（中國礦業大學，北京/狄永浩，石鈺，鄭水林）化學石膏價格低廉，由其制備出的硫酸鈣晶須性能優良，具有很好的性能價格比，應用領域廣泛。用化學石膏代替天然石膏不僅可以減少對環境的污染，而且可實現對天然石膏資源的保護，對我國石膏行業的健康、持續發展有著十分積極的意義。
但是在水相介質中，例如造紙工業中應用化學石膏時，因其溶解度較高，不僅大幅提升了應用成本，而且也對紙漿體系造成嚴重的負面影響。因此，研究提高化學石膏的水溶性能對于化學石膏在造紙工業及其它工業中的應用、高效和大量利用化學石膏意義重大。
1 實驗
1.1原料
實驗所用原料化學石膏由中國制漿造紙研究所提供，其礦物組成及相應組分含量如表1。原料化學石膏的水溶保留率為62.20 %。實驗所用試劑氫氧化鈣、氫氧化鋇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚乙烯醇、可溶性淀粉、聚氧化乙烯等均為市售、分析純。
1.2方法
稱取化學石膏原料，配置成一定濃度的懸浮液加入反應釜中，加入pH調節劑調節懸浮液的初始pH值，攪拌均勻，上緊反應釜，設定反應的溫度和攪拌速度，在反應釜中攪拌反應一定的時間，之后用定量濾紙對懸浮液進行過濾，取所得濾餅加入100ml蒸餾水于三頸燒瓶中，加入適量添加劑，在50℃的水浴中，攪拌速度1000 r/min下攪拌改性30 min，然后將懸浮液過濾，取濾餅，在120℃下烘干。
表1 原料化學石膏的主要礦物組成
| 礦物名稱 |
石膏 |
半水石膏 |
硬石膏 |
蒙脫石 |
| 含量/% |
92.3 |
2.5 |
4.0 |
1.2 |
1.3樣品表征
通過測定樣品在水中的溶解度來評價其抗水溶性能。測定方法如下：稱取約2克經120 ℃烘干的改性后的硫酸鈣樣品，配置成約1%濃度的懸浮液，在40 ℃的水浴條件下攪拌1 h，然后利用定量濾紙（事先應將濾紙在120 ℃下恒重）對懸浮液進行過濾，將濾紙上面的濾渣用200ml清水分3次洗滌后，連同濾紙移入烘箱，在120 ℃下恒重。稱取并計算過濾前后硫酸鈣的絕干質量差除以2g，為硫酸鈣的保留率（%）。將100%減去硫酸鈣保留率的差值，視為硫酸鈣在水中的溶解度（%）。具體計算公式如下：
式中： A：為稱取的絕干硫酸鈣試樣質量（g）
B：為干燥恒重的濾渣和濾紙質量（g）
C：為干燥恒重的濾紙質量（g）
2 結果與討論
2.1.懸浮液濃度、攪拌速度
固定攪拌速度350 r/min，溫度105℃，反應時間2 h，分別用pH調節劑氫氧化鈣和氫氧化鋇調節溶液pH=10時，設定懸浮液濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%，考察懸浮液濃度與水熱產品硫酸鈣晶須在水中的保留率的關系。固定懸浮液濃度為20%，溫度為130℃，反應時間為2 h，分別添加氫氧化鈣和氫氧化鋇調節溶液pH=10時，設定攪拌速度為150 r/min、250 r/min、350 r/min、450 r/min、550 r/min、650 r/min，考察攪拌速度與水熱產品在水中的保留率的關系。結果分別如圖1、圖2所示。
由圖1可知，隨著懸浮液濃度的增大，水熱產品的保保留率先增后減。當懸浮液濃度為20% 時，產品的保留率達最大，為80.23%。由圖2可知，最佳攪拌速度為450 r/min，此時保留率為87.95%。當攪拌速度增大時，保留率總體上保持先增大后減小的趨勢。這是因為在開始，隨著攪拌速度的增加，原料與溶液以及pH調節劑充分的接觸，有助于反應向著硫酸鈣晶須生成的方向進行；當生成的半水硫酸鈣達到飽和狀態之后，攪拌速度再增大，將破壞生成的硫酸鈣晶須的晶形，反而使其保留率降低。
2.2 pH值、反應溫度、反應時間
固定懸浮液濃度20%，溫度130℃，反應時間2 h，攪拌速度450 r/min，分別稱取氫氧化鋇和氫氧化鈣固體配置成一定濃度的溶液，調節溶液初始pH值分別為7、9、10、11、13，得出不同pH調節劑調節的溶液初始pH值對水熱產品在水中的保留率的影響，結果如圖3。
由圖3可知，化學石膏的抗水溶性能受溶液初始pH值的影響很明顯,隨著堿性溶液加入量的增加，pH值增大，硫酸鈣保留率呈現出先增大后減小的趨勢，總體上采用氫氧化鋇調節pH值時產品的保留率比采用氫氧化鈣調節pH值產品的保留率高，當pH值為10時，水熱產物的保留率達到最大，為87.95%。
固定懸浮液濃度20%，反應時間2 h，攪拌速度450 r/min，分別加氫氧化鈣和氫氧化鋇調節溶液pH=10時，設定反應釜溫度分別為100℃、120℃、140℃、160℃、180℃，得出溫度對水熱產品硫酸鈣晶須在水中保留率的影響，結果如圖4所示。
圖4結果顯示，隨著溫度的升高，硫酸鈣晶須保留率呈先增大后減小的趨勢。半水硫酸鈣的生成是一個吸熱的過程，開始隨著溫度的升高半水硫酸鈣不斷的生成，當溫度達到120℃時，晶形轉化的效果最佳，此時生成的半水硫酸鈣最多，產品粒度增大，此時產品的保留率也達到了最大，之后隨著溫度的升高，半水硫酸鈣的生成量開始減少，產物為生石膏和半水硫酸鈣的混合物，且生石膏在水中的溶解度增大，故此時產品的保留率又減小了。
固定懸浮液濃度為20%，攪拌速度為450 r/min，溫度為120℃，分別加氫氧化鈣和氫氧化鋇調節溶液pH=10時，設定攪拌反應的時間分別為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h ，得出水熱反應時間對產物在水中保留率的影響，結果如圖5。由圖5，當反應時間為2 h時，硫酸鈣晶須的保留率達到88.50%。反應反應時間過短，反應不完全。攪拌反應的時間過長，將會破壞生成的纖維狀的硫酸鈣的晶形。  2.3 添加劑種類及用量
將水熱反應產物加入100ml蒸餾水配置成一定的質量分數， 加入質量分數為0.4 %的添加劑，在50℃ 水浴鍋中以一定的攪拌速度反應30min，然后過濾、烘干。試驗的添加劑分別為聚乙二醇、聚丙烯酰胺、可溶性淀粉、聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、聚氧化乙烯。得出添加劑種類對水熱樣品在水中的保留率的影響，結果如圖6。
由圖6可知，不同的種類的添加劑對水熱反應產物保留率的影響不同，當加入添加劑聚丙烯酰胺時，得到的產品保留率最大，達到88.00%。
圖7所示是添加劑聚丙烯酰胺用量（分別為水熱樣品質量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%）對水熱樣品在水中的保留率的影響。
由圖7可知，聚丙烯酰胺的用量對水熱樣品保留率有明顯影響，隨著聚丙烯酰胺用量的增加，水熱產物的保留率先增大后減小。加入的添加劑聚丙烯酰胺過少時，架橋作用比較弱，形成的絮凝體不穩定；加入的聚丙烯酰胺過多，則架橋作用所必需的粒子表面吸附點減少，架橋困難。當添加劑聚丙烯酰胺質量分數為0.2% 時，水熱樣品的保留率達到了最大，為89.95%。
3 結論
（1）化學石膏水熱反應的優化工藝條件：懸浮液的濃度為20%、溶液的初始pH值10、最佳pH調節劑為
Ba(OH)2，攪拌速度450 r/min 、反應溫度120℃、反應時間2 h、添加劑為聚丙烯酰胺，其用量為0.2%。
（2）在優化水熱條件下制備的化學石膏產品的水溶保留率達到89.95%，比原料提高了27.75%。
(桂林非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志）
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