β—半水磷石膏粉制备及力学性能研究

摘 要 目前我国磷石膏的堆积量已经超过了2亿吨，主要由磷肥工业排放所产生。因为磷石膏的含水量大，且杂质含量复杂、有害和不易去除，限制了磷石膏的综合利用。本文提出煅烧法将二水磷石膏脱水结晶，转化为半水石膏，为磷石膏在水泥建材方面寻找到出一条经济合理的工艺条件。本次实验研究了磷石膏结晶水、煅烧温度和水膏比，对二水磷石膏转化为β-半水石膏的力学性能的测定和影响，得出结论是煅烧温度在170℃，水膏比为0.45时，得到的β半水石膏的抗折抗压性能最好。

关键词 磷石膏；煅烧；β半水石膏

中图分类号O6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）98-0119-02

0 引言

磷石膏是磷肥工业的副产物。因为历史留存和每年新增的量，加上其利用率一直处于低水平，使得磷石膏大量的堆放，造成了堆放点土壤、水域和生态环境的污染与破坏，并且存在一定的安全隐患。如今随着技术的不断发展与进步，对磷石膏的利用也逐渐增加。其中磷石膏在建筑材料方面有了不断完善和成熟的工艺技术，而本实验内容就是基于磷石膏制备β-半水石膏的一个性能初探。

1 实验样品的性质分析

试样性质：

本次实验的样品取自湖北省宜昌市夷陵区的新洋丰肥业化工厂的磷石膏堆放点。其因实验条件有限，取至宜昌远安县的磷石膏[1]作为本次实验依据，其成分所含各自比例见表一。

从表中计算可以看出，磷石膏中，CaSO4的含量在72.95%～81.95%范围之间，SiO2的含量在6.201%左右，且其物理形态主要以石英为主，少量的与F-离子络合形成Na2SiF6，但是因为Na2SiF6在石膏中表现为惰性，所以不会对石膏产生不良影响。磷石膏还含有其他物质，如磷、碱性的金属盐、铁和铝等等。其中磷主要是以可溶磷、共晶磷和难溶磷的形式存在。而碱性金属则主要是以磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氟化物等可溶盐形式存在。

2 初探实验的流程

2.1 磷石膏的pH测定和调节实验

取50g磷石膏试样按水固比1.7：1添加，搅拌机下以550转/min～650转/min搅拌30min，然后静止24h；之后取其上清液，测定最初pH。最后以氢氧化钙为PH调和剂，分次加入不同量的氢氧化钙，从而对磷石膏中的游离酸进行中和。测定并记录数据，得到其pH值与氢氧化钙添加量变化关系，见下图1。

由图1可以看出，磷石膏上清液呈酸性，且PH值在2.0～3.0之间。随着氢氧化钙添加量的增加，pH值快速增大；在pH达到12附近时，上清液里的游离酸基本全被中和，而后曲线也逐渐呈水平关系。

本实验所需要分析的是PH上升时，其PH值与添加量的线性关系。所以选取pH上升较为稳定的一段，即pH在2.48～7.24的变化曲线，作为单独研究，得到下图图2：

通过上图的线性关系，计算出磷石膏PH调节到中性时，氢氧化钙所占含量。此时的结果将为下面预处理实验作为实验依据。

2.2 磷石膏的预处理

取5份3kg的原状磷石膏样品，按照上诉测定的氢氧化钙添加比例，加水后掺混均匀，放入烘箱，在60℃温度下烘干至恒重，除去自由水，最后研磨烘干料，密封装袋，供后续实验用。

2.3 β-半水磷石膏制备及结晶水含量测定

取五份2kg预处理后的磷石膏，分别在110℃、130℃、150℃、170℃、190℃的温度下[2][3]，分别煅烧2h，自然降温到常温，测定其前后质量变化，最后用塑料袋密封。记录数据并绘制得图3：

由图中曲线可知，磷石膏在110℃已经开始脱水，此时部分磷石膏开始转化为半水石膏；而在140℃～160℃时，为最佳脱水温度。也是磷石膏制备β-半水石膏的最佳温度。在温度超过160℃后，磷石膏开始向α-半水石膏转化。不再是制备β-半水石膏的温度。另外由实验数据计算可知：磷石膏减少的最大量为273.6g，即磷石膏中结晶水的含量为273.6g。结晶水的百分含量在13.68%左右。

2.4 对煅烧后的磷石膏进行预处理

分别取110℃、130℃、150℃、170℃、190℃煅烧下的五类β-半水磷石膏1200g，将该温度下的磷石膏以水灰比为0.45进行混合（即加水540g使其混合），然后放在水泥净浆搅拌机中进行搅拌，然后放在模具中凝结成4㎝×4㎝×16㎝的长方体块状物。

2.5 测定不同温度煅烧下的磷石膏凝结时间

分别称出在110℃、130℃、150℃、170℃、190℃时煅烧后得到的β-半水磷石膏300g，分别将其和水以0.45的混合比（即加水135g）进行混合，然后放在水泥净浆搅拌机中搅拌。在慢速和快速状态下分别搅拌10s，最后取出，通过标准法维卡仪对其初凝以及终凝凝结时间进行测定，记录并绘制关系图，得到图四：

在实验过程中，第一次的水膏比设定为0.5，但是在之后初凝实验测定中，初凝时间太长，导致第一次实验失败；第二次设定为0.4时，实验发现初凝时间太短。在第三次实验时，设定水膏比为0.45时，初凝时间和终凝时间符合实验目的。于是可以得出水膏比很大程度影响到β-半水是石膏的初凝和终凝时间，并且由图形关系可以看出，随着煅烧温度的升高所得到的β-半水石膏的初凝和终凝时间也会随着升高。其中水膏比在0.45左右时为最佳。

2.6 测定不同温度煅烧下磷石膏的力学性能

对于不同温度煅烧下的磷石膏，按0.45的水膏比例混合后的条件下，其抗压和抗折性能也有很大区别，下图为不同温度下，抗压、氧化抗压和抗折的关系图，如图5：

由图可知，随着温度上升，抗折强度先增大，但随着温度的继续升高，抗折强度反而降低。当抗压强度达到最大时，煅烧温度为165℃～175℃左右。根据实际实验数据来看，在170℃时抗折强度最高。而抗压强度也是呈现出先增后减的趋势，且在150℃～170℃时抗压强度达到最大值。

实验考虑到样块测试时，已经含有了大量的自由水。所以实验又对样品经低温烘烤后，再次测定其抗压强度，并且有实验数据可以看出，经过低温烘干的样块，其抗压强度显著增大，这说明自由水的含量对磷石膏抗压强度影响很大，自由水含量低的β-半水石膏抗压强度大远比自由水含量高的大。达到最大时，煅烧温度为150℃～170℃左右。

所以，可知当煅烧温度为150℃～170℃时，获得的石膏的抗折抗压强度都较高，为最佳煅烧温度。

3 结论

煅烧温度过低时，原状磷石膏制备的β-半水石膏强度较小，不能满足作为建筑材料的条件，利用价值不很高。而当温度过高时，如190℃时，不但消耗能源，经济成本有所加大，而且抗压抗折强度效果也不高。磷石膏制备β-半水石膏的最佳温度在170℃时，是最佳煅烧温度，此时获得的石膏的抗折抗压强度均最好，而且煅烧温度较低，节约能源降低成本，适合磷石膏的工业化利用。

β-半水石膏的凝结时间与水膏掺混比有很大联系，此次试验得出的水膏掺混比在0.45左右时，为最佳比例。得到的β-半水石膏的凝结时间比较理想。

煅烧后的磷石膏，经过低温烘干，除去其所含的自由水后，其力学性能会有较为明显的增强。可以通过此种方法提高其作为建筑材料的抗压性能。

参考文献

[1]高惠民，荆正强.磷石膏制备β-半水石膏粉实验研究[J].化工矿物与加工，2007，36（3）：9-11，24.

[2]刘代俊，李军.磷石膏转化法生产硫酸钾的新工艺[J].磷肥与复肥，1996，11（3）：17-19，22.

[3]马春磊，金央，李军，罗建洪，翁燕玲，吴昊游.二水磷石膏转化为半水石膏的工艺研究[J]. 化学工程师，2013：53-54.