[发明专利]一种磷石膏制备高强α半水石膏的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于固体废弃物综合利用领域，具体涉及一种磷石膏制备高强α半水石膏的方法及装置。

背景技术

α半水石膏，国际上通称为高强度石膏，其主要特点为，基础抗压强度可达40-60MPa，甚至达100MPa。目前国内普遍使用的石膏材料为使用煅烧方法制备的β半水石膏，也称“建筑石膏”，其基础强度仅在5-10MPa左右。

α型半水石膏一般认为属于三方晶系 、层状结构。二水石膏转变为半水石膏时要发生两类变化 ：一是在两个离子层之间的水分子失去3/4 ；二是 Ca ²⁺与SO4^2-彼此错开。α型半水石膏与 β型半水石膏只是石膏脱水相一个系统中的2个极端相，二者在微观结构即原子排列的精细结构上没有本质的差别，但是作为石膏胶凝材料，其宏观性能相差很大。α型半水石膏水化速度慢、水化热低、需水量小、硬化体结构密实、强度高，β型半水石膏则恰好相反。

α型半水石膏是以蒸压法、水热法等在湿热环境下由二水石膏脱水而生成。不同于普通建筑石膏（β型半水石膏），其制品具有高强、轻质、隔热、防火、无污染、使用寿命长等许多特点。作为制模材料，α型半水石膏制品可以大大提高陶瓷工业所用的各种成型模具和精密冶金及机械加工所用的各种铸造模型的技术性能与使用寿命；α半水石膏又是一种新颖的功能型活性填料，用于制造高强度的工程塑料、工程橡胶等产品，是高档的装饰装修材料和优质的建筑用原料。但由于国外对一些关键技术的严格保密，我国现行生产工艺复杂，设备投资大，生产成本高，售价高等使它的应用受到限制。优质的α型半水石膏高性能模具石膏其价格高达1000元／吨左右，目前该产品还主要依赖于进口。目前用磷石膏制备α型半水石膏工业化尚未见报道。

我国是一个化学石膏资源十分丰富的国家，特别是存在大量磷石膏、氟石膏、脱硫石膏等化学石膏。开发高性能石膏胶凝材料，替代目前的主导墙体材料，由于其具有重量轻，可调节环境湿度、阻燃，保温隔热性能好，能降低建筑能耗，特别是具有完全可循环利用的绿色建材特点等一系列优点，已成为规模化利用各种磷石膏类化学石膏的有效途径。

1、α半水石膏的形成机理

α半水石膏是石膏在饱和蒸汽或水溶液环境中脱去1.5个结晶水制备出的半水石膏，其形成机理尚无定论，目前主要有三种观点：多数学者认为在加热水蒸气压力下按溶解析晶机制形成。V.Statava认为二水石膏转变为α半水石膏的初期，按局部化学反应机理进行，而后期则按溶解析晶机理进行。Й.А彼列捷尔则认为二水石膏先分解成无水硫酸钙和游离水，当后来结合水分子时，才生成粗大、密实的结晶α半水石膏。从近几年的研究成果看，溶液法是主要方向，增加二水石膏溶解度，促进半水石膏晶体重新生成及晶形控制方面的研究有了一定的突破。

其主要反应方程式如下：

α半水石膏晶形的控制机理与效果

在液相条件下，α半水石膏通过溶解再结晶形成。在受热时液相中二水石膏脱水成半水石膏，形成半水石膏的过饱和溶液很快析出α半水石膏晶核。结晶动力学理论认为，晶体的生长速度实际上是指晶面在单位时间内向外平行推移的距离，各个晶面的相对生长速度决定了晶体的外形，而各晶面相对生长速度的大小可以随所处环境的改变而发生变化。图1是半水石膏的晶形，它在C轴方向的生长速度较快，最终长成针状晶体。当液相掺有外加剂时，外加剂离子选择性地吸附在不同晶面上。石膏的(111)晶面由Ca²⁺组成,能选择吸附一价负离子，而(110)晶面由Ca²⁺和SO₄^2-组成，正负离子均可以吸附，但阳离子在SO₄^2-上的吸附更强烈。晶面吸附离子改变其比表面自由能，并阻碍晶体生长基元在该晶面贴附，从而降低了该晶面方向上的生长速度，进而影响生长后晶体形态。晶体形貌控制α半水石膏在硫酸(盐)、有机酸盐介质中的晶体生长习性。文献指出，金属阳离子大多吸附在(110)晶面上，降低了(110)晶面的自由能，从而降低了该晶面方向上的生长速率。α半水石膏仍为针状或棒状晶体，而多元羧酸盐的阴离子和阳离子可被选择吸附到(111)晶面上形成网络状吸附层，降低了晶体在C轴方向上的生长速度，α半水石膏最终可生长成六方短柱状晶体。