способ получения дигидрата сульфата кальция

Формула изобретения

Способ получения дигидрата сульфата кальция из кальцийсодержащего отхода, включающий его обработку концентрированной серной кислотой, отделение осадка фильтрацией и его промывание, отличающийся тем, что в качестве кальцийсодержащего отхода используют высокоосновный электрометаллургический шлак в виде водной суспензии с массовой долей твердого компонента 4,75-6,25%, а обработку концентрированной серной кислотой проводят до рН=6,5-7 при стехиометрическом соотношении компонентов, мас.%:

Указанный шлак	40-45
Концентрированная серная кислота	55-60

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии неорганических веществ и продуктов, в частности к способам получения сырья для гипсового вяжущего из промышленных отходов.

Известен способ получения дигидрата сульфата кальция путем смешивания кальцийсодержащего отхода с серной кислотой (Мещеряков Ю.Г. Гипсовые попутные промышленные отходы и их применение в производстве строительных материалов. 1984, с.41-42).

Недостатком известного способа является непостоянство состава гипсового вяжущего.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технологическому решению и достигаемому эффекту является способ получения дигидрата сульфата кальция путем обработки шлама - отхода травильного производства - концентрированной серной кислотой до достижения рН 0,7-1 с последующим промыванием и отфильтровыванием осадка дигидрата сульфата кальция (а.с. СССР № 1825758, МПК 5 С04В 11/02, публ. 07.07.1993 г.).

Недостатком указанного способа является низкое качество дигидрата сульфата кальция, обусловленное формированием частиц иглообразной формы, неоднородных по размерам, с соотношением параметров 1*8÷1*10. Помимо этого кислая среда маточного раствора (рН<1) затрудняет его утилизацию и требует тщательной промывки кристаллов дигидрата сульфата кальция.

Задачей изобретения является получение качественного продукта дигидрата сульфата кальция высокой степени однородности по размерам и форме частиц.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ получения дигидрата сульфата кальция из кальцийсодержащего отхода, включающий его обработку концентрированной серной кислотой, в отличие от известного предусматривает использование высокоосновного электрометаллургического шлака в виде водной суспензии с массовой долей твердого компонента « »=4,75-6,25%, а обработку концентрированной серной кислотой проводят до рН 6,5-7 при стехиометрическом соотношении компонентов, мас.%:

Указанный шлак	40-45
Концентрированная серная кислота	55-60

В предложенном способе получения дигидрата сульфата кальция в качестве кальцийсодержащего отхода используют высокоосновный электрометаллургический шлак с содержанием оксида кальция 45-55 мас.%, готовят водную суспензию с массовой долей шлака 4,76-6,25%, обрабатывают суспензию концентрированной серной кислотой в стехиометрическом соотношении до нейтральной реакции раствора (рН 6,5-7). В этих условиях происходит выделение кристаллов дигидрата сульфата кальция (до 80%) с оптимальным соотношением размеров (1×3÷1×5). Кристаллизация происходит с одновременным выделением из раствора аморфного SiO ₂, изменяющего габитус кристаллов дигидрата сульфата кальция, что сказывается на повышении их плотности и водостойкости.

Новизну и изобретательский уровень предложенного способа подтверждает наличие следующих признаков:

- использование высокоосновного электрометаллургического шлака с содержанием оксида кальция до 45-55 мас.%, который традиционно используется в качестве компонента при обжиге портландцементного клинкера, при изготовлении шлакощелочных вяжущих и бетонов, асфальтобетонных покрытий, но не известно его использование для получения дигидрата сульфата кальция;

- приготовление водной суспензии высокоосновного электрометаллургического шлака с массовой долей шлака 4,76-6,25% (при понижении массовой доли указанного шлака в суспензии менее 4,76%, понижается рН маточного раствора менее 6,5. Кислая среда затрудняет фильтрацию раствора и требует дополнительного промывания осадка. Повышение массовой доли указанного шлака сверх 6,25% затрудняет перемешивание суспензии. Кристаллизация CaSO ₄·2H₂O в этих условиях сопровождается образованием конгломератов кристаллов);

- обработка водной суспензии высокоосновного электрометаллургического шлака концентрированной серной кислотой до рН 6,5-7. При повышении дозировки концентрированной серной кислоты понижается рН маточного раствора менее 6,5. Кислая среда затрудняет фильтрацию раствора и требует дополнительного промывания осадка, а кристаллы CaSO₄·2H₂ O имеют иглообразную форму с соотношением размеров 1*7÷1*8, что ухудшает качество дигидрата сульфата кальция. Снижение дозировки концентрированной серной кислоты отрицательно сказывается на полноте выщелачивания.

Использование предложенного способа позволяет получить качественный дигидрат сульфата кальция высокой степени однородности по размерам и форме частиц. Дополнительным преимуществом заявленного способа является то, что достаточно однократного промывания полученного осадка дигидрата сульфата кальция.

Пример осуществления заявляемого способа.

Для получения дигидрата сульфата кальция использовали электрометаллургический шлак с модулем основности 2,00-2,50, модулем активности 0,15-0,20 следующего химического состава, мас.%: СаО - 44,80; MgO - 10,90; SiO₂ - 19,30; FeO - 12,0; Fe₂O₃ - 4,80; Al₂O ₃ - 3,00; Na₂O(K₂O) - 0,30; Cr - 0,62; S - 0,45.

Минералогический состав шлака представлен шеннонитом ( -C₂S) - 50-80%, волластонитом ( -CS), мервинитом (C₃MS₂), железосодержащими фазами

(CaO·FeO·SiO₂, 3СаО·Fе ₂O₃·3SiO₂).

Концентрированную серную кислоту вводили в виде раствора с массовой долей твердого компонента =98%, плотностью =1,834 г/см³, по ГОСТ 4204-77.

Указанный шлак с удельной поверхностью 300-350 м²/кг смешивали с водой в соотношении 1:(15-20) по массе для получения суспензии с массовой долей твердого компонента 4,76-6,25%. После 10-15-минутного перемешивания в суспензию вводили концентрированную серную кислоту в стехиометрическом соотношении, рассчитанном на полное выщелачивание и связывание ионов Са²⁺. Продолжительность выщелачивания составляет 0,5-3,0 час. После достижения нейтральной реакции раствора осадок отделили от раствора фильтрованием, однократно промыли.

Идентификацию полученного продукта проводили методами рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии. На рентгенограмме зафиксированы дифракционные максимумы CaSO ₄·2H₂O при d/n=7,661; 4,381; 3,074; 2,880; 2,694; 1,903 , где d/n - величина межплоскостного расстояния. По данным химического анализа в готовом продукте содержатся, мас.%: СаО - 31,49; SO₃ - 47,24; SiO₂ - 13,92; MgO - 3,64; Аl₂О₃ - 2,57; Nа₂O(K ₂O) - 1,14. Таким образом, содержание дигидрата сульфата кальция в твердом продукте достигает 80-85%, аморфного кремнезема - 15-20%. Частицы синтезированного CaSO₄·2H ₂O имеют преимущественный размер от 380 до 400 нм.

Данные таблицы подтверждают, что при смешивании компонентов в предложенных соотношениях происходит полное выщелачивание и связывание ионов Са²⁺ с достижением нейтральной или слабокислой реакции раствора (рН раствора 6,5-7,0) и оптимальных соотношений размеров кристаллов.

Следовательно, синтезированный по предложенному способу СаSO₄·2Н₂ О отличается высокой степенью однородности, что соответствует требованиям, предъявляемым к качественному продукту.

Таким образом, поставленная задача получения дигидрата сульфата кальция высокой степени однородности по размерам и форме частиц решена.

Содержание компонентов, мас.%	Массовая доля шлака в суспензии, , %	рН раствора	Соотношение размеров кристаллов (b×l)
шлак	серная кислота
		4,50	6,0	1*8
38	62	5,50	6,4	1*6
6,25	6,3	1*7
		6,50	6,2	1*7
		4,50	6,4	1*6
40	60	4,75	6,5	1*5
5,50	6,7	1*4
		6,25	6,6	1*5
		6,50	6,5	1*5
		4,75	6,6	1*3
42,5	57,5	5,50	7,0	1*3
		6,25	6,7	1*4
		4,75	6,6	1*4
45	55	5,50	6,8	1*3
6,25	6,7	1*4
		6,50	6,4	1*6
		4,50	6,4	1*7
47	53	5,50	6,3	1*7
6,25	6,4	1*8
		6,50	6,5	1*8
По прототипу	0,7-1	1*8,1*10