響應(yīng)面法優(yōu)化焦磷酸鈉螯合鋅的制備工藝研究

侯黎爽，谷守玉，侯翠紅，王好斌，李露毅

（鄭州大學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州450001）

世界糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，肥料對(duì)糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)率達(dá)40%以上［1］。近年來，隨著氮磷鉀肥料的大量使用和作物產(chǎn)量水平的提高， 土壤和作物中微量元素營(yíng)養(yǎng)失調(diào)已成為農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)一步提高的限制因子［2］。

鋅在植物體中一般以蛋白質(zhì)和金屬酶的形式存在，具有加速發(fā)育、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫等功能［3］；鋅也是與人體健康密切相關(guān)的必需微量營(yíng)養(yǎng)元素［4］。 但鋅離子易與土壤中的磷酸鹽、 有機(jī)物等反應(yīng)形成難溶性物質(zhì)，難以被植物吸收利用［5-6］。 目前多采用螯合方式保護(hù)鋅離子，有效提高肥料利用率，降低施用量［7］，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。螯合鋅含量是考核螯合能力的重要指標(biāo)。 何其明等［8］研究的高含量螯合鋅肥可解決作物缺鋅的生理性病害，且螯合鋅含量增加作物對(duì)鋅的吸收率提高并減緩作物缺鋅癥狀，與夏中梅等［9］的研究結(jié)果一致。

傳統(tǒng)的螯合態(tài)鋅有EDTA-Zn、檸檬酸鋅及氨基酸鋅等。 其中，EDTA-Zn 及檸檬酸鋅價(jià)格昂貴且EDTA 會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生不良影響； 氨基酸鋅穩(wěn)定常數(shù)低，在植物體內(nèi)會(huì)發(fā)生水解，易與其他陰離子發(fā)生反應(yīng)而失去移動(dòng)性。 焦磷酸鈉作為螯合劑對(duì)微量元素（如鋅）具有良好的螯合能力，可有效防止土壤中金屬離子被固定，同時(shí)可提供磷營(yíng)養(yǎng)。 本文以螯合鋅含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化焦磷酸鈉與硫酸鋅螯合的工藝條件，制備焦磷酸鋅，提供磷和鋅營(yíng)養(yǎng)元素共存并能高效吸收利用的制備工藝和產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料：焦磷酸鈉、硫酸鋅、無水乙醇，均為分析純。

儀器：SC-15B 超級(jí)恒溫槽；JJ-1 磁力攪拌器；PHS-3C 型pH 計(jì)；CP214 電子分析天平；TAS-990原子吸收分光光度計(jì)；DHG-9076A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；SHA-BA 數(shù)顯水浴恒溫振蕩器；D/MAXRB 型XRD 衍射儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 焦磷酸鋅的螯合工藝流程［10-11］

焦磷酸鈉→溶解→調(diào)pH→調(diào)溫→螯合→乙醇析出→靜置→干燥→焦磷酸鋅螯合物。

1.2.2 焦磷酸鋅螯合物鋅含量的測(cè)定［12］

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：吸取0.01 mg/mL 鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液0、0.05、0.1、0.2、0.4 mL， 分別置于100 mL 容量瓶中，用0.5 mol/L HCl 溶液稀釋至刻度混勻。 以不加鋅的試劑空白溶液作參比液，在213.9 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。

樣品測(cè)定： 準(zhǔn)確稱取5 g 樣品于250 mL 燒杯中，加50 mL 鹽酸，蓋上表面皿于電熱板上加熱15 min， 冷卻后用蒸餾水定容于250 mL 容量瓶中，然后混勻過濾。 取濾液用0.5 mol/L HCl 溶液稀釋一定倍數(shù)后在與測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液相同的條件下，測(cè)得試樣溶液的吸光度，在工作曲線上查出相應(yīng)的鋅質(zhì)量濃度（μg/mL）。 同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)的鋅濃度為零。 螯合物中鋅含量（w）計(jì)算公式如下：

式中：ρ 為標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得樣品試液相應(yīng)的鋅質(zhì)量濃度，μg/mL；m為樣品的質(zhì)量，g；D為測(cè)定試樣溶液稀釋的倍數(shù)。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以螯合物中的鋅含量為指標(biāo)，分別考察反應(yīng)比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH、無水乙醇用量4 個(gè)單因素對(duì)焦磷酸鈉螯合鋅含量的影響， 為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)各因素水平設(shè)計(jì)提供有意義的取值范圍。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)面法是數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)的集合， 用于確定多個(gè)變量的影響并優(yōu)化條件［13］。 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)響應(yīng)面Box-Behnken 設(shè)計(jì)原理，選取無水乙醇用量（X1）、反應(yīng)比（X2）、反應(yīng)pH（X3）、反應(yīng)溫度（X4）共4 個(gè)對(duì)螯合物鋅含量影響顯著的因素，以螯合鋅含量為響應(yīng)值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用多元回歸方程［式（2）］擬合二階多項(xiàng)式方程［14］，并找出最佳反應(yīng)參數(shù)。

式中：Y是預(yù)測(cè)的響應(yīng)值；β0是一個(gè)常數(shù)；βi，βii，βij是線性系數(shù)；Xi，Xj是獨(dú)立變量。以1、0、-1 分別代表自變量的高、中、低水平，建立四因素三水平的Box-Behnken 模型，變量因素編碼及水平見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素和水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對(duì)焦磷酸鋅螯合物鋅含量的影響

2.1.1 無水乙醇用量的影響

在反應(yīng)比為1、 反應(yīng)溫度為30 ℃、 反應(yīng)pH 為10 的條件下，改變無水乙醇用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 無水乙醇用量小于25 mL/g 時(shí)， 產(chǎn)物中螯合鋅含量隨無水乙醇用量增加而上升；無水乙醇用量為25 mL/g 時(shí)，產(chǎn)物中螯合鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為16.55%；無水乙醇用量大于25 mL/g 時(shí)， 產(chǎn)物中螯合鋅含量隨無水乙醇用量增加而下降。無水乙醇萃取螯合產(chǎn)物，用量過少時(shí)不能萃取完全，用量過多時(shí)雜質(zhì)會(huì)伴隨析出。

2.1.2 反應(yīng)比的影響

在初步探究實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，向1 g 焦磷酸鈉形成的溶液中加入0.1 mol/L 的七水硫酸鋅溶液的體積為18.8 mL 時(shí)，恰好在出現(xiàn)沉淀的臨界點(diǎn)，因此將此體積與質(zhì)量的比值作為反應(yīng)比并規(guī)定此時(shí)反應(yīng)比為1。在反應(yīng)溫度為30 ℃、反應(yīng)pH 為10、無水乙醇用量為25 mL/g 條件下，改變反應(yīng)比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 產(chǎn)物中螯合鋅含量隨反應(yīng)比增大先增大后減小。 在反應(yīng)比小于1 時(shí)，加入的七水硫酸鋅全部參與螯合反應(yīng)，產(chǎn)物螯合鋅含量隨反應(yīng)比增大而增大； 反應(yīng)比為1時(shí)，產(chǎn)物螯合鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.55%；反應(yīng)比大于1時(shí)，加入的七水硫酸鋅過量，部分鋅離子與焦磷酸鈉結(jié)合后不能成環(huán)形成螯合物， 產(chǎn)物螯合鋅含量會(huì)隨之降低。

2.1.3 反應(yīng)pH 的影響

在反應(yīng)比為1、反應(yīng)溫度為30 ℃、無水乙醇用量為25 mL/g 條件下，改變反應(yīng)pH 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 產(chǎn)物中螯合鋅含量隨反應(yīng)pH 升高先升高后下降。 反應(yīng)pH 小于9 時(shí)，產(chǎn)物中螯合鋅含量隨反應(yīng)pH 升高而升高； 反應(yīng)pH 為9 時(shí)， 產(chǎn)物中螯合鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為17.95%；反應(yīng)pH 大于9 時(shí)，產(chǎn)物中螯合鋅含量隨反應(yīng)pH 升高而下降。 梁文等［15］發(fā)現(xiàn)H+和Zn2+在與焦磷酸鈉的螯合過程中存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，當(dāng)pH增大時(shí)H+的濃度降低，競(jìng)爭(zhēng)減弱，因此螯合容量增加。氫氧根濃度過高時(shí)與鋅離子可形成Zn（OH）+、Zn（OH）3-、Zn（OH）42-等水溶性絡(luò)合離子。

2.1.4 反應(yīng)溫度的影響

在反應(yīng)比為1、反應(yīng)pH 為10、無水乙醇用量為25 mL/g 條件下，改變反應(yīng)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 產(chǎn)物中螯合鋅含量隨反應(yīng)溫度升高而下降，在反應(yīng)溫度為30 ℃時(shí)，產(chǎn)物中螯合鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.55%；反應(yīng)溫度升高，焦磷酸鈉水解程度增大，不利于螯合反應(yīng)進(jìn)行，產(chǎn)物中螯合鋅含量逐漸降低。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 回歸方程的建立與方差分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 確定無水乙醇用量（X1）、反應(yīng)比（X2）、反應(yīng)pH（X3）、反應(yīng)溫度（X4）4 個(gè)自變量，以螯合物焦磷酸鋅的螯合鋅含量（Y）為響應(yīng)值，建立回歸模型。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

利用Design-Expert8.0 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件， 對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合， 得到的二次多項(xiàng)式回歸方程如公式（3）所示：

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。 從實(shí)驗(yàn)因素的方差分析可知，X1、X3對(duì)螯合物中鋅含量的影響極顯著（P＜0.01），X2（P＜0.05）的影響顯著，X4的影響不顯著。 各因素的二次項(xiàng)X12、X22、X32、X42對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響均達(dá)到極顯著水平。 各因素的交互作用中X1X4、X2X3及X3X4對(duì)螯合物中鋅含量的影響均顯著，X1X2、X1X3、X2X4的交互作用不顯著。 回歸模型P＜0.000 1 顯著，失擬項(xiàng)P＞0.05 不顯著，即該模型在被研究的整個(gè)回歸區(qū)域內(nèi)擬合較好。

表3 回歸模型的方差分析和顯著性檢驗(yàn)

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2越大，說明相關(guān)性越好；修正復(fù)相關(guān)系數(shù)和預(yù)測(cè)復(fù)相關(guān)系數(shù)之差小于0.2，則回歸模型能充分說明工藝過程；變異系數(shù)（CV）＜10%，表明實(shí)驗(yàn)的可信度和精確度高；精密度是有效信號(hào)與噪聲的比值，大于4 視為合理［16］。

表4 回歸方程誤差統(tǒng)計(jì)分析

圖1 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值分布圖

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果分析

響應(yīng)面圖形是響應(yīng)值對(duì)各實(shí)驗(yàn)因素A、B、C、D所構(gòu)成的三維空間的曲面圖， 可直觀地反映出各自變量對(duì)響應(yīng)值的影響。 回歸方程中二次項(xiàng)的系數(shù)為負(fù)值，說明回歸方程所對(duì)應(yīng)的拋物線開口向下，存在最大值［17］，由Design-Expert8.0 軟件實(shí)驗(yàn)得到的響應(yīng)曲面圖開口也均向下， 說明在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)有最高點(diǎn)，即實(shí)驗(yàn)結(jié)果螯合鋅含量在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)有最大值。而曲面圖形的形狀可反映影響因素的顯著性， 若曲線走勢(shì)越陡，表明該因素對(duì)螯合鋅含量影響越顯著。等高線圖形的形狀近似橢圓形說明各個(gè)因素之間的交互作用顯著［18］。

圖2 無水乙醇用量與反應(yīng)比的交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖

圖3 無水乙醇用量與反應(yīng)pH 的交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖

圖4 無水乙醇用量與反應(yīng)溫度的交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖

圖5 反應(yīng)比與反應(yīng)pH 的交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖

圖6 反應(yīng)比與反應(yīng)溫度的交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖

圖7 反應(yīng)pH 與反應(yīng)溫度的交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖

各因素交互作用對(duì)螯合物鋅含量影響的響應(yīng)面圖見圖2～7。 從圖2 看，當(dāng)反應(yīng)比不變時(shí)，螯合鋅含量隨無水乙醇用量的增加先增大后減小，而無水乙醇用量不變時(shí)，螯合鋅含量先隨反應(yīng)比的增加而增大，當(dāng)反應(yīng)比超過1 時(shí)，螯合鋅含量開始下降；由圖3 可知，當(dāng)無水乙醇用量不變時(shí)，螯合鋅含量隨反應(yīng)pH 的增大而增大，而反應(yīng)pH 一定時(shí)，螯合鋅含量隨無水乙醇用量的增加先增大，當(dāng)用量大于28 mL/g時(shí)呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；由圖4 可知，當(dāng)反應(yīng)溫度不變時(shí)螯合鋅含量隨無水乙醇用量的增加先增大后緩慢減小，而無水乙醇用量不變時(shí)，螯合鋅含量隨反應(yīng)溫度的增加先增大后減小， 由等高線圖可以看出反應(yīng)溫度與無水乙醇用量有一定的交互作用； 由圖5 可看出，反應(yīng)比和反應(yīng)pH 沿曲面上升的坡面都較陡，軸向等高線也都相對(duì)密集， 表明反應(yīng)比和反應(yīng)pH對(duì)鋅含量的影響都比較顯著， 且反應(yīng)pH 與反應(yīng)比的交互作用也極顯著，當(dāng)反應(yīng)比不變時(shí)，螯合鋅含量隨反應(yīng)pH 的增加而增大， 而當(dāng)反應(yīng)pH 一定時(shí)，螯合鋅含量隨著反應(yīng)比的增加先增大后減??； 從圖6可知， 反應(yīng)溫度和反應(yīng)比對(duì)螯合鋅含量的影響都有先增后降的趨勢(shì)；圖7 中，反應(yīng)pH 和反應(yīng)溫度對(duì)螯合鋅含量的影響也都有先增后降的趨勢(shì)， 反應(yīng)pH和反應(yīng)溫度的交互作用一般顯著。

2.3 響應(yīng)面結(jié)果的驗(yàn)證性檢驗(yàn)

由模型方程計(jì)算可得， 最佳螯合工藝條件為無水乙醇用量為25 mL/g、反應(yīng)比為1、反應(yīng)pH 為9、反應(yīng)溫度為30 ℃。在此條件下，螯合物鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.92%，與響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值17.85%極為接近。 這說明該回歸模型能較好地反映螯合物焦磷酸鋅中鋅含量的變化規(guī)律，可以為實(shí)際操作提供良好的指導(dǎo)。

2.4 焦磷酸鋅螯合物的檢測(cè)

2.4.1 焦磷酸鋅的XRD 衍射分析

采用D/MAX-RB 型XRD 衍射儀，在Cu 靶，加速電壓為40.0 kV，管電流為40.0 mA，掃描速率為5 （°）/min，掃描衍射角（2θ）范圍為5～90°條件下測(cè)定。螯合物焦磷酸鋅XRD 圖見圖8。從圖8 看出，譜圖中出現(xiàn)Zn3（PO4）2、Na2ZnP2O7、Na4P2O7及ZnSO4的特征峰，Na4P2O7和ZnSO4是未螯合的原料，Zn3（PO4）2的產(chǎn)生是由于原料焦磷酸鈉在水中有少量分解，與硫酸鋅反應(yīng)生成少量磷酸鋅，ZnSO4和Zn3（PO4）2的存在不會(huì)影響螯合鋅肥的肥效； 譜圖表明焦磷酸鈉和七水硫酸鋅發(fā)生了螯合反應(yīng)生成了螯合物焦磷酸鋅，反應(yīng)式如式（4）、（5）所示：

圖8 螯合物焦磷酸鋅XRD 圖

2.4.2 焦磷酸鋅的紅外光譜分析

焦磷酸鈉的FTIR 譜圖見圖9。 由圖9 看出，在檢測(cè)過程中出現(xiàn)了較多的吸收峰。 在1 149.11 cm-1處出現(xiàn)的P=O 伸縮振動(dòng)吸收峰與988.75 cm-1處出現(xiàn)的P—H 變形振動(dòng)吸收峰在螯合反應(yīng)中發(fā)生主要作用。螯合物的FTIR 譜圖見圖10。由圖10 看出，螯合后988.75 cm-1處的P—H 變形振動(dòng)吸收峰消失，其他位置的吸收峰都有略微偏移，1 149.11 cm-1處出現(xiàn)的P=O 伸縮振動(dòng)吸收峰分裂為1 169.06 cm-1處和1 081.21 cm-1處兩個(gè)相鄰的吸收峰，這表明鋅與焦磷酸鈉之間通過形成Zn—O 配位鍵發(fā)生螯合。

圖9 焦磷酸鈉FTIR 譜圖

圖10 螯合物焦磷酸鋅的FTIR 譜圖

3 結(jié)論

1）利用焦磷酸鈉與七水硫酸鋅進(jìn)行螯合反應(yīng)，以螯合物焦磷酸鋅中的鋅含量作為響應(yīng)指標(biāo)， 通過四因素三水平Box-Behnken 響應(yīng)面法，建立了螯合鋅含量的二次多項(xiàng)式回歸模型方程， 回歸方程擬合較好， 可用該方程預(yù)測(cè)焦磷酸鈉與七水硫酸鋅的螯合反應(yīng)。 2）利用模型的響應(yīng)曲面對(duì)影響螯合鋅含量的各因素進(jìn)行分析。 結(jié)果表明，4 個(gè)因素對(duì)螯合鋅含量的影響大小依次為：反應(yīng)pH、無水乙醇用量、反應(yīng)比、反應(yīng)溫度，且pH 和溫度之間的交互作用顯著。3） 通過響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件的驗(yàn)證與計(jì)算得到焦磷酸鈉螯合鋅最優(yōu)制備工藝條件：無水乙醇用量為25 mL/g、反應(yīng)比為1、反應(yīng)pH 為9、反應(yīng)溫度為30 ℃。 在此條件下， 螯合鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.85%，實(shí)測(cè)值為17.92%，相對(duì)誤差為0.3%，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間擬合性好。 4）通過XRD 分析發(fā)現(xiàn)焦磷酸鈉與七水硫酸鋅發(fā)生了螯合反應(yīng)；通過螯合前后紅外光譜的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了焦磷酸鋅的生成。