張 鈺，吳忠意，彌芯怡，馬逸塵，王宇斌

（西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院 陜西西安 710055）

0 引 言

經(jīng)過(guò)超細(xì)磨后達(dá)到微米級(jí)的石膏粉體處于亞穩(wěn)態(tài)［1］，其晶體結(jié)構(gòu)、表面電子結(jié)構(gòu)及吸附能力等發(fā)生了顯著變化［2-5］，使得其補(bǔ)強(qiáng)性、活性、分散性、光吸收性及熱導(dǎo)性等優(yōu)于其他常規(guī)的粉體材料［6］。因此，超細(xì)石膏粉體及其深加工產(chǎn)品在醫(yī)學(xué)、復(fù)合膠凝材料及食品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［7-9］。

超細(xì)粉體制備方法有干式和濕式磨礦工藝［10-12］，并且在濕式超細(xì)磨過(guò)程中經(jīng)常利用助磨劑來(lái)提高礦物質(zhì)的超細(xì)粉磨效果。如馬曉曉等［14］以六偏磷酸鈉為助磨劑，采用立式膠體磨對(duì)石膏進(jìn)行超細(xì)磨研究，結(jié)果表明，六偏磷酸鈉使得生石膏料漿黏度減小而濁度增大，同時(shí)促進(jìn)了生石膏顆粒在料漿中的分散，最終提高了生石膏的磨礦效率。助磨劑多屬于化學(xué)添加劑［14］，超細(xì)磨后的過(guò)濾水直接排放會(huì)引起環(huán)境問題［15］，因此，尋找無(wú)二次污染的綠色濕式超細(xì)磨工藝迫在眉睫，而利用改性水來(lái)提高非金屬礦物的超細(xì)磨效果是可供借鑒的思路。課題組曾將電解改性水作為立式膠體磨的磨礦介質(zhì)水，以此來(lái)對(duì)石膏進(jìn)行超細(xì)粉磨，并闡明了電解水改善石膏超細(xì)磨效率的機(jī)制［16］。由于電解改性水的影響因素較多，所以其最優(yōu)條件也有待進(jìn)一步確定。鑒于此，論文在前期的研究基礎(chǔ)上，以單因素實(shí)驗(yàn)法來(lái)探尋改善生石膏超細(xì)磨效果的最佳改性條件，以期為利用電解水制備超細(xì)石膏粉體的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料取自河南某石膏礦，為確定生石膏的主要元素含量及物相組成，對(duì)樣品分別進(jìn)行了多元素分析和XRD檢測(cè)，結(jié)果如表1和圖1所示。

圖1 生石膏的XRD譜Fig.1 XRD pattern of raw gypsum

表1 生石膏原料的化學(xué)成分（%）Tab.1 Chemical composition of raw gypsum（wt%）

結(jié)合表1和圖1可知，原料中主要有鈣、硫、氮等元素，且CaSO4·2H2O的含量大于95.5%，為樣品的主要成分。實(shí)驗(yàn)所用生石膏原料的特征衍射峰完全與JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡中二水硫酸鈣衍射峰吻合，無(wú)雜峰，且結(jié)晶程度較好。此外，生石膏原料中還有少量Fe和Cl等元素。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

超細(xì)磨實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Test flow chart of ultrafine grinding

超細(xì)磨實(shí)驗(yàn)時(shí)將不同電解時(shí)間改性水與500 g生石膏配制成質(zhì)量濃度為16%的料漿，利用立式膠體磨對(duì)料漿超細(xì)磨25 min后，分別對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品進(jìn)行粒度和比表面積檢測(cè)。

利用直流穩(wěn)壓電源對(duì)水體進(jìn)行電解質(zhì)預(yù)處理。預(yù)處理時(shí)，將一定量的水加入3 000 mL的燒杯中，然后分別以電流大小、電解時(shí)間、極板材料、極板間距為單因素變量對(duì)水體進(jìn)行改性預(yù)處理。

1.3 檢測(cè)方法

利用LS900型激光粒度分析儀對(duì)超細(xì)磨產(chǎn)品進(jìn)行粒度和比表面積檢測(cè)。介質(zhì)的折光率為1.52，每個(gè)因素取誤差在1.0%以內(nèi)的3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為有效數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解電流對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度及比表面積的影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)條件：電解改性20 min，極板間距2.0 cm，陽(yáng)極板為鋁板，超細(xì)磨時(shí)間25 min，電解電流在0～0.24 A時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 電解電流對(duì)超細(xì)磨產(chǎn)品粒度和比表面積的影響Fig.3 Effect of electrolytic current on particle size and specific surface area of ultrafine grinding products

由圖3可知，隨著電解電流的增大，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品的d50和d90先減小后增大，比表面積則先增大后減小。當(dāng)電流大小為0.16 A時(shí)，超細(xì)磨產(chǎn)品粒度達(dá)到最小值，d50從26.97 μm減小至1.37 μm，d90從54.60 μm減小至2.21 μm；比表面積達(dá)到最大值，從203 cm2/g增大至2 265.0 cm2/g。由此可見，當(dāng)電解電流大小為0.16 A時(shí)，其對(duì)提高生石膏超細(xì)磨效果影響最顯著。

2.2 電解時(shí)間對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度及比表面積的影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)條件：電解電流0.16 A，極板間距為2.0 cm，陽(yáng)極板為鋁板，超細(xì)磨時(shí)間為25 min，電解時(shí)間為0～30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著電解改性水時(shí)間的延長(zhǎng)，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度先減小后增大，比表面積則先增大后減小。當(dāng)電解改性水的時(shí)間為20 min時(shí)，超細(xì)磨產(chǎn)品粒度達(dá)到最小值，d50從26.97 μm減小至1.37 μm，d90從54.60 μm減小至2.21 μm；比表面積達(dá)到最大值，從203 cm2/g增大至2 265.0 cm2/g。由此可知，當(dāng)電解改性水的時(shí)間為20 min時(shí)，電解改性水對(duì)生石膏超細(xì)磨效果的改善最顯著。

2.3 陽(yáng)極板材料對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度及比表面積的影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)條件：電解電流0.16 A，電解改性20 min，極板間距2.0 cm，陰極板為石墨，陽(yáng)極板材料為變量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 陽(yáng)極板材料對(duì)超細(xì)磨產(chǎn)品粒度和比表面積的影響Fig.5 Effect of anode plate material on particle size and specific surface area of ultrafine grinding products

由圖5可知，當(dāng)陽(yáng)極板為鋁板時(shí)，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度達(dá)到最小值，比表面積達(dá)到最大值。超細(xì)磨產(chǎn)品的d50從26.97 μm減小至1.37 μm，d90從54.60 μm減小至2.21 μm；比表面積從203 cm2/g增大至2 265.0 cm2/g。由此可知，當(dāng)陽(yáng)極板為鋁板時(shí)，生石膏的超細(xì)磨效果最好。

2.4 極板間距對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度及比表面積的影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)條件：電解電流0.16 A，電解改性20 min，陽(yáng)極板為鋁板，極板間距為0～6.0 cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 極板間距對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度和比表面積的影響Fig.6 Effect of plate spacing on particle size and specific surface area of raw gypsum

由圖6可知，隨著極板間距的增大，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度先減小后增大，比表面積則先增大后減小。當(dāng)極板間距為2.0 cm時(shí)，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品d90和d50均達(dá)到最小值，分別為2.21 μm和1.37 μm；比表面積達(dá)到最大值，為2 265.0 cm2/g。由此可知，當(dāng)極板間距為2.0 cm時(shí)，電解改性水對(duì)提高生石膏超細(xì)磨效果的影響最顯著。

2.5 超細(xì)磨時(shí)間對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度及比表面積的影響

實(shí)驗(yàn)條件：電解電流0.16 A，電解改性20 min，陽(yáng)極板為鋁板，極板間距2.0 cm，超細(xì)磨時(shí)間為15.0～40.0 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 超細(xì)磨時(shí)間對(duì)生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度和比表面積的影響Fig.7 Effect of ultrafine grinding time on particle size and specific surface area of raw gypsum ultrafine grinding products

由圖7可知，隨著超細(xì)磨時(shí)間的增大，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度先減小后增大，比表面積則先增大后減小。當(dāng)超細(xì)磨時(shí)間為25 min時(shí)，生石膏超細(xì)磨產(chǎn)品粒度達(dá)到最小值，d50從26.97 μm減小至1.37 μm，d90從54.60 μm減小至2.21 μm；比表面積達(dá)到最大值，從203 cm2/g增大至2 265.0 cm2/g。由此可知，通過(guò)電解改性磨礦介質(zhì)水能明顯改善生石膏的超細(xì)磨效果。

3 結(jié) 論

電解改性水可顯著提升生石膏超細(xì)磨效率。在料漿濃度為16%、超細(xì)磨時(shí)間為25 min、電解電流為0.16 A、電解時(shí)間為20 min、陽(yáng)極板為鋁板、極板間距為2 cm的條件下，可獲得d50為1.37 μm的超細(xì)磨石膏粉體。與利用普通水在相同工藝參數(shù)條件下所得到的產(chǎn)品相比，超細(xì)磨產(chǎn)品的d50從26.97 μm減小至1.37 μm，d90從54.60 μm減小至2.21 μm，比表面積從203 cm2/g增大至2 265.0 cm2/g。