摘要
磷石膏是工业生产磷酸过程中产生的固体废弃物。我国磷石膏的年排放量大，利用率低。利用磷石膏代替天然石膏制备α-半水石膏是磷石膏资源化利用的研究方向之一。本课题采用磷石膏半液相法制备α-半水石膏，主要研究了关键技术参数水固比及浆体pH值，转晶剂种类及掺量对制备α-半水石膏的影响，并运用MaterialsStudio软件建立转晶剂和半水石膏晶面的分子动力学模型，结合宏观实验及微观表征探究转晶剂的作用机理。取得的主要成果如下： （1）深入研究了水固比、浆体pH值对半液相法制备α-半水石膏的晶体形貌及基本性能的影响。结果表明：水固比过高过低均不利于晶体生长。浆体pH值对α-半水石膏晶体形貌影响不大。水固比为23%、33%、43%、53%、80%和浆体pH为2、4.4、6.7制备出的α-半水石膏均满足高强石膏规范中强度等级为α30的要求。水固比为33%，浆体pH值为4.4时，能耗较小，生产速率较高，α-半水石膏的抗压强度为38MPa。 （2）与不掺转晶剂的空白组对比，有机酸转晶剂的掺入使α-半水石膏晶体由长棒状变成短柱状，标准稠度用水量从45%降至40%，强度显著提高。有机酸组中丁二酸效果最好，强度随丁二酸掺量的增大先上升再下降，其中最佳掺量为0.15%，抗折/抗压强度为7MPa/49.9MPa，但当丁二酸掺量过大时会抑制磷石膏脱水反应。无机盐转晶剂的掺入对α-半水石膏的晶体形貌和标准稠度用水量影响不大，但能促进磷石膏的脱水，提高了α-半水石膏含量，故强度显著提高。无机盐组中硫酸钾效果最好，强度随硫酸钾掺量增大而增大，0.2%掺量时抗折/抗压强度为5.2MPa/44MPa。XRD图谱、FTIR光谱和晶面参数证实转晶剂未改变晶体的化学组成。 （3）转晶剂与半水石膏分子动力学模型结果表明：丁二酸和硫酸钾与半水石膏晶体主晶面均有吸附作用，但丁二酸与半水石膏晶体（002）端面相互作用能最大，所以对c轴方向上的生长抑制作用较强。而硫酸钾与半水石膏晶体（110）晶面相互作用能最大，故钾离子会优先吸附到晶体侧面暴露的带负电荷的SO42-上，抑制晶体径向生长。 （4）有机酸转晶剂作用机理：丁二酸对α-半水石膏晶体的调晶是通过吸附作用实现的，有机酸转晶剂中的羧基优先选择性吸附到晶体的（002）面与Ca2+络合，抑制晶体沿着c轴生长，最后得到短柱状的α-半水石膏晶体，标准稠度用水量降低。同时有机酸转晶剂电离出的羧基与Ca2+相互作用形成少量难溶物，促进溶液中磷石膏溶解，提高了产物α-半水石膏含量，故强度显著提高。 （5）无机盐转晶剂的作用机理：无机盐转晶剂对α-半水石膏晶体形貌无改善作用。但掺入无机盐转晶剂会促使磷石膏溶解，提高了产物中α-半水石膏的含量，故强度显著提高。
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