Иммобилизация тяжелых металлов и радионуклидов фосфогипсового происхождения в матрице ангидритного цемента и верификация экологической безопасности методами выщелачивания и спектроскопии

Аннотация

В условиях нарастающего накопления фосфогипса как крупнотоннажного техногенного отхода целью исследования являлась разработка ангидритового вяжущего на основе термоактивированного фосфогипса и оценка эффективности иммобилизации тяжелых металлов и естественных радионуклидов в его матрице с верификацией экологической безопасности. Для получения ангидритового цемента фосфогипс подвергали обжигу при 700-900 °C с последующим помолом и модификацией CaO и K2SO4; структура и фазовый состав композитов изучались методами РФА, СЭМ/ЭДС, ртутной порометрии, радиационные характеристики – гамма-спектрометрией, выщелачиваемость свинца, кадмия, мышьяка и цинка – динамическими и статическими тестами с атомно-абсорбционной спектрометрией, физико-механические свойства – стандартными испытаниями образцов 40×40×160 мм, статистическая обработка проводилась по плану эксперимента. Установлено, что комплексно модифицированный состав В формирует уплотненную структуру с плотностью около 2100 кг/м³, пределом прочности при сжатии 34,15 МПа, коэффициентом размягчения 0,81 и сниженной открытой пористостью (7,45%), что обеспечивает уменьшение диффузионной проницаемости. Эффективная удельная активность естественных радионуклидов для оптимального состава (Aэфф ≈ 406 Бк/кг) соответствует II классу материалов и допускает их применение в промышленном и дорожно-гражданском строительстве. Концентрации Pb, Cd, As и Zn в водной вытяжке значительно ниже предельно допустимых значений, степень иммобилизации достигает 78-87%, а остаточные содержания токсикантов не создают экологических рисков при эксплуатации. Обнаружена нелинейная обратная зависимость между открытой пористостью и степенью иммобилизации, подтверждающая доминирование диффузионно-барьерного механизма удерживания поллютантов в ангидритовой матрице. Обсуждается, что использование модифицированного фосфогипса в ангидритовых вяжущих позволяет одновременно решить задачи утилизации опасного отхода, получения конструкционных материалов средней прочности и снижения антропогенной нагрузки в регионах с развитой химической промышленностью.