Canxi sunphat - Ứng dụng và phương pháp chế tạo CaSO4

Canxi sunphat không chỉ được sử dụng làm hóa chất phổ biến trong ngành xây dựng, sản xuất gạch men mà còn có nhiều ứng dụng khác đối với cuộc sống và công nghiệp. Hóa chất này cũng thường được sử dụng trong việc điều chỉnh độ chua của đất trong nông nghiệp, cung cấp khoáng chất cho cây trồng, giúp cải thiện chất lượng đất và tăng cường sức khỏe cho nông sản. Để tìm hiểu cụ thể hơn về ứng dụng cũng như phương pháp chế tạo CaSO4, hãy cùng Vietnamarch cùng đi tìm hiểu ngay sau đây.

1. Canxi sunphat là gì?

Canxi sunfat, với công thức hoá học CaSO4, là một hợp chất đa dạng tồn tại ở ba dạng cơ bản khác nhau. Trong đó, canxi sunphat khô, còn được gọi là canxi sunphat khan (CaSO4), là dạng phổ biến và không chứa nước. Tiếp theo là canxi sunphat hemihydrat (CaSO4.0,5H2O), là một dạng trung gian có chứa nửa phần nước so với canxi sunphat đihydrat. Cuối cùng, canxi sunphat đihydrat (CaSO4.2H2O), còn được biết đến như thạch cao tự nhiên, là dạng phổ biến nhất và chứa một lượng đầy đủ nước.Trong các dạng của canxi sunphat tồn tại sự chuyển hoá qua lại với nhau

CaSO4.2H2O  ↔  CaSO4.0,5H2O  ↔  CaSO4

Các dạng này thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Canxi sunphat khô thường được sử dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng và gạch men. Canxi sunphat hemihydrat thì thường được ứng dụng trong việc sản xuất thạch cao và các sản phẩm xây dựng khác. Canxi sunphat đihydrat, hay thạch cao tự nhiên, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xây dựng để tạo ra vật liệu cách âm, chống cháy và trang trí nội thất. Sự đa dạng trong các dạng pha của canxi sunphat giúp nó trở thành một nguồn nguyên liệu đa năng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Xem thêm: Thạch cao sống dùng để làm gì?

2. Ứng dụng của canxi sun phat (CaSO4)

Canxi sunphat, với đa dạng ứng dụng, đã chứng tỏ sự quan trọng và đặc biệt của nó trong nhiều lĩnh vực. Từ thời xa xưa, con người đã nhận thức và sử dụng canxi sunphat như một vật liệu xây dựng quan trọng. Những công trình kiến trúc lâu đời ở Ý, Ai Cập và nhiều nơi khác đều chứa đựng dấu ấn của canxi sunphat trong việc làm vữa trát và tạo hình. Cụ thể, đến ngày nay, CaSO4 có nhiều ứng dụng thiết thực trong đời sống:

• Canxi sunphat là một thành phần chủ chốt trong ngành xây dựng, được sử dụng rộng rãi cho việc sản xuất vật liệu xây dựng, vữa trát tường, và kỹ thuật nặn tượng.
• Không chỉ là vật liệu xây dựng, canxi sunphat còn có những ứng dụng đặc biệt khác như làm khuôn đúc chịu nhiệt trong ngành công nghiệp, tạo khuôn mẫu trong nha khoa, và được sử dụng làm chất hút ẩm trong môi trường ẩm ướt.
• Trong lĩnh vực y tế, canxi sunphat không chỉ giới hạn ở việc làm vật liệu, mà còn được sử dụng làm khung xương và bó bột trong các ứng dụng y khoa.
• Ngay cả trong phấn sử dụng viết bảng, canxi sunphat lại hiện diện như một thành phần chính, thể hiện sự linh hoạt và đa dạng trong ứng dụng của nó qua các lĩnh vực khác nhau.
• CaSO4 còn dùng để sản xuất canxi sunfat hemihydrat và axit sunfuric.

3. Phương pháp chế tạo CaSO4 (canxi sunphat)

Với nhiều ứng dụng như vậy, CaSO4 được điều chế như thế nào? Thông thường, chúng ta chỉ biết mua bột thạch cao trên thị trường, sau đó trộn với nước và chờ đợi quá trình đông cứng và sử dụng. Thực chất, bột thạch cao thường được bán trên thị trường chủ yếu là canxi sunphat hemihydrat hoặc canxi sunphat khan. Khi hỗn hợp này tiếp xúc với nước, nó sẽ chuyển từ dạng pha ban đầu sang dạng canxi sunphat đihydrat (CaSO4.2H2O), và sau đó đóng cứng lại theo phương trình:

CaSO₄.0,5H ₂O + 1,5H₂O = CaSO₄.2H₂O

hoặc:

CaSO₄+ 2H₂O = CaSO₄.2H₂O

Phương trình trên mô tả quá trình chuyển pha trong quá trình sử dụng vữa thạch cao. Tuy nhiên, một câu hỏi quan trọng là làm thế nào để có được bột thạch cao dạng khan hoặc hemihydrat ban đầu? Sự hình thành của canxi sunphat CaSO4 có thể được hình thành từ nhiều quá trình khác nhau, trong đó phải kể đến những phản ứng hóa học quan trọng trong công nghiệp và hóa học hữu cơ:

• Thông qua quá trình chế tạo axit phosphoric (H3PO4) trong công nghiệp, nơi canxi sunphat được tạo ra thông qua phản ứng sau:

Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 10H2O  =  5CaSO4.2H2O + 3H3PO4 + HF

• Cũng có thể kể đến quá trình xử lý khí thải chứa khí sunfurơ trong công nghiệp bằng đá vôi, tạo ra canxi sunphat theo phản ứng:

CaCO3 + SO2 + 0,5H2O  =  CaSO4.2H2O + CO2

• Thêm vào đó, những phản ứng đơn giản của muối canxi với axit sulfuric (H2SO4) cũng là một cách tạo canxi sunphat:

CaCO3 + H2SO4 + H2O  =  CaSO4.2H2O + CO2

Hiện nay, sản phẩm bột thạch cao sử dụng trên thị trường chủ yếu được khai thác từ tự nhiên và trải qua quá trình nung trong các lò nung như lò đứng hoặc lò quay và nghiền mịn. Tuy nhiên, sản phẩm cuối cùng thường là hemihydrat dạng β (CaSO42H2O), có cường độ chịu lực không cao và đặc điểm đóng rắn nhanh. Điều này đồng nghĩa với việc khi sử dụng, vữa thạch cao cần một lượng nước khá lớn. Mặc dù nhược điểm này tồn tại, thành phẩm bột thạch cao vẫn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật trong lĩnh vực nặn tượng hoặc làm vữa trát tường, đồng thời tiếp tục giữ vững vị thế của mình trong ngành công nghiệp xây dựng.

Xem thêm: Quy trình sản xuất bột thạch cao

Cho đến đầu thế kỷ XX, sau những đóng góp quan trọng của Van't Hoff về sự tồn tại của các dạng pha của canxi sunphat, đặc biệt là trong việc chế tạo sản phẩm hemihydrat thông qua quá trình chuyển pha trong nồi hơi dưới áp lực, ngành công nghiệp đã chứng kiến sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này. Kết quả của những nghiên cứu này là việc sản xuất được hemihydrat dạng α (CaSO4.0,5H2O), với khả năng chịu lực cao hơn. Quá trình chuyển pha được thực hiện trong nồi hơi dưới áp lực đòi hỏi nhiệt độ cao, với mức lớn hơn 145^oC để đảm bảo quá trình diễn ra nhanh chóng. Ở nhiệt độ 140^oC, quá trình chuyển hóa đạt tới 90% chỉ sau 5 phút. Ngược lại, ở nhiệt độ thấp hơn, như 130^oC hoặc 150^oC, thời gian chuyển pha trở nên đáng kể. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, trong nồi hơi, quá trình chuyển pha có thể diễn ra trong khoảng nhiệt độ từ 130^oC đến 175^oC. Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với việc áp suất để thực hiện quá trình chuyển pha cũng phải nằm trong khoảng từ 4 đến 10 ATM, điều này mang lại nhiều khó khăn trong việc chế tạo thiết bị, thao tác và tiêu tốn năng lượng lớn.

Phòng tư vấn Vietnamarch