（中国矿业大学，北京/狄永浩，石钰，郑水林）化学石膏价格低廉，由其制备出的硫酸钙晶须性能优良，具有很好的性能价格比，应用领域广泛。用化学石膏代替天然石膏不仅可以减少对环境的污染，而且可实现对天然石膏资源的保护，对我国石膏行业的健康、持续发展有着十分积极的意义。
但是在水相介质中，例如造纸工业中应用化学石膏时，因其溶解度较高，不仅大幅提升了应用成本，而且也对纸浆体系造成严重的负面影响。因此，研究提高化学石膏的水溶性能对于化学石膏在造纸工业及其它工业中的应用、高效和大量利用化学石膏意义重大。
1 实验
1.1原料
实验所用原料化学石膏由中国制浆造纸研究所提供，其矿物组成及相应组分含量如表1。原料化学石膏的水溶保留率为62.20 %。实验所用试剂氢氧化钙、氢氧化钡、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、可溶性淀粉、聚氧化乙烯等均为市售、分析纯。
1.2方法
称取化学石膏原料，配置成一定浓度的悬浮液加入反应釜中，加入pH调节剂调节悬浮液的初始pH值，搅拌均匀，上紧反应釜，设定反应的温度和搅拌速度，在反应釜中搅拌反应一定的时间，之后用定量滤纸对悬浮液进行过滤，取所得滤饼加入100ml蒸馏水于三颈烧瓶中，加入适量添加剂，在50℃的水浴中，搅拌速度1000 r/min下搅拌改性30 min，然后将悬浮液过滤，取滤饼，在120℃下烘干。
表1 原料化学石膏的主要矿物组成
| 矿物名称 |
石膏 |
半水石膏 |
硬石膏 |
蒙脱石 |
| 含量/% |
92.3 |
2.5 |
4.0 |
1.2 |
1.3样品表征
通过测定样品在水中的溶解度来评价其抗水溶性能。测定方法如下：称取约2克经120 ℃烘干的改性后的硫酸钙样品，配置成约1%浓度的悬浮液，在40 ℃的水浴条件下搅拌1 h，然后利用定量滤纸（事先应将滤纸在120 ℃下恒重）对悬浮液进行过滤，将滤纸上面的滤渣用200ml清水分3次洗涤后，连同滤纸移入烘箱，在120 ℃下恒重。称取并计算过滤前后硫酸钙的绝干质量差除以2g，为硫酸钙的保留率（%）。将100%减去硫酸钙保留率的差值，视为硫酸钙在水中的溶解度（%）。具体计算公式如下：
式中： A：为称取的绝干硫酸钙试样质量（g）
B：为干燥恒重的滤渣和滤纸质量（g）
C：为干燥恒重的滤纸质量（g）
2 结果与讨论
2.1.悬浮液浓度、搅拌速度
固定搅拌速度350 r/min，温度105℃，反应时间2 h，分别用pH调节剂氢氧化钙和氢氧化钡调节溶液pH=10时，设定悬浮液浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%，考察悬浮液浓度与水热产品硫酸钙晶须在水中的保留率的关系。固定悬浮液浓度为20%，温度为130℃，反应时间为2 h，分别添加氢氧化钙和氢氧化钡调节溶液pH=10时，设定搅拌速度为150 r/min、250 r/min、350 r/min、450 r/min、550 r/min、650 r/min，考察搅拌速度与水热产品在水中的保留率的关系。结果分别如图1、图2所示。
由图1可知，随着悬浮液浓度的增大，水热产品的保保留率先增后减。当悬浮液浓度为20% 时，产品的保留率达最大，为80.23%。由图2可知，最佳搅拌速度为450 r/min，此时保留率为87.95%。当搅拌速度增大时，保留率总体上保持先增大后减小的趋势。这是因为在开始，随着搅拌速度的增加，原料与溶液以及pH调节剂充分的接触，有助于反应向着硫酸钙晶须生成的方向进行；当生成的半水硫酸钙达到饱和状态之后，搅拌速度再增大，将破坏生成的硫酸钙晶须的晶形，反而使其保留率降低。
2.2 pH值、反应温度、反应时间
固定悬浮液浓度20%，温度130℃，反应时间2 h，搅拌速度450 r/min，分别称取氢氧化钡和氢氧化钙固体配置成一定浓度的溶液，调节溶液初始pH值分别为7、9、10、11、13，得出不同pH调节剂调节的溶液初始pH值对水热产品在水中的保留率的影响，结果如图3。
由图3可知，化学石膏的抗水溶性能受溶液初始pH值的影响很明显,随着碱性溶液加入量的增加，pH值增大，硫酸钙保留率呈现出先增大后减小的趋势，总体上采用氢氧化钡调节pH值时产品的保留率比采用氢氧化钙调节pH值产品的保留率高，当pH值为10时，水热产物的保留率达到最大，为87.95%。
固定悬浮液浓度20%，反应时间2 h，搅拌速度450 r/min，分别加氢氧化钙和氢氧化钡调节溶液pH=10时，设定反应釜温度分别为100℃、120℃、140℃、160℃、180℃，得出温度对水热产品硫酸钙晶须在水中保留率的影响，结果如图4所示。
图4结果显示，随着温度的升高，硫酸钙晶须保留率呈先增大后减小的趋势。半水硫酸钙的生成是一个吸热的过程，开始随着温度的升高半水硫酸钙不断的生成，当温度达到120℃时，晶形转化的效果最佳，此时生成的半水硫酸钙最多，产品粒度增大，此时产品的保留率也达到了最大，之后随着温度的升高，半水硫酸钙的生成量开始减少，产物为生石膏和半水硫酸钙的混合物，且生石膏在水中的溶解度增大，故此时产品的保留率又减小了。
固定悬浮液浓度为20%，搅拌速度为450 r/min，温度为120℃，分别加氢氧化钙和氢氧化钡调节溶液pH=10时，设定搅拌反应的时间分别为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h ，得出水热反应时间对产物在水中保留率的影响，结果如图5。由图5，当反应时间为2 h时，硫酸钙晶须的保留率达到88.50%。反应反应时间过短，反应不完全。搅拌反应的时间过长，将会破坏生成的纤维状的硫酸钙的晶形。  2.3 添加剂种类及用量
将水热反应产物加入100ml蒸馏水配置成一定的质量分数， 加入质量分数为0.4 %的添加剂，在50℃ 水浴锅中以一定的搅拌速度反应30min，然后过滤、烘干。试验的添加剂分别为聚乙二醇、聚丙烯酰胺、可溶性淀粉、聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚氧化乙烯。得出添加剂种类对水热样品在水中的保留率的影响，结果如图6。
由图6可知，不同的种类的添加剂对水热反应产物保留率的影响不同，当加入添加剂聚丙烯酰胺时，得到的产品保留率最大，达到88.00%。
图7所示是添加剂聚丙烯酰胺用量（分别为水热样品质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%）对水热样品在水中的保留率的影响。
由图7可知，聚丙烯酰胺的用量对水热样品保留率有明显影响，随着聚丙烯酰胺用量的增加，水热产物的保留率先增大后减小。加入的添加剂聚丙烯酰胺过少时，架桥作用比较弱，形成的絮凝体不稳定；加入的聚丙烯酰胺过多，则架桥作用所必需的粒子表面吸附点减少，架桥困难。当添加剂聚丙烯酰胺质量分数为0.2% 时，水热样品的保留率达到了最大，为89.95%。
3 结论
（1）化学石膏水热反应的优化工艺条件：悬浮液的浓度为20%、溶液的初始pH值10、最佳pH调节剂为
Ba(OH)2，搅拌速度450 r/min 、反应温度120℃、反应时间2 h、添加剂为聚丙烯酰胺，其用量为0.2%。
（2）在优化水热条件下制备的化学石膏产品的水溶保留率达到89.95%，比原料提高了27.75%。
(桂林非金属矿加工与应用技术交流会,发表于中国粉体技术杂志）
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