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脱硫建筑石膏三相分析方法研究及应用

浏览次数: 日期:2015年8月29日

  0 前 言
  热力学将任一聚集态内部均匀的部分称为相,相的标志是其宏观物理性质与化学性质均匀一致。脱硫建筑石膏从相组成上来说是一种多相混合体系,通常是指以半水石膏为主,含有过烧无水石膏和未完全分解的二水石膏等的多组分的混合物。由于其内部各相微观结构不同,所以在宏观物理和化学性能上也有明显差异。实践表明,脱硫建筑石膏的各种性能与其内部半水石膏、可溶性无水石膏和残存二水石膏三相的比例有关,如凝结时间,在很大程度上受脱硫建筑石膏中残存二水石膏含量的影响,因此相组成的研究对于合理利用脱硫建筑石膏、充分发挥其优异的工艺性能有着重要的意义。
  1 脱硫建筑石膏相分析测试方法分析
  脱硫石膏的主要成分二水石膏在常温下是稳定相,但是随着温度的升高和外界条件的改变,可得到半水石膏、III 型无水石膏及 II 型无水石膏,而它们在不同条件下水化情况也有差别。脱硫建筑石膏的相分析方法即根据其中各相所具有的水化或脱水的特性而制定的。
  1.1 相分析方法的基本原理
  (1)脱硫建筑石膏中的 III 型无水石膏。无水石膏具有强烈的吸湿性,可在 95% 酒精水溶液中水化成半水石膏,而半水石膏却不能水化成二水石膏,因此可通过测定 III 型无水石膏在酒精水溶液中水化的增量来计算其含量。原因如下:根据二水石膏结构中原子间的结合,将其化学组成写为 [Ca2·(H2O)3][(SO4)2·(H2O)],其中 3 个 H2O 与 2 个 Ca2+间仅存在范德华力,作用力较弱,而 2 个 SO42- 与 1 个 H2O间除了存在范德华力以外还存在氢键,作用力较强;这个结晶水较前 3 个较难失去,而在 95% 的乙醇溶液中,乙醇与水分子间除分子间作用力外也有氢键,但是其作用力介于两者之间,因此乙醇溶液中,III 型无水石膏中的 SO42-易吸收 1/2 的水形成半水石膏,而半水石膏不易形成二水石膏。
  (2)脱硫建筑石膏中的半水石膏。测定脱硫建筑石膏在纯水中的水化增量,为半水石膏和 III 型无水石膏形成二水石膏的总量,减去用上述原理测得的 III 型无水石膏的含量,即可计算出半水石膏的含量。
  (3)脱硫建筑石膏中残留的二水石膏。用脱水的方法测定脱硫建筑石膏的脱水总量,减去半水石膏的脱水量,即可计算出二水石膏的含量。
  1.2 脱硫建筑石膏相分析方法
  根据相分析方法原理,制定了相分析方法,其中包含可溶性 III 型无水石膏及结合水、半水石膏、残留的二水石膏三相含量的测定。相分析方法包括酒精溶液水化法—真空干燥、DSC(差示扫描量热法)等。本文在以上分析方法的基础上,应用卤素水分测定仪对脱硫建筑石膏三相组成分析方法进行改进,方法如下。试验前的准备:测定仪温度调至 50℃,放入称量盘进行加热干燥。而后将称量盘放入保干器中作干燥贮藏至使用时。样品称重之前防止吸附水分很重要,而且取样和称重的时间间隔须尽可能地短。
  (1)附着水与 III 型无水石膏含量的测定。用水分测定仪精确称取 5 g 试样 G1,精确至 0.001 g,加入 5 mL 95%乙醇溶液,试样湿润均匀,放入水分测定仪并将温度调至50℃,烘干至恒重,记录此时的试样重量 G2。
  当 G1>G2 时:附着水含量 W=(G1-G2)/G1×100%;III 型无水石膏含量 AⅢ=0;
  当 G1<G2 时:吸附着水含量 W=0;则: III 型无水石膏含量 AⅢ=15.11 (G2-G1)/ G1×100%。
  (注:以上分析试样中,附着水和 III 型无水石膏二者只能有一,因为无水石膏极易吸收水分,因此有附着水就不会有无水石膏)
  (2)半水石膏含量的测定。用水分测定仪准确称取脱硫建筑石膏试样 5 g,精确至 0.001 g,记为m1,在足量蒸馏水中浸泡 5 h 以上,然后将水分测定仪温度调至 50℃,烘干至恒重,记录此时试样质量 m2;最后将水分测定仪调至 200 ℃,加热至恒重,记录此时试样质量 m3。
  c=m2/ m1-1,e=1-m3/m2,纯度 S=e/0.2093×100%。
  当 G1>G2 时:半水石膏含量 HH=5.37(c+W)/(1-W)×100%;
  当 G1<G2 时:半水石膏含量 HH=5.37(c-AⅢ×0. 265)×100%。
  (3)二水石膏含量的测定。用水分测定仪准确称取5 g 试样,精确至 0.001 g,记为p1,将水分测定仪调至200 ℃,加热至恒重,记录此时试样质量 p2。
  d=1-p2/ p1
  当 G1>G2 时:二水石膏含量 DH=4.78[(d-W)-HH×0.062]×100%;
  当 G1<G2 时:二水石膏含量 DH=4.78(d-HH×0.062)×100%。
  从以上相分析方法可以看出:卤素水分测定仪的使用,使得试验过程中的干燥、脱水、称量等过程全部通过一台仪器完成,简化了酒精溶液水化法—真空干燥试验过程中需要使用干燥器、真空干燥箱及马弗炉等多种设备的繁琐的试验过程,减少了人为误差;童仕唐采用 DSC(差示扫描量热法)进行石膏相组成分析,此方法需要选取参比样,而且计算过程较为复杂。快速、可靠的卤素水分测定仪结合改进的脱硫建筑石膏相组成分析方法,大大缩短了试验时间,有利于厂家对产品品质的控制及改进。
  2 相分析在脱硫建筑石膏性能研究中的应用
  根据煅烧工艺及用途的不同,脱硫建筑石膏中各相所占比例各不相同,各相的比例会对脱硫建筑石膏的性能产生影响。
  2.1 残余二水石膏含量对脱硫建筑石膏性能的影响
  脱硫建筑石膏中残余的二水石膏在其水化过程中起到晶核的作用,若煅烧产物中存在较多的二水石膏,容易产生快凝等现象。试验选择 III 型无水石膏含量为 0 并且石膏纯度在 95% 以上的脱硫建筑石膏,所测得的残余二水石膏含量与对应的脱硫建筑石膏性能列于表 1 中。从表 1 和图1 可以看出,初凝和终凝时间随着残余二水石膏含量的增加均减少;当二水相含量由 2.21% 增加至 8.92% 时,初凝时间减少 13 min,终凝时间减少 15 min;当二水相含量过高时,脱硫建筑石膏的 2 h 抗压强度及抗折强度较低。

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