磷石膏脫色增白工藝條件的研究

師 夢(mèng)， 楊?？?， 劉 磊， 王百年， 汪曉璐

（合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

磷石膏脫色增白工藝條件的研究

師 夢(mèng)， 楊?？?， 劉 磊， 王百年， 汪曉璐

（合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章采用煅燒與酸浸相結(jié)合的方法開(kāi)展磷石膏脫色增白工藝條件的研究。以磷石膏白度為主要考察指標(biāo)，通過(guò)單因素條件實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，分別考察了煅燒溫度、煅燒時(shí)間、酸浸時(shí)間、酸浸溫度、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液固比等因素的變化對(duì)磷石膏白度的影響，所確定的較佳脫色增白工藝條件為：煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間70min、酸浸時(shí)間3.5h、酸浸溫度90℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%、液固比4∶1。此條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷石膏的白度可由33.0%提高到89.8%。

磷石膏；脫色增白；煅燒；酸浸；硫酸鈣

0 引 言

磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)時(shí)排出的固體廢棄物，我國(guó)磷化工行業(yè)每年排放磷石膏約5×107t，并且正以每年15%的速率增長(zhǎng)，“十一五”期間國(guó)內(nèi)企業(yè)磷石膏綜合利用率平均僅為20%，相當(dāng)數(shù)量的磷石膏還是采取直接堆放形式處置，不但占用了大量土地，給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)，還造成巨大的環(huán)境污染［1－6］。

磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，因含有機(jī)質(zhì)，少量的 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 等雜質(zhì)，一般呈淺黃、淺灰或灰黑色［7］，白度較低，極大地限制了它的工業(yè)應(yīng)用。隨著各種工業(yè)應(yīng)用，尤其是用于室內(nèi)粉刷與裝飾制品，對(duì)石膏白度的要求越來(lái)越高，石膏增白的研究越來(lái)越受到工業(yè)和科學(xué)研究人員的重視［8－9］。本文開(kāi)展磷石膏脫色增白工藝條件的研究，采用煅燒與酸浸相結(jié)合的方法提高磷石膏的白度，考察并確定了較佳脫色增白工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和試劑

原料為磷肥生產(chǎn)過(guò)程中的磷石膏，初始白度為33.0%，經(jīng)分析其主要化學(xué)組成見(jiàn)表1所列。

表1 磷石膏主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

本實(shí)驗(yàn)中所用試劑為硫酸（分析純，上?；瘜W(xué)試劑公司）。

1.2 主要儀器

D／MAX－γB型X－射線衍射儀，日本理學(xué)生產(chǎn)；WSB－2型數(shù)顯白度儀，上海昕瑞儀器儀表有限公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）煅燒稱取一定量研磨后的磷石膏于坩堝中，置于馬弗爐中，確定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間后，冷卻至室溫，待用。

（2）酸浸稱取一定量經(jīng)煅燒后的磷石膏于三口燒瓶中，加入計(jì)量確定濃度的硫酸溶液，恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)確定時(shí)間后，抽濾、洗滌、干燥、研磨，所得樣品進(jìn)行白度（W）測(cè)試。

1.4 分析和檢測(cè)方法

（1）采用數(shù)顯白度儀（WSB－2型）檢測(cè)樣品的白度。

（2）采用X－射線衍射儀（XRD）對(duì)樣品進(jìn)行物相分析（X射線源為Cu－Kα輻射。掃描方式為θ－2θ連動(dòng)，2θ掃描范圍為10°～70°，電壓和電流分別為40kV和40mA）。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素條件實(shí)驗(yàn)

2.1.1 煅燒溫度對(duì)磷石膏脫色效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件為煅燒時(shí)間60min、酸浸時(shí)間1h、酸浸溫度70℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、液固比4∶1，考察煅燒溫度對(duì)磷石膏白度的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 煅燒溫度對(duì)磷石膏白度的影響

從圖1中看出，煅燒溫度的變化對(duì)磷石膏白度有明顯影響，當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，隨著煅燒溫度的升高，磷石膏的白度不斷增加；當(dāng)煅燒溫度高于600℃時(shí)，磷石膏的白度開(kāi)始出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。分析認(rèn)為可能的原因是：當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，磷石膏中有機(jī)物等雜質(zhì)隨溫度的升高分解，因此磷石膏白度隨之增加，而當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，磷石膏復(fù)雜離子雜質(zhì)可能發(fā)生相轉(zhuǎn)變生成有色物質(zhì)，導(dǎo)致其白度呈下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中選擇較適宜的煅燒溫度為600℃。

2.1.2 煅燒時(shí)間對(duì)磷石膏脫色效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件為煅燒溫度600℃、酸浸時(shí)間1h、酸浸溫度70℃、硫酸溶液質(zhì)量濃度20%、液固比4∶1，考察煅燒時(shí)間對(duì)磷石膏白度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 煅燒時(shí)間對(duì)磷石膏白度的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)煅燒時(shí)間小于60min時(shí)，磷石膏的白度隨煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)快速增加，當(dāng)煅燒時(shí)間大于60min時(shí)，磷石膏的白度增加趨勢(shì)變緩。分析認(rèn)為是有機(jī)物等雜質(zhì)分解導(dǎo)致磷石膏白度快速增加，當(dāng)時(shí)間大于60min時(shí)，有機(jī)物等雜質(zhì)的分解趨于完成，因此，磷石膏的白度增加趨勢(shì)變緩。實(shí)驗(yàn)中選擇較適宜的煅燒時(shí)間為60min。

2.1.3 酸浸時(shí)間對(duì)磷石膏脫色效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件為煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間60min、酸浸溫度70℃、硫酸溶液質(zhì)量濃度20%、液固比4∶1，考察酸浸時(shí)間對(duì)磷石膏白度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 酸浸時(shí)間對(duì)磷石膏白度的影響

從圖3中可以看出，隨著酸浸時(shí)間的延長(zhǎng)，磷石膏的白度不斷增加，當(dāng)酸浸時(shí)間大于3h后，磷石膏白度增加的趨勢(shì)變緩。實(shí)驗(yàn)中選擇較適宜的酸浸時(shí)間為3h。

2.1.4 酸浸溫度對(duì)磷石膏脫色效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件為煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間60min、酸浸時(shí)間3h、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、液固比4∶1，考察酸浸溫度對(duì)磷石膏白度的影響，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 酸浸溫度對(duì)磷石膏白度的影響

從圖4中可以看出，酸浸溫度的變化對(duì)磷石膏白度有顯著影響，當(dāng)酸浸溫度為40～50℃時(shí)，磷石膏白度基本無(wú)變化；而酸浸溫度為50～70℃時(shí)磷石膏白度顯著提高，但當(dāng)溫度高于70℃時(shí)磷石膏白度隨溫度的增長(zhǎng)率呈降低趨勢(shì)，由于當(dāng)溫度高于90℃時(shí)，溶劑蒸發(fā)以及設(shè)備、工藝操作的成本較高，綜合考慮增白效果及能耗問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中選擇較適宜的酸浸溫度為90℃。

2.1.5 硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磷石膏脫色效果影響

實(shí)驗(yàn)條件為煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間60min、酸浸時(shí)間3h、酸浸溫度90℃、液固比4∶1，考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磷石膏白度的影響，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磷石膏白度的影響

從圖5中可以看出，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)磷石膏白度影響較大，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磷石膏白度增加，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%后，磷石膏白度的增加趨于平緩。實(shí)驗(yàn)中選擇較適宜的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。

2.1.6 液固比對(duì)磷石膏脫色效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件為煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間60min、酸浸時(shí)間3h、酸浸溫度90℃、硫酸溶液質(zhì)量濃度30%，考察液固比磷石膏白度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 液固比對(duì)磷石膏白度的影響

從圖6可以看出，液固比的變化對(duì)磷石膏白度的影響不顯著。綜合考慮增白效果和增白后溶液中殘余酸的處理問(wèn)題，因此實(shí)驗(yàn)選擇較適宜的液固比為4∶1。

綜上所述，單因素條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明較適宜的脫色增白工藝條件為：煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間60min、酸浸時(shí)間3h、酸浸溫度90℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、液固比4∶1。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

由上述單因素條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煅燒溫度、煅燒時(shí)間、酸浸時(shí)間、酸浸溫度、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素的變化對(duì)磷石膏的白度均有一定的影響。為進(jìn)一步優(yōu)化各工藝條件對(duì)磷石膏白度的影響，在酸浸溫度90℃、液固比4∶1確定的前提下，以磷石膏的白度為主要考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)L16（44）正交實(shí)驗(yàn)表，考察并確定較佳的增白工藝條件。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2所列，正交實(shí)驗(yàn)及極差分析結(jié)果見(jiàn)表3、表4所列。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表3 正交實(shí)驗(yàn)表

表4 極差分析結(jié)果

表4中，k1、k2、k3、k4分別為水平1、水平2、水平3、水平4的4次白度之和；K1＝k1／4，K2＝k2／4，K3＝k3／4，K4＝k4／4；R為某因素4個(gè)水平中Kmax－Kmin。

由表4可以看出，各因素水平對(duì)磷石膏脫色增白效果的影響依次為：煅燒溫度＞硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞酸浸時(shí)間＞煅燒時(shí)間。

對(duì)因素A以A3的所處理的磷石膏白度最高，即A3為A因素的較優(yōu)水平。同理，因素B的較優(yōu)水平為B4；因素C的較優(yōu)水平為C4；因素D的較優(yōu)水平為D4。將這4個(gè)因素的較優(yōu)水平組合，得到的較優(yōu)水平組合為A3B4C4D4。即磷石膏脫色增白的較佳工藝條件為：煅燒溫度600℃，煅燒時(shí)間70min，酸浸時(shí)間3.5h，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%。

2.3 較佳工藝條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)

較佳工藝條件下3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 較佳工藝條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所得磷石膏增白樣品的XRD圖如圖7所示。圖7中所有衍射峰均可指標(biāo)化為正交晶型硫酸鈣，計(jì)算所得的晶胞參數(shù)為a＝6.992×10－10m，b＝6.998×10－10m，c＝6.242×10－10m，與文 獻(xiàn) 值a＝6.993×10－10m，b＝7.002×10－10m，c＝6.241×10－10m（JCPDS 37－1496）吻合得較好。由謝樂(lè)公式計(jì)算平均粒徑為110.7nm。

圖7 所制得的硫酸鈣樣品的XRD

3 結(jié) 論

本文采用煅燒和酸浸方法開(kāi)展磷石膏脫色增白工藝條件的研究，以磷石膏白度為主要考察指標(biāo)，通過(guò)單因素條件實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，考察并優(yōu)化磷石膏脫色增白的工藝條件，所確定的較佳脫色增白工藝條件為：煅燒溫度600℃、煅燒時(shí)間70min、酸浸時(shí)間3.5h、酸浸溫度90℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%、液固比為4∶1。此條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得磷石膏白度為89.8%，與磷石膏樣品初始白度33.0%相比，白度提高了56.8個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了較好的脫色增白效果。

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Study of technological conditions of decoloring and whitening of phosphogypsum

SHI Meng， YANG Bao－jun， LIU Lei， WANG Bai－nian， WANG Xiao－lu
（School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Using the method of calcination and acid leaching，the technological conditions of the decoloring and whitening of phosphogypsum are stuided.Taking the whiteness of phosphogypsum as the main index，the influence of the decoloring and whitening technological conditions，such as calcination temperature，calcination time，acid leaching time，acid leaching temperature，mass concentration of the sulfuric acid solution and liquid－solid ratio on the whiteness of phosphogypsum is studied by single－factor and orthogonal experiments.Under the normal pressure，the optimal conditions are as follows：calcination temperature is 600℃，calcination time is 70min，acid leaching time is 3.5h，acid leaching temperature is 90℃，mass concentration of the sulfuric acid solution is 35%and liquid－solid ratio is 4∶1.Repeated experiments under the above optimized conditions show that the average whiteness of phosphogypsum increases from 33.0%to 89.8%.

phosphogypsum；decoloring and whitening；calcination；acid leaching；calcium sulfate

TQ177.375

A

1003－5060（2013）02－0212－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2013.02.018

2012－09－28；

2012－11－08

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目（111035934）；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2011AJZR0081）

師 夢(mèng)（1986－），女，安徽界首人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

楊保?。?970－），男，安徽無(wú)為人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 馬國(guó)鋒）