CN113428887B - 一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及α高强石膏领域，具体公开了一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，包括工业副产物石膏预处理、制备浆料、转晶反应处理以及后续的干燥、破碎、筛分处理。通过该方法够制备出长径比在(1～3):1范围的短六棱柱状α型高强石膏晶型、具有8～10MPa的2h抗折强度、8～9MPa的烘干抗压强度。3、本发明针对转晶剂进行了优化和复配，在α型高强石膏粉体中显著降低了羧酸类组分的含量，能够有效降低转晶剂掺入α高强石膏中。制备得到的产品可以广泛应用于陶瓷模具、医疗产品、精密铸造。

Description

一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法
技术领域
本发明涉及工业副产物石膏的资源利用技术领域，特别涉及一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法。
背景技术
随着我国工业发展，工业副产物引发环境、资源以及安全等问题日益凸显，其中在传统工业技术中出现了大量的工业副产石膏，主要的形式有磷石膏、脱硫石膏、柠檬酸石膏、氟石膏、盐石膏等都属于工业副产石膏。国外对工业副产石膏的研究较早，可以再次制成建筑石膏及其相应的产品、石膏砌块、以及近年来新起的高强石膏。其中α高强石膏由于其具有出色的抗压强度和抗折强度，广泛用于陶瓷模具、医疗产品、精密铸造等，能够取得很高的经济价值。
高强石膏的制备方法主要有蒸压法、水热法、常压盐溶液法等，而水热法工艺具有生产出的α型半水石膏强度很高、晶型更容易控制的特点被大量研究，但是需要采用高压高温反应釜，而且该工艺依赖于转晶剂，转晶剂是制备α型高强石膏的关键，它对提高α型高强石膏的力学性能起到至关重要的作用。
大量的研究针对转晶剂也筛选出了有利于晶体生长的物质；然而半水硫酸钙晶体的形成机理尚不明确，对于转晶剂的研究有一定的指导意义，但是也存在很多不确定性。常用的转晶剂有无机盐类、有机酸(盐)类、有机大分子类、表面活性剂类以及复配型。无机盐主要选用高价阳离子，如铝离子、铁离子等；有机酸(盐)主要有柠檬酸、琥珀酸酸、草酸、酒石酸及其衍生物等；大分子主要选用界面改良剂，如糊精、明胶等；表面活性剂分别为阴离子表面活性剂，如十二烷基苯磺酸钠，以及非离子型表面活性剂，如OP-IO、单硬脂酸甘油酯等。
在以上现有的转晶剂中，多元有机酸，特别是羧酸类能够有效调节α- 高强石膏晶体的长径比和形貌，是比较重要的转晶剂类型，也是在复配中常用的组成。然而，在高压水热法形成α-高强石膏的过程中，这些基于羧酸的中等晶体中的一些通过共沉淀进入到到石膏中，这会导致转晶剂的损失，而且掺入α石膏中的转晶剂组分会影响石膏的强度。
如何研究复配型转晶剂仍然是有很大的需求，申请人针对现有技术中的缺陷，提供一种改进的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术缺陷，提供一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，通过对转晶剂的复配，能够有效降低转晶剂掺入α高强石膏中，并且制备得到2h抗折强度和烘干抗压强度优异的α高强石膏。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，包括以下步骤：
(1)工业副产物石膏预处理：用筛子筛掉石膏原料中的砂子、石子等杂质；然后利用气流粉碎机将其破碎、过筛，得到粒度为100～150μm的石膏粉末；
(2)制备浆料：将石膏粉末与复配转晶剂混合后与水进行混合，加热至30～50℃并搅拌、加入硫酸或氢氧化钠溶液调节pH至5～8以及浆料重量0.1～0.5wt％的α-半水石膏；所述复配转晶剂由20-30wt.％乙二胺四乙酸、10-20wt.％柠檬酸、 10-15wt.％硫酸镁、1-2wt.％单硬脂酸甘油酯以及余量水组成。
(3)将浆料从蒸压釜中的进料口倒入，同时开始加热并启动搅拌装置，当反应釜内温度为110～130℃、蒸汽压为0.3～0.6MPa，维持上述参数进行转晶处理5～ 10h；得到湿润的α半水石膏；
(4)打开蒸压釜的排汽阀和排液阀，将釜内蒸汽和反应液排出；然后用50～60℃水对反应物进行淋洗，再关闭排汽阀和排液阀并对蒸压釜进行抽真空处理，并保持釜内温度为70～80℃对湿润的α半水石膏进行干燥处理；
(5)将干燥后的物料进行破碎处理、破碎后的粒径范围90～130μm，再根据实际需求对其进行分级筛分，得到满足要求的α高强石膏粉体。
进一步地，步骤(1)中工业副产物石膏为脱硫石膏、柠檬酸石膏、芒硝石膏中的一种或多种。
进一步地，步骤(2)中浆料的固体物料比重为900～1100kg/m3。
进一步地，步骤(2)中所述复配转晶剂由23-26wt.％乙二胺四乙酸、13-17wt.％柠檬酸、12-13wt.％硫酸镁、1.4-1.6wt.％单硬脂酸甘油酯以及余量水组成。
进一步地，步骤(2)中所述复配转晶剂的加入量为浆料的1～5％.
进一步地，步骤(3)中反应釜内温度为115～120℃、蒸汽压为0.4～0.5MPa、转晶处理6～8h。
进一步地，α高强石膏的长径比为(1～3):1、2h抗折强度为8～10MPa、烘干抗压强度为75～90MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明提供的工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，够制备出长径比在(1～3):1范围的短六棱柱状α型高强石膏晶型。
2、本发明提供的工业副产物石膏制备α高强石膏的方法得到的α高强石膏具有 8～10a的2h抗折强度、8～9MPa的烘干抗压强度。
3、本发明针对转晶剂进行了优化和复配，在α型高强石膏粉体中显著降低了羧酸类组分的含量，能够有效降低转晶剂掺入α高强石膏中，这是提高α高强石膏性能的主要贡献因素。
4、本发明提供了一种工业副产物石膏再次利用的工艺，制备得到的α高强石膏可以广泛应用于陶瓷模具、医疗产品、精密铸造。
附图说明
图1为实施例1-3、对比例1-3得到的α高强石膏的扫描电镜图；其中(a) -(f)分别对应实施例1-3、对比例1-3。
具体实施方式
为了清楚的对本发明的技术进行说明，下面将结合具体的实施案例对本发明的技术方案作出详细的阐述和说明。
实施例1
一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，包括以下步骤：
(1)工业副产物石膏预处理：用筛子筛掉柠檬酸石膏原料中的砂子、石子等杂质；然后利用气流粉碎机将其破碎、过筛，得到粒度为100～150μm的石膏粉末；
(2)制备浆料：将石膏粉末与复配转晶剂混合后与水进行混合，加热至30℃并搅拌、加入硫酸溶液调节pH至5以及浆料重量0.1wt％的α-半水石膏，浆料的固体物料比重为900kg/m3；所述复配转晶剂由20wt.％乙二胺四乙酸、10wt.％柠檬酸、10wt.％硫酸镁、1wt.％单硬脂酸甘油酯以及余量水组成。复配转晶剂的加入量为浆料的1％。
(3)将浆料从蒸压釜中的进料口倒入，同时开始加热并启动搅拌装置，当反应釜内温度为110℃、蒸汽压为0.3MPa，维持上述参数进行转晶处理5h；得到湿润的α半水石膏；
(4)打开蒸压釜的排汽阀和排液阀，将釜内蒸汽和反应液排出；然后用50℃水对反应物进行淋洗，再关闭排汽阀和排液阀并对蒸压釜进行抽真空处理，并保持釜内温度为70℃对湿润的α半水石膏进行干燥处理；
(5)将干燥后的物料进行破碎处理、破碎后的粒径范围90～130μm，再根据实际需求对其进行分级筛分，得到满足要求的α高强石膏粉体。
实施例2
一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，包括以下步骤：
(1)工业副产物石膏预处理：用筛子筛掉脱硫石膏原料中的砂子、石子等杂质；然后利用气流粉碎机将其破碎、过筛，得到粒度为110～150μm的石膏粉末；
(2)制备浆料：将石膏粉末与复配转晶剂混合后与水进行混合，加热至50℃并搅拌、加入氢氧化钠溶液调节pH至8以及浆料重量0.5wt％的α-半水石膏，浆料的固体物料比重为1100kg/m3；所述复配转晶剂由30wt.％乙二胺四乙酸、20wt.％柠檬酸、15wt.％硫酸镁、2wt.％单硬脂酸甘油酯以及余量水组成。复配转晶剂的加入量为浆料的5％。
(3)将浆料从蒸压釜中的进料口倒入，同时开始加热并启动搅拌装置，当反应釜内温度为130℃、蒸汽压为0.6MPa，维持上述参数进行转晶处理10h；得到湿润的α半水石膏；
(4)打开蒸压釜的排汽阀和排液阀，将釜内蒸汽和反应液排出；然后用60℃水对反应物进行淋洗，再关闭排汽阀和排液阀并对蒸压釜进行抽真空处理，并保持釜内温度为80℃对湿润的α半水石膏进行干燥处理；
(5)将干燥后的物料进行破碎处理、破碎后的粒径范围90～120μm，再根据实际需求对其进行分级筛分，得到满足要求的α高强石膏粉体。
实施例3
一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，包括以下步骤：
(1)工业副产物石膏预处理：用筛子筛掉芒硝石膏原料中的砂子、石子等杂质；然后利用气流粉碎机将其破碎、过筛，得到粒度为120～140μm的石膏粉末；
(2)制备浆料：将石膏粉末与复配转晶剂混合后与水进行混合，加热至55℃并搅拌、加入硫酸溶液调节pH至6.5以及浆料重量0.3wt％的α-半水石膏，浆料的固体物料比重为1000kg/m3；所述复配转晶剂由25wt.％乙二胺四乙酸、15wt.％柠檬酸、12wt.％硫酸镁、1.5wt.％单硬脂酸甘油酯以及余量水组成。复配转晶剂的加入量为浆料的3％。
(3)将浆料从蒸压釜中的进料口倒入，同时开始加热并启动搅拌装置，当反应釜内温度为120℃、蒸汽压为0.5MPa，维持上述参数进行转晶处理8h；得到湿润的α半水石膏；
(4)打开蒸压釜的排汽阀和排液阀，将釜内蒸汽和反应液排出；然后用55℃水对反应物进行淋洗，再关闭排汽阀和排液阀并对蒸压釜进行抽真空处理，并保持釜内温度为75℃对湿润的α半水石膏进行干燥处理；
(5)将干燥后的物料进行破碎处理、破碎后的粒径范围100～120μm，再根据实际需求对其进行分级筛分，得到满足要求的α高强石膏粉体。
为了更好的说明，我们采用市售的含柠檬酸和/或乙二胺四乙酸的转晶剂进行对比。
对比例1
对比例1与实施例1相同，差异在于对比例1采用市售含柠檬酸的转晶剂，其他组分和制备步骤相同。
对比例2
对比例2与实施例2相同，差异在于对比例2采用市售含乙二胺四乙酸的转晶剂，其他组分和制备步骤相同。
对比例3
对比例3与实施例3相同，差异在于对比例3采用市售含柠檬酸和乙二胺四乙酸的转晶剂，其他组分和制备步骤相同。
1、利用扫描电镜对实施例1-3、对比例1-3得到的α高强石膏进行形貌观察。
从电镜图可知，采用本发明转晶剂制备得到的α高强石膏为长径比在(1～ 3):1范围的短六棱柱状α型高强石膏晶型。对比例1-3也能够得到相应的短六棱柱状α型高强石膏晶型。
2、根据JC/T2038-2010测量实施例1-3、对比例1-3得到的产品的强度数据，数据结果记录于表1。
表1
2h抗折强度(MPa) 烘干抗压强度(MPa) 长径比
实施例1 8.4 79.5 1.1:1
实施例2 9.3 77.9 2.5:1
实施例3 9.7 88.7 1.6:1
对比例1 7.7 74.6 2.7:1
对比例2 7.1 75.8 3.1:1
对比例3 9.4 84.1 2.4:1
根据本发明工艺制备的α高强石膏的长径比为(1～3):1、2h抗折强度为 8～10MPa、烘干抗压强度为75～90MPa，而且各方面强度都是优于市售的转晶剂制备得到的α高强石膏，可见本产品具有晶经结构调控效果明显、产品强度高等优点，能够广泛应用于陶瓷模具、医疗产品、精密铸造提供应用基础。
3、通过化学滴定法测定α高强石膏粉体中的柠檬酸和或乙二胺四乙酸的含量，数据结果记录于表2。
表2
柠檬酸含量(wt.％) 乙二胺四乙酸含量(wt.％)
实施例1 1.52 3.11
实施例2 3.79 5.14
实施例3 2.74 4.56
对比例1 7.72 0
对比例2 0 12.5
对比例3 5.44 9.31
根据上述实验数据可知，本发明制备方法得到的α高强石膏粉体明显降低了转晶剂组分在转晶过程中掺入至产品中；这表明转晶剂的组成很大程度上决定了α型高强石膏的性能。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）工业副产物石膏预处理：用筛子筛掉石膏原料中的砂子、石子等杂质；然后利用气流粉碎机将其破碎、过筛，得到粒度为100～150μm的石膏粉末；
（2）制备浆料：将石膏粉末与复配转晶剂混合后与水进行混合，加热至30～50℃并搅拌、加入硫酸或氢氧化钠溶液调节pH至5～8以及浆料重量0.1～0.5wt%的α-半水石膏；所述复配转晶剂由20-30wt.%乙二胺四乙酸、10-20wt.%柠檬酸、10-15wt.%硫酸镁、1-2wt.%单硬脂酸甘油酯以及余量水组成；
（3）将浆料从蒸压釜中的进料口倒入，同时开始加热并启动搅拌装置，当反应釜内温度为110～130℃、蒸汽压为0.3～0.6MPa，维持上述参数进行转晶处理5～10h；得到湿润的α半水石膏；
（4）打开蒸压釜的排汽阀和排液阀，将釜内蒸汽和反应液排出；然后用50～60℃水对反应物进行淋洗，再关闭排汽阀和排液阀并对蒸压釜进行抽真空处理，并保持釜内温度为70～80℃对湿润的α半水石膏进行干燥处理；
（5）将干燥后的物料进行破碎处理、破碎后的粒径范围90～130μm，再根据实际需求对其进行分级筛分，得到满足要求的α高强石膏粉体；
步骤（1）中工业副产物石膏为脱硫石膏、柠檬酸石膏、芒硝石膏中的一种或多种；
步骤（2）中浆料的固体物料比重为900～1100kg/m3；
步骤（2）中所述复配转晶剂的加入量为浆料的1～5%；
α高强石膏的长径比为(1～3):1、2h抗折强度为8～10 MPa、烘干抗压强度为75～90MPa。
2.根据权利要求1所述的一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，其特征在于：步骤（2）中所述复配转晶剂由23-26wt.%乙二胺四乙酸、13-17wt.%柠檬酸、12-13wt.%硫酸镁、1.4-1.6wt.%单硬脂酸甘油酯以及余量水组成。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种工业副产物石膏制备α高强石膏的方法，其特征在于：步骤（3）中反应釜内温度为115～120℃、蒸汽压为0.4～0.5MPa、转晶处理6～8h。
4.根据权利要求1～3任一项所述的α高强石膏的应用，其特征在于：α高强石膏应用于陶瓷模具、医疗产品、精密铸造。
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