CN108059375A - 一种用磷石膏制备α-β复合半水石膏的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用磷石膏制备α‑β复合半水石膏的方法，包括以下步骤：（1）将磷石膏与转晶剂、晶种充分混合后放入α‑半水石膏转晶箱内，用亚饱和空气预热，然后通入常压蒸汽维持温度和湿度，实现磷石膏中部分二水石膏转化为α‑半水石膏；（2）通入热空气进行预干燥；（3）进一步脱水，使未脱水的二水石膏转化为β‑半水石膏，即为α‑β复合半水石膏。此方法制备的α‑β复合半水石膏与传统β‑半水石膏相比，标准稠度用水量少、强度高，与α‑半水石膏相比，不需高压脱水设备和水热条件，故而生产过程温和、设备简单、能耗低，产品可广泛用作建筑石膏粉或生产各种类型的石膏砌块，为磷石膏的资源化利用提供了一种切实可行的技术方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用磷石膏制备α-β复合半水石膏的方法，属于建筑材料制备技术领域。
背景技术
高浓度磷肥生产过程中，利用磷矿与硫酸反应生成磷酸，副产的硫酸钙通常称之为磷石膏。磷石膏外观为黄白色、浅灰白色或黑灰色细粉状固体，主要成分为 CaSO4·nH2O，其质量分数通常在85％以上，与天然石膏相似；一般含游离水20～30％。根据湿法磷酸生产工艺的不同，磷石膏结晶有二水物（CaSO4·nH2O）、半水物（CaSO4·0.5H2O）等形态，目前湿法磷酸生产以二水物工艺居多，因此磷石膏的主要成分是CaSO4·nH2O，还含有磷、氟、氧化硅、氧化铝、氧化铁、铀、镭、镉、铅、铜及有机物等次要组成，每生产1吨磷酸（以100%P2O5计算）副产约4.5～5吨磷石膏，pH值约为1.5～3.5，其中可溶磷和氟是导致环境污染的主要因素，共晶磷在磷石膏制备的半水石膏加水转化为二水石膏的过程中，严重影响二水石膏的结晶习性，是造成磷石膏在传统建筑领域难以得到有效利用的主要原因，因此，磷石膏的资源化利用仍是一个世界性的难题。亦是制约磷化工产业可持续发展的关键因素之一。
二水石膏在加热情况下可转化为半水石膏，当二水石膏在加压蒸汽或在有酸、盐的介质中加热时，可转化成α-半水石膏，而在干燥的环境下加热脱水时则生成β-半水石膏，因此α、β型半水石膏是石膏的两种极端晶型，虽然二者在原子排序上无本质区别，但其原子结构排序的疏松或致密性使其在宏观上产生巨大差异。
目前，α-半水石膏生产方法主要有：蒸压法、水热法、常压盐溶法、干蒸法等，各有利弊，但总体而言，不论采用何种方法，为获得α-半水石膏，要么在高压设备中脱水，要么在溶液中脱水，如：CN201510845093.2公开了一种用磷石膏制取α-半水石膏+β半水石膏+硬石膏作为填料生产PVC型材的方法，CN201510667340.4公开了一种半干法制取高强α-半水石膏的方法，CN201210552607.1公开了一种利用电石泥渣改性磷石膏用于常压水热法制备高强α型半水石膏的方法，CN201110101252.X公开了一种利用工业副产石膏生产α型半水石膏的工艺方法，CN201210226224.5公开了一种低温低压生产α-型半水石膏粉的工艺方法，CN200810121470.8公开了在常压KCl溶液中将脱硫石膏转化为α-半水石膏的方法。
但现有的α-半水石膏制备方法中，还未有采用温度＜100℃、在亚饱和蒸汽下脱水的报导。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术之不足，提供一种设备简单、生产工艺柔和、能耗低的技术方法，以磷石膏为原料生产能满足建筑石膏及石膏砌块理化性能要求的α-β复合半水石膏。
本发明通过以下技术方案完成：
一种用磷石膏制备α-β复合半水石膏的方法，具体步骤如下：
（1）将磷石膏与转晶剂、晶种充分混合后放入α-半水石膏转晶箱内，用亚饱和空气进行预热，当转晶箱温度＞60℃，通入常压蒸汽用以维持一定温度和湿度，实现磷石膏中部分二水石膏转化为α-半水石膏；
（2）完成α-半水石膏转晶操作后，通入热空气进行预干燥，使物料附着水含量＜5%；
（3）经预干燥的物料进一步脱水，使未脱水的二水石膏转化为β-半水石膏，即得所述的α-β复合半水石膏。
所述磷石膏不经任何处理直接使用，其附着水分含量在10-25%，pH值为2.5-5.0；
所述转晶剂为铝的硫酸盐、盐酸盐或硝酸盐，晶种为市售高强α-半水石膏，转晶剂和晶种粒度均为过180目方孔筛筛余量＜5%的粉体，转晶剂添加量为磷石膏干基的0.2-0.5wt%，晶种添加量为磷石膏干基的1-2wt%；
所述α-半水石膏转晶箱为方形或圆形结构，底面布置带小孔的空气管和蒸汽分布管数根，顶部安装温度监测仪、温度仪和通气口；
步骤（1）中预热时所用的亚饱和空气温度为80-100℃，湿度为80-90%；
步骤（1）中通入常压蒸汽加热，维持α-半水石膏转晶温度为85-100℃，湿度为85-95%，转晶时间8-12h；
步骤（2）中预干燥所用的热空气温度在100-200℃；
步骤（3）中经预干燥的物料脱水温度为150-300℃。
理论依据：二水石膏是由Ca2+、SO4 2-组成的离子结合层与水分子层构成的层状构造，层间距约3A左右，二水石膏在加热时，水分子迁移的主要通道是水分子层，因水分子层较薄，故二水石膏的水分子向外迁移时所需克服的阻力较大，只有这些水分子具有足够的能量时，水分子才能从二水石膏内脱出变成半水石膏。
通常情况下，α-半水石膏是在饱和蒸汽或以水为介质的情况下加热以液态形式脱去1.5个水分子后形成，而在与大气相通的情况下加热以气态形式脱去1.5个水分子则得β-半水石膏。根据二水石膏脱水生成α、β半水石膏原理，本发明以常压蒸汽为加热介质，在低于沸点温度下的亚饱和蒸汽中，使磷石膏处于汽-液共存两相中加热脱水，以满足生成α-半水石膏的基本条件；以加入的晶种（α-半水石膏）为晶核剂，利用磷石膏中其它硫酸盐、氟化物和无定型硅等能降低二石膏脱水活化能，再结合半水石膏对Al3+选择性吸附的特点，用铝的强酸盐作转晶剂，促进二水石膏向α-半水石膏转化。将含有α-半水石膏的磷石膏在转晶箱内用热空气预干燥至附着水含量＜5%，以防止其吸水转化成二水石膏，然后转移至脱水装置进一步让剩余二水石膏脱水成β-半水石膏，即得α-β复合半水石膏。
本发明的有益效果：
1、本发明不用高压设备、不需水溶介质，与传统方法相比，具有生产设备简单、工艺条件温和及能耗低的特点；
2、本方法生产的半水石膏与普通β-半水石膏相比，标准稠度用水量少，采用传统工艺制备的石膏制品强度高，与α-半水石膏相比，生产成本低；
3、由于本方法制备的α-β复合半水石膏理化性能良好，可为磷石膏生产建筑石膏粉或石膏砌块提供一种切实可行的工艺技术，有利于提高磷石膏的资源化利用率，从根本上解决长期以来困扰高浓度磷肥企业可持续发展瓶颈问题。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下述实施例中，磷石膏与转晶剂、晶种的混合在容积为150L卧式搅拌机完成；预热、α-半水石膏制备、预干燥过程在α-半水石膏转晶箱内进行，α-半水石膏转晶箱外型尺寸为800×500×450mm、底部布置dg50无缝管6根内完成，每根无缝管左右两侧60°夹角处分别开Φ3mm的小孔各6个，两侧开孔错位均布，3根用于通蒸汽，另外3根用于通热空气，蒸汽和热空气分别由电加热锅炉和电加热风机（风机全压为12kPa）提供；α-β复合半水石膏的制备在FN101-3鼓风干燥箱内进行。
制备的α-β复合半水石膏理化性能检验按GB/T9776-2008建筑石膏规定的条件进行。
实施例1
磷石膏取自磷石膏堆场，经分析，其附着水含量为10%、pH值为5.0，以干基计，取此磷石膏200kg，按磷石膏干基质量0.2%称取转晶剂硝酸铝400g，按2%质量计称取晶种4000g，分两次在卧式搅拌机内混合均匀，转入至α-半水石膏转晶箱内。
（1）α-β复合半水石膏制备
用蒸汽增湿至湿度为90%、温度为80℃的亚饱和空气进行加热升温，当转晶箱指示温度＞60℃时，改用常压蒸汽进行加热，并维持转晶箱内温度为100℃、湿度为95%，经8h保温后，再用100℃的热空气进行预干燥脱水，当物料附着水含量＜5%时，转入干燥箱内在300℃下进一步脱水，即为α-β复合半水石膏。
（2）α-β复合半水石膏性能检测
经分析，本实施例制备的α-β复合半水石膏标准稠度需水量为62%，初凝时间为12min，终凝时间为27min；将α-β复合半水石膏制成40×40×160mm试件，2h抗折强度为3.5MPa，抗压强度为7.2MPa。
实施例2
磷石膏取自磷酸生产现场，经分析，其附着水含量为25%、pH值为3.5，以干基计，取此磷石膏200kg，按磷石膏干基质量0.5%称取转晶剂硫酸铝1000g，按1%质量计称取晶种2000g，分两次在卧式搅拌机内混合均匀，转入至α-半水石膏转晶箱内。
（1）α-β复合半水石膏制备
用蒸汽增湿至湿度为80%、温度为100℃的亚饱和空气进行加热升温，当转晶箱指示温度＞60℃时，改用常压蒸汽进行加热，并维持转晶箱内温度为85℃、湿度为85%，经12h保温后，再用200℃的热空气进行预干燥脱水，当物料附着水含量＜5%时，转入干燥箱内在150℃下进一步脱水，即为α-β复合半水石膏。
（2）α-β复合半水石膏性能检测
经分析，本实施例制备的α-β复合半水石膏标准稠度需水量为54%，初凝时间为8min，终凝时间为17min；将α-β复合半水石膏制成40×40×160mm试件，2h抗折强度为7.2MPa，抗压强度为21.3MPa。
实施例3
磷石膏取自磷酸生产现场，经分析，其附着水含量为22%、pH值为2.5，以干基计，取此磷石膏200kg，按磷石膏干基质量0.3%称取转晶剂氯化铝600g，按1.5%质量计称取晶种3000g，分两次在卧式搅拌机内混合均匀，转入至α-半水石膏转晶箱内。
（1）α-β复合半水石膏制备
用蒸汽增湿至湿度为85%、温度为90℃的亚饱和空气进行加热升温，当转晶箱指示温度＞60℃时，改用常压蒸汽进行加热，并维持转晶箱内温度为90℃、湿度为90%，经10h保温后，再用150℃的热空气进行预干燥脱水，当物料附着水含量＜5%时，转入干燥箱内在200℃下进一步脱水，即为α-β复合半水石膏。
（2）α-β复合半水石膏性能检测
经分析，本实施例制备的α-β复合半水石膏标准稠度需水量为62%，初凝时间为11min，终凝时间为23min；将α-β复合半水石膏制成40×40×160mm试件，2h抗折强度为5.1MPa，抗压强度为16.5MPa。
Claims (8)
1.一种用磷石膏制备α-β复合半水石膏的方法，具体步骤如下：
（1）将磷石膏与转晶剂、晶种充分混合后放入α-半水石膏转晶箱内，用亚饱和空气进行预热，当转晶箱温度＞60℃，通入常压蒸汽维持温度和湿度，实现磷石膏中部分二水石膏转化为α-半水石膏；
（2）完成α-半水石膏转晶操作后，通入热空气进行预干燥，使物料附着水含量＜5%；
（3）经预干燥的物料进一步脱水，使未脱水的二水石膏转化为β-半水石膏，即得α-β复合半水石膏。
2.根据权利要求1所述的方法，磷石膏附着水分含量在10-25%，pH值为2.5-5.0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转晶剂为铝的硫酸盐、盐酸盐或硝酸盐；所述晶种为市售高强α半水石膏；转晶剂和晶种粒度均为过180目方孔筛筛余量＜5%的粉体；转晶剂添加量为磷石膏干基的0.2-0.5wt%，晶种添加量为磷石膏干基的1-2wt%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述α-半水石膏转晶箱为方形或圆形结构，底面布置带小孔的空气管和蒸汽分布管数根，顶部安装温度监测仪、温度仪和通气口。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中预热时所用的亚饱和空气温度为80-100℃，湿度为80-90%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中通入常压蒸汽维持温度为85-100℃，湿度为85-95%，转晶时间8-12h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中预干燥所用的热空气温度为100-200℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中脱水温度为150-300℃。
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