Методы разработки и переработки

Добыча и переработка гипса в промышленных масштабах относится XII-XIII веку.

Месторождений этой породы камня много, в одной только России его можно встретить в Пермском крае, в Тульской области, в Нижегородской области, Самарской области, Краснодарском крае, Карачаево-Черкесской республике, Волгоградской области.

Попадая в промышленность, гипсовый камень поддается прокаливанию, обжиганию до определенных температур, чтобы удалить из него определённое количество воды, тем самым преобразуя его в полугидрат сульфата кальция, который получает формулу (CaS04)2·Н20.

После пережигания гипс становится порошкообразным вяжущим материалом (иногда его называют гипсовым тестом), имеет равномерную кристаллическую, микропористую (после отвердения) структуру, и непрозрачный цвет различных оттенков белого (в зависимости от использованного сырья).

Температуры обжига могут колебаться от 95-100°, 150-180° – это самые распространённые температуры обжига – до 500-700°, всё зависит от того, какого результата мы хотим добиться от обжига и сколько мы его продержим в таком состоянии. Здесь же хочется отметить, что есть и другие современные способы переводы гипсового камня в порошкообразное вяжущее состояние. При производстве особо прочного гипса полугидрата сульфата кальция, дигидрат подвергается кипячению в присутствии хлорида кальция и хлорида магния. Частицы получаемого полугидрата по сравнению с частицами автоклавированного (переработанного методом нагревания) гипса ещё более плотные и гладкие, такой гипс применяется в медицине. Тогда как после простого обжига при средних температурах частицы менее плотные и гладкие, что приводит к большему водопоглащению и пористости материала; так определяется качество: по степени пористости, правильности частиц, температуре обжига и качеству используемого гипсового камня.

Сегодня минерал «гипс» — это в основном сырье для производства α-гипса и β-гипса (разделение на эти виды гипса появилось в ХХ веке). β-гипс (CaSO4·0,5H2O) — порошкообразный вяжущий материал, получаемый путём термической обработки природного двухводного гипса CaSO4·2H2O при температуре 150—180 градусов в аппаратах, сообщающихся с атмосферой. Продукт измельчения гипса β-модификации в тонкий порошок называется строительным гипсом или алебастром, при более тонком помоле получают формовочный гипс или при использовании сырья повышенной чистоты – медицинский гипс.

При низкотемпературной (95-100 °C) тепловой обработке в герметически закрытых аппаратах образуется гипс α-модификации, продукт измельчения которого называется высокопрочным гипсом.

В смеси с водой α и β-гипс твердеет, превращаясь снова в двуводный гипс, с выделением тепла и незначительным увеличением объема (приблизительно на 1%), однако такой вторичный гипсовый камень имеет уже равномерную мелкокристаллическую структуру, цвет различных оттенков белого (в зависимости от сырья), непрозрачный и микропористый.^[1]

1.2. Строение, гидратация и структурообразование гипса.

Природный гипс относится сернокислотным солям кальция. Прочность его по Моссу равна 2 (легко царапается ногтём). Делится на две модификации:

1. Двугидрат (CaSo⁴ – 2H₂O) – двуводная соль.

2. Ангидрид CaSo⁴ – безводная соль^[2].

Гипс относится к осадочным минералам. Встречается в пластах осадочных пород в форме чешуйчатых, волокнистых или плотных мелкозернистых масс; в виде бесцветных или белых кристаллов, иногда окрашен включениями и примесями в бурые, красные, голубые или жёлтые тона.

Ангидрид встречается значительно реже, нежели двуводная соль, чаще их можно встретить в сочетании. К нему относятся такие разновидности гипса, как гипсовый камень (алебастр) и волокнистый гипс (селенит). Характерной чертой селенита является параллельно-волокнистая структура, напоминающая прожилки. Этот гипс ценится при создании бижутерии, резных фигурок, которыми славятся мастера-резчики Пермского края. Алебастр отличается зернистой структурой, что роднит его с мрамором, но обладает слабыми прочностными характеристиками. Изделия из него производились с давних времен и датированы ещё Древним Египтом. Из него, как правило, изготавливали вазы, столешницы, чернильницы и т.д. Популярность этих двух разновидностей гипса обусловлена не столько их декоративными качествами, сколько простотой обработки.

Образование ангидрида отличается от образования двуводной соли. Ангидрид образовался в результате сложных химических процессов, происходящих в земной коре. Так, например, серный колчедан окисляясь образует серную кислоту, которая вступая в реакцию с углекислым кальцием выделяет гипс. Помимо этого, он может являться продуктом выделения из рапы соляных озер и перенасыщенных растворов морской воды.

Двуводная соль в свою очередь является видом осадочных пород.

После добычи гипса происходит процесс гидратации (описание технической части в главе №1 «Методы разработки и переработки»). Существует множество работ, посвященных гидратации, но на данный момент не существует единого мнения, объясняющего этот процесс.

Однако процесс гидратации на сегодняшний день делят на пять основных фаз: дигидрат сульфата кальция, полугидрат сульфата кальция, ангидрид I, ангидрид II, ангидрид III. Химическая формула пяти фаз^[3]:

CaSO₄ ∙ 2H₂O→ CaSO₄ ∙ 0,5H₂O→ 0,5H₂O ↔ CaSO₄ (III) → CaSO₄ (II) → CaSO₄ (I) → спекание.

Дигидрат не переходит в ангидрид после 97 градусов Цельсия.

CaSO₄ (I) (ангидрид I ) – Получается при 42 градусов Цельсия

CaSO₄ (II) (ангидрид III) – Получается при 58 градусов Цельсия ангидрид II

CaSO₄ (III) (ангидрид III) – Получается при 50 градусов Цельсии путём постепенной дегидратации полугидрата в вакууме или при атмосферном давлении.

Получение α- или β-гипса зависит в данном случае от исходного сырья. Различаются они на уровне строения именно кристаллической решёткой, а также размерами и морфологией зёрен.^[4]