利用鈦白廢酸制備硫氧鎂水泥的方法研究

任子位 ，向 梅 ，張坤鵬 ，，劉 宏 ，郭金發(fā) ，王 彤

（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059；2.重慶兩江源環(huán)境影響評價有限公司）

硫氧鎂水泥是一種氧化鎂-硫酸鎂-水的三元體系凝膠材料［1］，具有質(zhì)輕、耐火、導(dǎo)熱差等特點(diǎn)，多用于建筑裝修行業(yè)［2］。硫氧鎂水泥通常由輕燒氧化鎂和硫酸鎂溶液按照一定比例制成［3］，有時為改進(jìn)其性能需要添加改性劑，如：固硫灰［3］、檸檬酸［4］、有機(jī)酸［5］等。制備硫氧鎂水泥需要消耗大量的硫酸鎂，硫酸鎂常用硫酸和其他鎂的化合物制成［6］，制備工藝簡單，但是成本較高。鈦白廢酸是制造鈦白粉工藝中產(chǎn)生的一種含有大量硫酸的液體廢物，處理不當(dāng)將會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染［7］。目前鈦白廢酸的處理方法主要是直接利用［8］或者用濃硫酸調(diào)配增濃［7］或者蒸發(fā)濃縮［9］后再利用，還可以用于生產(chǎn)硫酸錳［10］或者制備鐵紅顏料［11］，這樣既消耗了鈦白廢酸，還得到了其他有用的產(chǎn)品。目前，還未見到利用鈦白廢酸制備硫氧鎂水泥方面的研究。筆者建立了鈦白廢酸生產(chǎn)硫酸鎂，繼而制備硫氧鎂水泥的方法。通過與常規(guī)硫酸法制備的硫氧鎂水泥的性能進(jìn)行對比，證明了采用鈦白廢酸制備硫氧鎂水泥的可行性，提出了一種硫氧鎂水泥的廉價制備方案。該方法既解決了鈦白廢酸污染環(huán)境的問題，又節(jié)省了硫氧鎂水泥的制備成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器設(shè)備

BS224S分析天平，50 mm×50 mm×50 mm 橡膠模具，ISO維卡儀，ΣIGMA HD掃描電鏡，XPert Powd X射線衍射儀，KZY-600壓力測試機(jī)，WP-UP-Ш-10超純水機(jī)。

1.2 主要原料

輕燒氧化鎂（分析純，粒度小于75μm），氧化鎂（分析純），濃硫酸（分析純），檸檬酸（分析純），超純水（電阻率=18.25 MΩ·cm）。

鈦白廢酸，來源于攀枝花市鈦白粉廠，是硫酸法制備鈦白粉的中間產(chǎn)物，密度為1.276 kg/L，主要成分為 H2SO4（質(zhì)量濃度為 323.1 g/L）、TiO2（質(zhì)量濃度為 6 080 mg/L）、V2O5（質(zhì)量濃度為 416 mg/L）、Fe（質(zhì)量濃度為 2 350 mg/L）、Sc（質(zhì)量濃度為 21.6 mg/L），含有鋁、錳、鈣、鎂、釩等雜質(zhì)元素。鈦白廢酸中硫酸質(zhì)量濃度為323.1g/L，與17.9mL濃硫酸定容為100mL硫酸溶液中的硫酸濃度相當(dāng)。

1.3 工藝流程

第一步，量取鈦白廢酸100 mL，稱取氧化鎂13.2 g、輕燒氧化鎂 105.6 g、檸檬酸 2.0 g；第二步，混合鈦白廢酸和氧化鎂，攪拌至完全反應(yīng)（溶液接近中性），產(chǎn)生硫酸鎂溶液；第三步，在硫酸鎂溶液中加入檸檬酸；第四步，待檸檬酸溶解后加入輕燒氧化鎂，同時加入15 mL超純水，持續(xù)攪拌至泥漿均勻且無明顯顆粒；第五步，將泥漿倒入橡膠模具中，振動壓實(shí)；第六步，根據(jù)要求，測試不同性能。為保證對比的有效性，鈦白廢酸工藝流程與硫酸法工藝流程基本相同，不同的是100 mL廢酸中只含17.9 mL濃硫酸。

1.4 性能測試

通過維卡儀測試樣品的凝結(jié)時間（初凝時間和終凝時間）。將維卡儀置于水平面上，讓初凝針垂直自由沉入泥漿中，等待30 s時間后觀察指針讀數(shù)，若此時指針讀數(shù)為4 mm±1 mm，即證明樣品達(dá)到初凝狀態(tài)，記錄初凝時間；將初凝針更換成終凝針，每隔10 min測試一次，突然放松試桿，終凝針垂直自由沉入泥漿，當(dāng)環(huán)形附件不能在試樣上留下痕跡時，即達(dá)到終凝狀態(tài)，記算終凝時間。

通過壓力測試機(jī)測試樣品的抗壓強(qiáng)度。將達(dá)到測試養(yǎng)護(hù)期齡的水泥試樣置于壓力試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，確保試樣中心與下壓板的中心對準(zhǔn)、承壓面水平并調(diào)節(jié)上壓板至剛剛接觸試樣上表面，施加均勻的壓力至試樣破壞，記錄最大壓力。

通過X射線衍射儀測試樣品的物相組成。將試樣研磨至粒度小于75μm，取粉末將其填滿玻璃平板凹槽，用光滑的玻璃片壓平，將玻璃平板裝到X射線衍射儀載物臺上進(jìn)行測試，分析物相組成。

通過掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。選取試樣較為平整的斷面磨成直徑為10 mm、厚為3 mm的圓片，用雙面膠帶粘在載物盤上，再用導(dǎo)電銀漿聯(lián)通試樣與載物盤，待銀漿干后放到掃描電鏡中觀察，并拍攝掃描電鏡照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時間

表1為樣品的凝結(jié)時間。由表1可知，與硫酸試樣相比，鈦白廢酸試樣的凝結(jié)時間更短，因?yàn)殁伆讖U酸中雜質(zhì)元素較多，產(chǎn)生更多的其他化合物，加快了其凝結(jié)速度。

表1 樣品的凝結(jié)時間

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖1為不同養(yǎng)護(hù)時間樣品的抗壓強(qiáng)度。由圖1可見，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，兩種試樣的抗壓強(qiáng)度都在增加，相對而言鈦白廢酸試樣的抗壓強(qiáng)度更高，滿足一般水泥的要求。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)時間樣品的抗壓強(qiáng)度

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖2為鈦白廢酸試樣和硫酸試樣養(yǎng)護(hù)28 d的掃描電鏡照片。由圖2可見，兩種試樣中均含有大量的針狀結(jié)晶物質(zhì)，但是鈦白廢酸試樣還含有大量的球狀物質(zhì)，而且更加致密，應(yīng)是其他雜質(zhì)元素形成的結(jié)晶物質(zhì)，其具有提高試樣抗壓強(qiáng)度的作用。

圖2 鈦白廢酸試樣（a）和硫酸試樣（b）養(yǎng)護(hù)28 d掃描電鏡照片

2.4 物相組成

圖3和圖4分別為鈦白廢酸試樣和硫酸試樣XRD譜圖。由圖3和圖4可見，鈦白廢酸試樣中所含的主要物質(zhì)與硫酸試樣基本一致，證明了利用鈦白廢酸可以制備硫氧鎂水泥。

圖3 鈦白廢酸試樣XRD譜圖

圖4 硫酸試樣XRD譜圖

3 結(jié)論

通過測試表明，與硫酸法制備的硫氧鎂水泥相比，利用鈦白廢酸制備的硫氧鎂水泥，其凝結(jié)時間更短，抗壓強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)和物相組成基本一致，證明利用鈦白廢酸可以制備硫氧鎂水泥。利用鈦白廢酸制備硫氧鎂水泥的方法與傳統(tǒng)的硫酸法相比，能夠回收利用對環(huán)境有害的鈦白廢酸，減少了環(huán)境污染，降低了鈦白廢酸處理成本和硫氧鎂水泥的生產(chǎn)成本，具有較大的環(huán)保意義和商業(yè)潛力。