磷石膏脱色增白工艺条件的研究

师 梦， 杨保俊， 刘 磊， 王百年， 汪晓璐

（合肥工业大学 化学工程学院，安徽 合肥 230009）

磷石膏脱色增白工艺条件的研究

师 梦， 杨保俊， 刘 磊， 王百年， 汪晓璐

（合肥工业大学 化学工程学院，安徽 合肥 230009）

文章采用煅烧与酸浸相结合的方法开展磷石膏脱色增白工艺条件的研究。以磷石膏白度为主要考察指标，通过单因素条件实验和正交实验，分别考察了煅烧温度、煅烧时间、酸浸时间、酸浸温度、硫酸质量分数和液固比等因素的变化对磷石膏白度的影响，所确定的较佳脱色增白工艺条件为：煅烧温度600℃、煅烧时间70min、酸浸时间3.5h、酸浸温度90℃、硫酸质量分数35%、液固比4∶1。此条件下的重复实验结果表明，磷石膏的白度可由33.0%提高到89.8%。

磷石膏；脱色增白；煅烧；酸浸；硫酸钙

0 引 言

磷石膏是湿法磷酸生产时排出的固体废弃物，我国磷化工行业每年排放磷石膏约5×107t，并且正以每年15%的速率增长，“十一五”期间国内企业磷石膏综合利用率平均仅为20%，相当数量的磷石膏还是采取直接堆放形式处置，不但占用了大量土地，给生产企业带来沉重负担，还造成巨大的环境污染［1－6］。

磷石膏的主要成分为CaSO4·2H2O，因含有机质，少量的 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 等杂质，一般呈浅黄、浅灰或灰黑色［7］，白度较低，极大地限制了它的工业应用。随着各种工业应用，尤其是用于室内粉刷与装饰制品，对石膏白度的要求越来越高，石膏增白的研究越来越受到工业和科学研究人员的重视［8－9］。本文开展磷石膏脱色增白工艺条件的研究，采用煅烧与酸浸相结合的方法提高磷石膏的白度，考察并确定了较佳脱色增白工艺条件。

1 实验部分

1.1 主要原料和试剂

原料为磷肥生产过程中的磷石膏，初始白度为33.0%，经分析其主要化学组成见表1所列。

表1 磷石膏主要化学成分质量分数

本实验中所用试剂为硫酸（分析纯，上海化学试剂公司）。

1.2 主要仪器

D／MAX－γB型X－射线衍射仪，日本理学生产；WSB－2型数显白度仪，上海昕瑞仪器仪表有限公司生产。

1.3 实验步骤

（1）煅烧称取一定量研磨后的磷石膏于坩埚中，置于马弗炉中，确定温度下反应一定时间后，冷却至室温，待用。

（2）酸浸称取一定量经煅烧后的磷石膏于三口烧瓶中，加入计量确定浓度的硫酸溶液，恒温搅拌反应确定时间后，抽滤、洗涤、干燥、研磨，所得样品进行白度（W）测试。

1.4 分析和检测方法

（1）采用数显白度仪（WSB－2型）检测样品的白度。

（2）采用X－射线衍射仪（XRD）对样品进行物相分析（X射线源为Cu－Kα辐射。扫描方式为θ－2θ连动，2θ扫描范围为10°～70°，电压和电流分别为40kV和40mA）。

2 结果与讨论

2.1 单因素条件实验

2.1.1 煅烧温度对磷石膏脱色效果的影响

实验条件为煅烧时间60min、酸浸时间1h、酸浸温度70℃、硫酸质量分数20%、液固比4∶1，考察煅烧温度对磷石膏白度的影响，实验数据如图1所示。

图1 煅烧温度对磷石膏白度的影响

从图1中看出，煅烧温度的变化对磷石膏白度有明显影响，当温度低于600℃时，随着煅烧温度的升高，磷石膏的白度不断增加；当煅烧温度高于600℃时，磷石膏的白度开始出现了下降趋势。分析认为可能的原因是：当温度低于600℃时，磷石膏中有机物等杂质随温度的升高分解，因此磷石膏白度随之增加，而当温度高于600℃时，磷石膏复杂离子杂质可能发生相转变生成有色物质，导致其白度呈下降趋势。实验中选择较适宜的煅烧温度为600℃。

2.1.2 煅烧时间对磷石膏脱色效果的影响

实验条件为煅烧温度600℃、酸浸时间1h、酸浸温度70℃、硫酸溶液质量浓度20%、液固比4∶1，考察煅烧时间对磷石膏白度的影响，实验结果如图2所示。

图2 煅烧时间对磷石膏白度的影响

从图2中可以看出，当煅烧时间小于60min时，磷石膏的白度随煅烧时间的延长快速增加，当煅烧时间大于60min时，磷石膏的白度增加趋势变缓。分析认为是有机物等杂质分解导致磷石膏白度快速增加，当时间大于60min时，有机物等杂质的分解趋于完成，因此，磷石膏的白度增加趋势变缓。实验中选择较适宜的煅烧时间为60min。

2.1.3 酸浸时间对磷石膏脱色效果的影响

实验条件为煅烧温度600℃、煅烧时间60min、酸浸温度70℃、硫酸溶液质量浓度20%、液固比4∶1，考察酸浸时间对磷石膏白度的影响，实验结果如图3所示。

图3 酸浸时间对磷石膏白度的影响

从图3中可以看出，随着酸浸时间的延长，磷石膏的白度不断增加，当酸浸时间大于3h后，磷石膏白度增加的趋势变缓。实验中选择较适宜的酸浸时间为3h。

2.1.4 酸浸温度对磷石膏脱色效果的影响

实验条件为煅烧温度600℃、煅烧时间60min、酸浸时间3h、硫酸质量分数20%、液固比4∶1，考察酸浸温度对磷石膏白度的影响，所得实验数据如图4所示。

图4 酸浸温度对磷石膏白度的影响

从图4中可以看出，酸浸温度的变化对磷石膏白度有显著影响，当酸浸温度为40～50℃时，磷石膏白度基本无变化；而酸浸温度为50～70℃时磷石膏白度显著提高，但当温度高于70℃时磷石膏白度随温度的增长率呈降低趋势，由于当温度高于90℃时，溶剂蒸发以及设备、工艺操作的成本较高，综合考虑增白效果及能耗问题，实验中选择较适宜的酸浸温度为90℃。

2.1.5 硫酸质量分数对磷石膏脱色效果影响

实验条件为煅烧温度600℃、煅烧时间60min、酸浸时间3h、酸浸温度90℃、液固比4∶1，考察硫酸质量分数对磷石膏白度的影响，所得实验结果如图5所示。

图5 硫酸质量分数对磷石膏白度的影响

从图5中可以看出，硫酸质量分数的变化对磷石膏白度影响较大，随着硫酸质量分数的增加，磷石膏白度增加，当硫酸质量分数超过30%后，磷石膏白度的增加趋于平缓。实验中选择较适宜的硫酸质量分数为30%。

2.1.6 液固比对磷石膏脱色效果的影响

实验条件为煅烧温度600℃、煅烧时间60min、酸浸时间3h、酸浸温度90℃、硫酸溶液质量浓度30%，考察液固比磷石膏白度的影响，实验结果如图6所示。

图6 液固比对磷石膏白度的影响

从图6可以看出，液固比的变化对磷石膏白度的影响不显著。综合考虑增白效果和增白后溶液中残余酸的处理问题，因此实验选择较适宜的液固比为4∶1。

综上所述，单因素条件实验结果表明较适宜的脱色增白工艺条件为：煅烧温度600℃、煅烧时间60min、酸浸时间3h、酸浸温度90℃、硫酸质量分数30%、液固比4∶1。

2.2 正交实验

由上述单因素条件实验结果可以看出，煅烧温度、煅烧时间、酸浸时间、酸浸温度、硫酸质量分数等因素的变化对磷石膏的白度均有一定的影响。为进一步优化各工艺条件对磷石膏白度的影响，在酸浸温度90℃、液固比4∶1确定的前提下，以磷石膏的白度为主要考察指标，设计L16（44）正交实验表，考察并确定较佳的增白工艺条件。正交实验因素水平见表2所列，正交实验及极差分析结果见表3、表4所列。

表2 正交实验因素水平表

表3 正交实验表

表4 极差分析结果

表4中，k1、k2、k3、k4分别为水平1、水平2、水平3、水平4的4次白度之和；K1＝k1／4，K2＝k2／4，K3＝k3／4，K4＝k4／4；R为某因素4个水平中Kmax－Kmin。

由表4可以看出，各因素水平对磷石膏脱色增白效果的影响依次为：煅烧温度＞硫酸质量分数＞酸浸时间＞煅烧时间。

对因素A以A3的所处理的磷石膏白度最高，即A3为A因素的较优水平。同理，因素B的较优水平为B4；因素C的较优水平为C4；因素D的较优水平为D4。将这4个因素的较优水平组合，得到的较优水平组合为A3B4C4D4。即磷石膏脱色增白的较佳工艺条件为：煅烧温度600℃，煅烧时间70min，酸浸时间3.5h，硫酸质量分数35%。

2.3 较佳工艺条件下的重复实验

较佳工艺条件下3次重复实验结果见表5所列。

表5 较佳工艺条件下的重复实验结果

所得磷石膏增白样品的XRD图如图7所示。图7中所有衍射峰均可指标化为正交晶型硫酸钙，计算所得的晶胞参数为a＝6.992×10－10m，b＝6.998×10－10m，c＝6.242×10－10m，与文 献 值a＝6.993×10－10m，b＝7.002×10－10m，c＝6.241×10－10m（JCPDS 37－1496）吻合得较好。由谢乐公式计算平均粒径为110.7nm。

图7 所制得的硫酸钙样品的XRD

3 结 论

本文采用煅烧和酸浸方法开展磷石膏脱色增白工艺条件的研究，以磷石膏白度为主要考察指标，通过单因素条件实验和正交实验，考察并优化磷石膏脱色增白的工艺条件，所确定的较佳脱色增白工艺条件为：煅烧温度600℃、煅烧时间70min、酸浸时间3.5h、酸浸温度90℃、硫酸质量分数35%、液固比为4∶1。此条件下重复实验所得磷石膏白度为89.8%，与磷石膏样品初始白度33.0%相比，白度提高了56.8个百分点，达到了较好的脱色增白效果。

［1］武 薇，童 雄.磷石膏的综合利用及开发前景［J］.湿法冶金，2010，29（3）：139－142.

［2］钟本和，张志业，王辛龙，等.化学法处理磷石膏的新途径［J］.无机盐工业，2011，43（9）：1－4.

［3］Tayibi Hanan，Choura Mohamed，Lopez Felix A，et al.Environmental impact and management of phosphogypsum［J］.Journal of Environmental Management，2009，（90）：2377－2386.

［4］秦俊芳.磷石膏综合利用现状探讨［J］.中国资源综合利用，2010，28（3）：23－24.

［5］Papastefanou，Stoulos S，Ioannidou A，Manolopoulou M.The application of phosphogypsum in agriculture and the radiological impact［J］.Journal of Environmental Radioactivity，2006，89：188－198.

［6］杨保俊，陈 曦，王百年，等.一步相转移－沉淀法制备轻质碳酸钙的沉淀工艺条件研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（10）：1551－1554.

［7］杨荣华.石膏资源综合利用及技术开发［J］.磷肥与复肥，2008，23（6）：79－81.

［8］张巨松，高 飞，安会勇，等.低品位石膏提纯与增白实验研究［J］.非金属矿，2004，27（6）：44－46.

［9］马行美.磷石膏净化及石膏煅烧工艺探究［J］.硫磷设计与粉体工程，2003（5）：17－20.

Study of technological conditions of decoloring and whitening of phosphogypsum

SHI Meng， YANG Bao－jun， LIU Lei， WANG Bai－nian， WANG Xiao－lu
（School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Using the method of calcination and acid leaching，the technological conditions of the decoloring and whitening of phosphogypsum are stuided.Taking the whiteness of phosphogypsum as the main index，the influence of the decoloring and whitening technological conditions，such as calcination temperature，calcination time，acid leaching time，acid leaching temperature，mass concentration of the sulfuric acid solution and liquid－solid ratio on the whiteness of phosphogypsum is studied by single－factor and orthogonal experiments.Under the normal pressure，the optimal conditions are as follows：calcination temperature is 600℃，calcination time is 70min，acid leaching time is 3.5h，acid leaching temperature is 90℃，mass concentration of the sulfuric acid solution is 35%and liquid－solid ratio is 4∶1.Repeated experiments under the above optimized conditions show that the average whiteness of phosphogypsum increases from 33.0%to 89.8%.

phosphogypsum；decoloring and whitening；calcination；acid leaching；calcium sulfate

TQ177.375

A

1003－5060（2013）02－0212－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2013.02.018

2012－09－28；

2012－11－08

国家级大学生创新性实验计划资助项目（111035934）；安徽省高校省级自然科学研究重点资助项目（2011AJZR0081）

师 梦（1986－），女，安徽界首人，合肥工业大学硕士生；

杨保俊（1970－），男，安徽无为人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师.

（责任编辑 马国锋）