預(yù)處理工藝對(duì)磷石膏性能影響的初步研究

王玉麟　賴振彬　漆貴海　楊承東

【摘 要】本文利用石灰中和的預(yù)處理工藝對(duì)磷石膏進(jìn)行處理，通過研究石灰摻量、陳化時(shí)間、煅燒溫度以及煅燒時(shí)間等因素對(duì)磷石膏性能的影響，得到一種工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，處理成本低的磷石膏處理技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】磷石膏；預(yù)處理工藝

【Abstract】The article deals with the treatment of phosphogypsum by the pretreatment process of neutralization of lime. By studying the influence of lime content， aging time， calcining temperature and calcining time on the performance of phosphogypsum， a kind of treatment technology was obtained. The technology is with the simple process， low processing cost， and is easy to be implemented.

【Key words】Phosphorus gypsum；Pretreatment technology

1. 引言

（1）磷石膏是生產(chǎn)濕法磷酸時(shí)排除的副產(chǎn)品，主要成分為二水硫酸鈣，通常每生產(chǎn)1噸磷酸（P2O5計(jì)）副產(chǎn)4.5～5.0噸磷石膏。目前，世界濕法磷酸年總產(chǎn)量約2.6億噸（以P2O5計(jì)），副產(chǎn)磷石膏約1.5億噸，利用率僅4.3%～4.6]%[1]。預(yù)計(jì)中國(guó)到2015年磷肥需求量將達(dá)1.3億噸[2]，屆時(shí)磷石膏年排放量將超過2000萬(wàn)噸，而目前利用率僅為2%～3%[3]。目前，國(guó)家環(huán)保總局已將磷石膏列入危險(xiǎn)排放之列，這將對(duì)磷肥企業(yè)造成更大的壓力。雖然我國(guó)在磷石膏的開發(fā)利用方便作出了大量工作，但由于種種制約因素，其利用率仍然很低。

（2）磷石膏建材資源化是實(shí)現(xiàn)其有效利用的最主要途徑。但是，磷石膏與天然石膏在組成和結(jié)構(gòu)方面的差異，使其不能代替天然石膏直接用于生產(chǎn)石膏建材。為此，必須對(duì)磷石膏進(jìn)行預(yù)處理，消除有害雜質(zhì)的影響和改善其顆粒結(jié)構(gòu)。磷石膏預(yù)處理一般采用水洗、石灰中和等工藝[4]。

（3）由于石灰中和工藝簡(jiǎn)單、投資少，效果顯著，是非水洗預(yù)處理磷石膏的首選工藝，因此，本文著重研究以石灰中和為主，輔以陳化工藝對(duì)磷石膏性能的影響。

2. 試驗(yàn)原材料及預(yù)處理工藝

2.1 原材料。

磷石膏：濕排廢渣，經(jīng)試驗(yàn)室煅燒為白色粉末狀固體。其化學(xué)成分見表1。

2.2 預(yù)處理工藝。

2.2.1 石灰中和法處理。

該處理方法是通過向磷石膏中加入生石灰（或熟石灰） 等堿性物質(zhì)，與磷石膏中的殘留酸中和反應(yīng)，使可溶性磷與可溶性氟轉(zhuǎn)化成惰性無(wú)害物質(zhì)[5]。石灰中和改性處理的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2.2.2 陳化法處理。

陳化法[6]處理是所有處理工藝中最簡(jiǎn)單的一種處理工藝。磷石膏堆存后，不做其他任何處理，經(jīng)過一定時(shí)間后其自然風(fēng)干，在風(fēng)干過程中磷石膏中易揮發(fā)組分自然揮發(fā)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 生石灰摻量對(duì)磷石膏性能的影響。

（1）取不同的生石灰與磷石膏混合，放置3d，研磨后過80目的篩，在160℃下煅燒4h，陳化4d后成型。自然養(yǎng)護(hù)后烘干測(cè)試其物理力學(xué)性能，不同摻量生石灰對(duì)磷石膏性能的影響如表2所示。

（2）由表2可以看出，未作預(yù)處理的磷石膏流動(dòng)性差，凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度較低。加入石灰后，凝結(jié)時(shí)間縮短，強(qiáng)度明顯提高。這主要是石灰的加入可以使磷石膏中的殘留酸轉(zhuǎn)化為惰性物質(zhì)，中和磷石膏至中性，降低可溶磷和可溶氟的影響。當(dāng)石灰摻量超過3%時(shí)，磷石膏的力學(xué)性能開始下降，這主要是由于磷石膏中可溶酸性雜質(zhì)全部中和后，繼續(xù)摻生石灰對(duì)磷石膏性能產(chǎn)生不良影響。

3.2 陳化時(shí)間對(duì)磷石膏性能的影響。

（1）由于煅燒所得的磷石膏中含有一定量的無(wú)水石膏相，造成磷石膏用水量大、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、硬化強(qiáng)度低等不良后果，為了改善建筑石膏的性能，必須經(jīng)過一定時(shí)間的陳化。按照優(yōu)化的生石灰摻量，仍在160 ℃下煅燒4 h，試驗(yàn)對(duì)不同自然陳化時(shí)間的磷石膏進(jìn)行性能測(cè)試，其結(jié)果如表3所示。

（2）從表3可以看出，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度提高，這主要是由于在低溫條件下，石膏脫水相主要有β-CaSO4·1/2H2O，可溶性CaSO4和不溶性CaSO4，它們?cè)诔爻合露际墙榉€(wěn)相，其中可溶性CaSO4晶格周圍有吸水性很強(qiáng)的無(wú)水通道，空氣中的水分可以沿此通道進(jìn)入晶格內(nèi)，并不斷改變晶格使其轉(zhuǎn)化成β-CaSO4·1/2H2O穩(wěn)定存在于空氣之中，當(dāng)β-CaSO4·1/2H2O吸附水大于2%時(shí)喪失穩(wěn)定轉(zhuǎn)變成CaSO4·2H2O。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，自然陳化4d后磷石膏性能穩(wěn)定，所以煅燒后的磷石膏應(yīng)該自然陳化4d。

3.3 煅燒溫度對(duì)磷石膏性能的影響。

（1）磷石膏轉(zhuǎn)化為建筑石膏的脫水原理與天然石膏相似，但因磷石膏中雜質(zhì)的存在，使其與天然石膏的脫水溫度有較大差別，本文分別在不同溫度下煅燒磷石膏4h，陳化4d后，將所得磷石膏成型，養(yǎng)護(hù)28d后對(duì)其力學(xué)性能和軟化系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖1和圖2所示。

（2）從圖可以看出，隨著煅燒溫度的升高磷石膏強(qiáng)度和軟化系數(shù)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)煅燒溫度為150℃時(shí)，既能保證轉(zhuǎn)化物大部分為半水石膏又能保證較快的轉(zhuǎn)化速率。

3.4 煅燒時(shí)間對(duì)磷石膏性能的影響。

（1）石膏作為不良熱導(dǎo)體，當(dāng)顆粒表面溫度達(dá)到設(shè)定溫度后其內(nèi)部溫度卻低于設(shè)定溫度，因此，需要一定的恒溫時(shí)間即煅燒時(shí)間。不同煅燒時(shí)間下磷石膏制成的建筑石膏強(qiáng)度、軟化系數(shù)如圖3和4所示。

（2）從圖4中可以看出，隨著煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)，磷石膏強(qiáng)度和軟化系數(shù)增大，超過5h后，磷石膏強(qiáng)度和軟化系數(shù)下降。

4. 結(jié)論

（1）磷石膏中可溶性雜質(zhì)對(duì)磷石膏的應(yīng)用性能有較大影響，它們的存在都會(huì)造成磷石膏基材料凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，制品結(jié)構(gòu)疏松， 導(dǎo)致強(qiáng)度降低，因此需要對(duì)磷石膏進(jìn)行預(yù)處理，促進(jìn)磷石膏在水泥和建材工業(yè)的應(yīng)用。

（2）利用石灰中和預(yù)處理方式，可使磷石膏中的可溶磷、氟轉(zhuǎn)化為惰性的難溶鹽，消除磷石膏主要有害雜質(zhì)的影響。

（3）摻3%生石灰中和，經(jīng)150℃煅燒4h，自然陳化4d后的磷石膏性能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)

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[文章編號(hào)]1619-2737（2018）04-08-707

[作者簡(jiǎn)介] 王玉麟（1984-），男，籍貫：貴州貴陽(yáng)人，研究方向：建筑材料。