鈦石膏片狀鈣白粉生產工藝研究范文

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摘要：以鈦石膏為原料，采用常壓酸溶法制備了片狀鈣白粉，并用熱重分析儀(TGA)確定了二水硫酸鈣的失水溫度，用X射線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對鈣白粉的物相和形貌進行了測試表征。結果表明：二水硫酸鈣沉淀的條件是石灰水與鈦石膏濾液的體積比為4.5∶100、溶液pH值控制在1.0~1.5。二水硫酸鈣制備鈣白粉的煅燒溫度為199.25℃，其收率為84.3%、，純度為98%，形貌為片狀。

關鍵詞：鈦石膏；常壓酸溶法；二水硫酸鈣；片狀鈣白粉

鈦石膏是硫酸法鈦白粉生產時采用石灰或電石渣中和處理酸性廢液所產生的工業副產石膏，主要成分為二水石膏(CaSO4•2H2O)，因含有鐵、鋁、鎂等雜質，又稱為紅石膏和黃石膏。隨著我國硫酸法鈦白粉產量的增加，鈦石膏的堆積量也顯著增加，僅2017年鈦石膏的產出量就達到約2250萬噸[1-3]。目前，鈦石膏的堆積處理不僅占用大量土地和增加企業成本，因其堆積穩定性差還會造成水體等環境污染問題[4-6]。片狀鈣白粉的主要成分是無水硫酸鈣，其主要生產方法是利用硫酸與碳酸鈣在特定條件下反應生成片狀硫酸鈣。片狀鈣白粉化學性質穩定、晶體形貌特殊，具有折射率低、附著力好等優點，通常用作工業造紙的主要填充物，也可部分替代鈦白粉應用于涂料生產方面[7-8]。本試驗利用硫酸法鈦白生產過程中副產鈦石膏，經除雜、陳化得到二水硫酸鈣，再加熱失水制得片狀鈣白粉，期望為鈦石膏的資源化利用提供一條新途徑。

1試驗部分

1.1原料

鈦石膏，由四川攀西地區某公司提供，其主要化學成分與常見磷石膏成分，見表1。

1.2試驗方法

將適量鈦石膏磨細至200目（74μm），緩慢加入一定濃度鹽酸溶液，攪拌使其充分溶解，靜置30min后抽濾，除去不溶性雜質，得到鈦石膏濾液。攪拌并向濾液中加入適量石灰水，同時控制溶液pH值使二水硫酸鈣結晶析出，靜置、陳化后經抽濾、洗滌得到二水硫酸鈣濾餅。將濾餅在一定溫度下加熱失水即可制得片狀鈣白粉，用EDTA配位滴定法測定CaSO4的含量達到98%。由鈦石膏制備片狀鈣白粉的工藝流程簡圖，見圖1。采用DTG-60熱重分析儀測定片狀鈣白粉的加熱失水溫度，采用DX-2700X射線衍射儀對鈣白粉進行物相鑒定，采用NovaNanoSEM450掃描電鏡對鈣白粉進行形貌觀察。

2結果與討論

2.1HCl濃度對鈦石膏溶解度影響

鈦石膏微溶于水，易溶于酸、銨鹽、硫代硫酸鈉和甘油。為除去鈦石膏中的煤渣等不溶性雜質，室溫下將鈦石膏溶于不同濃度的HCl溶液中試驗其溶解性能，見表1。由表1可見，室溫下鈦石膏在鹽酸溶液中的溶解度先隨鹽酸濃度增加而增加，當達到最大值后又隨鹽酸濃度的增大而降低，鈦石膏在常溫下在4.0mol/LHCl溶液中的溶解度最大。因此，鈦石膏除雜時選用HCl溶液濃度4mol/L。

2.2石灰水的量對二水硫酸鈣收率的影響

鈦石膏濾液中存在Ca2++SO42-+2H2OCaSO4•2H2O的沉淀溶解平衡，為促進二水硫酸鈣沉淀析出，向鈦石膏濾液中加入飽和石灰水以增大溶液中Ca2+濃度，當溶液中鈣離子與硫酸根離子的乘積大于硫酸鈣的溶度積常數時，即可析出二水硫酸鈣沉淀。分別試驗了石灰水加入量與鈦石膏濾液的體積比為1.5∶100、2.5∶100、3.5∶100、4.5∶100、5.5∶100和6.5∶100時，不同石灰水加入量對二水硫酸鈣沉淀收率的影響，結果見圖2。由圖2可知，隨著石灰水的加入量增大，溶液中鈣離子濃度不斷增大，同離子效應使得二水硫酸鈣不斷沉淀出來，二水硫酸鈣的收率也不斷增大。當石灰水加入量與鈦石膏濾液的體積比為4.5∶100時，二水硫酸鈣的收率最大可達84.3%。為避免溶液中含有的Fe3+、Al3+、Mg2+等沉淀析出，加入石灰水時要嚴格控制混合溶液的pH值，防止Fe3+形成氫氧化鐵沉淀而影響二水硫酸鈣純度。隨著石灰水的不斷加入，溶液pH值逐漸增大，當pH值在1.0~1.5之間時有大量白色沉淀析出，但pH值超過1.5時溶液中就會出現氫氧化鐵沉淀。因此，加入石灰水時應控制溶液的pH值為1.0~1.5，有利于純度較高的二水硫酸鈣沉淀析出，而鐵離子仍然保留在鈦石膏濾液中。

2.3二水硫酸鈣制備鈣白粉的加熱溫度

為確定二水硫酸鈣加熱制備鈣白粉的溫度，采用DTG-60熱重分析儀對其進行熱重分析，結果見圖3。由圖3可看出，當加熱溫度低于106.31℃時，二水硫酸鈣表現穩定；超過該溫度后開始失水，當溫度達到199.25℃時，完全失去兩個水分子變為無水硫酸鈣。因此，鈦石膏制備的二水硫酸鈣經199.25℃加熱失水即可制得鈣白粉。2.4鈣白粉的物相分析和形貌觀察在石灰水與鈦石膏濾液體積比為4.5∶100，溶液pH值為1.5時，制得的二水硫酸鈣經199.25℃加熱失水制得鈣白粉，其XRD譜圖和掃描電鏡圖，分別見圖4和圖5。從圖4可看出，其衍射峰對應的2θ值與CaSO4相吻合，峰形尖銳、無雜峰存在，說明鈣白粉的主要成分是無水硫酸鈣，晶型完整，樣品純度較高，與用EDTA配位滴定法測得鈣白粉樣品中CaSO4的含量達到98%的結果一致。從圖5可看出，所制得的鈣白粉大多呈片狀結構，說明二水硫酸鈣析出過程中各晶面的相對生長速率不同，有二個晶面的生長速率較快，晶體外形不斷增大并形成片狀二水硫酸鈣晶體，經進一步加熱脫水即得到片狀鈣白粉。

3結論

1.鈦石膏經除雜、沉淀和加熱失水等工藝過程可以制得片狀鈣白粉，適宜的工藝條件為：鹽酸濃度為4mol/L，石灰水與鈦石膏濾液體積比為4.5∶100，二水硫酸鈣沉淀析出pH值范圍為1.0~1.5，二水硫酸鈣制備鈣白粉的煅燒溫度為199.25℃。2.該工藝下制備的二水硫酸鈣的收率為84.3%，片狀鈣白粉樣品中CaSO4含量為98%。

參考文獻：

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作者：朱靜平 張婷婷 劉洪 何元香 解蜀 鄭茂浩 劉桎鵬 單位：西昌學院