the aim of this study was to develop an anhydrite binder based on thermoactivated phosphogypsum and to assess the efficiency of immobilization of heavy metals and natural radionuclides in its matrix with verification of environmental safety. To obtain anhydrite cement, phosphogypsum was calcined at 700-900 °C, followed by grinding and modification with CaO and K2SO4; the structure and phase composition of the composites were studied by XRD, SEM/EDS, and mercury porosimetry; radiation characteristics were analyzed by gamma spectrometry; leachability of lead, cadmium, arsenic, and zinc was determined by dynamic and static tests using atomic absorption spectrometry; physical and mechanical properties were measured by standard tests of 40×40×160 mm samples, with statistical processing performed according to the experimental design. It was established that the comprehensively modified composition B forms a densified structure with a density of about 2100 kg/m³, compressive strength of 34,15 MPa, softening coefficient of 0.81, and reduced open porosity (7,45%), ensuring decreased diffusion permeability. The effective specific activity of natural radionuclides for the optimal composition (Aeff ≈ 406 Bq/kg) corresponds to class II materials and allows their use in industrial and road–civil construction. The concentrations of Pb, Cd, As and Zn in the aqueous extract are significantly below permissible limits, the immobilization degree reaches 78-87%, and residual toxicant contents do not pose environmental risks during operation. A nonlinear inverse relationship was found between open porosity and immobilization degree, confirming the dominance of the diffusion-barrier retention mechanism of pollutants in the anhydrite matrix. It is discussed that the use of modified phosphogypsum in anhydrite binders makes it possible to simultaneously address the issues of hazardous waste utilization, production of medium-strength construction materials, and reduction of anthropogenic load in regions with developed chemical industry.

Keywords

phosphogypsum anhydrite cement heavy metal immobilization radiation safety leaching

References

Алкацев М.И., Алкацева В.М. Электрогенерация ионов сурьмы в процессе цементационной очистки растворов от кобальта // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 1991. № 4. С. 48 52.

Веренкова Э.М. Фосфатный цемент: авторское свидетельство SU 421660 A1. Заявка № 1821747/29 33 от 16.08.1972; опубл. 30.03.1974.

Голгер Ю.Я., Израйлевич Э.Г., Шафеев Р.Ш. Способ цементации металлов из растворов: авторское свидетельство SU 414322 A1. Заявка № 1753829/22 1 от 28.02.1972; опубл. 05.02.1974.

Кожушко В.В. Экологически чистые строительные материалы на основе переработанного фосфодигидрата сульфата кальция: дис. ... канд. техн. наук. Харьков, 1997.

Никитин А.В., Кондакова Ю.В., Сазонов А.Б. Включение отработанного ТБФ в цементную матрицу с использованием терморасширенного графита // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. № 6(155). С. 83 85.

Овчаренко Г.И., Викторов А.В., Мальцев В.В. Оценка прочности цементного камня с добавками методом рамановской спектроскопии // Качество. Технологии. Инновации: мат. Всерос. науч. практ. конф. с межд. участ. 2019. С. 188 191.

Сафронов Н.Н., Харисов Л.Р. Автоматизированная установка для синтезирования ферросилида и высокоглиноземистого цемента из дисперсных отходов машиностроения // Автоматизация и информационные технологии: мат. Межвуз. науч. практ. конф. / М во образования РФ, Администрация г. Набережные Челны, Кам. гос. политехн. ин т. 2002. С. 13-14.

Сватовская Л.Б. Новое геоэкозащитное свойство строительных материалов и изделий // Технологии техносферной безопасности. 2014. № 1(53). С. 36.

Слюнчев О.М., Ремизова В.А., Бобров П.А. Результаты цементирования пульпы диоксида марганца, содержащей альфа излучающие радионуклиды // Вопросы радиационной безопасности. 2019. № 4(96). С. 30-38.

Соломатин О.М., Красильников В.А., Зенин В.Д. Склад цемента: авторское свидетельство SU 716945 A1. Заявка № 2493437 от 08.06.1977; опубл. 25.02.1980.

Сычева Л.И., Ануфриев М.В. Физико химические особенности производства ангидритового цемента из фосфогипса // Неорганические материалы. 1995. Т. 31. № 11. С. 1484 1488.

Сычева Л.И., Степанчиков М.П., Штадгауз С.Ф. Свойства ангидритовых цементов из отходов переработки фосфатов Каратау: депон. рукопись № 1409. 1987.

Фанина Е.А., Лопанов А.Н. Исследование гидратации портландцементов методом радиоспектроскопии // Цемент и его применение. 2010. № 6. С. 100-102.

Федорцов А.П., Андронов А.Ф., Ерофеев В.Т. Недоотвердение цементных материалов как способ повышения их химического и биологического сопротивление // Биоповреждения и биокоррозия в строительстве: мат. III Межд. науч. техн. конф. Под ред. Н.И. Карпенко. 2009. С. 250-254.

Шершнева М.В., Ефимова Н.Н., Клюев А.В. Очистка элементов гидросферы от ионов металлов с использованием напрягающего цемента // Геоэкохимия защиты литосферы: мат. II Межд. науч. практ. интернет конф. 2016. С. 41 43.

Metrics

47 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

You may also start an advanced similarity search for this article.

Most read articles by the same author(s)