原文出自 Materials 期刊

Liu, X.; Liu, X.; Zhang, Z.; Wei, C.; Zeng, Q.; Li, Y.; Ma, S. Investigation of the Pozzolanic Activity Improvement of Yellow Phosphorus Slag with Thermal Activation. Materials 2023, 16, 6047.https://www.mdpi.com/1996-1944/16/17/6047

通讯作者介绍

刘晓明 教授 | 北京科技大学

北京科技大学冶金与生态工程学院教授、博士生导师。入选教育部“课程思政教学名师及教学团队成员”、第十二届中国金属学会“冶金青年科技奖”、第四届中国有色金属学会“创新争先计划”、斯坦福大学“World Top 2% Scientists”。长期从事工业固废/危废资源化高效利用的研究与应用工作，包括有色/钢铁冶炼渣尘、煤基固废、工业副产石膏、尾矿、垃圾焚烧飞灰等固废的材料化利用，以及固废中有价元素的提取利用。先后承担国家、省部级和企业科研项目60余项。在国内外学术期刊发表论文120余篇，其中ESI高被引4篇，已授权国家发明专利31件，以第一完成人获国家一级协会/学会科技进步奖3项 (含一等奖1项)。兼任中国硅酸盐学会理事、中国硅酸盐学会固废分会常务理事、青年委员会主任委员、中国建筑学会建材分会理事，以及 Materials、Green Energy and Resources、Materials Reports: Solidwaste and Ecomaterials 期刊编委，IJMMM、J Iron Steel Res Int 和《工程科学学报》期刊青年编委。

张增起 副教授 | 北京科技大学

长期从事先进土木工程材料的研究工作。先后承担“十四五”重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年基金等科研项目十余项。

第一作者介绍

刘新月 博士研究生 | 北京科技大学

主要从事黄磷渣、钢渣等工业固废的资源化利用工作。参与多项国家自然科学基金及省部级重点研发计划项目。发表SCI论文4篇；申请发明专利1项；获北京科技大学泰山钢铁奖学金。

文章导读

黄磷渣 (Yellow Phosphorus Plag, YPS) 是磷矿生产黄磷时产生的一种固体废物。每生产1吨黄磷，大约产生8~12吨黄磷渣。中国每年生产约800万吨黄磷渣，但磷渣综合利用率不到50%。绝大部分的黄磷渣都采用堆积放置处理，不仅占用土地，还破坏环境，危害人体健康。黄磷渣主要成分为CaO和SiO2，非晶含量可达85%~90%，具有潜在的火山灰活性，可作为水泥和混凝土的补充胶凝材料使用。但黄磷渣早期活性相对较低，而且成分中的磷和氟会延缓水泥的硬化和凝结。因此，需要采取措施增强黄磷渣活性，提高黄磷渣基胶凝材料的早期强度。

北京科技大学刘晓明教授团队在 Materials 期刊发表了文章 (Investigation of the Pozzolanic Activity Improvement of Yellow Phosphorus Slag with Thermal Activation)，采用了抗压强度法、碱溶出法和聚合度法探究了热活化对黄磷渣火山灰活性的影响，深入分析了黄磷渣在煅烧过程中物相的转变和硅氧四面体聚合度的变化。该项研究对于黄磷渣在水泥和混凝土中的利用具有理论指导意义。

研究过程与结果

在研究过程中，作者首先对黄磷渣进行球磨和热活化，分别得到了不同温度下煅烧的活化黄磷渣YPSn (n=100-1000)，如图1所示。图2显示了活化黄磷渣的XRD谱图。未煅烧的黄磷渣和YPS100-600的XRD图相似，没有明显的衍射峰，在20~40°处有一个主要的宽峰。随着温度的升高，黄磷渣的相组成也逐渐发生变化，非晶含量减少，各相的结晶度增高。

图1. 活化黄磷渣的形貌特征。

图2. 活化黄磷渣的XRD谱图。

作者采用抗压强度法、碱溶出法和聚合度法探究了热活化对黄磷渣火山灰活性的影响。如图3所示，随着煅烧温度的升高，黄磷渣水泥砂浆的抗压强度先增大后减小。YPS800的3 d抗压强度最高，28 d强度相对较低。这说明热处理可提高早期强度，但会降低最终强度。800 ℃煅烧有利于提高黄磷渣水泥砂浆的早期抗压强度，而100 ℃煅烧有利于提高黄磷渣水泥砂浆的28 d抗压强度。

图3. 黄磷渣水泥砂浆的抗压强度 (a) 和火山灰活性指数 (b)。

表1列出了未煅烧和在不同温度下煅烧的黄磷渣在1 mol/L NaOH溶液中硅和铝的溶解浓度。随着温度的升高，硅和铝的溶解浓度先升高后降低。YPS100中硅和铝的溶解浓度分别为41.01 mg/L和30.08 mg/L。其中 (Si+Al) 的溶解浓度最高，这与黄磷渣水泥砂浆的28 d抗压强度相符。YPS1000的Si、Al和 (Si+Al) 溶解浓度最低，其28 d抗压强度和28 d火山灰活性指数也是最低的。

表1. 活化黄磷渣的Si和Al溶解浓度 (mg/L)。

表2显示了活化黄磷渣在800~1200 cm-1之间拟合峰的相关参数。随着温度的升高，黄磷渣的聚合度先降低后升高。YPS100的RBO (relative bridging oxygen bond) 值最小；YPS1000的RBO最大。这一结果与28 d抗压强度以及硅和铝的溶解浓度相一致。此外，当温度超过800 ℃时，红外拟合结果的R2会减小，这是因为出现了新的结晶相。因此，在没有其他影响材料的情况下，RBO评估方法适用于800~1200 cm-1范围内。

表2. 活化黄磷渣拟合峰的相关参数。

研究总结

本文研究了黄磷渣在100~1000 °C煅烧过程中的相变和结构转变，并通过抗压强度法、碱溶出法和聚合度法分析了黄磷渣的火山灰活性变化。未煅烧的黄磷渣主要含有无定形的铝硅酸盐。随着煅烧温度升高至800 ℃，黄磷渣中出现了结晶相。在800 ℃时会形成尖晶石 (Ca4Si2O7F2)；在1000 ℃时形成氟磷灰石 (Ca5(PO4)3F) 和硅灰石 (CaSiO3)。聚合度则随着煅烧温度的升高先降低后升高，在100 ℃时最低。由于相和聚合度的变化，煅烧温度对黄磷渣的火山灰活性有很大影响。研究发现，在800 ℃下煅烧的黄磷渣有利于提高样品的早期强度，而在100 ℃下煅烧的黄磷渣的28 d抗压强度最高。同时，黄磷渣的火山灰活性与抗压强度和 (Si+Al) 溶解浓度呈正相关，而与聚合度呈负相关。这项研究为黄磷渣在水泥和混凝土中的利用提供了理论支持。

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2022 Impact Factor：3.4

2022 CiteScore：5.2

Time to First Decision：13.9 Days

Time to Publication：38 Days