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无水硫酸钙水化机理及应用研究

喻德高  
【摘要】: 随着石膏工业的进一步发展,世界范围内石膏用量在逐年增加。在石膏资源开发中,主要以天然二水石膏为主;但天然石膏是不可再生资源,随着对其消耗的不断增加和矿产资源分布不平衡影响的加重,对矿产储量占硫酸钙总储量2/3的无水硫酸钙矿物潜在水化活性深入研究显得尤为重要。 本文通过无水硫酸钙在可溶性硫酸盐溶液中水化后产物的XRD、钙离子浓度的变化、无水硫酸钙的水化率分析,探讨了可溶性硫酸盐溶液中无水硫酸钙的水化激发机理: 1、无水硫酸钙水化是一个自发、非常缓慢的过程,CaSO_4在硫酸盐水溶液中的水化,存在着动态平衡CaSO_4(s)(?)Ca~(2+)(aq)+SO_4~(2-)(aq)(?)CaSO_4·2H_2O,这平衡是一个竞争反应,SO_4~(2-)浓度的变化加速反应朝生成CaSO_4·2H_2O的方向进行,促使CaSO_4(s)达到溶解平衡,再增大SO_4~(2-)浓度,因同离子效应,Ca~(2+)的浓度减小抑制了CaSO_4(s)的溶解,不利于无水硫酸钙的水化,但实验中增大硫酸盐浓度,无水硫酸钙的水化率增大,盐类激发剂不是以加速无水硫酸钙过饱和度来提高水化率。 2、通过对CaSO_4在Na_2SO_4、K_2SO_4、Rb_2SO_4、Cs_2SO_4、(NH_4)_2SO_4溶液中水化过程,以及CaSO_4·2H_2O、CaSO_4与以上硫酸盐反应速度、产物的研究,说明复盐理论不正确;CaSO_4在(Li_2SO_4、MgSO_4、Al_2(SO_4)_3、MnSO_4、CuSO_4、CoSO_4、CdSO_4、ZnSO_4、NiSO_4、FeSO_4)溶液中水化,水化过程中硫酸盐水合物的析晶影响着无水硫酸钙水化,与激发剂阳离子Z/R值大小无关,阳离子的Z/R参数影响水化率的规律并不存在; 3、无水硫酸钙在可溶性硫酸盐中的水化按照溶解-成核-生长理论进行,CaSO_4达到溶解平衡时Ca~(2+)的浓度大于CaSO_4·2H_2O溶解平衡的Ca~(2+)的浓度,CaSO_4·2H_2O获得结晶的驱动力,可溶性硫酸盐起到形成晶核的作用:水化过程与CaSO_4生成复盐或析出水合物所形成的细小物相,作为异质微粒使母相中存在不均匀性,这些不均匀性有效地降低成核时的表面能位垒,使CaSO_4·2H_2O晶核优先地在这些具不均匀性的地方形成,因此这些物质起成核催化剂作用。引入外来质点,降低了成核的表面能势垒,使CaSO_4·2H_2O更容易结晶。 4、实验结果表明在常见可溶性硫酸盐中,硫酸钾是使用最广泛、激发效果最佳的激发剂之一,并对硫酸钾在具体应用中,水的加量、硫酸钾用量对无水硫酸钙水化的影响进行探讨。


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