利用脫硫石膏制備發泡輕質材料的研究

李 亮

（攀枝花學院材料工程學院，四川攀枝花617000）

隨著中國相關工業的迅速發展，工業副產石膏的排放量也日漸增長。工業副產石膏主要包括磷石膏、氟石膏、煙氣脫硫石膏和鈦石膏等。由于工業副產石膏存在一定的雜質，因此影響著該類石膏的回收利用。目前，工業副產石膏主要利用途徑是用作粉刷石膏、水泥礦化劑、水泥緩凝劑、復合膠結材料和涂料填料。脫硫石膏為火電廠煙氣或燒結廠煙氣濕法脫硫過程中產生的以二水硫酸鈣為主要成分的工業廢渣，其品質相對較純，可以開發成石膏砌塊、紙面石膏板、石膏膩子等產品［1-4］。

為了進一步提高脫硫石膏的附加值和利用量，筆者研究利用脫硫石膏開發成發泡輕質材料，該發泡輕質材料具有良好的隔熱、隔音效果，可以大量用于墻體材料，對于解決脫硫石膏大量堆存占用場地和造成環境污染等問題具有重要意義。本實驗以攀鋼集團有限責任公司煙氣脫硫產生的脫硫石膏為主要原料，通過添加發泡劑和緩凝劑，制備出了發泡輕質材料。該發泡輕質材料密度達1 g/cm3左右，常溫耐壓強度達3 MPa左右。

1 實驗

1.1 實驗原料

1.1.1 脫硫石膏

實驗原料脫硫石膏的主要成分與天然石膏相同，主要化學成分是二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），其化學組成如表1所示。

表1 脫硫石膏原料的主要化學組成 %

圖1為脫硫石膏的XRD譜圖。從圖1可以看出，脫硫石膏的主要物相是CaSO4·2H2O。

圖1 脫硫石膏原料的XRD譜圖

1.1.2 發泡劑

發泡劑的種類有石膏發泡劑、水泥發泡劑、植物發泡劑。石膏發泡劑屬于植物源復合發泡劑，其以熱帶植物棕櫚果仁為主要原料，精餾C8～C12脂肪酸，最終形成發泡性能優異的表面活性劑組合物。水泥發泡劑屬于動植物蛋白類發泡劑。植物發泡劑是一種復配型物理發泡劑，主要針對泡沫混凝土行業大規模的連續生產而發明的。綜合考慮，本實驗選擇石膏發泡劑。

1.1.3 緩凝劑

本實驗所用緩凝劑選擇檸檬酸、硼砂和檸檬酸鈉，主要為了調節脫硫石膏和凝結時間，保證脫硫石膏具有適且的施工時間，同時減少發泡脫硫石膏出現強度損失。

1.2 儀器

101-1A型電熱鼓風干燥箱、2MZ-100型密封式制樣粉碎機、ZCYAW-300型微機控制抗壓抗折試驗機、攪拌機、5 cm×5 cm×5 cm模具。

2 實驗方法

取一定量脫硫石膏放置于烘箱內，在220℃溫度下恒溫烘烤3 h，取出后自然冷卻。將烘烤后的脫硫石膏采用球磨機磨細至0.088 mm。按設定的水灰比稱量一定量的水倒入塑料杯中，再稱量發泡劑和緩凝劑倒入塑料杯，采用高速攪拌器快速攪拌起泡。待泡沫穩定后，稱量磨細后的脫硫石膏倒入塑料杯中繼續攪拌均勻，反應完全后倒入模具澆注成型，自然養護24 h后拆模得到半成品。將半成品置于烘箱中，在90℃下恒溫烘烤3 h，得到成品，檢測常溫耐壓強度和密度。實驗流程見圖2。

圖2 脫硫石膏發泡輕質材料實驗流程示意圖

3 實驗結果分析與討論

3.1 石膏發泡劑發泡機理及對脫硫石膏發泡輕質材料性能的影響

將石膏發泡劑倒入裝有水的反應容器內，通過攪拌促使大量空氣進入水和發泡劑內，液體和氣體得到充分接觸。發泡劑中的表面活性物質在液膜表面形成雙電層，將進入的空氣包圍，從而得到一個個的氣泡。氣泡是氣體分散在液體中的分散體系，氣體是不連續的分散相，液體是連續的分散介質。氣體的密度比液體要小得多，因此液體中的氣泡就會上升到液體表面，大量的氣泡堆積構成氣泡的聚集體，即泡沫［5］。在得到均勻細小的泡沫后，添加脫硫石膏繼續攪拌。此時脫硫石膏會在泡沫的作用下形成均勻的空腔泡孔結構，當脫硫石膏凝固后，石膏材料內部大部分空間被氣孔占據，進而得到脫硫石膏發泡輕質材料。

實驗按不同的發泡倍數（用水量與發泡劑的質量比）添加石膏發泡劑，研究了發泡倍數對脫硫石膏輕質材料密度和耐溫耐壓強度的影響，結果見圖3。從圖3可以看出，隨著發泡倍數由700增至1 100，此時發泡劑的添加量相對減少，所形成的泡沫也隨之減少，脫硫石膏發泡輕質材料密度由0.55 g/cm3左右增至1 g/cm3（圖3a）；與此同時，脫硫石膏發泡輕質材料的常溫耐壓強度則由1 MPa左右增至3 MPa左右（圖 3b）。

圖3 發泡倍數對脫硫石膏發泡輕質材料的影響

3.2 緩凝劑對脫硫石膏發泡輕質材料性能的影響

用脫硫石膏制備發泡輕質材料過程中，不添加緩凝劑時，脫硫石膏與發泡劑產生的泡沫來不及混合均勻，脫硫石膏就在較短時間內凝固成型，致使泡沫無法及時在脫硫石膏內部產生均勻的泡孔結構［6］。因此，在試樣制備的過程中，需要添加適當的緩凝劑，以延長脫硫石膏的凝固時間，確保脫硫石膏具有適宜的施工性能。本研究選擇硼砂、檸檬酸和檸檬酸鈉作為緩凝劑，研究了緩凝劑對脫硫石膏發泡輕質材料性能的影響。

檸檬酸（C6H8O7）分子內具有極性羥基，這些極性的羥基基團會吸附在石膏水化物的晶核上，從而阻礙石膏與水的水化反應，導致石膏晶體生長緩慢，使得采用檸檬酸作緩凝劑的發泡脫硫石膏輕質墻體材料的強度降低。添加檸檬酸對脫硫石膏發泡輕質材料性能的影響見圖4。從圖4可以看出，檸檬酸配入量（質量分數，下同）由0.1%增至0.5%時，緩凝時間由17 min延長至50 min（圖4a），常溫耐壓強度則由1.5 MPa降至0.5 MPa（圖4b）。實驗結果表明，添加檸檬酸可以起到緩凝效果，檸檬酸配入量為0.1%時，即可以滿足施工要求，同時添加檸檬酸會明顯降低常溫耐壓強度。

圖4 檸檬酸配入量對脫硫石膏發泡輕質材料的影響

硼砂（Na2B4O7·10H2O）是無色半透明的晶體，易溶于水。硼砂能與脫硫石膏中的鈣離子發生絡合反應生成絡合物，沉淀在石膏顆粒表面，抑制石膏的水化反應，達到緩凝效果。添加硼砂對脫硫石膏發泡輕質材料性能的影響見圖5。從圖5可以看出，硼砂配入量由0.8%增至1.6%時，緩凝時間由12 min延長至30 min（圖 5a），常溫耐壓強度則由 3 MPa降至2.5 MPa（圖5b）。實驗結果表明，添加硼砂可以起到緩凝效果，硼砂配入量為1%時，即可以滿足施工要求，同時硼砂對常溫耐壓強度的影響較小。

圖5 硼砂配入量對脫硫石膏發泡輕質材料的影響

檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）是一種無機化合物晶體，呈無色或白色，易溶于水。檸檬酸鈉與鈣離子發生絡合反應生成絡合物，沉淀在石膏顆粒表面，從而抑制石膏水化，達到緩凝效果。添加檸檬酸鈉對脫硫石膏發泡輕質材料性能的影響見圖6。從圖6可以看出，檸檬酸鈉配入量由0.4%增至1.2%時，緩凝時間由16 min延長至39 min（圖6a），常溫耐壓強度則由1 MPa降至0.5 MPa（圖6b）。實驗結果表明，添加檸檬酸鈉可以起到緩凝效果，其配入量為0.4%時，即可以滿足施工要求，此外檸檬酸鈉對降低常溫耐壓強度的效果較為明顯。

圖6 檸檬酸鈉配入量對脫硫石膏發泡輕質材料的影響

3.3 正交試驗

從單因素實驗可知，緩凝劑的種類和配入量會影響脫硫石膏發泡輕質材料性能。通過對比發現，硼砂是較為適宜的緩凝劑。脫硫石膏發泡輕質材料的性能則主要受3方面因素影響：1）緩凝劑配入量過多，則緩凝時間不僅過長，還會導致常溫耐壓強度下降；2）脫硫石膏發泡劑的配入量越多，形成的泡沫越多，制成的脫硫石膏發泡材料越輕，也會導致常溫耐壓強度降低；3）用水量越多，形成的泡沫越多，制成的脫硫石膏發泡材料越輕，也是降低常溫耐壓強度的一個原因［7］。為了制得密度接近 1 g/cm3、常溫耐壓強度接近3 MPa的脫硫石膏發泡輕質材料，根據條件實驗結果，以石膏發泡劑配入量（A，%）、用水量（B、mL）、硼砂配入量（C，%）為考察對象，設計了 3 因素3水平的正交試驗L9（34），結果見表2。從表2可以看出，對脫硫石膏發泡材料常溫耐壓強度的主次順序為A、C、B，即石膏發泡劑配入量的影響最為顯著。在本試驗條件下，最優配方組成為A3B1C3，即石膏發泡劑配入量為0.065%、用水量為55 mL、硼砂配入量為1.3%，在此條件下脫硫石膏稱量100 g，脫硫石膏發泡材料的常溫耐壓強度可達3.5 MPa。

表 2 L9（34）正交試驗結果

4 結論

1）采用石膏發泡劑時，發泡倍數控制為1 100倍，脫硫石膏發泡輕質材料的密度可達1 g/cm3左右，脫硫石膏發泡輕質材料的常溫耐壓強度可達3 MPa左右。

2）采用檸檬酸作緩凝劑，檸檬酸配入量為0.1%（質量分數，下同）時，可以滿足施工要求，并會明顯降低常溫耐壓強度。采用檸檬酸鈉作緩凝劑，檸檬酸鈉配入量為0.4%時，可以滿足施工要求，并會較明顯降低常溫耐壓強度。采用硼砂作緩凝劑，硼砂配入量為1%時，可以滿足施工要求，且使常溫耐壓強度降低少。通過考量，實驗優選硼砂作為緩凝劑。

3）正交試驗表明：對常溫耐強度影響最大的因素是石膏發泡劑的配入量。在本實驗條件下，最優配方組成：石膏發泡劑配入量為0.065%、用水量為55 mL、硼砂配入量為1.3%，脫硫石膏稱量100 g，得到脫硫石膏發泡材料的常溫耐壓強度可達3.5 MPa。