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《华东理工大学》 2017年
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磷石膏常压盐溶液法制备α-半水硫酸钙研究

王鑫  
【摘要】:为实现磷石膏有效资源化利用,本研究选取盐溶液为介质在常压下对磷石膏进行转晶制备αα-半水硫酸钙。通过对磷石膏进行浸取除杂,对比了不同条件下水洗、硫酸浸取工艺对磷石膏中P_2O_5、F-的去除率;以磷石膏为原料在Ca-Mg-K复合盐溶液中进行转晶反应制备αα-半水硫酸钙,采用FESEM、XRD、TG-DTA等分析方法对不同Ca~(2+)浓度及pH值条件下反应体系中的产物进行了表征;对各反应体系在不同反应时间内固、液两相组成及含量的变化进行测定,计算得到了相应Ca~(2+)浓度以及pH条件下的转晶速率;建立了磷石膏溶解动力学模型,对溶质饱和度C*以及磷石膏溶解速率R_s进行拟合,得到了不同反应条件下的反应动力学方程。主要研究内容和结论如下:(1)研究了磷石膏除杂工艺,结果表明,单一水洗除杂能够有效去除磷石膏中水溶性P_2O_5、F-,在水洗60min,温度65℃的条件下,磷石膏中可溶性P_2O_5含量下降了66.54%,F-含量下降了 64.33%;硫酸浸取除杂过程中,随着浸取液H_2SO_4质量分数的增大、反应温度的升高,浸取液的除杂效率相应提高,在55℃下,质量分数为35%的硫酸溶液中浸取2h后,磷石膏样本中P205含量降低了 75.6%,F-含量降低了 78.4%。(2)考察了不同pH以及Ca~(2+)浓度的反应条件下产物晶体微观结构及晶体形貌的影响。通过FESEM对不同初始反应体系中的产物晶体形貌进行表征后发现,当体系中Ca~(2+)浓度较高时,其产物晶体尺寸较大,长径比低,此时产物结构较为理想,当Ca~(2+)浓度大于4.2M时将严重延缓磷石膏的转晶速率;pH对产物长径比有显著影响,在pH=7.0~8.0的中性-弱碱性条件下,产物长径比低,产物晶体呈短柱状或棒状;而当体系中pH值降低,产物晶体长径比增加,向细针状晶型生长。(3)pH值以及Ca~(2+)浓度对产物含水率以及转晶速率有重要影响。产物含水率反映了产物中半水相所占比例,在Ca~(2+)浓度高的体系当中,二水硫酸钙的溶解速率较慢,因而其转晶速率也变慢;而当体系中pH值下降,磷石膏溶解速率变快,溶液中的游离态SO42-离子浓度增加,反应速率加快。(4)建立了磷石膏溶解动力学模型,研究了不同Ca~(2+)浓度下磷石膏的溶解动力学特征。通过测定溶解阶段液相硫酸根离子浓度随时间的变化,对溶质饱和度C*及瞬时溶解速率Rs进行拟合,得到了反应动力学参数。结果表明,磷石膏的溶解过程属于表面反应控制,在Ca~(2+)浓度2.5M-3.5M的范围内的中性环境中,溶解反应的表观反应级数相差不大,平均值为1.533。
【关键词】:磷石膏 α-半水硫酸钙 常压盐溶液法 转晶速率 溶解动力学
【学位授予单位】:华东理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ177.373
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 概论11-14
  • 1.1 研究背景11-12
  • 1.2 研究思路12-13
  • 1.3 研究内容13
  • 1.4 创新点13-14
  • 第2章 文献综述14-26
  • 2.1 磷石膏中杂质类型14-16
  • 2.1.1 磷、氟类杂质15
  • 2.1.2 重金属、放射性杂质15-16
  • 2.1.3 有机杂质16
  • 2.2 磷石膏造成的污染16-17
  • 2.2.1 磷对环境的污染16
  • 2.2.2 氟的污染16
  • 2.2.3 重金属、放射性元素的污染16-17
  • 2.3 磷石膏的除杂方法17-18
  • 2.3.1 物理除杂法17-18
  • 2.3.2 化学除杂法18
  • 2.4 磷石膏综合利用途径18-24
  • 2.4.1 磷石膏制硫酸18-20
  • 2.4.2 磷石膏制硫酸钾20-21
  • 2.4.3 磷石膏制备水泥缓凝剂21-22
  • 2.4.4 磷石膏基吸附剂制备研究22
  • 2.4.5 磷石膏土壤改良剂应用22-23
  • 2.4.6 磷石膏制硫酸钙晶须23-24
  • 2.5 α-半水硫酸钙相关研究24-26
  • 第3章 磷石膏除杂工艺研究26-34
  • 3.1 引言26
  • 3.2 磷石膏原料组成26-27
  • 3.3 实验方法27-30
  • 3.3.1 实验原料与试剂27-28
  • 3.3.2 实验仪器28
  • 3.3.3 磷石膏预处理28
  • 3.3.4 检测与分析方法28-30
  • 3.4 结果与讨论30-32
  • 3.4.1 水洗浸取除杂30-31
  • 3.4.2 硫酸浸取除杂31-32
  • 3.5 本章小结32-34
  • 第4章 复合盐溶液法转晶产物晶体形貌34-42
  • 4.1 引言34
  • 4.2 实验方法34-36
  • 4.2.1 实验原料与试剂34
  • 4.2.2 实验仪器34-35
  • 4.2.3 实验装置及流程35
  • 4.2.4 测定与表征方法35-36
  • 4.3 结果与讨论36-40
  • 4.3.1 不同Mg~(2+)、K~+浓度下产物的晶体形貌36-37
  • 4.3.2 Mg~(2+)、K~+对产物影响机理分析37
  • 4.3.3 不同pH及Ca~(2+)浓度下产物的晶体形貌37-39
  • 4.3.4 pH、Ca~(2+)浓度对产物晶型影响机理分析39-40
  • 4.3.5 产物X射线衍射分析40
  • 4.4 本章小结40-42
  • 第5章 pH及Ca~(2+)浓度对转晶速率的影响42-55
  • 5.1 引言42-43
  • 5.2 实验方法43-48
  • 5.2.1 实验试剂43
  • 5.2.2 实验仪器43-44
  • 5.2.3 实验装置与流程44
  • 5.2.4 表征与测定方法44-48
  • 5.3 结果与讨论48-53
  • 5.3.1 pH不同体系中离子浓度变化趋势48-49
  • 5.3.2 pH不同体系中的相对过饱和度49
  • 5.3.3 Ca~(2+)浓度不同体系中离子浓度变化趋势49
  • 5.3.4 影响机理分析49-52
  • 5.3.5 固相结晶水含量随时间的变化52-53
  • 5.4 本章小结53-55
  • 第6章 磷石膏溶解动力学研究55-60
  • 6.1 引言55
  • 6.2 实验部分55-57
  • 6.2.1 实验仪器55-56
  • 6.2.2 实验试剂56
  • 6.2.3 实验流程56
  • 6.2.4 表征及分析方法56-57
  • 6.3 结果与讨论57-59
  • 6.3.1 不同Ca~(2+)浓度体系中SO_4~(2-)浓度的变化57-58
  • 6.3.2 磷石膏溶解速率与溶质饱和度关系58
  • 6.3.3 动力学参数拟合58-59
  • 6.4 本章小结59-60
  • 第7章 结论与展望60-62
  • 7.1 结论60-61
  • 7.2 展望61-62
  • 参考文献62-68
  • 致谢68-69
  • 硕士期间发表论文69

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