楊鳳玲，喬國鑫，楊 普，任 磊，王 瓊，吳海濱，程芳琴

（1.山西大學(xué)，山西太原 030006；2.山西大學(xué)黃河實驗室，山西太原 030006；3.山西達辰新材料科技股份有限公司，山西晉中 031300）

近年來，隨著中國工業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，許多工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生大量的工業(yè)固廢，如粉煤灰、脫硫石膏、煤矸石等，這不僅導(dǎo)致了能源浪費，還給生態(tài)環(huán)境造成了很大的破壞。與此同時，國家大力推進工業(yè)固廢的綠色、高效、高值、資源化利用，提高固廢總體資源利用效率，完善資源化利用體系，大力發(fā)展綠色經(jīng)濟。2013—2021年中國脫硫石膏的產(chǎn)生量、綜合利用量及利用率如圖1 所示［1-3］。從圖1 可以看出，中國脫硫石膏綜合利用量雖然在逐年增加，但其利用率卻總體呈下降趨勢。其中，2021年中國脫硫石膏的產(chǎn)生量為1.61億t，綜合利用量為1.16億t，綜合利用率為65%，低于粉煤灰的綜合利用率（80%）［4］。脫硫石膏的堆存量持續(xù)增加，不僅占用大量土地資源，還會對地下水和環(huán)境造成嚴(yán)重污染（圖2）。因此，脫硫石膏的減量及資源化綜合利用對促進“碳中和、碳減排”及生態(tài)環(huán)境非常重要，也是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點課題之一。

圖1 2013—2021年中國脫硫石膏的產(chǎn)生量、利用量及利用率［1-3］Fig.1 Production，utilization and utilization rate of desulfurization gypsum in China from 2013 to 2021［1-3］

圖2 中國脫硫石膏堆存量［1-3，5］Fig.2 Desulfurization gypsum stockpiles in China［1-3，5］

目前，脫硫石膏的資源化利用途徑主要有生產(chǎn)石膏板、石膏砌塊、水泥緩凝劑、路基回填材料、高強石膏，以及土壤修復(fù)和固定二氧化碳等，而制備半水石膏是實現(xiàn)脫硫石膏高附加值利用的重要途徑之一。其中，α-半水石膏（α-HH）結(jié)晶表面完整、生長良好，其性能和價值遠遠優(yōu)于β-半水石膏，廣泛應(yīng)用于陶瓷、建材、精密鑄造、藝術(shù)品、牙科模型等［6-7］。利用脫硫石膏制備高性能、高附加值的α-半水石膏，不僅能夠減輕石膏堆積對環(huán)境的污染及減少天然石膏的開采，還能帶來新的經(jīng)濟效益。基于此，本文重點闡述了α-半水石膏晶體結(jié)構(gòu)及形成機理，并探討了國內(nèi)外常見的半水石膏制備方法及影響半水石膏結(jié)晶的因素，對其生產(chǎn)工藝和應(yīng)用進行了總結(jié)和展望。

1 α-半水石膏晶體結(jié)構(gòu)及形成機理

α-半水石膏在自然界中呈亞穩(wěn)定相態(tài)，儲存量較少，但其結(jié)晶表面完整、生長良好、晶體較大且致密，其產(chǎn)品具有強度高、附加值高的特點，因此研究α-半水石膏具有非常重要的意義。

1.1 α-半水石膏晶體結(jié)構(gòu)

從α-半水石膏化學(xué)式可知，其化學(xué)構(gòu)成相對簡單，研究者們對α-半水石膏所屬晶系提出了三方、六方、單斜和斜方晶系等多種說法。最近的研究表明，α-半水石膏晶體結(jié)構(gòu)為單斜晶系，空間群為C2（I2）［8-9］。不同學(xué)者對具體的單胞參數(shù)的研究結(jié)果略有不同（見表1）。

表1 α-HH結(jié)構(gòu)的單胞參數(shù)Table 1 Single cell parameters of α-HH structure

半水石膏晶體結(jié)構(gòu)如圖3 所示［13］。由圖3 可知，在a軸上Ca2+和SO42-四面體距離最近，勢能最大，生長速率最快；在b軸上Ca2+與SO42-四面體距離遠，勢能小，生長速率緩慢；而c軸上Ca2+和SO42-成鍵，提高了鍵合穩(wěn)定性，且有2 個可以成鍵的自由端，從而促進了晶體在c軸上的生長速率［13］。

圖3 半水石膏晶體結(jié)構(gòu)［13］Fig.3 Crystal structure of hemihydrate gypsum［13］

1.2 α-半水石膏的形成機理

目前，對于α-半水石膏的形成機理還沒有明確的結(jié)論，多數(shù)研究者認為其形成過程為溶解再結(jié)晶過程［見式（1）～（2）］［14］，形成機理如圖4所示。二水石膏（DH）在飽和水蒸氣介質(zhì)或液態(tài)水溶液中脫去3/2個結(jié)晶水，生成半水石膏雛晶；在液態(tài)水環(huán)境包圍的情況下，生成的雛晶很快溶解，使得半水石膏在液相中的濃度持續(xù)增加，當(dāng)其濃度達到相對過飽和時，Ca2+、SO42-和1/2H2O 迅速結(jié)晶，形成較大且致密的α-半水石膏晶體［7，14］。

圖4 α-半水石膏的形成機理［15］Fig.4 Formation mechanism of α-hemihydrate gypsum［15］

DH 轉(zhuǎn)化成α-HH 的過程是一個由舊相向新相轉(zhuǎn)化的過程。在熱力學(xué)上，同一系統(tǒng)中的DH 和α-HH會達到一種相平衡，在過飽和度的推動下，平衡會向析出晶體的方向移動，最終形成結(jié)晶完整的α-半水石膏［見式（3）］。α-HH 的成核速率和生長速率決定DH向α-HH轉(zhuǎn)化的速率，因此DH的溶解度和過飽和度對控制晶體的轉(zhuǎn)化速率至關(guān)重要。

龔小梅等［16］通過比較煅燒法所制得β-半水石膏和蒸壓法所制得α-半水石膏的物相和微觀形貌，認為α-半水石膏的形成機制為溶解-析晶，而β-半水石膏的形成機制為直接脫水，且α-半水石膏晶體形態(tài)比β-半水石膏晶體形態(tài)好。吳曉琴等［17］研究了在常壓鹽溶液中制備α-半水石膏的相變機理，發(fā)現(xiàn)脫硫石膏轉(zhuǎn)化生成α-半水石膏的過程為溶解-再結(jié)晶過程，最終形成晶體較為均勻的α-半水石膏。

2 半水石膏制備方法及影響因素

2.1 半水石膏制備方法

二水石膏在一定工藝條件下脫水可得到半水石膏。目前，國內(nèi)外制備半水石膏的方法有亞硫酸鈣強制氧化法、陳化法、折衷法、干悶法、蒸壓法、加壓水溶液法、常壓鹽溶液法、常壓醇水法、反相微乳液法和微波脫水法［13，18］。

2.1.1 亞硫酸鈣強制氧化法

亞硫酸鈣強制氧化法理論反應(yīng)式為：

此法是將火力發(fā)電廠排放的煙氣中的SO2通入到Ca-H2SO4漿液中，然后在加壓和高溫條件下強制通入空氣進行氧化得到高強α-半水石膏，但是此法成本較高［13，18-19］。

2.1.2 固相轉(zhuǎn)化法

1）陳化法。人工陳化法是由HOGGATT于1952年發(fā)明的［20］。此法是先將二水石膏煅燒經(jīng)過脫水反應(yīng)后形成Ⅲ型無水石膏，然后放置一定時間，經(jīng)過陳化后生成α-半水石膏［見式（5）］［13］。在陳化過程中，需要考慮空氣的溫度和濕度，還需注意煅燒溫度和陳化時間［19］。為了提高陳化速率，可添加吸濕性鹽，如硝酸鹽、醋酸鹽等。因此，很難制得均一的產(chǎn)品，且產(chǎn)品強度一般較低［13，18-19］。

2）折衷法。折衷法是將二水石膏磨碎后加水溶液潤濕，加壓水熱（低速攪拌），然后在常壓下干燥、磨碎，得到α-半水石膏。該方法操作簡單，省去沖洗和干燥所需的設(shè)備［19］。一般需要在原料中添加羧酸鹽水溶液，通過攪拌潤濕原料，并在密閉容器中加熱使二水石膏發(fā)生轉(zhuǎn)化。該反應(yīng)條件除與反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度有關(guān)外，還與羧酸鹽種類、濃度及原料粒度等有關(guān)。然而，添加的羧酸鹽易殘留于α-半水石膏中，對產(chǎn)品的凝結(jié)硬化性能產(chǎn)生影響［19］。

3）干悶法。干悶法是將二水石膏放在帶隔套的反應(yīng)釜內(nèi)，通過間接加熱使部分二水石膏脫去一部分結(jié)晶水，然后這部分結(jié)晶水形成水蒸氣并對剩余的二水石膏進行加熱脫水［18］。該方法能耗較低，但所需設(shè)備和生產(chǎn)成本較高，且所得產(chǎn)品是α-半水石膏和β-半水石膏的混合物，產(chǎn)品強度偏低［18，21］。

4）蒸壓法。蒸壓法起源于20世紀(jì)50年代，由寧夏建材研究所于1978年試驗成功［7，14］。該法是先將二水石膏研磨成粉狀，再加入到蒸壓釜中，通入1.5～3.0 個大氣壓的水蒸氣，蒸煮6～8 h 后減至常壓，干燥、磨碎后得到α-半水石膏。隨著水蒸氣壓力的增加，蒸壓時間逐漸減短［14，22］。

陳金文等［23］通過研究不同蒸壓參數(shù)對制備α-HH 的影響，發(fā)現(xiàn)蒸壓法制得的α-HH 晶體的結(jié)晶度越高，其產(chǎn)品的烘干抗壓強度越大。黎明川等［24］通過研究復(fù)合轉(zhuǎn)晶劑及蒸壓溫度對生成半水石膏晶體形貌的影響，發(fā)現(xiàn)在摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的乙二胺四乙酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的順丁烯二酸酐作為復(fù)合轉(zhuǎn)晶劑、蒸壓溫度為140 ℃時，可得到長徑比接近1∶1的短柱狀晶體。MAKSIM等［25］通過蒸壓法獲得的高強度石膏符合該產(chǎn)品G10～G22 等級的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 液相轉(zhuǎn)化法

1）加壓水溶液法。加壓水溶液法是在摻有轉(zhuǎn)晶劑的水溶液中加入粉磨后的二水石膏并攪拌均勻，在一定溫度和壓力下于密閉的反應(yīng)釜中恒定一段時間，即可得到α-半水石膏，然后快速壓濾脫水、干燥、磨碎，制成α-半水石膏粉［7，13-14，18］。此法是在高溫高壓下進行的，工藝較復(fù)雜、成本較高、生產(chǎn)效率較低，但得到的石膏產(chǎn)品強度等級很高，可達30～70 MPa，甚至高達100 MPa［7，14］。

陳勇等［26］以脫硫石膏為原料制備α-半水石膏時發(fā)現(xiàn)二水石膏脫水轉(zhuǎn)化成半水石膏的溫度在105～110 ℃，且當(dāng)溫度超過130 ℃時反應(yīng)速率加快。徐成［27］利用高壓水熱法制備出抗壓強度為31 MPa、抗折強度為4.3 MPa的α-半水石膏，符合JC/T 2038—2010《α型高強石膏》中α30強度標(biāo)準(zhǔn)。韓康等［28］以脫硫石膏為原料在反應(yīng)溫度為130 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下反應(yīng)4 h，可制得抗折強度為5.4 MPa、抗壓強度為41.9 MPa的高強α-半水石膏。

2）常壓鹽溶液法。岳文海等［29］首次在90 ℃下以二水石膏為原料，在鹽溶液中制備出高強度、完整的短柱狀α-半水石膏晶體，并提出了常壓鹽溶液法。該法是將二水石膏粉磨后加入到摻有一定量轉(zhuǎn)晶劑的鹽溶液中，在一定溫度下加熱攪拌反應(yīng)一定時間后過濾、洗滌并干燥，得到半水石膏產(chǎn)品［7，13］。需要注意的是在常壓下，二水石膏在鹽溶液中的溶解度大于純水，且溶解度與鹽溶液濃度成正比，而鹽的作用是提高α-半水石膏的相對過飽和度，降低相變轉(zhuǎn)化溫度［7，18］。該方法不需要復(fù)雜的工藝設(shè)備，反應(yīng)溫度低、制備成本低且轉(zhuǎn)化效率高［7，13-14，21］，但該法目前處于實驗室階段。

胡俊要等［30］研究了鹽溶液種類對二水石膏制備α-半水石膏的影響，發(fā)現(xiàn)對半水石膏晶體形貌和轉(zhuǎn)晶速率影響較大的是Mg2+、Ca2+、Na+。丁峰等［31］以摻有丁二酸的磷石膏為原料制備α-半水石膏時發(fā)現(xiàn)體系中pH的大小對制備的α-半水石膏晶型和形貌有很大影響。胡成等［32］通過研究丁二酸對制備α-半水石膏的影響，發(fā)現(xiàn)隨著丁二酸摻量的增加，晶體長徑比減小，產(chǎn)品2 h抗折強度和烘干抗壓強度逐漸升高。MA 等［33］以磷石膏為原料在CaCl2溶液中制備了α-半水石膏，研究發(fā)現(xiàn)隨著檸檬酸鈉摻量的增加及反應(yīng)時間的延長，晶體的長徑比由10.3 減小到0.6，且晶體表面有許多缺陷。楊后文等［34］以脫硫石膏為原料研究各因素對制備α-半水石膏的影響，發(fā)現(xiàn)常壓鹽溶液法制備半水石膏的關(guān)鍵因素是鹽溶液濃度。

3）常壓醇水法。常壓醇水法是先配制一定濃度的醇水溶液，加入到體積為500 mL 的三口燒瓶中，按一定固液比加入預(yù)處理石膏，調(diào)整pH 至所需范圍，在恒溫油浴鍋中加熱到一定溫度后反應(yīng)數(shù)小時，進行脫水反應(yīng)［22，35］。每隔30 min 用注射器取樣，少量用于光學(xué)顯微鏡下觀察樣品形貌，其余快速過濾，用沸水洗滌3次，并用無水乙醇洗滌2次，放入40 ℃烘箱中干燥2 h后分析結(jié)晶水含量［22］。醇水溶液具有水活度較低、雜質(zhì)離子較少、介電常數(shù)及離子擴散系數(shù)低、水相易與固體產(chǎn)品分離等特點，有利于合成高品質(zhì)、高純度α-半水石膏，且反應(yīng)條件溫和，對設(shè)備無腐蝕，但該法目前僅適用于實驗室制備α-半水石膏［14］。

吳傳龍等［35］以磷石膏為原料制備α-半水石膏時發(fā)現(xiàn)，在醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、反應(yīng)溫度為105 ℃、反應(yīng)時間為4 h、固液質(zhì)量比為1∶5 條件下，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的順丁烯二酸后，可獲得長徑比為1∶1 的短柱狀晶體，其抗壓強度為33.6 MPa。李德星等［36］在丙三醇-水溶液體系中摻加Na2SO4為轉(zhuǎn)晶劑，以磷石膏為原料制備α-半水石膏晶須時發(fā)現(xiàn)，醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固液比、pH 對晶須的形成及轉(zhuǎn)化具有重要調(diào)控作用。在100 ℃、醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、固液質(zhì)量比為1∶7、pH 為9 條件下，摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的Na2SO4反應(yīng)30 min 后，可制得長徑比為33∶1 的α-半水石膏晶須。

4）反相微乳液法。反相微乳液聚合法最早由法國的CANDAUL 在20 世紀(jì)80 年代初提出［37］。反相微乳液法是在表面活性劑的作用下，油相中均勻分布的水相被表面活性劑形成的分子層控制尺寸，即形成一種納米反應(yīng)器，可生成納米級材料［18，38］。反相微乳液法合成納米材料的反應(yīng)條件溫和，易于操作，與一般的物理化學(xué)方法相比，合成物在結(jié)構(gòu)和性能上也有優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用［18，38］。

昆明理工大學(xué)郭榮鑫等［39］在水/十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）/正己醇體系中，成功制備出直徑為200～500 nm 的α-半水石膏晶須。盧佳艷［40］利用微波輔助法在水/CTAB/正辛烷體系中，于140 ℃反應(yīng)5 min 后得到六棱柱狀的半水石膏晶體。陳星宇等［41］以磷石膏為原料，在正己醇/CTAB/水的微乳液體系中，在油水比為1.5、溫度為105 ℃條件下反應(yīng)5 h后即可得到α-半水石膏。

2.1.4 微波加熱法

水是一種強極性分子，本身具有偶極電距，水分子的極化弛豫時間與微波周期相近，因此水分子具有良好的微波吸收效果，且水的介電常數(shù)隨著微波頻率和材料溫度的變化而變化［42］。因此，在微波加熱條件下，脫硫石膏的含水量會影響原料的吸波和升溫速率［42］。

郭宇［42］通過比較具有不同含水量的脫硫石膏的微波加熱特性，發(fā)現(xiàn)隨著原料含水量的降低，其最終溫度也會降低。張紹奇等［43］以磷石膏為原料，在常壓下利用微波在Na2SO4-醇水溶液中制備α-半水石膏晶體，研究發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)溫度的升高及Na2SO4摻量的增加，二水石膏轉(zhuǎn)化為α-半水石膏晶體的速率加快，但隨著Na2SO4摻量的增加，所得晶體長徑比先增大后減小。馮焱等［44］以磷石膏為原料，利用微波在摻入丁二酸的CaCl2溶液中制備α-半水石膏，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)溫度為100 ℃、丁二酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，反應(yīng)90 min 后即可制備出長徑比為1.5 的短柱狀α-半水石膏晶體。

2.1.5 優(yōu)缺點對比

通過比較α-半水石膏的制備方法，發(fā)現(xiàn)目前實現(xiàn)工業(yè)化的方法有蒸壓法和加壓水溶液法，而常壓鹽溶液法、常壓醇水法、微波脫水法等目前還在實驗室階段，需要進一步優(yōu)化才能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由二水石膏制備α-半水石膏的相關(guān)工藝如表2所示。

表2 α-半水石膏的制備方法對比Table 2 Comparison of α-hemihydrate gypsum preparation methods

2.2 生成α-半水石膏的影響因素

α-半水石膏的形貌對其性能有很大的影響，顆粒尺寸、比表面積、長徑比等對α-半水石膏的性能和應(yīng)用有著密切的關(guān)系。目前，研究者已制備出一系列形貌不同的α-半水石膏，如棒狀、針狀、晶須狀、纖維狀、短柱狀等［45-46］。其中，短柱狀或長徑比較低的α-半水石膏由于其表面大、水化需水量少等特點，具有較高的強度，通常應(yīng)用于建筑、精密鑄造或牙科模具等領(lǐng)域［22］。此外，當(dāng)α-半水石膏呈短柱狀或晶須狀時，其耐高溫、耐腐蝕、強度高且韌性好，與橡膠塑料等聚合物具有很強的親和力，可作為復(fù)合材料的增強成分，具有良好的市場前景和較高的經(jīng)濟價值。因此，制備結(jié)晶生長效果好、需水量少的短柱狀晶體是制得高性能半水石膏的關(guān)鍵［14，47］。

在α-半水石膏的制備工藝中，許多學(xué)者研究探討了不同因素對α-半水石膏晶體形貌的影響，包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、鹽溶液濃度、pH 及摻加轉(zhuǎn)晶劑等。生成α-半水石膏的影響因素如表3所示。

表3 生成α-半水石膏影響因素對比Table 3 Comparison of influencing generation factors of α-hemihydrate gypsum

3 半水石膏的工業(yè)化生產(chǎn)工藝

半水石膏的煅燒工藝種類較多，按加熱方式可將其分為直接加熱和間接加熱兩種；按出料方式可將其分為間歇式和連續(xù)式兩種。目前，國內(nèi)主要以回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝和沸騰爐煅燒工藝為主［48-50］。

3.1 回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝

回轉(zhuǎn)窯是以高溫?zé)煔猓?50～950 ℃）為熱介質(zhì)，首先將石膏原料送入送料系統(tǒng)，然后物料自窯體高端進入，通過設(shè)置窯體斜度（一般保持為1%～5%）、導(dǎo)料板及揚料板等，并利用管道攪動窯體內(nèi)的物料，使物料不斷向低端運動，且在運動過程中物料不斷與管網(wǎng)接觸進行換熱，同時管網(wǎng)不斷向窯體及物料輻射能量，將物料烘干、預(yù)熱、升溫和煅燒，煅燒后的石膏經(jīng)均化、冷卻后送入料倉，再經(jīng)改性、陳化后進行包裝搬運［50］?；剞D(zhuǎn)窯尾處帶有少量粉塵的廢氣經(jīng)布袋除塵器除塵后通過引風(fēng)機壓縮排空。石膏原料在煅燒過程中受窯體轉(zhuǎn)動、管道攪動等作用均勻換熱，煅燒時間及溫度容易控制，可實現(xiàn)20～120 min及140～180 ℃的穩(wěn)定煅燒?；剞D(zhuǎn)窯煅燒工藝流程見圖5［50］。

圖5 回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝流程圖［50］Fig.5 Calcination process flow diagram of rotary kiln［50］

回轉(zhuǎn)窯構(gòu)造簡單、操作方便、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、對原料適應(yīng)性強，但回轉(zhuǎn)窯占地面積大、初期投資成本較高、總能耗較高［51］?；剞D(zhuǎn)窯運行時需根據(jù)原料特點、產(chǎn)品要求、供熱情況等選擇合適的操作參數(shù)［50］。

3.2 沸騰爐煅燒工藝

沸騰爐為立式直筒狀容器，其加熱介質(zhì)為高溫?zé)煔?飽和蒸汽/導(dǎo)熱油［50］，在床層的上界面以上裝有連續(xù)進料的投料機，爐子正常運行時從底部鼓入空氣（氣體流速需稍微超過臨界氣體流速），使氣流從氣體分布板均勻進入床層，淹沒在床層內(nèi)大量的加熱管通過管壁向物料傳遞熱量并加熱物料，使物料處于流態(tài)化，達到脫水溫度后開始脫水分解［50］。在煅燒部分上部裝有除塵器，氣體離開流化床時帶有少量粉塵，由除塵器收集后自動返回流化床，尾氣由排風(fēng)機抽出，排入大氣。整個床層的流態(tài)化主要靠石膏脫水形成的水蒸氣來實現(xiàn)。由于物料在床層中激烈的翻騰、混合，因此在整個床層中物料換熱迅速、均勻［50］。

沸騰爐設(shè)備占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、設(shè)備緊湊、能耗較低，其本身熱效率在95%以上，操作方便，減少了基建投資和維修工作量，但沸騰爐也具有局限性，其必須采用二次熱源［50］。

3.3 石膏粉改性

粉磨改性是改善建筑石膏粉顆粒級配的有效方法。有利于石膏活性發(fā)揮的破碎力中沖擊、劈裂為最佳，其次是折斷和磨剝，最差的是擠壓力。由于球磨機內(nèi)物料所受的外力大多是沖擊的磨剝，而銀壓式磨機則以擠壓力的磨剝居多，因而兩者研磨出的物料在特性上都具有較大差異。目前，主要使用雷蒙磨、沖擊磨、渦輪磨等粉磨機。從實際應(yīng)用情況來看，沖擊式磨粉機效果較為理想，其產(chǎn)量大且能根據(jù)要求調(diào)控建筑石膏粉的粒徑尺寸，同時其粉磨效果較好，能夠滿足不同石膏制品的要求［52］。

3.4 石膏粉冷卻陳化

陳化是將新制備的石膏樣品在一定的溫度、濕度條件下改善其物理性質(zhì)，盡可能轉(zhuǎn)化為半水石膏的存放過程。實際應(yīng)用中，常用的陳化方式有機械陳化法和自然陳化法兩種。機械陳化法的陳化時間短且效率高，但需要使用機械設(shè)備，如螺旋冷卻或回轉(zhuǎn)筒冷卻陳化設(shè)備，因而設(shè)備投資成本和能耗均較高。自然陳化法是利用自然條件陳化以達到穩(wěn)定石膏粉質(zhì)量的目的，具有周期長、效率低、耗能低等特點；然而，該方法易使陳化倉內(nèi)原料層層堆積，從而導(dǎo)致陳化作用不均勻，很難使相變過程趨于穩(wěn)定。因此，可采用自然陳化與機械倒庫相輔的方法使原料層與冷空氣、余熱等充分交換熱量，以達到冷卻、陳化的目的［52］。

4 α-半水石膏的應(yīng)用

與普通石膏相比，α-半水石膏有很多優(yōu)點，其強度一般是普通石膏的3倍以上［7，13］，且晶體生長良好、需水量低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、性能優(yōu)異、性價比高［19］，能用于生產(chǎn)建筑材料，應(yīng)用前景廣闊［7，13］。

4.1 α-半水石膏在自流平石膏中的應(yīng)用

在α-半水石膏中添加一定比例的緩凝劑，再摻入水泥、保水劑、減水劑、石英砂、消泡劑等，混合均勻后制得的自流平石膏流動性好、穩(wěn)定性好、均勻性好、效率高，澆筑后可進行地磚、木地板、塑膠地板的鋪設(shè)，是理想的建筑物地面找平層，也是鋪設(shè)瓷磚和各種地面裝飾的首選材料［7，13，21］。配制自流平石膏的半水石膏性能要求見表4［53］。

表4 配制自流平石膏的半水石膏性能要求［53］Table 4 Performance requirements of hemihydrate gypsum for preparation of self-leveling gypsum［53］

4.2 α-半水石膏在石膏建材中的應(yīng)用

利用高強α-半水石膏與粉煤灰混合制成的粉煤灰高強石膏砌塊是一種優(yōu)異的輕質(zhì)多功能新型綠色墻體材料，具有強度高、密度低、不易燃、質(zhì)量輕、抗震性能好等優(yōu)點，不僅能增加建筑的有效使用面積，還能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度［7，13，19，21］。利用高強α-半水石膏制得的高摻砂型石膏砂漿具有運輸和施工原料成本低、施工效率高等優(yōu)點［13，21-22］。利用α-半水石膏還可制得高強防水石膏板，其具有強度高、耐水性好等特點。石膏砂漿用石膏粉的性能要求見表5［54］。

表5 石膏砂漿用石膏粉的性能要求［54］Table 5 Performance requirements of gypsum powder for gypsum mortar［54］

4.3 α-半水石膏在精密鑄造中的應(yīng)用

在精密鑄造工藝中，所使用的鑄造石膏需具有良好的熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性，且在高溫時體積變化小，不會出現(xiàn)龜裂甚至開裂現(xiàn)象。以α-半水石膏為基體的模體具有強度高、表面光潔度好、體積變化小、尺寸精度高等優(yōu)點，非常適用于生產(chǎn)復(fù)雜的薄壁型鋁合金鑄件，也可用于金、銀等各種金屬合金精密鑄件的制作，且這些精密鑄件已被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、兵器、計算機、電子、精密儀器等行業(yè)［13，19，21］。精密鑄造用石膏粉性能要求見表6［55］。

表6 精密鑄造用石膏粉性能要求［55］Table 6 Performance requirements of gypsum powder for precision casting［55］

4.4 α-半水石膏在陶瓷模具中的應(yīng)用

α-半水石膏是生產(chǎn)陶瓷模具的理想材料，可以提高陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量和表面光潔度，提升陶瓷產(chǎn)品檔次，提高使用壽命［7，13，19，22］。陶瓷模具用石膏粉性能要求見表7［56］。

表7 陶瓷模具用石膏粉性能要求［56］Table 7 Performance requirements of gypsum powder for ceramic mold［56］

4.5 α-半水石膏在石膏藝術(shù)品中的應(yīng)用

用普通建筑石膏制成的石膏藝術(shù)品強度低、易損壞，而α-半水石膏制品不僅強度高，還能增加制品使用壽命且成本低。因此，α-半水石膏可廣泛應(yīng)用于建筑裝飾材料、浮雕、壁畫及玩具等方面［13，19，21-22］。石膏藝術(shù)品用石膏粉性能要求見表8。

表8 石膏藝術(shù)品用石膏粉性能要求Table 8 Performance requirements of gypsum powder for gypsum artwork

5 結(jié)論與展望

本文介紹了半水石膏的晶體結(jié)構(gòu)及形成機理、制備方法及生成半水石膏的影響因素、生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用。α-半水石膏的制備方法有很多，其中蒸壓法和加壓水溶液法已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，而常壓鹽溶液法、常壓醇水法、微波脫水法等還處于實驗室研究階段，未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上對其不斷進行改進，降低生產(chǎn)成本和能耗、提高脫硫石膏利用率、實現(xiàn)產(chǎn)品晶型調(diào)控等將是未來脫硫石膏制備半水石膏的重要研究方向。同時，制備α-半水石膏時可以通過改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、pH 和加入轉(zhuǎn)晶劑等來調(diào)控α-半水石膏的晶體形貌，獲得短柱狀、晶體形貌較好的高強度晶體。

利用脫硫石膏制備半水石膏不僅可用于高強脫硫石膏砌塊、墻體砂漿、模具石膏、雕塑裝飾等的生產(chǎn)，還能降低脫硫石膏對土壤及環(huán)境帶來的危害，促進脫硫石膏的固廢資源化利用，響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃對大宗固廢減量化、資源化利用的號召。