預處理工藝對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處理工藝對磷石膏進行處理，通過研究石灰摻量、陳化時間、煅燒溫度以及煅燒時間等因素對磷石膏性能的影響，得到一種工藝簡單，容易實現，處理成本低的磷石膏處理技術。

【關鍵詞】磷石膏；預處理工藝

【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）磷石膏是生產濕法磷酸時排除的副產品，主要成分為二水硫酸鈣，通常每生產1噸磷酸（P2O5計）副產4.5～5.0噸磷石膏。目前，世界濕法磷酸年總產量約2.6億噸（以P2O5計），副產磷石膏約1.5億噸，利用率僅4.3%～4.6]%[1]。預計中國到2015年磷肥需求量將達1.3億噸[2]，屆時磷石膏年排放量將超過2000萬噸，而目前利用率僅為2%～3%[3]。目前，國家環保總局已將磷石膏列入危險排放之列，這將對磷肥企業造成更大的壓力。雖然我國在磷石膏的開發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現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構方面的差異，使其不能代替天然石膏直接用于生產石膏建材。為此，必須對磷石膏進行預處理，消除有害雜質的影響和改善其顆粒結構。磷石膏預處理一般采用水洗、石灰中和等工藝[4]。

（3）由于石灰中和工藝簡單、投資少，效果顯著，是非水洗預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，輔以陳化工藝對磷石膏性能的影響。

2. 試驗原材料及預處理工藝

2.1 原材料。

磷石膏：濕排廢渣，經試驗室煅燒為白色粉末狀固體。其化學成分見表1。

2.2 預處理工藝。

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，與磷石膏中的殘留酸中和反應，使可溶性磷與可溶性氟轉化成惰性無害物質[5]。石灰中和改性處理的化學反應式如下：

2.2.2 陳化法處理。

陳化法[6]處理是所有處理工藝中最簡單的一種處理工藝。磷石膏堆存后，不做其他任何處理，經過一定時間后其自然風干，在風干過程中磷石膏中易揮發組分自然揮發。

3. 試驗結果

3.1 生石灰摻量對磷石膏性能的影響。

（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。自然養護后烘干測試其物理力學性能，不同摻量生石灰對磷石膏性能的影響如表2所示。

（2）由表2可以看出，未作預處理的磷石膏流動性差，凝結時間較長，抗壓強度較低。加入石灰后，凝結時間縮短，強度明顯提高。這主要是石灰的加入可以使磷石膏中的殘留酸轉化為惰性物質，中和磷石膏至中性，降低可溶磷和可溶氟的影響。當石灰摻量超過3%時，磷石膏的力學性能開始下降，這主要是由于磷石膏中可溶酸性雜質全部中和后，繼續摻生石灰對磷石膏性能產生不良影響。

3.2 陳化時間對磷石膏性能的影響。

（1）由于煅燒所得的磷石膏中含有一定量的無水石膏相，造成磷石膏用水量大、凝結時間長、硬化強度低等不良后果，為了改善建筑石膏的性能，必須經過一定時間的陳化。按照優化的生石灰摻量，仍在160 ℃下煅燒4 h，試驗對不同自然陳化時間的磷石膏進行性能測試，其結果如表3所示。

（2）從表3可以看出，隨著陳化時間的延長，標準稠度用水量降低，凝結時間延長，抗壓強度、抗折強度提高，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，它們在常溫常壓下都是介穩相，其中可溶性CaSO4晶格周圍有吸水性很強的無水通道，空氣中的水分可以沿此通道進入晶格內，并不斷改變晶格使其轉化成β-CaSO4·1/2H2O穩定存在于空氣之中，當β-CaSO4·1/2H2O吸附水大于2%時喪失穩定轉變成CaSO4·2H2O。從試驗結果來看，自然陳化4d后磷石膏性能穩定，所以煅燒后的磷石膏應該自然陳化4d。

3.3 煅燒溫度對磷石膏性能的影響。

（1）磷石膏轉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，養護28d后對其力學性能和軟化系數進行測試，其結果如圖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度和軟化系數呈上升趨勢，當煅燒溫度為150℃時，既能保證轉化物大部分為半水石膏又能保證較快的轉化速率。

3.4 煅燒時間對磷石膏性能的影響。

（1）石膏作為不良熱導體，當顆粒表面溫度達到設定溫度后其內部溫度卻低于設定溫度，因此，需要一定的恒溫時間即煅燒時間。不同煅燒時間下磷石膏制成的建筑石膏強度、軟化系數如圖3和4所示。

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

4. 結論

（1）磷石膏中可溶性雜質對磷石膏的應用性能有較大影響，它們的存在都會造成磷石膏基材料凝結時間延長，制品結構疏松， 導致強度降低，因此需要對磷石膏進行預處理，促進磷石膏在水泥和建材工業的應用。

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

（3）摻3%生石灰中和，經150℃煅燒4h，自然陳化4d后的磷石膏性能滿足相應標準要求。

參考文獻

[1] 馬雷，劉力，楊林等.磷石膏資源化利用[J].貴州化工，2004，29（2）：14-16.

[2] 林樂.我國磷肥工業發展現狀和展望[J].磷肥與復肥，2004，19（1）：1-5.

[3] 夏舉佩，陽超琴，蘇毅.磷石膏基復合膠凝材料的制備[J].云 南化工，2005，15（1）：21-23.

[4] 彭家惠，張建新，萬體智等.磷石膏預處理工藝研究 [J].重慶建筑大學學報，2000（10）：74-78.

[5] 胡旭東，趙志曼.磷石膏的預處理工藝綜述[J].建材發展導向，2006（1）：48-51.

[6] 馬林轉，寧平，楊月紅等.磷石膏預處理工藝綜述[J].磷肥與復肥，2007，22（3）：62-63.

[文章編號]1619-2737（2018）04-08-707

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