基于功能化復(fù)合添加劑的石膏低溫催化分解制硫酸聯(lián)產(chǎn)高活性石灰研究

石膏屬于大宗工業(yè)固體廢棄物范疇，像磷石膏、脫硫石膏、鈦石膏等都包含在內(nèi)，其堆存占用大量土地資源，而且還存在滲濾液污染水土以及粉塵污染空氣等嚴(yán)峻的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，這已然成為制約相關(guān)行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的瓶頸所在[1]，傳統(tǒng)的石膏高溫分解來制取硫酸并聯(lián)產(chǎn)石灰的工藝，有著能耗巨大、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、產(chǎn)物活性低且容易燒結(jié)、經(jīng)濟(jì)效益差等固有的缺陷，這限制了該工藝的大規(guī)模應(yīng)用[2]。

現(xiàn)有研究顯示，添加恰當(dāng)?shù)拇呋瘎┦墙档褪喾纸鉁囟纫约疤岣叻磻?yīng)效率的有效辦法，不過單一添加劑大多時(shí)候難以同時(shí)兼顧低溫活化分解、產(chǎn)物選擇性調(diào)控、提升目標(biāo)產(chǎn)物活性以及純度等多個(gè)目標(biāo)[3]，常規(guī)添加劑在低溫下的催化效率有限，要么雖然可降低溫度，但是會(huì)致使產(chǎn)物石灰活性不足、硫酸濃度較低，要么存在催化劑容易失活、產(chǎn)生二次污染等問題。針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)瓶頸，本研究提出構(gòu)建功能化復(fù)合添加劑的創(chuàng)新想法，借助不同組分之間的協(xié)同催化作用，在降低石膏分解反應(yīng)活化能、達(dá)成溫和條件下高效分解的精確調(diào)控分解路徑與產(chǎn)物特性。

一、功能化復(fù)合添加劑設(shè)計(jì)與石膏分解實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建

（一）功能化復(fù)合添加劑制備工藝及表征方法

功能化復(fù)合添加劑的制備工藝運(yùn)用溶膠-凝膠法和機(jī)械混合法相結(jié)合的方式，以此達(dá)成添加劑組分均勻分散以及界面協(xié)同作用的最大化，一開始，借助溶膠-凝膠過程引入金屬氧化物前驅(qū)體，把控水解和縮聚反應(yīng)條件，形成納米級均勻分布的活性組分，接著運(yùn)用機(jī)械混合技術(shù)把功能化組分與石膏基體充分混合，保證添加劑在石膏里均勻分布且穩(wěn)定結(jié)合。此工藝提升了添加劑的催化活性以及熱穩(wěn)定性，表征方法有X射線衍射也就是XRD用于分析添加劑晶相結(jié)構(gòu)變化，掃描電子顯微鏡即SEM結(jié)合能譜分析也就是EDS揭示微觀形貌以及元素分布，傅里葉變換紅外光譜也就是FTIR用于識別功能基團(tuán)以及化學(xué)鍵合狀態(tài)，熱重分析也就是TGA評估熱穩(wěn)定性以及分解過程。

（二）石膏低溫催化分解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建與反應(yīng)條件設(shè)定

構(gòu)建石膏低溫催化分解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為了模擬實(shí)際工業(yè)條件下石膏的催化分解過程，驗(yàn)證功能化復(fù)合添加劑在低溫環(huán)境里的催化效果，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用固定床反應(yīng)器，設(shè)有精確的溫控裝置，可實(shí)現(xiàn)溫度梯度的穩(wěn)定控制，可保證反應(yīng)溫度保持在較低范圍，以此促進(jìn)石膏的低溫分解，反應(yīng)氣氛借助高純氮?dú)夂蜕倭垦鯕獾幕旌蠚怏w來調(diào)節(jié)，來模擬實(shí)際生產(chǎn)中氧化還原環(huán)境對反應(yīng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)中設(shè)有在線氣體分析儀，可實(shí)現(xiàn)對SO2、O2以及其他氣體產(chǎn)物的實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證對反應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)掌控，功能化復(fù)合添加劑的加入量以及分散方式經(jīng)過了系統(tǒng)優(yōu)化，這樣能保證其在石膏基體中均勻分布且充分接觸，最大化催化活性。

（三）分解產(chǎn)物收集與預(yù)處理方法

氣體產(chǎn)物收集運(yùn)用密閉反應(yīng)系統(tǒng)和多級冷凝裝置相結(jié)合的方式，能有效捕獲SO2、O2以及其他揮發(fā)性組分，以此保證氣體成分的完整性與穩(wěn)定性，在冷凝過程里，借助調(diào)控溫度梯度達(dá)成不同組分的分離，避免出現(xiàn)交叉污染，固體殘?jiān)糠衷诜磻?yīng)結(jié)束后會(huì)迅速冷卻至室溫，防止二次反應(yīng)發(fā)生，之后采用篩分和研磨工藝得到均一粒徑分布，提高后續(xù)表征的準(zhǔn)確度。預(yù)處理過程中，針對固體殘?jiān)谢蛟S存在的吸附水分及揮發(fā)性雜質(zhì)，采取真空干燥和惰性氣體保護(hù)措施，最大程度保持樣品的原始結(jié)構(gòu)與組成特征。

二、石膏低溫催化分解反應(yīng)特性與機(jī)理研究

（一）功能化復(fù)合添加劑對反應(yīng)的影響規(guī)律

添加劑的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)了石膏晶格結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，提高了分解速率，同時(shí)顯著提升了硫酸鹽轉(zhuǎn)化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著添加劑含量的優(yōu)化，石膏的分解起始溫度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，分解速率加快，轉(zhuǎn)化效率穩(wěn)步提高，表明功能化復(fù)合添加劑在低溫催化分解中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，提升了工藝的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。

（二）功能化復(fù)合添加劑低溫催化作用機(jī)理探討

依據(jù)分解動(dòng)力學(xué)展開分析，功能化復(fù)合添加劑于石膏低溫催化分解進(jìn)程里呈現(xiàn)出催化促進(jìn)作用，其作用機(jī)理主要體現(xiàn)為降低反應(yīng)活化能以及加速反應(yīng)速率這兩個(gè)層面，動(dòng)力學(xué)曲線說明，添加劑的加入致使石膏分解的起始溫度較大降低，反應(yīng)速率在低溫區(qū)間得以較大提升，這意味著催化劑切實(shí)提高了反應(yīng)活性中心的生成與轉(zhuǎn)化效率。該功能化復(fù)合添加劑借助提供多種活性位點(diǎn)，推動(dòng)了石膏中硫酸根離子的斷裂以及鈣離子的釋放，強(qiáng)化了分解過程中的電子轉(zhuǎn)移以及表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，添加劑中的金屬氧化物組分憑借協(xié)同作用對反應(yīng)路徑進(jìn)行了調(diào)節(jié)，優(yōu)化了中間產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)化過程，提升了石膏分解的選擇性以及效率。

三、聯(lián)產(chǎn)硫酸品質(zhì)與高活性石灰性能分析

（一）分解氣體產(chǎn)物測定與評估

在功能化復(fù)合添加劑用于石膏低溫催化分解的過程里，分解氣體產(chǎn)物當(dāng)中SO2的濃度以及純度，是評判催化效率以及聯(lián)產(chǎn)硫酸品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果顯示，添加功能化復(fù)合添加劑使得SO2生成濃度有所提升，并且分解氣體里SO2的純度相較于傳統(tǒng)石膏分解工藝有了明顯提高，催化劑對于硫酸鹽分解反應(yīng)的選擇性提高。高純度的SO2為后續(xù)硫酸吸收過程創(chuàng)造了有利條件，促使硫酸吸收液中硫酸濃度得以提升，借助pH值、硫酸濃度以及雜質(zhì)含量等參數(shù)對硫酸吸收液的品質(zhì)展開系統(tǒng)測定，結(jié)果說明吸收液的硫酸濃度呈穩(wěn)定上升態(tài)勢，同時(shí)雜質(zhì)含量較大降低，這體現(xiàn)出吸收過程的高效以及吸收液的高純凈。

（二）固體殘?jiān)P(guān)鍵性能指標(biāo)表征

對經(jīng)功能化復(fù)合添加劑處理的石膏低溫催化分解產(chǎn)物展開系統(tǒng)表征，結(jié)果顯示f-CaO含量有明顯提高，這意味著復(fù)合添加劑在推動(dòng)CaSO4分解進(jìn)程里，有效提高了CaO的生成效率，比表面積增大，體現(xiàn)出固體殘?jiān)目紫督Y(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，微觀形貌更為精細(xì)且分布均勻，這對反應(yīng)活性位點(diǎn)的暴露以及反應(yīng)物的擴(kuò)散傳質(zhì)過程頗為有利?；钚远葴y試顯示，功能化復(fù)合添加劑使CaO的生成量增加，還明顯改善了其化學(xué)反應(yīng)活性，具體表現(xiàn)為反應(yīng)速率更快、轉(zhuǎn)化效率更高，這與比表面積和微觀結(jié)構(gòu)的改善緊密相關(guān)，固體殘?jiān)衒-CaO含量、比表面積以及活性度協(xié)同提高，證實(shí)了功能化復(fù)合添加劑在低溫催化分解石膏制備高活性石灰過程中所起的關(guān)鍵作用。

四、結(jié)語

本研究全面且深入地指出功能化復(fù)合添加劑于石膏低溫催化分解進(jìn)程里的關(guān)鍵作用，切實(shí)提升了硫酸的制備效率以及高活性石灰的生成性能，借助對添加劑組分與結(jié)構(gòu)的調(diào)控，達(dá)成了催化分解反應(yīng)在低溫環(huán)境下高效開展，降低了能源消耗并優(yōu)化了產(chǎn)物性質(zhì)，未來研究需要剖析添加劑的微觀作用機(jī)理以及其在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，以此推動(dòng)石膏資源的高值化利用以及綠色生產(chǎn)技術(shù)向前發(fā)展。

文章來源：《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》http://www.00559.cn/w/kj/32519.html