2. Природное и техногенное сырье

2.1. Природный гипсовый камень

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служит природный ангидрит (СаSO₄) в основном природный гипс (СаSО₂·2Н₂О), а также гипсосодержащие отходы химической промышленности.

Природный гипс (гипсовый камень) имеет осадочное происхождение. Состав химически чистого двуводного гипса: 32,56% СаО, 46,51% SO₃ и 20,93% Н₂О. это минерал белого цвета, обычно содержащий некоторое количество примесей глины, известняка. Двуводный гипс является мягким минералом. Плотность составляет 2200–2400 кг/м³.

Примеси известняка являются балластом в производстве строительного гипса, так как последний обжигается при температуре ниже температуры диссоциации углекислого кальция. Влажность гипсового камня составляет 3–5% и более.

Природный ангидрит – горная порода осадочного происхождения, состоящая из СаSО₄. Под действием грунтовых пород вод ангидрит медленно гидратируется и переходит в двуводный гипс, поэтому обычно содержит 5–10% и более двуводного гипса.

Ангидрит порода более плотная и прочная, чем двуводный гипс. Его истинная плотность 2,9–3,1 г/см³. Чистый ангидрит белого цвета, но в зависимости от содержания в ней примесей имеет различные оттенки [4].

2.2. Техногенное сырье

2.2.1. Состав и свойства фосфогипса

Основные характеристики фосфогипса.

Влажность: высокая, колеблется от 28–40% по массе, она усложняет переработку фосфогипса и повышает стоимость продукта, снижение влажности путем естественной подсушки и фильтрации, а также путем механического удаления жидкости.

Содержание оксидов натрия и калия: содержание не превышает 0,20% массы сухого отхода, включая ионы калия и натрия входящие в кристаллическую структуру сульфата кальция

Содержание фосфатов, фторидов и кремнефторидов: известно, что отрицательное влияние на свойства гипсовых вяжущих оказывают растворимые в воде фосфаты и фториды, а также фосфаты, образующие твердые растворы замещения с сульфатом кальция. При нейтрализации жидкой фазы известью образуется малорастворимый в воде фосфариты кальция фосфаты, которые не оказывают отрицательного влияния на свойства фосфогипса как промышленного сырья [20].

С учетом длительности хранения фосфогипса в накопители, его частичную промывку талой и дождевой водой можно считать что фосфаты и фториды малорастворимыми в воде веществами.

Содержание SiO₂: его содержание в пробах не превышает 1,4% массы сухого отхода, он отрицательно не влияет на качество фосфогипса

Содержание редкоземельных элементов: они являются сильными замедлителями процессов гидратации и твердения гипсовых вяжущих [21].

Радиоактивность фосфогипса: не радиоактивен.

Высокая дисперсность фосфогипса (S_yд=3500–3800 см/г) позволяет исключить из технологического процесса дробление и грубый помол. Вместе с тем высокая влажность фосфогипса (до 40%) усложняет его транспортирование и подготовку и, приводит к значительным расходам топлива на сушку. Наличие в фосфогипсе водорастворимых (в особенности фосфор- и фторсодержащих) примесей усложняет переработку отходов по сравнению с переработкой природного гипсового камня, вызывает необходимость промывки, нейтрализации и др. и обусловливает соответственно более высокие тепловые затраты. При обычной технологии гипсовые вяжущие на основе фосфогипса низкокачественны, что объясняется высокой водопотребностью фосфогипса, обусловленной большой пористостью образуемого полугидрата. Если водопотребность обычного строительного гипса составляет 50–70%, то для получения теста нормальной густоты из фосфогипсового вяжущего без дополнительной обработки требуется воды 120–130%.

Исследования показали, что основной причиной ухудшения вяжущих свойств непромытого фосфогипса является образование значительного количества ангидрита, т.е. безводного сульфата кальция при обжиге под влиянием кислых фосфатных и фтористых соединений. С ростом содержания нерастворимого ангидрита выше 30% прочность вяжущих приближается к нулю.

Примеси в фосфогипсе свободных фосфорной и серной кислот, растворимых солей замедляют твердение гипсовых вяжущих. Осложняет технологию также выделение фтористых газов при тепловой обработке, из-за повышенной кислотности происходит коррозия оборудования.

Проведенные исследования по изучению влияния длительности помола фосфогипса дигидрата на его свойства [23] показали, что путем только одного измельчения, длительного размола из фосфогипса дигидрата может быть получен достаточно прочный и дешевый материал, по основным физико-химическим свойствам схожий с гипсовыми материалами.

По литературным данным температура начала реакции дегидратации двуводного гипса составляет 107 °С или 380 К.