预处理工艺对磷石膏性能影响的初步研究

2018-09-25王玉麟赖振彬漆贵海杨承东

中华建设科技 2018年4期

王玉麟　赖振彬　漆贵海　杨承东

【摘要】本文利用石灰中和的预处理工艺对磷石膏进行处理，通过研究石灰掺量、陈化时间、煅烧温度以及煅烧时间等因素对磷石膏性能的影响，得到一种工艺简单，容易实现，处理成本低的磷石膏处理技术。

【关键词】磷石膏；预处理工艺

【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）磷石膏是生产湿法磷酸时排除的副产品，主要成分为二水硫酸钙，通常每生产1吨磷酸（P2O5计）副产4.5～5.0吨磷石膏。目前，世界湿法磷酸年总产量约2.6亿吨（以P2O5计），副产磷石膏约1.5亿吨，利用率仅4.3%～4.6]%[1]。预计中国到2015年磷肥需求量将达1.3亿吨[2]，届时磷石膏年排放量将超过2000万吨，而目前利用率仅为2%～3%[3]。目前，国家环保总局已将磷石膏列入危险排放之列，这将对磷肥企业造成更大的压力。虽然我国在磷石膏的开发利用方便作出了大量工作，但由于种种制约因素，其利用率仍然很低。

（2）磷石膏建材资源化是实现其有效利用的最主要途径。但是，磷石膏与天然石膏在组成和结构方面的差异，使其不能代替天然石膏直接用于生产石膏建材。为此，必须对磷石膏进行预处理，消除有害杂质的影响和改善其颗粒结构。磷石膏预处理一般采用水洗、石灰中和等工艺[4]。

（3）由于石灰中和工艺简单、投资少，效果显著，是非水洗预处理磷石膏的首选工艺，因此，本文着重研究以石灰中和为主，辅以陈化工艺对磷石膏性能的影响。

2. 试验原材料及预处理工艺

2.1 原材料。

磷石膏：湿排废渣，经试验室煅烧为白色粉末状固体。其化学成分见表1。

2.2 预处理工艺。

2.2.1 石灰中和法处理。

该处理方法是通过向磷石膏中加入生石灰（或熟石灰）等碱性物质，与磷石膏中的残留酸中和反应，使可溶性磷与可溶性氟转化成惰性无害物质[5]。石灰中和改性处理的化学反应式如下：

2.2.2 陈化法处理。

陈化法[6]处理是所有处理工艺中最简单的一种处理工艺。磷石膏堆存后，不做其他任何处理，经过一定时间后其自然风干，在风干过程中磷石膏中易挥发组分自然挥发。

3. 試验结果

3.1 生石灰掺量对磷石膏性能的影响。

（1）取不同的生石灰与磷石膏混合，放置3d，研磨后过80目的筛，在160℃下煅烧4h，陈化4d后成型。自然养护后烘干测试其物理力学性能，不同掺量生石灰对磷石膏性能的影响如表2所示。

（2）由表2可以看出，未作预处理的磷石膏流动性差，凝结时间较长，抗压强度较低。加入石灰后，凝结时间缩短，强度明显提高。这主要是石灰的加入可以使磷石膏中的残留酸转化为惰性物质，中和磷石膏至中性，降低可溶磷和可溶氟的影响。当石灰掺量超过3%时，磷石膏的力学性能开始下降，这主要是由于磷石膏中可溶酸性杂质全部中和后，继续掺生石灰对磷石膏性能产生不良影响。

3.2 陈化时间对磷石膏性能的影响。

（1）由于煅烧所得的磷石膏中含有一定量的无水石膏相，造成磷石膏用水量大、凝结时间长、硬化强度低等不良后果，为了改善建筑石膏的性能，必须经过一定时间的陈化。按照优化的生石灰掺量，仍在160 ℃下煅烧4 h，试验对不同自然陈化时间的磷石膏进行性能测试，其结果如表3所示。

（2）从表3可以看出，随着陈化时间的延长，标准稠度用水量降低，凝结时间延长，抗压强度、抗折强度提高，这主要是由于在低温条件下，石膏脱水相主要有β-CaSO4·1/2H2O，可溶性CaSO4和不溶性CaSO4，它们在常温常压下都是介稳相，其中可溶性CaSO4晶格周围有吸水性很强的无水通道，空气中的水分可以沿此通道进入晶格内，并不断改变晶格使其转化成β-CaSO4·1/2H2O稳定存在于空气之中，当β-CaSO4·1/2H2O吸附水大于2%时丧失稳定转变成CaSO4·2H2O。从试验结果来看，自然陈化4d后磷石膏性能稳定，所以煅烧后的磷石膏应该自然陈化4d。

3.3 煅烧温度对磷石膏性能的影响。

（1）磷石膏转化为建筑石膏的脱水原理与天然石膏相似，但因磷石膏中杂质的存在，使其与天然石膏的脱水温度有较大差别，本文分别在不同温度下煅烧磷石膏4h，陈化4d后，将所得磷石膏成型，养护28d后对其力学性能和软化系数进行测试，其结果如图1和图2所示。

（2）从图可以看出，随着煅烧温度的升高磷石膏强度和软化系数呈上升趋势，当煅烧温度为150℃时，既能保证转化物大部分为半水石膏又能保证较快的转化速率。

3.4 煅烧时间对磷石膏性能的影响。

（1）石膏作为不良热导体，当颗粒表面温度达到设定温度后其内部温度却低于设定温度，因此，需要一定的恒温时间即煅烧时间。不同煅烧时间下磷石膏制成的建筑石膏强度、软化系数如图3和4所示。

（2）从图4中可以看出，随着煅烧时间的延长，磷石膏强度和软化系数增大，超过5h后，磷石膏强度和软化系数下降。

4. 结论

（1）磷石膏中可溶性杂质对磷石膏的应用性能有较大影响，它们的存在都会造成磷石膏基材料凝结时间延长，制品结构疏松，导致强度降低，因此需要对磷石膏进行预处理，促进磷石膏在水泥和建材工业的应用。

（2）利用石灰中和预处理方式，可使磷石膏中的可溶磷、氟转化为惰性的难溶盐，消除磷石膏主要有害杂质的影响。

（3）掺3%生石灰中和，经150℃煅烧4h，自然陈化4d后的磷石膏性能满足相应标准要求。

参考文献

[1] 马雷，刘力，杨林等.磷石膏资源化利用[J].贵州化工，2004，29（2）：14-16.