การตกผลึกของยิปซัมที่เร่งด้วยอัลตราโซนิก

ข้อเท็จจริงที่ควรรู้

การผลิตแผ่นยิปซัม

ระหว่างกระบวนการผลิตแผ่นยิปซัม จะเกลี่ยสารแขวนลอยในน้ำของยิปซัมเผา – ซึ่งเรียกว่าแคลเซียมซัลเฟตเฮมิไฮเดรต – ระหว่างแผ่นกระดาษด้านบนและด้านล่าง ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นต้องเคลื่อนที่บนสายพานลำเลียงอย่างต่อเนื่องจนกว่าสารแขวนลอยจะก่อตัว จากนั้นจึงทำให้แผ่นแห้งจนกระทั่งน้ำส่วนเกินในแผ่นยิปซัมระเหยออกไป ในการผลิตแผ่นผนังยิปซัม เป็นที่ทราบกันว่ามีการเติมสารต่าง ๆ ลงในสารแขวนลอยเพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิตหรือตัวแผ่นเอง ตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปจะลดน้ำหนักของสารแขวนลอยด้วยการเติมสารก่อฟอง เพื่อให้มีอากาศแทรกอยู่ในระดับหนึ่ง ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของแผ่นผนังขั้นสุดท้าย

แคลเซียมซัลเฟต

แคลเซียมซัลเฟต (calcium sulfate หรือ calcium sulphate) เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่มีสูตร CaSO₄ และรูปไฮเดรตที่เกี่ยวข้อง ในรูปปราศจากน้ำของ γ-anhydrite สารนี้ใช้เป็นสารดูดความชื้นอเนกประสงค์ ไฮเดรตชนิดหนึ่งของ CaSO₄ เรียกว่าปูนปลาสเตอร์ อีกไฮเดรตหนึ่งที่สำคัญคือยิปซัม ซึ่งพบตามธรรมชาติในรูปแร่ โดยเฉพาะยิปซัมมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม เช่น เป็นวัสดุก่อสร้าง สารตัวเติม ใช้ในพอลิเมอร์ เป็นต้น CaSO₄ ทุกรูปปรากฏเป็นของแข็งสีขาวและละลายในน้ำได้น้อยมาก แคลเซียมซัลเฟตทำให้เกิดความกระด้างถาวรในน้ำ
สารประกอบอนินทรีย์ CaSO₄ มีระดับการมีน้ำอยู่ในโครงสร้างสามระดับ:

• สภาวะปราศจากน้ำ (ชื่อแร่: “แอนไฮไดรต์”) มีสูตร CaSO₄.
• ไดไฮเดรต (ชื่อแร่: “ยิปซัม”) มีสูตร CaSO₄(H₂O)₂.
• เฮมิไฮเดรต มีสูตร CaSO₄(H2₂O)0.5 เฮมิไฮเดรตชนิดเฉพาะสามารถจำแนกเป็นแอลฟาเฮมิไฮเดรตและบีตาเฮมิไฮเดรต

ปฏิกิริยาไฮเดรชันและดีไฮเดรชัน
เมื่อได้รับความร้อน ยิปซัมจะเปลี่ยนเป็นแร่ที่สูญเสียน้ำบางส่วน – ซึ่งเรียกว่าแคลเซียมซัลเฟตเฮมิไฮเดรต ยิปซัมเผา หรือปูนปลาสเตอร์ ยิปซัมเผามีสูตร CaSO₄·(nH₂O) โดยที่ 0.5 ≤ n ≤ 0.8 จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิระหว่าง 100°C ถึง 150°C (212°F – 302°F) เพื่อกำจัดน้ำที่ยึดอยู่ในโครงสร้าง อุณหภูมิและระยะเวลาการให้ความร้อนที่แน่นอนขึ้นอยู่กับความชื้นโดยรอบ การเผาในอุตสาหกรรมใช้อุณหภูมิสูงถึง 170°C (338°F) อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิเหล่านี้จะเริ่มเกิด γ-anhydrite พลังงานความร้อนที่ส่งให้ยิปซัมในช่วงนี้ (ความร้อนของไฮเดรชัน) มีแนวโน้มที่จะใช้ในการขับน้ำออก (ในรูปไอน้ำ) มากกว่าการเพิ่มอุณหภูมิของแร่ โดยอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ จนกระทั่งน้ำหมดไป แล้วจึงเพิ่มขึ้นเร็วกว่าเดิม สมการการสูญเสียน้ำบางส่วนเป็นดังนี้:

สมบัติการดูดความร้อนของปฏิกิริยานี้เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของผนังเบา โดยทำให้โครงสร้างที่พักอาศัยและโครงสร้างอื่น ๆ มีความทนไฟ เมื่อเกิดเพลิงไหม้ โครงสร้างด้านหลังแผ่นผนังเบาจะยังคงมีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำขณะที่น้ำสูญเสียออกจากยิปซัม จึงช่วยป้องกันและชะลอความเสียหายต่อโครงคร่าว (จากการเผาไหม้ขององค์ประกอบไม้ หรือการสูญเสียความแข็งแรงของเหล็กที่อุณหภูมิสูง) และการพังทลายของโครงสร้างที่ตามมา ที่อุณหภูมิสูงขึ้น แคลเซียมซัลเฟตจะปล่อยออกซิเจนและจึงทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ ลักษณะเฉพาะของวัสดุนี้นำไปใช้ในกระบวนการอะลูมิโนเทอร์มี ต่างจากแร่ส่วนใหญ่ที่เมื่อได้รับน้ำกลับคืนจะเพียงเกิดเป็นเนื้อเหลวหรือกึ่งเหลว หรือยังคงเป็นผง ยิปซัมเผามีสมบัติที่ไม่ธรรมดา เมื่อผสมกับน้ำที่อุณหภูมิโดยรอบ ยิปซัมเผาจะเปลี่ยนกลับทางเคมีไปเป็นรูปไดไฮเดรตที่เอื้อต่อการเกิด ขณะเดียวกันก็ “ก่อตัว” ทางกายภาพเป็นโครงผลึกยิปซัมที่แข็งและมีความแข็งแรงค่อนข้างสูง ดังแสดงในสมการด้านล่าง:

ปฏิกิริยาคายความร้อนนี้ทำให้หล่อยิปซัมเป็นรูปร่างต่าง ๆ ได้ง่ายมาก รวมถึงแผ่นสำหรับผนังเบา แท่งชอล์กสำหรับกระดานดำ และแบบหล่อ (เช่น เฝือกสำหรับตรึงกระดูกที่หัก หรือแบบสำหรับหล่อโลหะ) เมื่อผสมกับพอลิเมอร์ มีการนำไปใช้เป็นซีเมนต์ซ่อมแซมกระดูก
เมื่อให้ความร้อนถึง 180°C จะเกิดรูปที่เกือบปราศจากน้ำ ซึ่งเรียกว่า γ-anhydrite (CaSO₄·nH₂O โดยที่ n = 0 ถึง 0.05) γ-Anhydrite ทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อกลับสู่สภาวะไดไฮเดรตอย่างช้า ๆ เท่านั้น จึงมีการใช้อย่างแพร่หลายเป็นสารดูดความชื้นเชิงพาณิชย์ เมื่อให้ความร้อนสูงกว่า 250°C จะเกิดรูป β-anhydrite ที่ปราศจากน้ำอย่างสมบูรณ์ β-anhydrite ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ แม้ในช่วงเวลาระดับธรณีกาล เว้นแต่จะบดให้ละเอียดมาก

ปูนฉาบ

ปูนฉาบเป็นวัสดุก่อสร้างที่ใช้เป็นวัสดุเคลือบเพื่อปกป้องและ/หรือตกแต่งผนังและเพดาน ตลอดจนใช้ขึ้นรูป ทำบัวประดับ และหล่อองค์ประกอบตกแต่งอาคาร
ปูนปั้นคืองานปูนฉาบที่ใช้สร้างลวดลายตกแต่งนูน
ปูนฉาบชนิดที่พบมากที่สุดมีสูตรที่ใช้ยิปซัม ปูนขาว หรือซีเมนต์เป็นส่วนผสมหลัก ปูนฉาบผลิตในรูปผงแห้ง (ผงยิปซัม) เมื่อผสมผงกับน้ำ จะเกิดเนื้อข้นที่แข็งแต่ยังสามารถขึ้นรูปได้ ปฏิกิริยาคายความร้อนกับน้ำจะปล่อยความร้อนผ่านกระบวนการตกผลึก จากนั้นปูนฉาบที่เกิดไฮเดรชันจะแข็งตัว

ปูนฉาบยิปซัม

ปูนฉาบยิปซัม หรือปูนปลาสเตอร์ ผลิตโดยการให้ความร้อนแก่ยิปซัม (ประมาณ 300°F / 150°C):
CaSO₄·2H₂O + ความร้อน → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (ปล่อยออกมาในรูปไอน้ำ)
สามารถทำให้ยิปซัมเกิดขึ้นใหม่ได้โดยผสมผงแห้งกับน้ำ เพื่อเริ่มการก่อตัวของปูนปลาสเตอร์ที่ไม่ได้ปรับแต่ง จะผสมผงแห้งกับน้ำ หลังจากประมาณ 10 นาที ปฏิกิริยาการก่อตัวจะเริ่มขึ้นและเสร็จสิ้นหลังจากประมาณ 45 นาที อย่างไรก็ตาม ยิปซัมจะก่อตัวอย่างสมบูรณ์หลังจากประมาณ 72 ชั่วโมง หากให้ความร้อนแก่ปูนปลาสเตอร์หรือยิปซัมสูงกว่า 266°F / 130°C จะเกิดเฮมิไฮเดรต ผงเฮมิไฮเดรตสามารถเปลี่ยนเป็นยิปซัมได้เช่นกันเมื่อกระจายตัวในน้ำ