（中國礦業(yè)大學(xué)，北京/狄永浩，石鈺，鄭水林）化學(xué)石膏價格低廉，由其制備出的硫酸鈣晶須性能優(yōu)良，具有很好的性能價格比，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。用化學(xué)石膏代替天然石膏不僅可以減少對環(huán)境的污染，而且可實現(xiàn)對天然石膏資源的保護，對我國石膏行業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展有著十分積極的意義。
但是在水相介質(zhì)中，例如造紙工業(yè)中應(yīng)用化學(xué)石膏時，因其溶解度較高，不僅大幅提升了應(yīng)用成本，而且也對紙漿體系造成嚴重的負面影響。因此，研究提高化學(xué)石膏的水溶性能對于化學(xué)石膏在造紙工業(yè)及其它工業(yè)中的應(yīng)用、高效和大量利用化學(xué)石膏意義重大。
1 實驗
1.1原料
實驗所用原料化學(xué)石膏由中國制漿造紙研究所提供，其礦物組成及相應(yīng)組分含量如表1。原料化學(xué)石膏的水溶保留率為62.20 %。實驗所用試劑氫氧化鈣、氫氧化鋇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚乙烯醇、可溶性淀粉、聚氧化乙烯等均為市售、分析純。
1.2方法
稱取化學(xué)石膏原料，配置成一定濃度的懸浮液加入反應(yīng)釜中，加入pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)懸浮液的初始pH值，攪拌均勻，上緊反應(yīng)釜，設(shè)定反應(yīng)的溫度和攪拌速度，在反應(yīng)釜中攪拌反應(yīng)一定的時間，之后用定量濾紙對懸浮液進行過濾，取所得濾餅加入100ml蒸餾水于三頸燒瓶中，加入適量添加劑，在50℃的水浴中，攪拌速度1000 r/min下攪拌改性30 min，然后將懸浮液過濾，取濾餅，在120℃下烘干。
表1 原料化學(xué)石膏的主要礦物組成
| 礦物名稱 |
石膏 |
半水石膏 |
硬石膏 |
蒙脫石 |
| 含量/% |
92.3 |
2.5 |
4.0 |
1.2 |
1.3樣品表征
通過測定樣品在水中的溶解度來評價其抗水溶性能。測定方法如下：稱取約2克經(jīng)120 ℃烘干的改性后的硫酸鈣樣品，配置成約1%濃度的懸浮液，在40 ℃的水浴條件下攪拌1 h，然后利用定量濾紙（事先應(yīng)將濾紙在120 ℃下恒重）對懸浮液進行過濾，將濾紙上面的濾渣用200ml清水分3次洗滌后，連同濾紙移入烘箱，在120 ℃下恒重。稱取并計算過濾前后硫酸鈣的絕干質(zhì)量差除以2g，為硫酸鈣的保留率（%）。將100%減去硫酸鈣保留率的差值，視為硫酸鈣在水中的溶解度（%）。具體計算公式如下：
式中： A：為稱取的絕干硫酸鈣試樣質(zhì)量（g）
B：為干燥恒重的濾渣和濾紙質(zhì)量（g）
C：為干燥恒重的濾紙質(zhì)量（g）
2 結(jié)果與討論
2.1.懸浮液濃度、攪拌速度
固定攪拌速度350 r/min，溫度105℃，反應(yīng)時間2 h，分別用pH調(diào)節(jié)劑氫氧化鈣和氫氧化鋇調(diào)節(jié)溶液pH=10時，設(shè)定懸浮液濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%，考察懸浮液濃度與水熱產(chǎn)品硫酸鈣晶須在水中的保留率的關(guān)系。固定懸浮液濃度為20%，溫度為130℃，反應(yīng)時間為2 h，分別添加氫氧化鈣和氫氧化鋇調(diào)節(jié)溶液pH=10時，設(shè)定攪拌速度為150 r/min、250 r/min、350 r/min、450 r/min、550 r/min、650 r/min，考察攪拌速度與水熱產(chǎn)品在水中的保留率的關(guān)系。結(jié)果分別如圖1、圖2所示。
由圖1可知，隨著懸浮液濃度的增大，水熱產(chǎn)品的保保留率先增后減。當懸浮液濃度為20% 時，產(chǎn)品的保留率達最大，為80.23%。由圖2可知，最佳攪拌速度為450 r/min，此時保留率為87.95%。當攪拌速度增大時，保留率總體上保持先增大后減小的趨勢。這是因為在開始，隨著攪拌速度的增加，原料與溶液以及pH調(diào)節(jié)劑充分的接觸，有助于反應(yīng)向著硫酸鈣晶須生成的方向進行；當生成的半水硫酸鈣達到飽和狀態(tài)之后，攪拌速度再增大，將破壞生成的硫酸鈣晶須的晶形，反而使其保留率降低。
2.2 pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間
固定懸浮液濃度20%，溫度130℃，反應(yīng)時間2 h，攪拌速度450 r/min，分別稱取氫氧化鋇和氫氧化鈣固體配置成一定濃度的溶液，調(diào)節(jié)溶液初始pH值分別為7、9、10、11、13，得出不同pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)的溶液初始pH值對水熱產(chǎn)品在水中的保留率的影響，結(jié)果如圖3。
由圖3可知，化學(xué)石膏的抗水溶性能受溶液初始pH值的影響很明顯,隨著堿性溶液加入量的增加，pH值增大，硫酸鈣保留率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，總體上采用氫氧化鋇調(diào)節(jié)pH值時產(chǎn)品的保留率比采用氫氧化鈣調(diào)節(jié)pH值產(chǎn)品的保留率高，當pH值為10時，水熱產(chǎn)物的保留率達到最大，為87.95%。
固定懸浮液濃度20%，反應(yīng)時間2 h，攪拌速度450 r/min，分別加氫氧化鈣和氫氧化鋇調(diào)節(jié)溶液pH=10時，設(shè)定反應(yīng)釜溫度分別為100℃、120℃、140℃、160℃、180℃，得出溫度對水熱產(chǎn)品硫酸鈣晶須在水中保留率的影響，結(jié)果如圖4所示。
圖4結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，硫酸鈣晶須保留率呈先增大后減小的趨勢。半水硫酸鈣的生成是一個吸熱的過程，開始隨著溫度的升高半水硫酸鈣不斷的生成，當溫度達到120℃時，晶形轉(zhuǎn)化的效果最佳，此時生成的半水硫酸鈣最多，產(chǎn)品粒度增大，此時產(chǎn)品的保留率也達到了最大，之后隨著溫度的升高，半水硫酸鈣的生成量開始減少，產(chǎn)物為生石膏和半水硫酸鈣的混合物，且生石膏在水中的溶解度增大，故此時產(chǎn)品的保留率又減小了。
固定懸浮液濃度為20%，攪拌速度為450 r/min，溫度為120℃，分別加氫氧化鈣和氫氧化鋇調(diào)節(jié)溶液pH=10時，設(shè)定攪拌反應(yīng)的時間分別為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h ，得出水熱反應(yīng)時間對產(chǎn)物在水中保留率的影響，結(jié)果如圖5。由圖5，當反應(yīng)時間為2 h時，硫酸鈣晶須的保留率達到88.50%。反應(yīng)反應(yīng)時間過短，反應(yīng)不完全。攪拌反應(yīng)的時間過長，將會破壞生成的纖維狀的硫酸鈣的晶形。  2.3 添加劑種類及用量
將水熱反應(yīng)產(chǎn)物加入100ml蒸餾水配置成一定的質(zhì)量分數(shù)， 加入質(zhì)量分數(shù)為0.4 %的添加劑，在50℃ 水浴鍋中以一定的攪拌速度反應(yīng)30min，然后過濾、烘干。試驗的添加劑分別為聚乙二醇、聚丙烯酰胺、可溶性淀粉、聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、聚氧化乙烯。得出添加劑種類對水熱樣品在水中的保留率的影響，結(jié)果如圖6。
由圖6可知，不同的種類的添加劑對水熱反應(yīng)產(chǎn)物保留率的影響不同，當加入添加劑聚丙烯酰胺時，得到的產(chǎn)品保留率最大，達到88.00%。
圖7所示是添加劑聚丙烯酰胺用量（分別為水熱樣品質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%）對水熱樣品在水中的保留率的影響。
由圖7可知，聚丙烯酰胺的用量對水熱樣品保留率有明顯影響，隨著聚丙烯酰胺用量的增加，水熱產(chǎn)物的保留率先增大后減小。加入的添加劑聚丙烯酰胺過少時，架橋作用比較弱，形成的絮凝體不穩(wěn)定；加入的聚丙烯酰胺過多，則架橋作用所必需的粒子表面吸附點減少，架橋困難。當添加劑聚丙烯酰胺質(zhì)量分數(shù)為0.2% 時，水熱樣品的保留率達到了最大，為89.95%。
3 結(jié)論
（1）化學(xué)石膏水熱反應(yīng)的優(yōu)化工藝條件：懸浮液的濃度為20%、溶液的初始pH值10、最佳pH調(diào)節(jié)劑為
Ba(OH)2，攪拌速度450 r/min 、反應(yīng)溫度120℃、反應(yīng)時間2 h、添加劑為聚丙烯酰胺，其用量為0.2%。
（2）在優(yōu)化水熱條件下制備的化學(xué)石膏產(chǎn)品的水溶保留率達到89.95%，比原料提高了27.75%。
(桂林非金屬礦加工與應(yīng)用技術(shù)交流會,發(fā)表于中國粉體技術(shù)雜志）
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