磷石膏是二水湿法磷酸工艺过程中排放的固体废弃物,主要组分是二水硫酸钙。目前,我国磷石膏累计堆存上亿吨,但综合利用率很低。大多数的企业对磷石膏多以堆存处理,这不仅占用土地,还会污染周边的环境。对磷石膏资源化处理一直都是国内外研究者研究重点,但大多都采用煅烧,引入转晶剂等方法制备建筑石膏或高强石膏。本论文运用常压磷酸溶液石膏相转化理论,直接以二水湿法磷酸工艺中过滤且未经洗涤的磷石膏为原料,通过控制磷酸浓度、转化温度及转化时间等工艺条件制备α型高强石膏粉,并加入少量硫酸分解磷石膏中剩余磷矿,回收磷资源。通过模拟磷酸溶液中α型半水硫酸钙晶体生长,深入探究了Na+、K+对α型半水硫酸钙结晶过程影响,为α高强石膏制备工艺提供一定的理论基础。首先,考察了磷酸浓度、硫酸掺量、转化温度及转化时间等工艺参数对制品的影响,结果表明,随着磷酸浓度、硫酸掺量、外加剂YD掺量、转化温度、转化时间、液固比增大,制品的标准需水量、初凝时间以及终凝时间均呈先减少后增大的趋势,抗折强度与抗压强度均呈现先增大后减小的趋势。当磷酸浓度35%、外加剂YD掺量40%、转化温度90℃、转化时间150 min,硫酸掺量2%、液固比2.5:1、搅拌速率150 rad·min-1时,制品标准需水量0.39、初凝时间6 min、终凝时间13 min、抗折强度4.21 MPa,抗压强度27.80MPa,其物理性能均满足JC/T2038-2010《α高强石膏》等级α25强度标准。当硫酸掺量为0～8%时,随着硫酸掺量增加,制品中磷含量先降低后趋于平稳。采用SEM对制品形貌进行分析,发现外加剂YD掺量对制品晶体相貌影响较明显,当外加剂YD掺量在0～40-%之间时,随着外加剂YD掺量的增加,制品晶体形貌从分散到聚集,并且长径比由11.39降低到2.46。其次,利用响应曲面法对影响较大的磷酸浓度、外加剂YD掺量、转化温度和转化时间四个参数进行优化,利用Design-expert8.0软件进行回归拟合,通过对该模型进行显著性检验分析发现在四个因素交互作用中,外加剂YD掺量与转化温度之间的交互作用显著,并还得到了在四个因素中对强度影响强弱顺序为外加剂YD掺量>转化温度>磷酸浓度>转化时间。最终得到对四个参数优化结果为:在磷酸浓度34%、外加剂YD掺量38%、转化温度92℃、转化时间145 min工艺条件下制得抗压强度为28.10 MPa的α高强石膏。最后,模拟a型半水硫酸钙在磷酸溶液中生长过程,通过引入一定含量杂质离子(Na+、K+),探讨Na+、K+对α型半水硫酸钙生长过程影响,结果表明,当Na+、K+浓度在0.01～0.10 mol·L-1时,随着Na+、K+浓度增加,α型半水硫酸钙结晶诱导时间增大,表面能及临界晶核半径增大,成核速率和生长效率降低。采用SEM对生成的制品形貌进行分析,发现引入的Na+、K+与S042-结合生成硫酸盐粘附在晶体表面,影响晶体形貌。利用Nano measurer软件对制品粒径进行分析,发现当Na+浓度由0增加到0.10 mol·L-1时,生成的α型半水硫酸钙晶体长径比由41.78降低到30.48,同样,当 K+浓度由0增加到0.10 mol.L-1时,生成的α型半水硫酸钙晶体长径比由41.78降低到23.27。采用XRD对制品分析,发现生成样品组分主要是α型半水硫酸钙,当引入Na+和K+后,α型半水硫酸钙衍射晶面(200),(310),(400)衍射峰强度均降低,且在Na+离子下所制得α型半水硫酸钙的衍射峰强度值又均低于在Na+离子下生成的α型半水硫酸钙晶体,也就是说K+对α型半水硫酸钙生长抑制作用更大。当引入Na+、K+后,会消耗溶液中的SO42-,降低了溶液中过饱和度,从而影响α型半水硫酸钙晶体成核,延长了结晶诱导时间,增大表面能及临界晶核半径,并且K+的消耗比Na+多,则K+的影响更明显。根据吉布斯自由能最小原理,Ca2+K+、Na+与5042-结合的平衡常数依次降低,即Ca2+与S042-最易结合,其次是K+,最后是Na+。因此,当反应介质中存在Na+、K+离子时,Na+、K+将与溶液中SO4O2相结合,降低Ca2+与SO42-碰撞成核几率,增大α型半水硫酸钙晶体的临界晶核半径及表面能,从而降低晶体成核速率及生长效率。由于K+离子比Na+离子与S042-离子反应的吉布斯自由能小。因此,K+延缓α型半水硫酸钙晶体成核及生长作用更明显。当未引入Na+、K+时,Ca2+与SO42-在晶种活性位上向一维方向生长成四棱柱长针状α型半水硫酸钙。在引入Na+、K+后,在α型半水硫酸钙生长过程中由于异号离子相吸引,Na+、K+会吸附在{002}、{011}、{0-11}及{1-10}晶面上,阻碍了Ca2+在{002}、{011}、{0-11}及{1-10}晶面上堆积生长,使得生长基元往径向堆积生长,生成的α型半水硫酸钙尖端消失,呈六棱柱状,且长径比降低。