基于圓盤造粒工藝的水溶性一水硫酸鋅顆粒配方設(shè)計

劉 偉，肖 宏，趙思思，許 喆，梁余威

（廣西埃索凱生物科技有限公司，廣西 欽州 535000）

鋅是植物生長必需的微量元素之一。缺鋅嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育和新陳代謝，進而通過食物鏈對人體健康產(chǎn)生影響。我國南方土壤缺鋅嚴(yán)重，缺鋅土壤面積達到4 866.7 萬hm2，約占耕地面積的40%［1］。施用鋅肥是防止作物因缺鋅大面積減產(chǎn)、及時緩解植物缺鋅癥狀、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的必要措施。鋅容易受環(huán)境pH 值影響而沉淀失效，很多人工合成的鋅肥由于施用不當(dāng)對植物產(chǎn)生危害，不易降解而產(chǎn)生環(huán)境污染。因此，開發(fā)環(huán)境友好、高濃度、高效的葉面水溶性鋅肥很有必要。檸檬酸鋅是一種三羧酸類化合物，可與二價、三價金屬離子進行螯合，有較強的螯合能力，已經(jīng)作為一種新型功能性微量元素螯合物［2］被廣泛應(yīng)用。下面介紹一種含有有機螯合物的水溶性一水硫酸鋅的配方設(shè)計方法。

1 實驗部分

1.1 主要原材料及設(shè)備

1.1.1 原材料

一水硫酸鋅，粉末，廣西埃索凱生物科技有限公司；檸檬酸、酒石酸、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2 Na）、甲醇等，均為分析純，西隴化工有限公司。

1.1.2 主要儀器及設(shè)備

原子吸收分光光度計（TAS-990），北京普析通用儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HHS-20），國華電器有限公司；實驗用直徑500 mm 圓盤造粒機；顆粒抗壓強度測定儀；酸度計；恒溫干燥箱；0.1 mg精密天平。

1.2 各種有機助劑對硫酸鋅水溶性能的影響實驗

選取EDTA-2Na、酒石酸和檸檬酸3 種有機原料，考察其對硫酸鋅顆粒水溶性的影響。

稱取一定質(zhì)量的ZnSO4·H2O 加入到含有有機原料的水溶液中，溶解制得硫酸鋅混合溶液，在一定溫度下螯合1 h，然后將螯合溶液轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸發(fā)至螯合液剩余10 mL；將甲醇溶液100mL 加入螯合液中，利用硫酸鋅螯合物不溶于甲醇而游離鋅離子溶于甲醇的原理［1］，將硫酸鋅螯合物萃取出來，將螯合液-甲醇混合溶液倒入離心管，用高速離心機離心5 min（轉(zhuǎn)速5 000 r/min），將螯合物分離出來；取一定質(zhì)量螯合物溶解后定容于100 mL 容量瓶，最后用原子吸收分光光度計測定鋅含量。

1.3 一水硫酸鋅造粒方法

圓盤造粒方法：將所有組分均勻混合后放入一個有一定傾斜角的圓盤內(nèi)，圓盤按一定的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動，依靠黏性物料、助劑和水分滾成顆粒。圓盤造粒設(shè)備操作方便，可以根據(jù)需要隨時調(diào)整顆粒配方，一般圓盤轉(zhuǎn)速控制在12.0 r/min 左右，傾角為30°左右。

將有機助劑和黏合劑A按設(shè)定濃度配置成溶液狀態(tài)，將一水硫酸鋅粉末轉(zhuǎn)移入轉(zhuǎn)動的造粒圓盤中，控制流量噴灑添加劑混合溶液，控制各組分的投料量使其平衡穩(wěn)定，得半成品一水硫酸鋅顆粒，干燥得成品。

2 結(jié)果與討論

前期實驗得出EDTA-2Na、酒石酸和檸檬酸對Zn2+有很好的螯合能力，能很好地抑制堿式硫酸鋅不溶物析出，且與黏合劑A有良好的相容性，筆者主要從這幾種有機助劑中篩選出最好的助劑。另外，影響一水硫酸鋅水溶性的主要因素還有添加劑的用量、黏合劑的摻量、干燥溫度和半成品顆粒水含量。

2.1 各種助劑對硫酸鋅水溶性能的影響

以有機助劑與一水硫酸鋅質(zhì)量比為2.0︰98.0后，按1.2 節(jié)步驟制備螯合物，取一定質(zhì)量螯合物溶解后定容于100 mL 容量瓶，用原子吸收分光光度計測定Zn2+含量，結(jié)果見表1。

表1 有機助劑對硫酸鋅水溶性的影響

從表1中的數(shù)據(jù)可知，對比空白樣品，EDTA-2Na、酒石酸和檸檬酸3 種添加劑均使硫酸鋅粉末水溶性Zn2+含量和pH 產(chǎn)生了顯著的變化，絮凝物減少甚至消失，說明在較低的pH 環(huán)境下硫酸鋅的堿式鹽被抑制析出；與酒石酸相比在pH 基本相同的條件下，含有檸檬酸的樣品水溶性鋅含量較高。根據(jù)報道［1］，氨基酸對Zn2+的螯合率達到96.69%，本實驗中檸檬酸對Zn2+的螯合率達到89.9%，也有較高的螯合率，并且檸檬酸更廉價易得，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，因此選擇檸檬酸作為一水硫酸鋅顆粒的有機助劑。

2.2 檸檬酸和一水硫酸鋅質(zhì)量比的確定

按設(shè)定值準(zhǔn)確稱取檸檬酸與一水硫酸鋅，按1.2 節(jié)步驟制備螯合物，稱取一定質(zhì)量螯合物溶解后定容于100 mL 容量瓶，用原子吸收分光光度計測定Zn2+含量，檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 檸檬酸用量對硫酸鋅水溶性的影響

由表2中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.0%時，一水硫酸鋅中水溶性Zn2+含量隨著檸檬酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而增加速率較快，當(dāng)檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時，一水硫酸鋅中水溶性Zn2+含量隨著檸檬酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高增加趨勢變緩，并接近極限含量。綜合產(chǎn)品的水溶性和經(jīng)濟性考慮，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.5%～2.0%為宜。

2.3 烘干前半成品水含量確定

采用圓盤造粒，依靠黏性物料和水分滾成顆粒，控制圓盤轉(zhuǎn)速在12.0 r/min左右，傾角為30°左右，其中w（黏合劑A）為0.5%，w（檸檬酸）為2.0%，考察半成品顆粒水含量與粒徑2 ～4 mm的硫酸鋅顆粒半成品占比關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 半成品硫酸鋅粒徑與其w（H2O）關(guān)系

分析圖1可知，在固定的轉(zhuǎn)速和圓盤傾角條件下，當(dāng)硫酸鋅半成品顆粒w（H2O）小于10.0%時，粒徑2 ～4 mm的半成品顆粒占比隨著w（H2O）提高而不斷增多，w（H2O）超過10.0%以后，繼續(xù)增加水含量，粒徑2～4 mm半成品顆粒占比反而降低。一般情況下，在一定范圍內(nèi)物料的黏性會隨著水含量的增加而增長，顆粒直徑也不斷長大［3］。w（H2O）超過10.0%以后合格硫酸鋅顆粒占比反而隨著水含量增加而變小的原因是，半成品水含量超過一定程度，由于硫酸鋅是一種可溶性鹽類，顆粒表面會形成一種類似漿狀的物質(zhì)，而使大顆粒與小顆粒粘在一起形成合體，使2 ～4 mm半成品顆粒減少。為了得到更多的成品顆粒，半成品w（H2O）控制在8.0%～10.0%為宜。

2.4 干燥溫度的確定

為了考察干燥溫度對水溶性一水硫酸鋅性能的影響，以黏合劑A 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、半成品顆粒w（H2O）8.0%、檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%制備一水硫酸鋅顆粒，在不同的烘干溫度下干燥樣品50 g，樣品性能參數(shù)見表3。

表3 不同烘干溫度對一水硫酸鋅顆粒性能的影響

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，一水硫酸鋅顆粒烘干溫度由80 ℃逐漸升高到280 ℃，顆粒強度不斷增強，烘干溫度在180 ℃以上時，顆粒強度增長速率相對較慢；在230 ℃以下，一水硫酸鋅顆粒的螯合率基本保持不變，280 ℃時螯合率下降較多，可能是由于烘干溫度較高，部分黏合劑A脫水糊化而包裹住部分硫酸鋅使其螯合率有所降低，或者是產(chǎn)生的絮凝物吸附部分鋅離子所致；外觀方面，烘干溫度在180 ℃以上時硫酸鋅產(chǎn)品中開始有黃色物質(zhì)產(chǎn)生，且其溶于水后出現(xiàn)少量的沉淀物，品相開始變差，進一步證明黏合劑A糊化對品相的影響，烘干溫度低于180 ℃時硫酸鋅品相較好。

2.5 黏合劑A用量的確定

為了進一步探討?zhàn)ず蟿〢 對水溶性一水硫酸鋅顆粒性能的影響，以w（H2O）8.0%、w（檸檬酸）2.0%、黏合劑A 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備一水硫酸鋅顆粒，在180 ℃的烘干溫度下干燥樣品50 g，顆粒強度和粒徑2 ～4 mm 的顆粒占比與黏合劑A用量的關(guān)系分別見圖2和圖3。

由圖2 可知，粒徑2 ～4 mm 的成品一水硫酸鋅顆粒的強度隨著黏合劑A 的用量增加而不斷提高，w（黏合劑A）由0 增加到1.2%，顆粒強度相應(yīng)由14.3 N增加到18.2 N，增長速率由快到慢。

圖2 一水硫酸鋅顆粒強度與w（黏合劑A）的關(guān)系

圖3 粒徑2 ～4 mm的成品顆粒占比與w（黏合劑A）的關(guān)系

由圖3 可知，粒徑2 ～4 mm 的成品顆粒占比也隨著黏合劑A 的用量增加而不斷提高，w（黏合劑A）由0 增加到1.2%，粒徑2 ～4 mm 的成品顆粒占比相應(yīng)由65.2%增加到88.3%，增長速率由快到慢。

從圖2、圖3 的變化規(guī)律可知，由于黏合劑A本身的黏性能力，它的加入不斷提高物料的黏性，有利于小顆粒物料成團成粒［4］，不斷提高物料的成粒率，綜合考慮經(jīng)濟效益，選取黏合劑A質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.5%為宜。

3 結(jié)論

黏合劑A 和檸檬酸耐高溫，且螯合能力較強，比較合適作為水溶性一水硫酸鋅顆粒的配方組分。

綜合成本與技術(shù)方面考慮，基于圓盤造粒工藝的水溶性一水硫酸鋅的較優(yōu)配方與工藝是：檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%，黏合劑A質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.5%，烘干溫度在180 ℃以下，其他工藝參數(shù)對其性能影響較小，可根據(jù)實際情況需要調(diào)整。