石膏科学 Case
Case 晶体结构

磷石膏晶体结构测试

Date: 2016-10-27
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1磷石膏理化特性测试

1.1磷石膏库的化学环境条件

为了更好地掌握磷石膏库的化学环境条件,对黄麦岭磷石膏生产线上冲洗液、磷石膏库渗出液和回水池液中成分及酸碱度进行对比测试。

可以看出3种液体化学成分含量存在一定差异,酸碱度亦不相同:渗出液中含钙、有机磷、铁、铝等明显高于冲洗液和回水池中液;3种液体酸碱度均呈酸性,渗出液和回水池液比冲洗液更偏酸性,且酸碱度基本相同,冲洗液的酸碱度不稳定,随生产过程所使用冲洗原液不同而变化,而渗出液和回水池液的酸碱度呈稳定特性。

1.2磷石膏结晶水含量测试

在坝上155m高程,通过开钻取样,对同一钻孔6m、15m、24m、33m、42m、51m处磷石膏进行不同温度的烘烤、干燥,测试其结晶水的含量。试验从45℃至160℃分数十个档次进行烘干,将测试结果折算为结晶水百分比含量。

虽然磷石膏中含有一定的杂质,为了比较方便,将磷石膏视为纯净物,并将160℃时的磷石膏视为纯半水石膏,含结晶水率视为理论含量,反算出不同温度时不同层位磷石膏含结晶水率。

①在45℃至160℃的烘干过程中,不同层位的磷石膏的起止含结晶水率基本相同,说明不同层位的磷石膏结晶水含量是相同的,库内石膏都是二水石膏;②不同层位的磷石膏共同体现出经烘干随温度升高而脱水的特性,但不同层位的磷石膏在不同的烘干温度又表现出不同的脱水率,说明库内不同溶液环境磷石膏晶体的脱水特性不尽相同;③85℃至95℃之间是一个明显的脱水温度段,但24m层位的磷石膏脱水温度段更长一些,从95℃至135℃都有明显的脱水现象;④从反算的结果看,二水石膏的含结晶水率为23左右,而理论值为20.93[2H2O/(CaSO4?2H2O)],说明库中磷石膏含有杂质。

1.3不同溶液中磷石膏的溶解度

将磷石膏冲洗入库液、磷石膏库渗出液和回水池液在一定温度下烘干,测定3种饱和溶液的溶解度。由于在不同的环境中,磷石膏的临界脱水温度不同,有资料显示某些环境在45℃时磷石膏即有脱水现象,为保证试验中磷石膏既干燥又未脱水成为半水石膏,试验选择烘干温度不得超过45℃。

磷石膏冲洗入库液与磷石膏库渗出液和回水池液的溶解度相差一个数量级,磷石膏库中渗出液和回水池液的溶解度基本相同。

1.4温度与磷石膏溶解度的关系

磷石膏被水溶解的程度依温度不同而不同:在20℃至50℃间,溶解度变化较大,温度每增加10℃,溶解度提高0.122~0.163g/L;温度高于50℃后,则只增加0.035g/L.

2磷石膏晶体结构测试

在黄麦岭磷石膏库 155m高子坝钻孔取样,用同一倍数目镜、同一大小视窗取像,自上而下每隔3m取一个试样进行取样拍片,选取3~45m深处较具代表性的6张磷石膏晶体照片进行分析,可以看出:随着深度的增加,库表面磷石膏由单一、完整石膏片晶结构到晶体结构不完整、出现破损现象;至15~18m间,晶体已十分细碎(浸润线在20.00m深处);在18~36m间,晶体颗粒逐渐增大,晶体形状多为不规则形状并有浑圆形出现;再往深部,晶体颗粒增大,已超过库表面的单晶大小,并且晶体呈现出棱角,甚至能见到个别针状晶体。由以上现象可总结出磷石膏库中磷石膏的变化规律:晶体颗粒大小由浅部的完整晶形到中部的细碎颗粒,再往深部晶体颗粒逐步增大;晶体形状由浅部单一、完整的石膏晶体到中部破碎、不成型的石膏碎晶,再到深部总体形成完整的石膏聚合晶结构。

3磷石膏理化特性对磷石膏库稳定性的影响

黄麦岭磷石膏库是上游水利冲积坝,其沉积特征决定了尾矿材料的粗细颗粒的分布规律,且库内有200多米的干滩线,并有一回水区,如果没有任何物理、化学变化,磷石膏在库内堆积的颗粒分布应为:水平面上看,同一平面从库口到库里磷石膏晶体颗粒分布直接由粗到细;垂直面上,同一点不同深度由浅至深磷石膏晶体颗粒分布由粗到细。然而,从实际晶体照片看,同一点不同深度由浅至深的磷石膏晶体颗粒分布却不完全是由粗到细,甚至在底部出现了大颗粒晶体,晶体也由单晶变为了聚合晶。可见库中磷石膏理化特性及晶体结构的变化直接影响磷石膏库的稳定:

(1)库内溶液成分随堆存位置的变化而变化。

由于磷石膏库回水池液液位高于渗出液出口,因此库内浸润线以下渗出液与回水池液成分存在着相互交流、渗透的现象,库内不同深度处溶液所含成分的变化是一个渐进过程;库内溶液和回水池液的存量与库中渗出液和生产用回水池液相比存量巨大,因此渗出液和回水池液的成分、酸碱度呈稳定特性;回水池是露天池,长期受日光照射,蒸发浓缩,回水池液的浓度较高,尤其是pH值呈强酸性;冲洗液成分受生产要素影响浓度不可能较高,加之受生产、雨雪量的影响而改变,呈现出不稳定性;而库内溶液自上而下其有效成分含量逐渐向稳定的库底液状态过渡。

(2)磷石膏库浅部(浸润线以上)的磷石膏存在多次、不断溶解的特性。由于浅部(浸润线以上)磷石膏处于滤干状态,且冲洗液的成分及酸碱度不稳定,随生产过程所使用冲洗原液不同而变化;新进库的冲洗液在与磷石膏的接触中处于饱和或不饱和状态,因此冲洗液对已堆存的浅部磷石膏有冲洗、溶解的作用,尤其是雨雪水对其溶解作用尤为明显,而四季温差的变化推动其溶解。

(3)浸润线以下的磷石膏总体呈结晶和再结晶特性。冲洗液经过对浅部处于滤干状态磷石膏的冲洗,不断形成稳定的饱和溶液,再与库内底部库液混合;库内磷石膏由于浸润线液位的上升,又重新进入溶液环境,需要重新达成溶解平衡;随着浸润线液位的不断抬升,磷石膏所处环境的库液条件不断变化,磷石膏就不断地再结晶、再聚合,因此呈现越到库底晶体就越聚合,形成较大的聚合晶的现象;处于浸润线深部的磷石膏,由于渗出液和回水池液的成分、酸碱度呈稳定特性,因此深部磷石膏具有稳定的溶液环境,表现出较稳定的特性,总体呈现出再结晶特性。

4结语

磷石膏的理化特性及其晶体结构对磷石膏库的稳定有一定的影响,因此磷化工企业在储存磷石膏的过程中,应充分了解磷石膏的理化特性,严格控制贮存条件,以确保磷石膏的堆存安全,保证磷石膏库的稳定。


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