采用“物質(zhì)吉布斯自由能法”討論在常壓和體系壓強(qiáng)為50 Pa 條件下，硫酸鈣碳熱還原分解的熱力學(xué)條件并進(jìn)行了實(shí)驗探究。計算得出: 在常壓條件下，在500 ～ 800 K 時，硫酸鈣與碳反應(yīng)生成CaS，當(dāng)溫度升至1400 K 以上時，CaS 與CaSO4發(fā)生反應(yīng)生成CaO; 當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)為50 Pa 時，第一步反應(yīng)溫度為400 ～ 600 K，第二步則降至1100 K 以下。實(shí)驗結(jié)論: 反應(yīng)明顯分兩步發(fā)生，第一階段在400 ～ 600 K，第二階段反應(yīng)起始于950 ～ 1000 K，最終固體產(chǎn)物主要為CaO，含有少量CaS。實(shí)驗驗證了理論計算的正確性，為硫酸鈣真空碳熱分解提供熱力學(xué)理論依據(jù)和實(shí)驗基礎(chǔ)。

　　中國有著豐富的石膏資源，僅天然石膏儲量為576 億噸，此外，每年還產(chǎn)生大量工業(yè)副產(chǎn)石膏，如火力發(fā)電站中脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的脫硫石膏，二氧化鈦生產(chǎn)中產(chǎn)生的鈦石膏，磷肥、磷酸生產(chǎn)的副產(chǎn)品磷石膏，氫氟酸生產(chǎn)中產(chǎn)生的氟石膏，檸檬酸生產(chǎn)中產(chǎn)生的檸檬酸石膏等，其中僅磷石膏每年的排放量達(dá)兩億多噸，逐漸成為一種數(shù)量巨大、環(huán)境污染嚴(yán)重的固體廢棄物，其大量堆放不僅占用大量土地資源，污染空氣、水源及土壤等，同時造成了大量硫資源的浪費(fèi)。

　　工業(yè)石膏的處理及綜合利用成為國內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注和研究的課題，目前對于磷石膏制酸聯(lián)產(chǎn)水泥作了深入研究，并一直被認(rèn)為是最合理并能從根本解決工業(yè)石膏問題的有效方法，這不但為硫酸工業(yè)、水泥工業(yè)提供廉價原料，還能大幅度降低二氧化碳排放量。但在此過程中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為存在耗能高，成本高等缺點(diǎn)，硫酸鈣直接熱解也存在反應(yīng)溫度高，分解時間長等問題。因此，本文提出對硫酸鈣進(jìn)行真空碳熱還原分解研究，探究硫酸鈣在真空條件下碳熱還原分解熱力學(xué)條件，并實(shí)驗進(jìn)行驗證，以期達(dá)到降低硫酸鈣分解能耗，合理利用工業(yè)廢石膏的目的。

1、實(shí)驗

　　1.1、實(shí)驗原料與設(shè)備

　　實(shí)驗原料為分析純硫酸鈣，石墨粉;實(shí)驗設(shè)備為使用實(shí)驗室自行設(shè)計的小型立式真空爐。

　　1.2、實(shí)驗過程

　　將硫酸鈣球磨并篩分- 140 目。每次實(shí)驗根據(jù)C /S 摩爾比，稱取一定質(zhì)量的CaSO4粉末和石墨粉，混合均勻，在7 ～ 9 MPa 的壓力下壓制成塊( Φ20mm × 25 mm) ，置于石墨坩堝中，并放入真空爐中，密封真空爐。打開循環(huán)冷卻水，抽真空至極限真空度( 20～ 30 Pa) ，然后以10 ～ 15℃ /min 的升溫速率升至一定溫度后恒溫，恒溫保溫一定時間后停止加熱，繼續(xù)抽真空直到溫度降至100℃ 以下，停泵，關(guān)閉冷卻水，開爐取樣。

　　1.3、分析檢測

　　采用日本理學(xué)公司Rigaku X 射線自動衍射( XRD) ( TTRIII) 對反應(yīng)殘渣進(jìn)行物相分析，使用CuKα，掃描區(qū)間為10° ～ 90°。

2、理論計算

　　2.1、常壓條件下硫酸鈣碳熱還原分解的熱力學(xué)分析

　　在CaSO4碳熱還原分解過程中，CaSO4與C 之間的反應(yīng)復(fù)雜多樣，具體反應(yīng)如表1。

表1 CaSO4與C 之間可能發(fā)生的反應(yīng)

3、結(jié)論

　　(1) 理論計算結(jié)論: 硫酸鈣碳熱還原分解分兩步發(fā)生，在500 ～ 800 K 分解生成CaS，1400 K 以上CaS 與未反應(yīng)CaSO4發(fā)生固-固反應(yīng)，生成CaO; 在真空條件下，第一步反應(yīng)將在400 ～ 600 K 之間完成，第二步反應(yīng)降至1080 K 發(fā)生。

　　(2) 實(shí)驗結(jié)論: 采用真空碳熱還原分解CaSO4實(shí)驗表明，在真空條件下，第一階段反應(yīng)集中發(fā)生在400 ～ 600 K，在800 ～ 1000 K 之間體系沒有發(fā)生變化，1000 K 以上發(fā)生第二階段反應(yīng)，最終主要產(chǎn)物為CaO。

　　(3) 通過不同反應(yīng)溫度、不同配碳量對比試驗表明: 當(dāng)S /C = 2:1，反應(yīng)溫度為1373 K 時，硫酸鈣分解完全，且CaS 轉(zhuǎn)化率高。