利用不同磷石膏制備α型半水石膏的研究

劉 偉，劉永秀，王琰沛

(1.臨沭縣檢驗(yàn)檢測(cè)中心,山東 臨沭 276700；2.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司,山東 臨沭 276700)

磷石膏的排量巨大，一般用濕法生產(chǎn)1t磷酸就會(huì)排出4～4.5t的磷石膏。磷石膏的大量積存，不僅侵占了土地資源，而且經(jīng)過(guò)風(fēng)侵、雨淋等氣候的影響會(huì)對(duì)大氣、水系及土壤造成污染，若人類長(zhǎng)時(shí)間接觸磷石膏，身體健康會(huì)受到影響，甚至?xí)：ι?，因此磷石膏的安全處置和資源化利用是當(dāng)務(wù)之急。

二水石膏在107℃時(shí)脫水變成半水石膏，半水石膏有α型和β型2種形態(tài)，二水石膏在加壓水蒸汽條件下，或在酸和鹽的水溶液中加熱時(shí)，可形成α型半水石膏；而在干燥環(huán)境中脫水，則形成β型半水石膏[1]。α型半水石膏晶體形貌為短柱狀，標(biāo)準(zhǔn)用水量少，水化熱較低，強(qiáng)度高，可廣泛應(yīng)用于石膏陶瓷模具，石膏砌塊，石膏商品砂漿等[2-3]。采用磷石膏替代天然石膏等生產(chǎn)高強(qiáng)度的α型半水石膏作為新型建筑材料既減少了天然石膏的消耗，又解決了磷石膏大量堆存的問(wèn)題，這是新型建筑材料或墻體材料的重要發(fā)展方向，并具有極大發(fā)展空間和潛力。

CaSO4·2H2O(s) =CaSO4·1/2H2O(s)+3/2H2O

(1)

本文研究利用不同磷石膏制備α型半水石膏，并初步考察了磷石膏種類和顆粒級(jí)配對(duì)α型半水石膏性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

磷石膏A(PGA)：來(lái)自云南紅河；磷石膏B(PGB)：來(lái)自貴州一公司，其主要化學(xué)組成見(jiàn)表 1。

表1 磷石膏化學(xué)組成/%Tab.1 Chemical composition of posphogypsum/%

1.2 α型半水石膏的制備

磷石膏的成分復(fù)雜，含有許多雜質(zhì)，其中CaSO4·2H2O含量(以CaO為計(jì)) PGA為89.9%，PGB為92.5%，所以形成α型半水石膏差別也很大。本實(shí)驗(yàn)采用水熱常壓法，具體步驟如下：將兩種磷石膏分別和相同濃度的硫磷酸液混合，加入相同比例的轉(zhuǎn)晶劑，在100 ℃ 下反應(yīng)4～5h。觀察晶體形貌，待二水石膏完全轉(zhuǎn)變成α型半水石膏后，將其干燥 1h，隨后對(duì)α石膏進(jìn)行顆粒級(jí)配，進(jìn)而測(cè)定其各種性能。

1.3 石膏力學(xué)性能測(cè)試

稱取適量制備好的α半水石膏粉成品加入適量水分( 水膏比約 38% ) 。混合均勻后用 40 mm × 40 mm ×160 mm 試模成型，自然條件下養(yǎng)護(hù)2h 后，在(42 ± 3)℃ 的烘箱中烘至質(zhì)量恒定，測(cè)試其2h濕抗折、干抗壓強(qiáng)度。

1.4 檢測(cè)分析

用 X 射線能譜儀(EDS)，把處理后的半水石膏進(jìn)行組成分析。用金相顯微鏡(YYJ-300)觀察磷石膏、半水石膏及水化后石膏的晶體形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同半水石膏組成分析

圖1 PGA 的X 射線能譜儀(EDS)的照片

圖2 PGB 的X 射線能譜儀(EDS)的照片

表2 半水化學(xué)組成/%Tab.2 Chemical composition of hemihydrate phosphogypsum/%

圖1，圖2分別是PGA和PGB的X 射線能譜儀(EDS)的照片(10mV)，由圖看出PGB僅有Ca，S，O，而PGA還含雜質(zhì)F元素，說(shuō)明水熱反應(yīng)后還產(chǎn)生了CaF2沉淀，這勢(shì)必影響α型半水石膏的性能。由表2知結(jié)晶水PGA為5.01%，PGB為5.32%，所以處理后的石膏為半水石膏CaSO4·0.5H2O(理論值6.21%)。

2.2 石膏原料晶體形貌的影響

圖3，圖4分別是PGA和PGB的顯微鏡照片(×100)，可以看出PGB的晶體呈長(zhǎng)條狀，寬大；而PGA細(xì)小，有一定的厚度，且雜質(zhì)多，這都會(huì)影響α型半水石膏的性能。

圖3 PGA的顯微鏡照片(×100)

圖4 PGB的顯微鏡照片(×100)

2.3 石膏種類對(duì)α型半水石膏晶體形貌的影響

圖5，圖6分別是用PGA和PGB轉(zhuǎn)晶后的顯微鏡照片(×100)，可以看出PGB的晶體呈棱柱狀，表面光滑，長(zhǎng)徑比4～6，寬度20～30μm；而PGA的晶體細(xì)小，雜質(zhì)多，長(zhǎng)徑比3～5，寬度為15～20μm。

圖5 PGA 轉(zhuǎn)晶后的顯微鏡照片(×100)

圖6 PGB轉(zhuǎn)晶后的顯微鏡照片(×100)

2.4 顆粒級(jí)配的影響

表3 α型半水石膏粒度分布表/%Tab.3 Particlre size distribution of α hemihydrate phosphogypsum/%

顆粒級(jí)配是指各種大小顆粒占總量的百分比。顆粒級(jí)配在其他粉體行業(yè)通常稱作粒度分布。它可以用列表、圖形或函數(shù)來(lái)表示。具體的級(jí)配效果間接的通過(guò)α型半水石膏物化性能表征。圖7，圖8分別是用PGA和PGB級(jí)配后的顯微鏡照片(×100)，圖8大小均勻，級(jí)配效果更佳。

圖7 PGA級(jí)配后的顯微鏡照片(×100)

圖8 PGB級(jí)配后的顯微鏡照片(×100)

2.5 石膏種類對(duì)α型半水石膏物化性能的影響

表 4 α型半水石膏物化性能Tab.4 physical and chemical properties of α hemihydrate phosphogypsum

由表4可知，顆粒級(jí)配后的PGA、PGB的物化性能更優(yōu)，2h濕抗折和干抗壓均高于未級(jí)配的；而未級(jí)配PGA、PGB在水化過(guò)程中均出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，原因可能是半水石膏晶體粗大，空隙率高所致；用貴州磷石膏制備的α型半水石膏強(qiáng)度高，滿足JC/T 2038-2010《α型高強(qiáng)石膏》中等級(jí)α40的性能要求；而云南磷石膏所制備的α型半水石膏強(qiáng)度偏低。

3 結(jié)論

(1)不同磷石膏制備的α型半水石膏物化性能及晶體形貌的差異。貴州轉(zhuǎn)晶后石膏呈棱柱狀，表面光滑，長(zhǎng)徑比4～6，寬度20～30μm；而云南半水石膏晶體細(xì)小，雜質(zhì)多，長(zhǎng)徑比3～5，寬度為15～20μm。

(2)用貴州磷石膏制備的α型半水石膏強(qiáng)度高，經(jīng)過(guò)顆粒級(jí)配后滿足JC/T 2038-2010《α型高強(qiáng)石膏》中等級(jí)α40的性能要求；而云南磷石膏晶體較小、含雜多、顆粒級(jí)配差，所制備的α型半水石膏強(qiáng)度較低。