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工业副产石膏碳化法制备碳酸钙的方法及技术要点

来源:山东埃尔派粉体科技有限公司发布日期:2020-12-07

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工业副产石膏是指在磷肥、火电及钛白粉等工业生产中为处理废酸、废气所产生的固体废弃物,主要有磷石膏、脱硫石膏及钛石膏等。随着中国环保力度的不断加大,如何将工业副产石膏变废为宝,实现其资源化综合利用就显得极为迫切。

工业副产石膏碳化法制备碳酸钙是以工业副产石膏为Ca2+源,在反应体系中通入CO2得到CO32-源,二者结合生成碳酸钙沉淀,经过分离、脱水及干燥工艺后得到较纯的碳酸钙。该方法主要有直接利用工业副产石膏合成碳酸钙和间接利用工业副产石膏钙渣制备碳酸钙两类。

1、副产石膏直接法制备碳酸钙

直接法是指用碱液将工业副产石膏中的Ca2+溶解出来,与CO32-反应生成碳酸钙沉淀,按反应步骤分为二步法和一步法两类。

(1)二步法

二步法先将CO2通入强碱(NH4OH或NaOH等)溶液中制得碳酸盐[(NH4)2CO3或Na2CO3等]溶液,随后加入工业副产石膏,在20~60℃、pH为11~13等条件下通过水热合成法生成碳酸钙沉淀。

(2)一步法

一步法将工业副产石膏溶解于强碱溶液中,并持续通入CO2,在20~180℃、pH为8~13等条件下不断生成碳酸钙沉淀直至反应完全。

2、副产石膏间接法制备碳酸钙

间接法是指将工业副产石膏在800~1000℃下高温烧结后制得以CaO为主要成分的工业副产石膏钙渣,加水消化,经分级除杂后得到石灰乳液,匀速通入CO2,在50~60℃、石灰乳质量分数为9.8%~16.4%等条件下生成碳酸钙沉淀。

当前,工业副产石膏碳化法制备碳酸钙以直接法为主,随着CO2气体的持续通入,工业副产石膏可不断转化,较为方便;但该法对反应条件较为敏感,尤其是二步法,当温度较高时,碳酸盐中的CO2会逸出,影响反应进程。间接法操作较为简单,缺点是能耗大,不符合国家绿色节能的产业政策。

3、副产石膏制备碳酸钙技术问题探析

从节能环保及便于工业化生产等角度考虑,工业副产石膏碳化法制备碳酸钙适宜方法为一步法,该方法反应更为稳定,是未来石膏碳化法制备碳酸钙发展的趋势。

在反应条件控制方面,首先是反应温度。碳化反应为放热过程,从热力学角度来看提高温度不利于碳化反应,但从动力学角度看却相反,提高温度可增加碳化反应的反应速度常数,故反应温度有一个适宜范围,一般为50~60℃。

其次为CO2流量,流量越大,则气液接触面积越大,气相扩散阻力越小,可提高碳化反应速度及沉降体积;但流量过大反而降低CO2吸收率,增加生产成本,适宜的CO2流量为1.8L/h。

此外,反应体系pH应大于11,有利于晶型生长完整。反应时间、搅拌速率等可根据实际生产情况调整。

在反应体系中存在Mg2+、Fe3+和Al3+等杂质离子,其作用与无机盐类晶型控制剂相似,可改变碳酸钙制品的晶型和形貌。不同的种类的副产石膏所含杂质离子也不尽相同。磷石膏中杂质离子主要为PO43-、F-、Mg2+、Fe3+及Al3+等,脱硫石膏中杂质离子主要为Al3+、Fe3+及Mg2+等,钛石膏中杂质离子主要为Fe3+、Mg2+及Al3+等。

杂质离子对碳化法制得的碳酸钙转化效率及晶型形貌有一定影响,故可根据不同工业副产石膏杂质离子含量情况,制备特定晶型形貌的碳酸钙,将有害的杂质离子转变为有益的晶型控制剂,降低生产成本,同时省去一部分除杂工序。以磷石膏为例,其中的PO43-、Mg2+可促进文石型碳酸钙的生长,故其适于制备文石型碳酸钙。以此类推,钛石膏适宜制备方解石型碳酸钙,脱硫石膏适宜制备球霰石型碳酸钙。

来源:桂敬能,高培伟,耿飞,等.工业副产石膏碳化法制备碳酸钙的研究现状[J].无机盐工业,2018,50(08):22-25.

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