电解质溶液中脱硫石膏制备α半水石膏的亚稳定性及污染物分配机理

石膏各相中，亚稳定的α半水石膏胶凝性能最优、价值最大、应用领域最多，将主要由二水石膏构成的脱硫石膏转化为α半水石膏对于脱硫石膏产量居世界首位的我国而言，具有资源再利用和环境保护的战略意义。利用电解质改变石膏各相的溶解度关系来实现二水石膏向α半水石膏常压转化是脱硫石膏资源化高值利用新技术。α半水石膏结晶周期短，则所得晶体质量差；结晶周期长于其亚稳定寿命，则易于转化为无水石膏。脱硫石膏含有氟、砷和重金属等污染物，严重影响α半水石膏的品质，应在相变过程中予以阻隔分离。本项目在电解质溶液中石膏相律的基础上，从石膏各相的竞争结晶动力学出发，重点研究α半水石膏的亚稳定寿命及其影响机制、主要污染物在石膏相变过程中的分配和赋存规律，阐明脱硫石膏制备高品质α半水石膏的关键机理。

在石膏各相中，α-半水石膏（α-HH）价值最大、应用领域最广。但是溶液结晶法制备α-HH无论在理论上还是在工业实践上都有待解决一些重要的科学问题。.本项目以电解质（氯化钙）溶液、非电解质（醇）水溶液为结晶介质，用相图和方程反映了石膏三相在常压条件下的相变规律，得到了清晰的α-HH热力学窗口。矿物的亚稳定现象长期以来是一个令人着迷却又难以把握的现象，我们定义了α-HH的亚稳定寿命为α-HH晶体开始生长至其消亡的阶段，结合相图量化了α-HH的亚稳定寿命，为定量研究矿物的亚稳特性提供了工具，也使得矿物的亚稳定变得可以测量而非推测。α-HH亚稳定寿命是影响α-HH成核、生长与消亡的各种因素的综合与宏观的表现，是其热力学性质的必然，也是石膏各相结晶动力学竞争的结果；在这些复杂的现象中，α-HH的生长与无水石膏（AH）的成核表现为此消彼涨的关系；动力学占优的相即使是亚稳定的相，也是可以在多相竞争中暂时胜出，为自然界亚稳态矿物和人工合成亚稳定矿物提供了“维稳”和“失稳”的判据。较为深入研究了非晶格离子对二水石膏（DH）向α-HH转变过程中的作用，认为非晶格离子主要是通过离子对参与晶格离子的运移而对成核速率产生深刻的影响，从而影响α-HH的结晶过程；该机制可能普遍存在于自然界热液中矿物结晶，该结论也有助于调节亚稳态矿物的工业结晶过程。电解质（氯化钙）和非电解质（醇水）溶液中石膏多相竞争动力学表明，各相成核速率主要取决于结晶介质浓度和温度，通过浓度和温度的控制，可以灵敏调整主导相态。这些结论都为工业溶液结晶法制备α-HH提供了应用性强的理论基础。通过脱硫石膏转化为α-HH的相变过程中污染物（As和F）的分配，阐释了污染物分配机理，污染物分配和相变的条件密切相关，这为脱硫石膏制备α-HH过程中阻隔污染物向产品中迁移提供了控制手段。.脱硫石膏属于大宗工业固废，将主要由DH构成的脱硫石膏转化为α-HH是固废高值利用新技术。通过本项目研究，在较大程度上解决了脱硫石膏制备α-HH的关键科学问题，所揭示的规律有助于反映自然界和工业上亚稳定矿物结晶的一些现象。