β-半水磷石膏和二水磷石膏晶体转晶模型设计与计算机仿真研究

In order to change solid waste phosphogypsum into good performance building cementitious material, we will study that plate crystal or bulk crystal will be changed prismatic crystal or short columnar crystal with chemical intervention (add crystal modifier) by crystal technology and simulation technology, and obtain better physical and mechanical properties of phosphorus gypsum. The research results will lay a good foundation to construct phosphorus gypsum micro structure and improve mechanical properties of phosphorus gypsum. Main research contents are to inorganic chemistry, crystallography, molecular dynamics and density functional theory and computer simulation as a guide, and research crystal transformation rate, crystal size, crystal internal structure, crystal overlap of β-hemihydrate phosphogypsum and dihydrate phosphogypsum prismatic crystal or short columnar crystal and influencing factors, and construct crystal transformation mechanism and theory model based on crystallography and simulation technology, and simulation model will be modified, tested and perfected by macroscopic examination and testing, Finally, we will get best crystal modifier that it will change plate crystal or bulk crystal into prismatic crystal or short columnar crystal to different phosphogypsum raw materials by simulation model.

为使磷石膏固体废弃物成为性能良好的建筑胶凝材料，本研究项目旨在利用转晶技术和计算机仿真技术通过化学干预（添加转晶剂）使块、板状β-半水磷石膏和二水磷石膏晶体转变为棱柱状或短柱状，从而获得物理力学性能优良的磷建筑石膏，其研究成果将为构建磷建筑石膏微观结构体系和提高磷建筑石膏物理力学性能奠定良好的基础。本项目研究内容主要是以无机化学、晶体学、分子动力学和密度泛函等理论及计算机仿真技术为指导，对块、板状β-半水磷石膏和二水磷石膏晶体转变为棱柱状或短柱状晶体的转晶速率、晶体大小、晶体内部结构、晶体搭接等及其影响因素进行系统研究，并构建基于晶体学和仿真技术的晶体转晶机理及理论模型，通过宏观试验和测试对所建仿真模型进行修改、验证和完善，最终达到运用所建仿真模型迅速获得对不同磷石膏原料的块、板状β-半水磷石膏和二水磷石膏晶体转变为棱柱状或短柱状的最佳转晶剂的目的。

磷石膏是磷化工生产中最主要的工业副产品。经风热处理后的磷石膏主要成分为β-半水磷石膏，水化之后再次生成二水磷石膏，两者晶体多以单斜晶系存在，β-半水磷石膏晶型多呈块状体，二水磷石膏晶型呈板状体，而这两种晶型导致了磷石膏制品物理力学性能较差，从而制约了磷石膏的利用。.本课题以理论分析和计算机仿真为指导，研究各种转晶剂对晶体转变过程和性能控制模式。探讨转晶剂对β-半水磷石膏的影响；在晶体转晶机理研究的基础上，对转晶后的磷建筑石膏制品进行化学成份、矿物组成和宏观性能测试，以及研究制品的相组成、微观结构和孔结构；利用理论分析、试验观测及计算机仿真相结合的研究方法，修改完善转晶过程及性能控制模式，并通过试验验证所确立晶体转变为棱柱状或短柱状晶体反应机理和理论的正确性及有效性。.研究表明：通过与苹果酸反应后的β-半水磷石膏试块抗压、抗折强度为最大；酒石酸钾钠的调晶效果优于醋酸镁，硫酸铝钾的调晶效果优于硫酸铝；复合转晶剂有助于酒石酸钾钠与Ca2 +和Al3 +吸附配位，使晶面的稳定性提高，减缓了晶体在C原子轴的生长速度；计算机仿真研究还表明丁二酸中羟基与β-半水磷石膏晶面Ca原子发生了表面化学作用，丁二酸吸附于β-半水磷石膏晶面的作用机理表现为丁二酸中O原子的2p和H原子的1s轨道中的电子向晶面上Ca原子的3d轨道发生了迁移；硫酸铝质量分数分别为2.0%和2.5%时对晶体生长较快的(1-1 3)和(2-1 0)晶面有很好地抑制作用，硫酸铝对晶面的抑制作用是通过提高晶面稳定性，宏观试验也表明与2.5%硫酸铝反应后的二水磷石膏晶体形貌与力学性能较优，与模拟结果一致。.利用转晶剂对β-半水磷石膏和二水磷石膏晶体的晶型进行转晶，即将块、板状晶体转变为棱柱体或短柱状体，是目前解决磷石膏制品物理力学性能较差的有效及科学途径。