磷石膏中氟和可溶性磷固化及含水率控制方法研究

摘要

磷石膏是湿法磷酸生产中磷矿酸解产生的一种高含水率工业副产物.目前,我国磷石膏堆存量高达2.5亿吨以上,其主要处理方式为露天堆存.磷石膏含有大量易迁移的可溶性磷、氟及有害物质,它们一旦进入环境,将给企业周边地区带来严重的污染.因此,磷石膏含水率的控制以及可溶性磷、氟无害化处理已成为企业界、学术界和社会所关注的问题之一.　　本文基于沉淀溶解平衡基本原理、表面活性剂复配原理以及界面化学原理,围绕磷石膏含水率调控技术及磷石膏无害化处理方法进行了系统性的研究,获得的主要结论如下:　　①采用了XRF、XRD、DTA-TGA、SEM-EDS以及激光粒度分析等技术对磷矿及磷石膏的物相组成与形貌特征等进行了分析研究.结果表明,磷石膏的主要成分为CaSO4·2H2O及SiO2,主要杂质为可溶性磷、F-等物质.研究还发现,磷石膏晶体尺寸不均匀,且其形貌为薄板状、棒状.　　②基于湿法磷酸浸出体系界面化学行为,开展了表面活性剂控制磷石膏含水率的研究.结果表明,在PDMS、D-G、PVA、PEG、TW80非离子型表面活性剂中,PDMS对磷石膏含水率的降低效果良好,使得磷石膏含水率降低了4.35%;在SDBS、SDS、ALS、SC、CTAC离子型表面活性剂中,SDBS和CTAC对磷石膏含水率的降低效果较好,分别使磷石膏含水率降低了6.76%、5.8%.　　③根据表面活性剂复配原理开展了二元复配型表面活性剂调控磷石膏含水率的研究.结果表明,二元复配型表面活性剂PDMS+SDBS、D-G+SDBS、PDMS+SDS、D-G+SDS、SDS+SDBS、CTAC+SDS、CTAC+SDBS、PDMS+CTAC、D-G+CTAC、PDMS+D-G均能降低磷石膏含水率,其中PDMS+SDBS二元复配型表面活性剂降低磷石膏含水率的效果最佳,使磷石膏晶体由短小棒状、薄板状向粗大的棒状转化.当二元复配型表面活性剂PDMS+SDBS质量配比为4:6时,磷石膏含水率降低了15.7%.　　④采用碳酸钙、碳酸镁、氢氧化钙为固化剂,开展了磷石膏中可溶性磷、氟的稳定固化技术研究 ,研究表明 , CaCO3 、 Ca(OH)2 、 MgCO3 及CaCO3+Ca(OH)2+MgCO3混合物能够有效地稳定磷石膏中的可溶性磷、氟.其中, CaCO3+Ca(OH)2+MgCO3固化磷石膏中可溶性磷、氟的效果要优于CaCO3、Ca(OH)2及MgCO3固化剂;当固化剂与磷石膏的质量比为1:25时,CaCO3+Ca(OH)2+MgCO3混合物对磷石膏中可溶性磷、氟的固化率分别为70.11%、96.79%,经固化剂稳定固化的磷石膏达到了国家磷石膏排放标准.　　综上所述,表面活性剂控制磷石膏含水率技术及固化剂稳定固化磷石膏技术能够高效地降低磷石膏含水率及其可溶性磷、氟.该论文的研究结果将为磷石膏无害化处理及资源化利用工业化提供参考.

目录

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 磷酸

1.2.1 磷酸的性质与用途

1.2.2 磷酸生产工艺流程

1.3 磷石膏

1.3.1 磷石膏组分

1.3.2 磷石膏堆存现状

1.3.3 磷石膏的危害

1.4 国内外的研究现状

1.4.1 磷石膏中二水硫酸钙结晶过程的研究现状

1.4.2 磷石膏无害化处理与资源化利用研究现状

1.5 磷石膏处理存在的关键问题

1.6.1 研究目的

1.6.2 技术路线

1.6.3 研究内容

2 实验部分

2.1.1 样品采集

2.1.2 实验试剂

2.1.3 实验仪器

2.2 测定方法

2.2.1 磷浓度测定

2.2.2 表面张力测定

2.2.3 接触角测定

2.2.4 含水率测定

2.2.5 pH值测定

2.3 表征方法

2.3.1 X射线衍射物相分析

2.3.2 X射线荧光光谱分析

2.3.3 扫描电镜分析

2.3.4 傅里叶变换红外光谱分析

2.3.5 热重-差热分析

3 磷石膏基本理化特性及其结晶过程研究

3.1 引言

3.2 磷石膏

3.2.1 磷石膏组成及形貌

3.2.2 磷石膏红外光谱分析

3.2.3 磷石膏热重-差热分析

3.2.4 磷石膏粒径分布分析

3.3 二水硫酸钙结晶过程研究

3.3.1 搅拌速度

3.3.2 硫酸余量

3.3.3 结晶温度

3.4 二水硫酸钙结晶参数优化研究

3.4.1 工艺参数的优化

3.4.2 优化结果的验证

3.5 本章小结

4 表面活性剂对磷石膏含水率的影响研究

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 表面活性剂对磷石膏含水率的控制研究

4.3.1 实验方案

4.3.2 表面活性剂对磷石膏晶体形貌的影响

4.3.3 非离子型表面活性剂对磷石膏含水率的影响

4.3.4 离子型表面活性剂对磷石膏含水率的影响

4.4 二元复配型表面活性剂对磷石膏含水率的影响研究

4.4.1 表面活性剂复配原理

4.4.2 表面活性剂复配过程

4.4.3 二元复配表活性剂对溶浸液表面张力的影响

4.4.4 二元复配表活性剂对溶浸液接触角的影响

4.4.5 二元复配表活性剂对磷石膏过滤速率的影响

4.4.6 二元复配表活性剂对磷石膏含水率的影响

4.4.7 二元复配表活性剂对磷矿浸出率的影响

4.5 PDMS+SDBS配比对磷石膏含水率的影响

4.6 PDMS+SDBS用量对磷石膏含水率的影响

4.7 磷石膏含水率控制机理

4.8 本章小结

5 磷石膏中氟和可溶性磷稳定/固化研究

5.1 引言

5.2.1 实验原料

5.2.2 稳定/固化过程

5.3 稳定/固化磷石膏

5.3.1 稳定/固化剂对体系溶液表面张力的影响

5.3.2 稳定/固化剂对体系溶液接触角的影响

5.3.3 稳定/固化剂对磷石膏过滤速率的影响

5.3.4 稳定/固化剂对磷石膏含水率的影响

5.3.5 磷石膏中氟和可溶性磷稳定/固化行为

5.4 固化磷石膏的微观分析

5.5 稳定/固化机理

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文结论

6.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢