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人石膏是磷酸和磷肥生产过程中生产的副产品，是许多领域都可以使用的基础材料。
1.磷石膏概述
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磷石膏主要是在磷酸生产过程当中，磷矿经过硫酸的侵蚀所产生的固体废渣，是一种可回收利用的材料，特别是在当前的循环可持续发展思想下，磷石膏更是在多个领域得到了应用。
1.1
磷石膏的物理特性
磷石膏是一种颜色为灰白色或黄白色的并且主要以针状晶体、多晶核晶体、单分散板状晶体、密实晶体结晶形态存在的细粉状固体。磷石膏中的主要矿物成分为石膏，石膏在磷石膏全料中约占96%~97%，其次是石英和选矿剂残渣，石英占磷石膏的3%左右。磷石膏的含水率随温度的升高而迅速增大，磷石膏溶解度极小并且溶解度随温度升高而降低，层间渗透性大于水平层内的渗透性，磷石膏材料是应变软化材料[1]。
1.2
磷石膏的化学特性
磷石膏的主要化学成分是氧化钙和三氧化硫，磷石膏中还含有一定量的结晶水以及二氧化硫、磷、氟和有机物等杂质，磷石膏粒径呈正态分布且分布较为集中，磷石膏中杂质含量的多少与磷石膏的形貌息息相关，磷石膏的形貌越规则，磷石膏的粒径就越大，磷石膏中杂质的含量就越少。磷石膏具有耐高温和耐化学腐蚀的特点，磷石膏最大的优点就是强度高、韧性好。磷石膏与聚合物具有非常强的亲和力，这使得磷石膏容易用聚合物进行表面处理，也能与聚合物加工生成复合材料[1]。
1.3
磷石膏的主要元素及其分布
在磷石膏中，主要元素的分布规律为：
（1）K、Fe、Mg、Cr、As、Zn、F等元素，随堆存时间增加，流失量也增加，流失率为69.2%~100.00%。新鲜磷石膏堆存一年之后，Zn、Mg、Cr元素几乎完全流失。
（2）堆存时间增加，Na、Co、Pb、Sr含量下降幅度不大，流失量比较小[2]。
（3）Ti、Ni的含量在堆存中没有明显变化，表现为略微升高的趋势。
2.磷石膏的改性
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2.1
磷石膏物理改性
2.1.1磷石膏的超声改性
刁梦娜等用超声波对无水硫酸钙晶须(ACSW)进行改性。具体做法是将 ACSW 分散于无水乙醇中，超声处理40min，在50℃下烘干备用。无水硫酸钙晶须(Anhydrous calcium sulfate whisker，ACSW)超声改性工艺及操作简单、成本低廉。超声改性主要是提高磷石膏在其他材料中的分散性以提高复合材料的均一性。
2.1.2常见改性处理
磷石膏常见的改性处理工艺主要有：
(1)水洗：可除去共晶磷以外的其它杂质，除杂效率可达96.68%，但水洗生产线一次性投资大，能耗高，污水排放容易造成二次污染。
(2)浮选：类似于水洗，主要适用于有机质含量较高的磷石膏。
(3)石灰中和：可使有害态的磷、氟等杂质转化为惰性的难溶性盐，从而消除这些杂质对磷石膏的不利影响。该工艺简单、投资少、除杂效果显著，是目前应用最为广泛的一种除杂改性方法，但不能消除有机物对磷石膏性能的影响，特别适用于有机物含量不高的磷石膏[3]。
(4)筛分：磷石膏中的磷、氟、有机物等杂质随着磷石膏粒径的不同含量分布也不同，即随着粒径变化呈现不均匀的分布。可溶磷、总磷、氟和有机物杂质含量随着磷石膏颗粒度的增加而迅速增加；共晶磷含量随颗粒度的减小而增加。该工艺与磷石膏的杂质分布和颗粒级配密切相关，应用范围较小，当杂质分布严重不均时，除杂效果显著，可优先选用。
(5)球磨：磷石膏中的晶体粗大、均匀、多呈板状，这种颗粒结构导致磷石膏胶结材的流动性差，需水量大，硬化体性能差。而球磨处理可有效改善这种颗粒结构，使磷石膏颗粒粒度变小，二水石膏的颗粒形貌和均匀尺度发生破坏，呈现柱状、板状等多样化变化，进而使得胶结材流动性大幅度增加，最终降低了磷石膏的需水量，改善硬化体孔隙率高、结构疏松的缺陷[3]。
(6)煅烧：共晶磷在800℃煅烧情况下可转化为惰性的焦磷酸盐，高温煅烧是目前去除磷石膏中共晶磷杂质最为有效的方法。
2.2
磷石膏的化学改性
2.2.1偶联剂改性
常采用硅烷偶联剂、酞酸酯偶联剂和有机酸对磷石膏进行有机改性。石文建等采用硅烷偶联剂KH570对磷石膏晶须进行表面改性。考察了改性时间、改性温度、改性剂用量等条件对磷石膏晶须的表面改性影响。并分析了KH570对磷石膏晶须改性作用机理。结果表明：当KH570的用量为磷石膏晶须质量的5%，改性时间为80min，改性温度在50℃时，获得最佳的改性效果。
3.煅烧设备及工艺
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3.1
煅烧设备
目前常用的石膏煅烧设备主要有炒锅、回转窑、沸腾炉、气流式煅烧、磨-烧一体化煅烧设备以及锤式烘干机等[3]。
3.1.1炒锅
炒锅是以高温烟气为热源，通过直接或者间接加热的方式实现气流与物料之间的热交换。炒锅工艺是一种传统的煅烧工艺，为了适应气料之间的高效换热，其发展先后经历了间歇炒锅、连续炒锅、埋入式炒锅以及锥形炒锅等阶段,该工艺技术成熟，易于操作，但生产效率低、投资大、能耗高、环境差。
3.1.2回转窑
回转窑是最传统的煅烧方式，同样以高温烟气为热源，通过直接或者间接加热的方式实现气料之间的热交换。回转窑又分为内烧式、外烧式以及套筒式三大类。其中，内烧式和套筒式回转窑通过石膏与燃烧气流直接接触换热， 完成二水石膏脱水；外烧式回转窑是在窑外加热，窑内石膏通过筒体间接换热脱水。该工艺易于控制，操作弹性大，但工艺系统复杂，热耗较大。
3.1.3沸腾煅烧炉
该工艺以高温烟气为热源，通过床层内加热管实现气料热交换，完成脱水分解。该工艺传热效率高、能耗低，但设备体积大，投资高。
3.1.4气流式煅烧
气流式煅烧设备是将磨细后的物料与热气流直接接触换热完成二水石膏的脱水。常见的设备有:彼特斯磨、沙士基打磨、Delta磨以及斯德动态煅烧炉。该工艺集粉磨与煅烧于一体，设备体积小、投资省、生产效率高、能耗低，但操作不稳定[4]。
3.1.5 锤式烘干机
锤式烘干机是与传统的气流干燥管配合使用，集石膏的打散、干燥、脱水、成品转型于一体。该工艺操作简单、能耗低、投资省，但工作温度较低。此外，段庆奎等采用悬浮焙烧炉将杂质成分复杂的磷石膏废渣，处理成广泛用于建筑的高性能石膏制品，该工艺摆脱了传统工艺中将磷石膏水洗后利用的老路子， 避免了环境与水的二次污染，节约水资源,且能够生产出符合国家标准的石膏粉。
3.2
煅烧工艺
石膏煅烧工艺按照加热时间的长短可分为快烧工艺和慢烧工艺。前述述炒锅系统、回转窑系统、沸腾炉系统以及锤式烘干机，物料在系统内的停留时间较长，高达30min~2h，属于低温慢烧工艺。气流式煅烧设备采用边磨边煅烧的方式，多是瞬间完成二水石膏的脱水，属于快烧工艺。
此外，根据物料特性，煅烧工艺还可分为一步法（干燥附着水与脱去一个半的结晶水由同一台热工设备完成）与两步法（干燥附着水与脱去一个半的结晶水分别由不同的热工设备分别完成）。通常石膏原料的附着水含量较低时常采用一步法工艺；附着水含量较高时宜采用两步法工艺。
4.磷石膏的应用
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4.1
磷石膏在路基材料的应用
李章锋以德阳市磷石膏作为研究对象，采用智源有限公司研制的固化剂对磷石膏进行改良，通过常规土工试验和室内足尺动态模型试验研究相结合的方法，研究磷石膏改良土路用性能及其填筑的路基路面结构模型的动态疲劳特性，以判定磷石膏改良土用作公路路基及基层填料的可行性和可靠性。结果表明，纯磷石膏水稳定性差，具有较强的亲水性，遇水而变软，强度大幅度降低，引起路基的变形，未经处理不能作为路基填料[5]。
4.2
磷石膏在造纸材料的应用
用磷石膏晶须部分代替造纸木浆可以提高纸张的抗张、撕裂和耐破指数。袁晓娇结合磷石膏晶须的特点，采用磷酸盐和阳离子淀粉复合包覆改性法降低磷石膏晶须在水中的溶解度，并将改性前后的磷石膏晶须分别作为填料进行抄纸，之后选取不同的助留剂考察助留体系对磷石膏晶须留着率以及纸张性能的影响。
结果发现，加填5%和10%的混合沉淀物，在明显提高纸张内填料留着率的同时还能保证纸张具有较好的强度指标。
4.3
磷石膏在水处理材料的应用
磷石膏晶须具有比表面积大和表面自由能高等特点，与废水中的杂质离子具有较好的亲和性能，可以用于废水的处理中，相比于造纸和沥青改性，目前磷石膏晶须在水处理上的应用研究还不够多，还有较大的发展前景。
4.4
磷石膏在建材中的应用
用磷石膏代替天然石膏成为建筑材料，大量消耗磷石膏，发展循环经济，走可持续发展道路。目前磷石膏磷石膏可以用来制混凝土外加剂，如制混凝土膨胀剂、水泥缓凝剂及水泥矿化剂[5]。磷石膏在新型墙材中的应用主要生产高性能建筑石膏及新型墙体材料。磷石膏在建材的应用还体现在瓮福集团蓝图的 PGPC。磷石膏在建材的应用是大量消耗磷石膏的重要组成部分。
4.5
磷石膏在聚合物中的应用
4.5.1磷石膏用于聚丙烯( PP) 填料
聚丙烯最为一种常见的材料，常用于塑料包装袋、注塑产品以及塑料管等。近几年我国对聚丙烯的需求量依然很大，产能保持增长，因此高品质的聚丙烯材料，在我国是很有运用前景。聚丙烯因有优良的性能，而被广泛的应用。但其才存在低温易脆断、成型收缩率大、热变形温度低等缺陷。因此有必要对聚丙烯填料改性，进一步提升其应用。
Hamid Essabir等制备了合适的磷石膏的颗粒用于填料，通过电镜图片能观察到磷石膏在聚丙烯中有着良好的分散性，磷石膏的添加量为 40% 时聚丙烯的拉伸性和热稳定性较纯的聚丙烯都有提升。
4.5.2 磷石膏用于聚氯乙烯( PVC)填料
E Kowalska等对磷石膏用作聚丙烯的填料对复合材料应用于地板材料，研究表明，将磷石膏填充到聚丙烯中有两种方案可部分或全部代替填充到聚丙烯中的白垩粉。其一是填充50%的磷石膏替代白垩粉后能得到好的耐磨性能；其二是百分百使用磷石膏代替白垩粉，但需要添加更多的增塑剂，确保材料的稳定性[6]。
4.6
磷石膏在其他方面的应用
朱英杰科研团队发现采用羟基磷灰石超长纳米线作为纸的构建材料构建耐火纸。该新型耐火纸也具有其它多种用途，例如作为从废水中有效去除有机污染物的可再生吸附剂、药物控释载体、骨缺损修复材料、医用纸、阻燃材料和耐高温材料等[4]。