高性能層狀二硅酸鈉的合成研究

甕佳麗，游輕寒，易美桂（四川大學化學工程學院，四川成都610065）

高性能層狀二硅酸鈉的合成研究

甕佳麗，游輕寒，易美桂
（四川大學化學工程學院，四川成都610065）

層狀二硅酸鈉因具有優(yōu)良的助洗、綠色環(huán)保特性，被認為是最具發(fā)展前景的洗滌助劑，但商業(yè)化層狀二硅酸鈉的鈣鎂離子交換能力不高。為此，探索了添加助劑（KCl）制備高鈣鎂離子交換能力層狀二硅酸鈉的工藝規(guī)律，并用X射線衍射儀（XRD）、紅外（FT-IR）等手段對產(chǎn)物進行表征。研究結(jié)果表明：加入KCl［n（K）∶n（Si）=0.015］，在680℃煅燒0.5 h得到了高鈣鎂交換能力（分別為360 mg/g和430 mg/g）的層狀二硅酸鈉。

層狀二硅酸鈉；鈣鎂離子脫除能力；氯化鉀

近年來，三聚磷酸鈉（STPP）的大規(guī)模使用造成了水體的富營養(yǎng)化，致使環(huán)境問題日益嚴峻，因此尋找無磷、高效的洗滌助劑成為研究熱點。層狀二硅酸鈉由于具有較高的鈣、鎂離子脫除能力、pH緩沖性能和較高的穩(wěn)定性而被視為取代三聚磷酸鈉的極具市場前景的無磷洗滌助劑［1］。

楊亞玲等［2］研究了用芒硝法泡花堿制備層狀二硅酸鈉，探討了原料中雜質(zhì)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，為層狀二硅酸鈉的生產(chǎn)提供新的材料來源，成本上有較大優(yōu)勢。董晉湘等［3］對原有工藝進行改進，通過摻雜Al3+成功合成了Al-δ-Na2Si2O5，在保持原有使用性能的基礎(chǔ)上提高了產(chǎn)品的水浸穩(wěn)定性，成功用于洗衣粉生產(chǎn)的前配料工藝。此外，層狀二硅酸鈉制備過程中高溫結(jié)晶轉(zhuǎn)型時燃料成本較高、鈣鎂離子脫除能力偏低限制了其進一步發(fā)展［4-5］。

筆者探索了添加助劑KCl，采用水玻璃調(diào)模［6］、干燥脫水及高溫煅燒的方式制備高鈣鎂離子脫除能力的層狀二硅酸鈉。初步表明，加入KCl有利于提高層狀二硅酸鈉的鈣鎂離子脫除能力。

1 實驗部分

1.1 實驗方法

取質(zhì)量分數(shù)為40%的硅酸鈉水溶液，加入硅膠調(diào)模為2.0～2.1。加入助劑KCl反應(yīng)2 h后置于140～200℃烘箱中干燥，得到無定形二硅酸鈉并移入馬弗爐中，在560～780℃下煅燒結(jié)晶一定時間，即得產(chǎn)品。

1.2 分析與檢測

根據(jù)GB/T 19421—2008《層狀結(jié)晶二硅酸鈉試驗方法》測定Ca2+和Mg2+的脫除容量，采用EDTA容量法測定鈣鎂離子交換能力。采用D8 Advance型X射線衍射儀分析樣品晶體結(jié)構(gòu)；采用Nicolet 560型傅立葉變換紅外光譜儀研究產(chǎn)品的骨架振動特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 KCl用量的影響

圖1為KCl用量對產(chǎn)品鈣鎂離子交換能力的影響。由圖1可見，未加入KCl時，層硅的鈣離子脫除能力分別為295 mg/g和400.3 mg/g。加入KCl后，當n（K）∶n（Si）=0.015時，產(chǎn)品鈣鎂離子交換能力最大分別為355 mg/g和430 mg/g，加入KCl明顯提高了產(chǎn)品的鈣鎂離子脫除能力。這是由于KCl能誘導(dǎo)雜晶α向δ相轉(zhuǎn)變，使得δ相產(chǎn)品純度增大，鈣鎂交換能力提高。

圖1 KCl用量對鈣鎂離子脫除能力的影響

2.2 煅燒溫度的影響

圖2為煅燒溫度對產(chǎn)品鈣離子脫除能力的影響。由圖2可見，當煅燒溫度相同時，添加KCl的鈣離子脫除能力要大于未添加樣；當產(chǎn)品鈣離子脫除能力相同時，添加KCl的樣品所需煅燒溫度明顯低于未添加樣。添加KCl，鉀離子可部分代替鈉離子進入層間，層狀結(jié)晶二硅酸鈉的晶面間距發(fā)生變化，δ晶型轉(zhuǎn)化較完全，KCl可認為是一種晶型轉(zhuǎn)化劑，使得煅燒溫度降低，且δ型層狀二硅酸鈉的鈣鎂離子脫除能力最好，所以添加KCl有利于獲得高鈣離子脫除能力的層狀二硅酸鈉產(chǎn)品。

圖2 煅燒溫度對鈣離子脫除能力的影響

2.3 煅燒時間的影響

圖3為煅燒時間對產(chǎn)品鈣離子脫除能力的影響。由圖3可見，加入KCl，煅燒30 min時鈣離子脫除能力達到最大（360 mg/g），未添加樣煅燒60 min時鈣離子脫除能力達到最大（335 mg/g），對比發(fā)現(xiàn)添加KCl后產(chǎn)品煅燒時間較未添加樣縮短。KCl作為晶型轉(zhuǎn)化劑，有利于δ晶型的生成，使得煅燒時間縮短，且δ相產(chǎn)品純度提高，因此產(chǎn)品鈣離子脫除能力增大。

圖3 煅燒時間對鈣離子脫除能力的影響

2.4 產(chǎn)品表征

圖4為添加KCl與未添加助劑樣品的FT-IR譜圖。由圖4可見，770 cm-1處為Si—O—Si對稱伸縮振動，970 cm-1處為 Si—O—Si不對稱伸縮振動，1 631 cm-1處為H—O—H彎曲振動，3 440 cm-1處為—OH彎曲振動。樣品的特征峰位置與純δ相層狀二硅酸鈉［10］的特征峰位置相同，由此判定樣品主相為δ相。在2 360 cm-1處出現(xiàn)未知基團的特征峰，可能合成過程中有其他物質(zhì)生成。

圖4 添加KCl與未添加助劑樣品的FT-IR譜圖

圖5為添加KCl與未添加助劑樣品的XRD譜圖。由圖5可見，產(chǎn)品主要為δ相。根據(jù)布拉格方程2dsinθ=λ（式中，λ為波長，θ為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角，d為晶面間距）計算不同晶面指數(shù)下的晶面間距，計算結(jié)果如表1所示。

圖5 添加KCl與未添加助劑樣品的XRD譜圖

表1 不同晶面指數(shù)下的晶面間距d

由表1可見，與純δ相樣品相比，空白樣和添加KCl樣的晶面間距都有所增加［除（200）、（210）晶面］。與空白樣相比，添加KCl后產(chǎn)品的晶面間距增大［除（120）、（201）晶面］，相應(yīng)的晶格常數(shù)也有所增加，晶體內(nèi)部孔道變大，鈉離子與鈣鎂離子的交換更易發(fā)生，這可能是產(chǎn)品鈣鎂離子脫除能力增大的原因。

3 結(jié)論

1）加入KCl［n（K）∶n（Si）=0.015］，在680℃煅燒0.5 h得到高鈣鎂離子交換能力（分別為360 mg/g和430 mg/g）的層狀二硅酸鈉。2）添加KCl后，層狀二硅酸鈉的晶面間距增大，晶體內(nèi)部發(fā)生變化，使得δ晶型轉(zhuǎn)化較完全，這可能是產(chǎn)品鈣鎂離子脫除能力增大的原因。

［1］ 夏紀華.晶態(tài)層狀結(jié)構(gòu)二硅酸鈉機理性能研究［J］.無機鹽工業(yè)，2000，32（4）：19-21.

［2］ 楊亞玲，李春云，楊翠平，等.芒硝法泡花堿制備層狀結(jié)晶二硅酸鈉［J］.無機鹽工業(yè)，2006，38（10）：22-24.

［3］ 董晉湘.無磷洗滌助劑—層狀二硅酸鈉的合成與特性研究［D］.太原：太原理工大學，2004.

［4］ 殷憲國.層狀結(jié)晶二硅酸鈉制備技術(shù)進展［J］.無機鹽工業(yè)，2011，43（6）：10-13.

［5］ 張志建，馬榮，關(guān)懷民，等.層狀結(jié)晶二硅酸鈉的合成與改性［J］.無機鹽工業(yè)，2010，45（4）：32-34.

［6］ 游輕寒，王明帆，黃歡，等.直接焙燒法合成δ-層狀二硅酸鈉的性能研究［J］.廣東化工，2014，41（16）：7-9.

聯(lián)系方式：meiguiyi@scu.edu.cn

Synthesis of high performance layered sodium disilicate

Weng Jiali，You Qinghan，Yi Meigui
（College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Due to the characteristics of excellent builder and environmental protection etc.，the layered sodium silicate is considered as the most promising detergent builder，but commercialized layered sodium disilicate′s calcium and magnesium ions exchange capacity is not high.Therefore，the preparation process law of layered sodium disilicate with high calcium and magnesium ion exchange capacity by adding KCl was explored.The product was characterized by X-ray diffraction（XRD）and infrared（FT-IR）.Results showed that：under the conditions of adding KCl［n（K）:n（Si）=0.015］，calcination temperature of 680℃，and calcination time of 0.5 h，a high calcium and magnesium exchange capacity（360 mg/g and 430 mg/g respectively) layered sodium disilicate was obtained.

δ layered sodium disilicate；calcium and magnesium ion binding capacity；potassium chloride

TQ131.12

A

1006-4990（2016）11-0041-03

2016-05-10

甕佳麗（1992— ），女，在讀碩士研究生，主要研究方向為精細無機材料。

易美桂