Результаты изучения химического состава и физико-механических свойств фосфогипса

Химическая формула: СаSO₄∙ 2Н₂О

Таблица 1- Физико-химические показатели:

№ п/п	Наименование показателя	Норма
	Массовая доля основного вещества (СаSO4∙2H2O) в пересчете на сухой дигидрат, %, не менее	80,0
	Массовая доля гигроскопической (сверхкристаллизационной) влаги, %, не более	20,0
	Массовая доля водорастворимых фтористых соединений (H2SiF6; Na2SiF6; HF и др.) в пересчете на F, %, не более	0,3
	Удельная активность природных радионуклидов, кБк/кг, не более	4,0

Фосфогипс образуется при производстве экстракционной фосфорной кислоты из апатитовых и фосфоритовых руд по реакции:

Ca5(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ + 10H₂O —> 5(CaSO₄·2H₂O) + 3H₃PO₄ + 0,5H₂F₂

Фосфогипс, являющийся отходом производства экстракционной фосфорной кислоты, используется для получения ангидритового цемента, штукатурного алебастера, литых блоков для стенных перегородок, в качестве добавки в производстве портланд - цемента и для други целей. Возможна также переработка фосфогипса в сульфат аммония термической обработкой фосфогипса можно получать цементный клинкер и сернистый газ, который далее перерабатывают в серную кислоту. Таким образом, осуществима регенерация серной кислоты, расходуемый на разложение фосфатов.

Фосфогипс содержит от 80 до 98% гипса и может быть отнесен к гипсовому сырью. Современная строительная промышленность свидетельствует о большой востребованности гипса и изделий на его основе, поэтому использование фосфогипса в производстве гипсовых вяжущих при имеющемся дефиците естественных сырьевых источников природного гипса относится к наиболее перспективным направлениям переработки фосфогипса.

Рисунок 1 - Переработка фосфогипса

Переработка отходов фосфогипса кроме решения проблемы редкоземельных элементов и строительных материалов решает проблемы рационального использования сырьевых ресурсов и экологии, так как складирование фосфогипса неизбежно наносит экологический ущерб окружающей среде за счет загрязнения водных ресурсов вредными веществами, в первую очередь растворимыми соединениями фтора и фтора, пыления в атмосфере, неэффективного использования земель, занятых отвалами.

Проведенные мониторинговые исследования отвалов фосфогипса, расположеных на территории Жамбылского завода минеральных удобрений ТОО «Казфосфат», показали, что лежалый фосфогипс имеет идентичный химический и фазовый состав. Фосфогипс по химическому составу содержит в основном оксиды кальция, серы и кремния с примесью оксидов железа, алюминия, магния, фосфора, натрия, двуводный гипс с примесью кремнезема, содержит также примеси неразложившегося фосфата, фосфорно-кислых солей и силикатов, содержание фтора в фосфогипсе не более 0,1 – 0,5% и других (таблица 1). По минералогическому составу фосфогипс в основном содержит минерал гипс (99%) и примеси кварца.

Таблица 1 – Результаты химического анализа проб фосфогипса ТОО «Казфосфат»

Наименование показателей	Фосфогипс (лежалый), отвал ТОО «Казфосфат» МУ
1. Н20общ.	16,4
2. Р2О5общ.	1,03
3. Р2О5в.р.	0,12
4. SO3	42,71
5. СаО	26,59
6. Fe2O3	0,80
7. Fобщ.	0,35
8. Fв.р.	0,12
9. SiO2	13,33
10. Na2O	0,12
11. Al2O3,	0,45
12. K2O	0,10

Как видно из таблицы 1, массовая доля основного вещества (CaSO₄∙2H₂O) в пересчете на сухой дигидрат составляет 97%, массовая доля гигроскопической влаги – 16,4 %, содержание водорасторимых фтористых соединений в пересчете на фтор составляет 0,12%. Примесей токсичных соединений кадмия, мышьяка, ртути, свинца в составе фосфогипса не обнаружено.

Проведенные исследования показали, что содержание основных компонентов в фосфогипсе практически не изменяется и не зависит от места отбора пробы (в грунте или на поверхности отвала). По-видимому, это связано с тем, что на ТФ ТОО «Казфосфат» «МУ» в течение ряда лет не изменялись технология производства и используемое сырье (природные фосфориты Каратау).

Следует признать, что фосфогипс - полугидрат, получаемый в результате термообработки, зачастую, обладает достаточно высокой водопотребностью и низкими прочностными показателями. Основной причиной пониженных показателей является присутствие в составе фосфогипса различных примесей, к числу которых, в первую очередь, относятся кислоты и фториды.

Улучшению качества фосфогипса - полугидрата способствуют промывка отходов водой, совершенствование технологии дегидратации фосфогипса, а также применение различных добавок-пластификаторов.

Для определения размера и распределения частиц фосфогипса используется метод седиментационного анализа суспензии. Принцип седиментационного анализа состоит в экспериментальном определении скорости оседания частиц дисперсной фазы в какой-либо дисперсионной среде и последующем установлении характера распределения частиц по размерам и степени дисперсности [34-36]. Для исследования используются весы торсионные ВТ-500; набор сит, калиброванные пипетки.

Оседание частицы в вязкой среде происходит под действием силы тяжести, равной ее кажущемуся весу Р:

13)

где, г - радиус частицы;

D, d - плотности вещества частицы и среды;

g - ускорение силы тяжести.

Оседанию противодействует сила трения, величина которой определяются по закону Стокса:

P (14)

где, η - вязкость среды;

и - скорость движения частицы.

Стационарный режим оседания начинается с момента времени, когда сила тяжести уравновешивается силой трения, приравнивая правые части уравнения 13 и 14, находят значение радиуса частицы:

(15)

где, h - высота оседания;

t - время оседания.

(16)

Зная время t₁, можно рассчитать размер наименьшей частицы среди полностью выпавших частиц по уравнению (15). Построив зависимость Q₀ = f (г), получают интегральную кривую распределения, каждая ордината которой указывает на процентное содержание частиц. Для получения дифференциальной кривой разность двух значений Q₀ относят к разности r двух соответствующих радиусов. Рассматривая отношение Q/r=f (r), строят дифференциальную кривую распределения фосфогипса

Для определения истинной плотности используют пикнометрический метод. Пикнометрический метод основан на измерении массы пикнометра, наполненного жидкостью, при замене части этой жидкости навеской определенного материала. Основной прибор для определения истинной плотности – стеклянный пикнометр вместимостью 50 мл и весы лабораторные ВЛР-200.

Плотность (δ) определяют по формуле:

(1)

где, плотность, г/см³;

А - масса пикнометра с навеской, г;

В - масса пустого пикнометра, г;

С - масса пикнометра с водой, г;

D - масса пикнометра с водой и навеской, г.

Для определения объемного (насыпного) веса берут любой тарированный сосуд (цилиндр), с известным объемом (А) и весом (Р_о). Сосуд наполняется исследуемым материалом с удельным весом s до краев при встряхивании сосуда (постукиванием дна о стол). Избыток удаляется сверху линейкой или стеклянной палочкой и определяется вес сосуда с фосфогипсом (Р₁) на аналитических весах АХ-200.

Насыпной вес (D) определяют по формуле:

(2)

где, D - насыпной вес, г/см³;

Р₀- вес сосуда, г;

Р₁- вес сосуда с фосфогипсом, г;

А - объем сосуда, см³.

Пористость фосфогипса (F) определяется по формуле:

(9)

где, F - пористость, %;

δ - плотность, г/см³;

D - насыпной вес, г/см³.

Угол естественного откоса – это наибольший угол, образованный свободной поверхностью сыпучего материала с горизонтальной плоскостью при засыпании сырья без толчков и динамических воздействии. На горизонтальной поверхности устанавливают металлический цилиндр без дна и заполняют его пробой фосфогипса. Цилиндр медленно поднимают до полного высыпания пробы и замеряют высоту и диаметр образовавшегося конуса.

Угол естественного откоса фосфогипса определяется по формуле:

(19)

где, Н - высота, образовавшегося конуса, м;

d - диаметр конуса, м.

Удельная поверхность фосфогипса, определенная методом БЭТ по адсорбции азота в изотермических условиях при температуре жидкого азота (-196 ⁰С), для различных проб фосфогипса лежит в пределах от 25,0 м²/г до 30,0 м²/г.

Определение физико-механических свойств фосфогипса (плотности, насыпного веса, пористости, угла естественного откоса) показало, что для различных проб фосфогипса удельный вес (истинная плотность) фосфогипса, высушенного в естественных условиях, составляет от 2,32 до 2,33 г/см³; насыпной вес – от 1,08 до 1,14 г/см³, пористость фосфогипса лежит в пределах от 50,9 до 53,7 %; влажность проб фосфогипса более 17%; угол естественного откоса – от 25,7 до 31,4 градуса.

Дата добавления: 2015-08-17