石膏工艺原理分析论文提纲

论文题目：钛石膏除杂制备硫酸钙晶须与酸浸液处理研究

摘要：钛白粉是一种性能优异的白色粉末状无机颜料,生产工艺主要有氯化法和硫酸法两种。硫酸法生产钛白粉的工艺是以钛铁矿（FeTiO3）为原料,加入H2SO4反应后生成TiOSO4和FeSO4,废水中的FeSO4在后续处理工艺过程中逐渐氧化形成Fe2（SO4）3,含FeSO4和Fe2（SO4）3的废水经加入含石灰质（石灰石、生石灰、熟石灰等）中和形成以二水硫酸钙为主要成分的钛石膏固体废弃物。钛石膏成分复杂、杂质含量高,是目前利用率很低的工业副产石膏,仅有少量钛石膏用于水泥缓凝剂和胶凝材料等方面,其余作为一般固废处理。钛石膏的露天堆存对生态环境存在潜在威胁。因此,环保部门及钛白粉企业都迫切希望钛石膏能在高效环保的资源化利用途径上找到出路。本论文以钛石膏的资源化利用为目的,结合钛石膏处置量大的特点,在对钛石膏矿物属性进行全面分析基础上,提出酸浸法将钛石膏中的硫酸钙与杂质分离的研究思路,分别研究了钛石膏在硫酸、盐酸体系中,不同物相硫酸钙的转变行为及机理,探究优化工艺参数,并从工艺技术、产品市场与经济、环境效益等方面进行了综合评价。研究表明,钛石膏主要化学成分为三氧化硫、氧化钙和Fe2O3,是资源化利用的主要成分。钛石膏颗粒粒径较小(D50=5.910μm)、杂质含量高（主要以非晶态存在）、含水量高（约68%）、呈弱碱性（pH=7.4）。钛石膏主要矿物相为石膏（CaSO4·2H2O）,晶体微观形貌为大小不同的长条状、不规则板状,通过TG-DTA分析推算出钛石膏中硫酸钙组分化学式为CaSO4·1.77H2O。在低浓度硫酸水溶液中（硫酸浓度小于1 mol/L）,由于酸效应和同离子效应,钛石膏中二水硫酸钙与杂质能得到有效分离,优化工艺条件为:硫酸浓度0.5 mol/L,反应时间60 min,反应温度70℃,固液比1:12.5 g/mL。二水硫酸钙随硫酸浓度、酸浸温度等条件的变化部分脱水转变为半水硫酸钙和无水硫酸钙。采用硫酸为助剂对钛石膏进行提纯和分离,所产生的含硫酸铁等成分的酸浸液可循环利用,当酸浸液中各金属离子接近饱和时,加入氢氧化钙调节pH值,得到二水硫酸钙、氢氧化铁粉体。采用较高浓度硫酸酸浸处理钛石膏一步法分离金属氧化物及制备无水硫酸钙,可有效去除钛石膏中的铁、镁、铝、钛等杂质组分,得到纯度及白度都较高的无水硫酸钙粉体。制备无水硫酸钙的优化工艺条件为:硫酸质量分数35%,酸浸温度85℃,反应时间120 min。酸浸条件对酸浸产物的物相及微观形貌影响较大,由长条状、不规则板状的二水硫酸钙晶体转变为边缘光滑、两端呈锯齿状的长板状无水硫酸钙晶体,最后转变为梭状的无水硫酸钙晶体。在较高浓度H2SO4-H2O体系中,二水硫酸钙转变为无水硫酸钙是溶解-结晶原理。采用盐酸促溶析晶制备硫酸钙晶须,可使杂质与硫酸钙有效分离,得到纯度和白度都较高的硫酸钙晶须。制备二水硫酸钙晶须优化工艺条件为:盐酸与水体积比3:2、酸浸温度70℃、酸浸时间120 min、酸浸液循环4次,在此条件下可制得分散性较好、结晶度高,白度达95.5%的二水硫酸钙晶须,此外还可得到形貌均匀、表面光滑、晶体尺寸分布均匀的半水硫酸钙晶须副产物;制备半水硫酸钙晶须优化工艺条件为:盐酸与水体积比1:1、酸浸温度80℃、酸浸时间60 min,在此条件下可制得形貌均匀、表面光滑、分散性好、结晶度高的半水硫酸钙晶须,晶须长度集中在277.8~800μm,晶须直径约为5.6~11μm,最大长径比达119.9;制备无水硫酸钙晶须的优化工艺条件为:盐酸与水体积比4:1、酸浸温度80℃、酸浸时间90 min,在此条件下可制得长度约18.3~26.7μm,直径约0.42~4.17μm,分散性较好,晶体尺寸分布较均匀的纤维状无水硫酸钙晶须。采用硫酸、盐酸酸浸处理钛石膏,可使钛石膏中硫酸钙与铁、镁、铝、钛等杂质分离,制备纯度及白度都较高的硫酸钙（晶须）,解决了目前普遍存在的杂质影响钛石膏资源化利用制品品质的问题。在硫酸体系中,制备纯度及白度都较高的二水硫酸钙、无水硫酸钙粉体,代替天然石膏用作建筑材料、填料等,可减少对天然石膏的开采,保护生态平衡,实现可持续发展,且对产生的硫酸酸浸液进行循环利用,采用分步沉淀法将酸浸液中金属离子分步沉淀出来,整个工艺流程几乎不产生二次污染,钛石膏中的有价组分及助剂得到充分利用;在盐酸体系中,制备形貌均匀、长径比大的硫酸钙晶须,得到高附加值产物,工艺可行性强,且对盐酸酸液进行循环利用,加入氢氧化钙将铁离子沉淀出来,经焙烧得到三氧化二铁粉体,减少二次污染。

关键词：钛石膏;硫酸;盐酸;硫酸钙晶须;酸液循环

学科专业：环境工程（专业学位）

摘要

abstract

1 绪论

1.1 立题背景和立题思路

1.2 国内外研究现状

1.2.1 钛石膏资源化利用研究

1.2.2 钛石膏除杂研究

1.2.3 硫酸钙晶须制备研究

1.3 存在的问题与发展趋势

1.3.1 存在的问题

1.3.2 发展趋势

1.4 选题依据及意义

1.5 主要研究内容

1.6 主要研究成果及创新点

1.6.1 主要研究成果

1.6.2 创新点

1.7 主要工作量

2 钛石膏的矿物学特征

2.1 样品预处理及表征手段

2.2 结果与讨论

2.2.1 钛石膏外观

2.2.2 钛石膏含水率测定

2.2.3 化学成分分析

2.2.4 物相分析

2.2.5 微观形貌分析

2.2.6 热学性质分析

2.2.7 颗粒学特征分析

2.3 本章小结

3 钛石膏硫酸酸浸除杂工艺技术研究

3.1实验

3.1.1 实验原理

3.1.2 实验原料、试剂与装置

3.1.3 实验方案与步骤

3.1.4 样品测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 硫酸浓度的影响

3.2.2 反应温度的影响

3.2.3 固液比的影响

3.2.4 反应时间的影响

3.2.5 钛石膏优化条件下酸浸产物的分析

3.2.6 酸浸除杂机理

3.3 本章小结

4 钛石膏制备无水硫酸钙工艺技术研究

4.1 实验

4.1.1 实验原理

4.1.2 实验原料、试剂与装置

4.1.3 实验方案与步骤

4.2 结果与讨论

4.2.1 硫酸浓度的影响

4.2.2 反应温度的影响

4.2.3 反应时间的影响

4.2.4 无水硫酸钙形成机理

4.3 本章小结

5 钛石膏制备硫酸钙晶须工艺技术研究

5.1 二水硫酸钙晶须的制备

5.1.1 实验

5.1.2 结果与讨论

5.2 半水硫酸钙晶须制备

5.2.1 实验

5.2.2 结果与讨论

5.3 无水硫酸钙晶须制备

5.3.1 实验

5.3.2 结果与讨论

5.4 本章小结

6 酸浸液循环与分步沉淀工艺技术研究

6.1 酸液循环

6.1.1 实验

6.1.2 结果与讨论

6.2 分步沉淀

6.2.1 实验

6.2.2 结果与讨论

6.3 本章小结

7 综合评价

7.1 工艺技术评价

7.2 产品市场与经济评价

7.3 环境效益评价

7.4 本章小结

8 结论

9 致谢

10 参考文献