超低Ⅰ型三聚磷酸鈉制備工藝研究

鄭 旺，曾 敏，張亞娟

（湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北宜昌443007）

三聚磷酸鈉俗稱磷酸五鈉或五鈉，化學(xué)式為Na5P3O10，相對分子質(zhì)量為368，一般為白色粉末或顆粒狀固體。三聚磷酸鈉具有良好的絡(luò)合和緩沖能力使其應(yīng)用廣泛，可在食品工業(yè)中用作保水劑、pH調(diào)節(jié)劑，在紡織工業(yè)中用作漂白劑、染色助劑等。但是，三聚磷酸鈉在工業(yè)應(yīng)用中容易結(jié)塊，而對于三聚磷酸鈉的研究，多數(shù)集中在物理改性或工藝參數(shù)的優(yōu)化方面，如：Banach 等［1-2］研究了二步法生產(chǎn)高密度三聚磷酸鈉的工藝條件；Sadehgi等［3］研究了中和料漿pH以及煅燒方式對三聚磷酸鈉品質(zhì)的影響，鮮見有對三聚磷酸鈉結(jié)塊機理的深入研究。三聚磷酸鈉水合性質(zhì)與其Ⅰ、Ⅱ型比例有關(guān)，Ⅰ型結(jié)構(gòu)中存在四配位體，對水有極強親和力，所以在相同條件下溶解時，Ⅰ型迅速水合生成六水合物從溶液中析出，發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象［4-5］。 Shen 等［6］研究發(fā)現(xiàn)，三聚磷酸鈉Ⅰ型含量越高，溶解過程中放熱越高，越容易結(jié)塊。貢長生［7］談到Ⅰ型三聚磷酸鈉在水中很快溶解形成六水合物，而六水合物溶解度低，造成過飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致六水合五鈉晶體析出，進而團簇成塊，給合成洗滌劑料漿的配制帶來困難?；诖?，低Ⅰ型三聚磷酸鈉有利于后續(xù)工業(yè)應(yīng)用。周駿宏［8］研究了三聚磷酸鈉Ⅰ、Ⅱ型比例的控制方法，但僅能將Ⅰ型降至約10%（質(zhì)量分數(shù)），未能合成出超低Ⅰ型三聚磷酸鈉。筆者通過正交實驗確定了影響三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的因素主次，繼而通過單因素實驗確定了超低Ⅰ型三聚磷酸鈉制備工藝條件。

1 三聚磷酸鈉的制備

稱量一定質(zhì)量的碳酸鈉（工業(yè)級，湖北雙環(huán)科技股份有限公司）和85%濕法磷酸（食品級，湖北興發(fā)化工集團股份有限公司），加入500 mL三口燒瓶中，加入一定量水配制成K為2.98～3.02{K=［n（NaH2PO4）+n（Na2HPO4）］/n（NaH2PO4）}、一定密度的溶液，將三口燒瓶放入帶有磁力攪拌器的恒溫水浴鍋中，調(diào)節(jié)好水浴溫度，反應(yīng)一定的時間。反應(yīng)結(jié)束后，將三口燒瓶中的溶液轉(zhuǎn)移至瓷坩堝中，將瓷坩堝放進馬弗爐內(nèi)，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和升溫速率，進行一段時間的聚合反應(yīng)。最后得到目標(biāo)產(chǎn)物，對目標(biāo)產(chǎn)物進行檢測。三聚磷酸鈉制備反應(yīng)方程式：

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實驗

選用L9（36）正交表，考察各因素對三聚磷酸鈉Ⅰ型、P2O5、三聚磷酸鈉含量及pH的影響。正交實驗因素及水平見表1，實驗方案及結(jié)果見表2，數(shù)據(jù)分析見表3。

表1 正交實驗因素及水平

表2 正交實驗方案及結(jié)果

表3 正交實驗數(shù)據(jù)分析

由表3可知，對于Ⅰ型含量，聚合升溫速率（E）、聚合溫度（C）、中和料漿密度（F）是主要影響因素，較優(yōu)條件為E1C1F1，即聚合溫度為150℃，聚合升溫速率為5℃/min，中和料漿密度為1.2 g/cm3；三聚磷酸鈉的基礎(chǔ)指標(biāo)是P2O5，較優(yōu)條件為A2，即中和溫度 80℃；D對 pH為主要因素，對 P2O5及主含量不是主要因素，故確定D1為較優(yōu)條件，即聚合時間0.5 h；B對P2O5為次要因素、對主含量影響較小，故確認B3為較優(yōu)條件，即中和時間50 min。

2.2 單因素實驗

根據(jù)正交實驗結(jié)果，對影響五鈉Ⅰ型含量的主要影響因素進行單因素實驗，以確定適宜的工藝條件范圍。

1）聚合溫度。在中和料漿密度為1.2 g/cm3、中和溫度為80℃、中和時間為50 min、聚合時間為0.5 h、升溫速率為5℃/min條件下，考察聚合溫度對三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的影響，結(jié)果見表4。從表4看出，聚合溫度為150～170℃，五鈉Ⅰ型含量小于3%，為超低Ⅰ型五鈉。

表4 聚合溫度對三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的影響

2）升溫速率。在中和料漿密度為1.2 g/cm3、中和溫度為80℃、中和時間為50 min、聚合時間為0.5 h、聚合溫度為150℃條件下，考察了聚合升溫速率對三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的影響，結(jié)果見表5，從表5看出，聚合升溫速率在5～9℃/min，五鈉Ⅰ型含量小于3%，為超低Ⅰ型五鈉，且升溫速率越快Ⅰ型含量越低。故確定聚合升溫速率為7～9℃/min。

表5 聚合升溫速率對三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的影響

3）中和料漿密度。在聚合升溫速率為5℃/min、中和溫度為80℃、中和時間為50 min、聚合時間為0.5 h、聚合溫度為150℃條件下，考察了中和料漿密度對三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的影響，結(jié)果見表6。從表6看出，中和料漿密度為1.2～1.3 g/cm3，五鈉Ⅰ型含量＜0.4%。

表6 中和料漿密度對三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的影響

終上所述，確定超低Ⅰ型三聚磷酸鈉制備條件：中和溫度為80℃，中和時間為50 min，聚合時間為0.5 h，聚合溫度為150～170℃，聚合升溫速率為7～9 ℃/min，料漿密度為 1.2～1.3 g/cm3。

3 結(jié)論

影響三聚磷酸鈉Ⅰ型含量的因素主次為聚合升溫速率、聚合反應(yīng)溫度、中和料漿密度。聚合過程中，升溫速率越慢，物料吸收熱量越均勻，Ⅱ型含量越高；聚合溫度越低，物料吸收熱量越少，Ⅰ型含量越低。制備超低Ⅰ型三聚磷酸鈉工藝條件：中和溫度為80℃，中和時間為50 min，聚合時間為0.5 h，聚合溫度為 150～170℃，聚合升溫速率為 7～9℃/min，中和料漿密度為 1.2～1.3 g/cm3。