磷石膏生产纸面石膏板的预处理研究

Research on Pretreatment of Phosphogypsum for Gypsum Plasterboard Production

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2023.05.014

丛宏宇 Hongyu CONG , 李晶 Jing LI

内蒙古大地云天化工有限公司内蒙古赤峰 024076 Inner Mongolia Dadi Yuntian Chemical Co., Ltd., Chifeng, Inner Mongolia 024076, China

摘要：

采用湿法磷酸生产中副产的磷石膏(二水硫酸钙)生产纸面石膏板时，磷石膏中的水溶性磷和氟会影响纸面石膏板的抗折强度，以及生产过程中的初凝、终凝时间；磷石膏的酸度会影响二水硫酸钙的结晶状态。试验表明：加水调浆后的磷石膏质量分数控制为60%，搅拌30 min后过滤，可除去47.62%(质量分数，下同)的水溶性磷和61.29%的氟；在加水调浆后的磷石膏中加入0.20%的生石灰，可以改善磷石膏的酸碱度，提高纸面石膏板的抗折强度。对磷石膏进行预处理，可以提高纸面石膏板的抗折强度，缩短生产过程中的初凝、终凝时间。

关键词：

磷石膏; 纸面石膏板; 预处理; 抗折强度; 初凝时间; 终凝时间;

Abstract：

When the phosphogypsum (calcium sulfate dihydrate) by-product of wet process phosphoric acid production is used to produce gypsum plasterboard, the water-soluble phosphorus and fluorine in the phosphogypsum affect the flexural strength of the gypsum plasterboard, as well as the time of the initial and final coagulation in the production process. The acidity of the phosphogypsum affects the state of crystallization of the calcium sulfate dihydrate. Test results show that the mass fraction of the phosphogypsum after adding water to adjust the slurry is 60%, stirring for 30 min and then filtering, can remove 47.62% (mass fraction, the same below) of the water-soluble phosphorus and 61.29% of the fluorine. Adding 0.20% of quicklime to phosphogypsum after adding water to adjust the slurry, the acidity can be improved, and therefore improve the flexural strength of the gypsum plasterboard. Pretreatment of phosphogypsum can improve the flexural strength of gypsum plasterboard and shorten the initial and final setting time in the production process.

Keyword：

phosphogypsum; gypsum plasterboard; pretreatment; flexural strength; initial setting time; final setting time;

磷石膏是湿法磷酸生产过程中的副产物，主要成分为CaSO₄，不同工艺生产出的CaSO₄会带有不同的结晶水。内蒙古大地云天化工有限公司采用二水法生产工艺，生成的磷石膏中的CaSO₄以CaSO₄·2H₂O的形式存在。

目前湿法磷酸工艺副产的磷石膏大都采取堆存的方式进行处理，其综合利用主要是以化工类(生产硫酸铵、硫酸等)、工程建筑类(生产纸面石膏板、石膏砌块等)以及农业用(调节土壤的pH、改良盐碱地等)为主。内蒙古大地云天化工有限公司湿法磷酸装置排放的磷石膏主要用于生产纸面石膏板，但因磷石膏中含有的杂质较多，在生产纸面石膏板的过程中，存在成品石膏板抗折强度低、初凝和终凝时间长等问题。本文针对上述问题，开展了实验室试验。

1 影响纸面石膏板强度、初凝和终凝时间的因素

1.1 纸面石膏板生产工艺流程

半水磷石膏具有遇水凝结并硬化的特点，在纸面石膏板生产过程中，二水磷石膏先制成半水磷石膏，再与水反应的初步凝结时间称为初凝时间，全部凝结的时间称为终凝时间。

采用磷石膏生产纸面石膏板的工艺流程：先将磷石膏炒制为半水磷石膏，然后向半水磷石膏中加入水、淀粉以及其他辅助用料(减水剂、发泡剂、促凝剂、缓凝剂等)形成混浆，搅拌均匀后送至皮带，皮带上下各铺一层护面纸，待混浆凝结后送至烘箱烘干，即得到纸面石膏板^[1]。

1.2 影响因素

磷石膏的主要成分除了CaSO₄外，还含有硫酸、磷、铁、铝、镁、氟等杂质，磷又可分为水溶性磷、枸溶性磷以及不性溶磷。磷石膏中的水溶性磷会影响纸面石膏板的抗折强度，氟会影响纸面石膏板的初凝时间和终凝时间，溶液酸碱度会影响石膏再结晶的状态(石膏在合适的酸碱度下结晶粗大均匀，能提高纸面石膏板的抗折强度)。因此，去除磷石膏中的水溶性磷、氟以及调整溶液酸碱度等前处理措施，对提高成品纸面石膏板的质量有较大帮助。

2 试验部分

2.1 水溶性磷和氟的去除

2.1.1 试验设计

在磷石膏中加入等梯度变化的水，搅拌不同的时间后过滤，分析磷石膏的pH及其水溶性磷和氟的含量；将处理后的磷石膏制成纸面石膏板，测定其抗折强度及初凝和终凝时间。

2.1.2 试验结果

由表 1可知，对磷石膏进行加水调浆处理，能去除23.81%~66.67%的水溶性磷及19.35%~64.52%的氟，可提高纸面石膏板的抗折强度，缩短生产过程中的初凝和终凝时间。综合考虑成本以及废水的处理，控制加水调浆后的磷石膏质量分数为60%，搅拌30 min后过滤，此条件下可去除47.62%的水溶性磷及61.29%的氟；过滤后的废水返回湿法磷酸装置用于磷矿调浆，可避免废水外排。

表 1

不同加水量和搅拌时间的试验结果

处理	w(磷石膏)/%	搅拌时间/min	w(水溶性磷)/%	w(氟)/%	pH	抗折强度/MPa	初凝时间	终凝时间
空白样			0.21	0.31	3.6	1.8	6′31″	14′01″
第一组	50	15	0.16	0.25	4.2	2.1	5′49″	13′33″
		30	0.16	0.18	4.3	2.0	5′31″	13′09″
		45	0.14	0.14	4.3	2.2	5′24″	12′48″
第二组	60	15	0.13	0.18	4.5	2.0	5′28″	13′14″
		30	0.11	0.12	4.4	2.3	5′27″	12′48″
		45	0.08	0.11	4.5	2.3	5′31″	12′39″
第三组	70	15	0.12	0.17	4.4	2.2	5′37″	13′15″
		30	0.07	0.11	4.4	2.4	5′28″	12′22″
		45	0.07	0.11	4.6	2.3	5′27″	12′30″

2.2 磷石膏酸碱度的调节

2.2.1 试验设计

湿法磷酸工艺副产的磷石膏的pH为3.3左右。在纸面石膏板的生产中，后期半水磷石膏与水反应时，要求pH＞5，pH≈6为最好，此时磷石膏的水化结晶状态相对较好，结晶相对粗大且均匀, 成品石膏板的抗折强度也会有所提高。水洗后的磷石膏pH虽有所提高，但仍达不到生产指标要求，所以选择加入不同量的碱性物质调节pH，然后测定纸面石膏板的抗折强度变化情况。

2.2.2 试验结果

试验使用加水调浆并过滤后得到的磷石膏，pH为4.4，加入的碱性物质为生石灰。不同生石灰加入量的试验结果见表 2。

表 2

不同生石灰加入量的试验结果

处理	w(生石灰)/%	pH	抗折强度/MPa
空白样	0	4.4	2.3
对比样1	0.05	4.6	2.4
对比样2	0.10	4.9	2.6
对比样3	0.15	5.3	2.6
对比样4	0.20	5.8	2.8
对比样5	0.25	6.4	2.8
对比样6	0.30	6.8	2.5

由表 2可以看出：在加水调浆后的磷石膏中加入生石灰可以改善磷石膏的pH；加入的生石灰质量分数为0.20%时，纸面石膏板的抗折强度最大，比空白样增加了0.5 MPa。

3 结语

(1) 对生产纸面石膏板的磷石膏进行预处理，控制加水调浆后的磷石膏质量分数为60%，搅拌30 min后过滤，此时可去除47.62%的水溶性磷和61.29%的氟；用经过预处理的磷石膏生产纸面石膏板，可提高抗折强度，缩短初凝和终凝时间；过滤后得到的废水可返回湿法磷酸装置用于磷矿调浆，无废水外排。

(2) 在预处理后的磷石膏中加入生石灰调节pH，可提高纸面石膏板的抗折强度；加入质量分数0.20%的生石灰时，纸面石膏板的抗折强度最大，比空白样增加了0.5 MPa。

ckwx 参考文献

陈燕, 岳文海, 董若兰. 石膏建筑材料[M]. 2版. 北京: 中国建材工业出版社, 2012.