利用钛白废酸制备硫氧镁水泥的方法研究

任子位 ，向 梅 ，张坤鹏 ，，刘 宏 ，郭金发 ，王 彤

（1.成都理工大学，四川成都610059；2.重庆两江源环境影响评价有限公司）

硫氧镁水泥是一种氧化镁-硫酸镁-水的三元体系凝胶材料［1］，具有质轻、耐火、导热差等特点，多用于建筑装修行业［2］。硫氧镁水泥通常由轻烧氧化镁和硫酸镁溶液按照一定比例制成［3］，有时为改进其性能需要添加改性剂，如：固硫灰［3］、柠檬酸［4］、有机酸［5］等。制备硫氧镁水泥需要消耗大量的硫酸镁，硫酸镁常用硫酸和其他镁的化合物制成［6］，制备工艺简单，但是成本较高。钛白废酸是制造钛白粉工艺中产生的一种含有大量硫酸的液体废物，处理不当将会对环境造成严重的污染［7］。目前钛白废酸的处理方法主要是直接利用［8］或者用浓硫酸调配增浓［7］或者蒸发浓缩［9］后再利用，还可以用于生产硫酸锰［10］或者制备铁红颜料［11］，这样既消耗了钛白废酸，还得到了其他有用的产品。目前，还未见到利用钛白废酸制备硫氧镁水泥方面的研究。笔者建立了钛白废酸生产硫酸镁，继而制备硫氧镁水泥的方法。通过与常规硫酸法制备的硫氧镁水泥的性能进行对比，证明了采用钛白废酸制备硫氧镁水泥的可行性，提出了一种硫氧镁水泥的廉价制备方案。该方法既解决了钛白废酸污染环境的问题，又节省了硫氧镁水泥的制备成本。

1 实验部分

1.1 主要仪器设备

BS224S分析天平，50 mm×50 mm×50 mm 橡胶模具，ISO维卡仪，ΣIGMA HD扫描电镜，XPert Powd X射线衍射仪，KZY-600压力测试机，WP-UP-Ш-10超纯水机。

1.2 主要原料

轻烧氧化镁（分析纯，粒度小于75μm），氧化镁（分析纯），浓硫酸（分析纯），柠檬酸（分析纯），超纯水（电阻率=18.25 MΩ·cm）。

钛白废酸，来源于攀枝花市钛白粉厂，是硫酸法制备钛白粉的中间产物，密度为1.276 kg/L，主要成分为 H2SO4（质量浓度为 323.1 g/L）、TiO2（质量浓度为 6 080 mg/L）、V2O5（质量浓度为 416 mg/L）、Fe（质量浓度为 2 350 mg/L）、Sc（质量浓度为 21.6 mg/L），含有铝、锰、钙、镁、钒等杂质元素。钛白废酸中硫酸质量浓度为323.1g/L，与17.9mL浓硫酸定容为100mL硫酸溶液中的硫酸浓度相当。

1.3 工艺流程

第一步，量取钛白废酸100 mL，称取氧化镁13.2 g、轻烧氧化镁 105.6 g、柠檬酸 2.0 g；第二步，混合钛白废酸和氧化镁，搅拌至完全反应（溶液接近中性），产生硫酸镁溶液；第三步，在硫酸镁溶液中加入柠檬酸；第四步，待柠檬酸溶解后加入轻烧氧化镁，同时加入15 mL超纯水，持续搅拌至泥浆均匀且无明显颗粒；第五步，将泥浆倒入橡胶模具中，振动压实；第六步，根据要求，测试不同性能。为保证对比的有效性，钛白废酸工艺流程与硫酸法工艺流程基本相同，不同的是100 mL废酸中只含17.9 mL浓硫酸。

1.4 性能测试

通过维卡仪测试样品的凝结时间（初凝时间和终凝时间）。将维卡仪置于水平面上，让初凝针垂直自由沉入泥浆中，等待30 s时间后观察指针读数，若此时指针读数为4 mm±1 mm，即证明样品达到初凝状态，记录初凝时间；将初凝针更换成终凝针，每隔10 min测试一次，突然放松试杆，终凝针垂直自由沉入泥浆，当环形附件不能在试样上留下痕迹时，即达到终凝状态，记算终凝时间。

通过压力测试机测试样品的抗压强度。将达到测试养护期龄的水泥试样置于压力试验机的下压板上，确保试样中心与下压板的中心对准、承压面水平并调节上压板至刚刚接触试样上表面，施加均匀的压力至试样破坏，记录最大压力。

通过X射线衍射仪测试样品的物相组成。将试样研磨至粒度小于75μm，取粉末将其填满玻璃平板凹槽，用光滑的玻璃片压平，将玻璃平板装到X射线衍射仪载物台上进行测试，分析物相组成。

通过扫描电镜观察样品的微观结构。选取试样较为平整的断面磨成直径为10 mm、厚为3 mm的圆片，用双面胶带粘在载物盘上，再用导电银浆联通试样与载物盘，待银浆干后放到扫描电镜中观察，并拍摄扫描电镜照片。

2 结果与讨论

2.1 凝结时间

表1为样品的凝结时间。由表1可知，与硫酸试样相比，钛白废酸试样的凝结时间更短，因为钛白废酸中杂质元素较多，产生更多的其他化合物，加快了其凝结速度。

表1 样品的凝结时间

2.2 抗压强度

图1为不同养护时间样品的抗压强度。由图1可见，随着养护时间的增加，两种试样的抗压强度都在增加，相对而言钛白废酸试样的抗压强度更高，满足一般水泥的要求。

图1 不同养护时间样品的抗压强度

2.3 微观结构

图2为钛白废酸试样和硫酸试样养护28 d的扫描电镜照片。由图2可见，两种试样中均含有大量的针状结晶物质，但是钛白废酸试样还含有大量的球状物质，而且更加致密，应是其他杂质元素形成的结晶物质，其具有提高试样抗压强度的作用。

图2 钛白废酸试样（a）和硫酸试样（b）养护28 d扫描电镜照片

2.4 物相组成

图3和图4分别为钛白废酸试样和硫酸试样XRD谱图。由图3和图4可见，钛白废酸试样中所含的主要物质与硫酸试样基本一致，证明了利用钛白废酸可以制备硫氧镁水泥。

图3 钛白废酸试样XRD谱图

图4 硫酸试样XRD谱图

3 结论

通过测试表明，与硫酸法制备的硫氧镁水泥相比，利用钛白废酸制备的硫氧镁水泥，其凝结时间更短，抗压强度、微观结构和物相组成基本一致，证明利用钛白废酸可以制备硫氧镁水泥。利用钛白废酸制备硫氧镁水泥的方法与传统的硫酸法相比，能够回收利用对环境有害的钛白废酸，减少了环境污染，降低了钛白废酸处理成本和硫氧镁水泥的生产成本，具有较大的环保意义和商业潜力。