AX沸石制備及其對衣料的洗滌性能

趙陽敏

（重慶工商學(xué)校，重慶 402289）

隨著現(xiàn)代生活水平的不斷提高，洗滌劑已成為消費(fèi)者生活的必需品，而洗滌的范圍也相當(dāng)廣泛。但在各種類型的洗滌劑中，最普遍的是衣物洗滌劑。清洗衣物常用的合成洗滌劑主要成分為烷基苯磺酸鈉、烷基磺酸鹽、烯基磺酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、烷基硫酸鹽等表面活性劑［1-5］。這類物質(zhì)大多以石油化學(xué)產(chǎn)品或油脂化學(xué)產(chǎn)品為原料合成，在水中能迅速溶解，并顯示良好的起泡、增溶、乳化、潤濕、分散、去污等性能［6-11］。同時為了降低成本，進(jìn)一步改善綜合洗滌去污效果，需要在洗衣粉中加入各種洗滌助劑。洗滌助劑是合成洗滌劑中不可缺少的部分，主要作用是軟化水，即消除硬水中的Ca2+和Mg2+，提高表面活性劑的活性；此外還能緩沖溶液的pH，提高分散污垢和抗再沉積能力。目前主要有含磷和無磷兩大類，含磷助劑以三聚磷酸鈉為主。三聚磷酸鈉是一種具有較強(qiáng)分散能力、螯合能力和pH緩沖能力的無機(jī)化合物，可以促進(jìn)洗滌劑中的表面活性劑發(fā)揮功效并有助洗作用，但大量使用含磷洗滌劑會導(dǎo)致河流湖泊富營養(yǎng)化，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。目前尋找價廉、無毒、性能良好、對環(huán)境無污染又能替代三聚磷酸鈉的無磷助劑已經(jīng)成為國內(nèi)外合成洗滌劑新產(chǎn)品開發(fā)的重要方向［11-14］。

沸石具有軟化洗滌用水和增強(qiáng)洗滌劑去污能力的作用，且成本低廉、節(jié)能環(huán)保，是一種較為理想的綠色洗滌劑。沸石結(jié)構(gòu)類似于氯化鈉晶體，具有較好的離子吸附性能和離子交換能力［15-19］，但使用單一沸石的無磷洗衣粉去污力不如含磷洗衣粉。研究發(fā)現(xiàn)，目前洗滌常用的單一沸石（如A型沸石和X型沸石）均存在明顯的缺點，A型沸石孔徑太小，導(dǎo)致其與水中鎂離子的交換能力不足；而X型沸石因硅鋁比較大，導(dǎo)致其總離子交換容量較小。為了克服兩種沸石的缺陷，本研究利用超聲波法合成了一種AX復(fù)合沸石，并對比了樣品與其他常用洗滌劑的鈣鎂離子交換能力及其對衣料污物的洗滌效果。

1 實驗

1.1 材料和儀器

材料：偏鋁酸鈉（NaAlO2）、硅酸鈉水溶液、氫氧化鈉（NaOH）、陰離子型表面活性劑烷基芳基磺酸鈉、三聚磷酸鈉（Na5P3O10）、硅酸鈉（Na2O·nSiO2）、硫酸鈉（Na2SO4）、羧甲基纖維素、牛油脂肪酸硫酸鈉、熒光增白劑（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心）。儀器：SF320超聲波清洗器（上海漢克科學(xué)儀器有限公司），S-4800-I掃描電子顯微鏡（日本日立公司），AXS D8 X射線衍射儀（德國Bruker公司），Model 102F紅外光譜儀［努美（北京）科技有限公司］，101-10恒溫干燥箱（上海坤誠科學(xué)儀器有限公司），KQ-50真空抽濾裝置（昆山市舒美超聲儀器有限公司），YP202P電子天平（上海右一儀器有限公司）。

1.2 制備方法

稱取一定量NaAlO2溶于去離子水，加入適量的NaOH，攪拌均勻，緩慢滴加到適量Na2O·nSiO2水溶液中，邊滴加邊勻速攪拌，靜置6 h，轉(zhuǎn)移至超聲波清洗器（功率為250 W，溫度為65 ℃）中輻射晶化25 min，過濾，用去離子水多次沖洗，烘干。

1.3 測試

微觀形貌：用掃描電子顯微鏡觀察。

微觀晶體結(jié)構(gòu)：采用紅外光譜法和X射線衍射法進(jìn)行測定。

鈣離子交換能力：參照QB/T 1768—2003《洗滌劑用4A沸石》［20］測試。

鎂離子交換能力：參照GB/T 19421—2008《層狀結(jié)晶二硅酸鈉試驗方法》［21］測試。

去污能力：參照GB/T 13174—2003《衣料用洗滌劑去污力及抗污漬再沉積能力的測定》［22-24］測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜

從圖1中可以看出，樣品既有A型沸石的特征吸收峰464.3 cm-1，又有X型沸石的特征吸收峰454.5、720.5 cm-1，表明同時存在A型沸石和X型沸石結(jié)構(gòu)，此外，554.6、564.6、671.8和997.5 cm-1處的特征吸收峰可能是由于兩種沸石的結(jié)構(gòu)組成相似，部分特征吸收峰重疊，進(jìn)一步說明樣品具有復(fù)合沸石的特征。

圖1 樣品的紅外光譜圖

2.1.2 X射線衍射

由圖2可知，樣品的XRD曲線中同時出現(xiàn)了A型沸石和X型沸石的衍射特征峰［25］。值得注意的是，X型沸石的（111）晶面衍射峰（衍射角1.03°）出現(xiàn)最大強(qiáng)度，而A型沸石的（644）晶面（衍射角19.19°）具有最大強(qiáng)度，并且寬化效果顯著，這表明所制備的樣品微觀晶粒尺寸較小。但因為A型沸石（220）晶面處的2θ衍射角（5.99°）位置與X型沸石重合，致使A型沸石的（220）晶面特征衍射峰與X型沸石的（220）晶面特征衍射峰一致；因受到特征衍射峰寬化作用的影響，A型沸石的（222）晶面特征衍射峰與X型沸石的（311）晶面特征衍射峰出現(xiàn)部分重合。

圖2 樣品的XRD圖譜

根據(jù)圖2還可知，A型沸石的最大特征衍射峰強(qiáng)度要比X型沸石高很多，這也進(jìn)一步說明A型沸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比X型沸石更大。因為超聲波對于原料溶液具有超聲空化作用，可以快速分散溶液中的各組分，同時會在溶液的局部區(qū)域產(chǎn)生高溫高壓，從而加速晶核的形成。

2.1.3 掃描電鏡

由圖3可知，樣品同時具有A型沸石的立方體結(jié)構(gòu)和X型沸石的八面體結(jié)構(gòu)［26］，兩者緊密結(jié)合，沒有顯著的晶界，而且粒徑相對均勻、分散度好，表明合成的樣品是一種新型的AX共結(jié)晶沸石。

圖3 樣品的掃描電鏡圖（10 000倍）

2.2 離子交換容量

由圖4可知，NaA沸石的鈣離子交換容量最高，可達(dá)327 mgCaCO3/g沸石，AX沸石為322 mgCaCO3/g沸石，LSX沸石最低，并且AX沸石的鈣離子交換速度要高于LSX沸石，表明AX沸石具有良好的鈣離子交換能力。

圖4 3種沸石的鈣離子交換曲線

由圖5可以看出，AX沸石的鎂離子交換容量高達(dá)206 mgMgCO3/g沸石，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NaA沸石和LSX沸石，而且AX沸石的鎂離子交換速度高于其他兩種沸石，說明AX沸石的鎂離子交換能力極佳。

圖5 3種沸石的鎂離子交換曲線

2.3 去污能力

由圖6可以看出，針對炭黑污布，含磷洗衣粉的去污能力最強(qiáng)，去污值可達(dá)21.5%，AX沸石洗衣粉的效果與之接近，NaA沸石洗衣粉和LSX沸石洗衣粉的清洗效果較差；針對皮脂污布，AX沸石洗衣粉的去污值為20.8%，顯著優(yōu)于其他3種洗衣粉；針對蛋白污布，4種洗衣粉的去污能力接近，AX沸石洗衣粉的去污值略高于其他3種洗衣粉。

圖6 不同洗滌劑的去污能力

綜上所述，與含磷洗衣粉相比，AX沸石洗衣粉對炭黑污布和蛋白污布的去污能力相近，而對皮脂污布的去污能力顯著增強(qiáng)，并且AX沸石洗衣粉的去污能力全面優(yōu)于單一沸石洗衣粉，因此AX沸石可作為一種去污性能優(yōu)良的洗滌助劑。

3 結(jié)論

（1）通過超聲波法快速制備AX復(fù)合沸石，既包含A型沸石的立方體結(jié)構(gòu)，又包含X型沸石的八面體結(jié)構(gòu)，是一種新型的AX共結(jié)晶沸石。

（2）AX沸石的鈣鎂離子交換性能優(yōu)良，鈣離子交換容量與A型沸石相當(dāng)，高于X型沸石，鎂離子交換容量顯著高于A型沸石和X型沸石，鈣鎂離子交換速率也高于單一沸石。

（3）與含磷洗衣粉以及單一沸石洗衣粉相比，AX沸石洗衣粉對3種污布的清洗能力顯著增強(qiáng)，是一種綠色高效的洗衣粉助劑。