高性能层状二硅酸钠的合成研究

瓮佳丽，游轻寒，易美桂（四川大学化学工程学院，四川成都610065）

高性能层状二硅酸钠的合成研究

瓮佳丽，游轻寒，易美桂
（四川大学化学工程学院，四川成都610065）

层状二硅酸钠因具有优良的助洗、绿色环保特性，被认为是最具发展前景的洗涤助剂，但商业化层状二硅酸钠的钙镁离子交换能力不高。为此，探索了添加助剂（KCl）制备高钙镁离子交换能力层状二硅酸钠的工艺规律，并用X射线衍射仪（XRD）、红外（FT-IR）等手段对产物进行表征。研究结果表明：加入KCl［n（K）∶n（Si）=0.015］，在680℃煅烧0.5 h得到了高钙镁交换能力（分别为360 mg/g和430 mg/g）的层状二硅酸钠。

层状二硅酸钠；钙镁离子脱除能力；氯化钾

近年来，三聚磷酸钠（STPP）的大规模使用造成了水体的富营养化，致使环境问题日益严峻，因此寻找无磷、高效的洗涤助剂成为研究热点。层状二硅酸钠由于具有较高的钙、镁离子脱除能力、pH缓冲性能和较高的稳定性而被视为取代三聚磷酸钠的极具市场前景的无磷洗涤助剂［1］。

杨亚玲等［2］研究了用芒硝法泡花碱制备层状二硅酸钠，探讨了原料中杂质对产品质量的影响，为层状二硅酸钠的生产提供新的材料来源，成本上有较大优势。董晋湘等［3］对原有工艺进行改进，通过掺杂Al3+成功合成了Al-δ-Na2Si2O5，在保持原有使用性能的基础上提高了产品的水浸稳定性，成功用于洗衣粉生产的前配料工艺。此外，层状二硅酸钠制备过程中高温结晶转型时燃料成本较高、钙镁离子脱除能力偏低限制了其进一步发展［4-5］。

笔者探索了添加助剂KCl，采用水玻璃调模［6］、干燥脱水及高温煅烧的方式制备高钙镁离子脱除能力的层状二硅酸钠。初步表明，加入KCl有利于提高层状二硅酸钠的钙镁离子脱除能力。

1 实验部分

1.1 实验方法

取质量分数为40%的硅酸钠水溶液，加入硅胶调模为2.0～2.1。加入助剂KCl反应2 h后置于140～200℃烘箱中干燥，得到无定形二硅酸钠并移入马弗炉中，在560～780℃下煅烧结晶一定时间，即得产品。

1.2 分析与检测

根据GB/T 19421—2008《层状结晶二硅酸钠试验方法》测定Ca2+和Mg2+的脱除容量，采用EDTA容量法测定钙镁离子交换能力。采用D8 Advance型X射线衍射仪分析样品晶体结构；采用Nicolet 560型傅立叶变换红外光谱仪研究产品的骨架振动特性。

2 结果与讨论

2.1 KCl用量的影响

图1为KCl用量对产品钙镁离子交换能力的影响。由图1可见，未加入KCl时，层硅的钙离子脱除能力分别为295 mg/g和400.3 mg/g。加入KCl后，当n（K）∶n（Si）=0.015时，产品钙镁离子交换能力最大分别为355 mg/g和430 mg/g，加入KCl明显提高了产品的钙镁离子脱除能力。这是由于KCl能诱导杂晶α向δ相转变，使得δ相产品纯度增大，钙镁交换能力提高。

图1 KCl用量对钙镁离子脱除能力的影响

2.2 煅烧温度的影响

图2为煅烧温度对产品钙离子脱除能力的影响。由图2可见，当煅烧温度相同时，添加KCl的钙离子脱除能力要大于未添加样；当产品钙离子脱除能力相同时，添加KCl的样品所需煅烧温度明显低于未添加样。添加KCl，钾离子可部分代替钠离子进入层间，层状结晶二硅酸钠的晶面间距发生变化，δ晶型转化较完全，KCl可认为是一种晶型转化剂，使得煅烧温度降低，且δ型层状二硅酸钠的钙镁离子脱除能力最好，所以添加KCl有利于获得高钙离子脱除能力的层状二硅酸钠产品。

图2 煅烧温度对钙离子脱除能力的影响

2.3 煅烧时间的影响

图3为煅烧时间对产品钙离子脱除能力的影响。由图3可见，加入KCl，煅烧30 min时钙离子脱除能力达到最大（360 mg/g），未添加样煅烧60 min时钙离子脱除能力达到最大（335 mg/g），对比发现添加KCl后产品煅烧时间较未添加样缩短。KCl作为晶型转化剂，有利于δ晶型的生成，使得煅烧时间缩短，且δ相产品纯度提高，因此产品钙离子脱除能力增大。

图3 煅烧时间对钙离子脱除能力的影响

2.4 产品表征

图4为添加KCl与未添加助剂样品的FT-IR谱图。由图4可见，770 cm-1处为Si—O—Si对称伸缩振动，970 cm-1处为 Si—O—Si不对称伸缩振动，1 631 cm-1处为H—O—H弯曲振动，3 440 cm-1处为—OH弯曲振动。样品的特征峰位置与纯δ相层状二硅酸钠［10］的特征峰位置相同，由此判定样品主相为δ相。在2 360 cm-1处出现未知基团的特征峰，可能合成过程中有其他物质生成。

图4 添加KCl与未添加助剂样品的FT-IR谱图

图5为添加KCl与未添加助剂样品的XRD谱图。由图5可见，产品主要为δ相。根据布拉格方程2dsinθ=λ（式中，λ为波长，θ为入射X射线与相应晶面的夹角，d为晶面间距）计算不同晶面指数下的晶面间距，计算结果如表1所示。

图5 添加KCl与未添加助剂样品的XRD谱图

表1 不同晶面指数下的晶面间距d

由表1可见，与纯δ相样品相比，空白样和添加KCl样的晶面间距都有所增加［除（200）、（210）晶面］。与空白样相比，添加KCl后产品的晶面间距增大［除（120）、（201）晶面］，相应的晶格常数也有所增加，晶体内部孔道变大，钠离子与钙镁离子的交换更易发生，这可能是产品钙镁离子脱除能力增大的原因。

3 结论

1）加入KCl［n（K）∶n（Si）=0.015］，在680℃煅烧0.5 h得到高钙镁离子交换能力（分别为360 mg/g和430 mg/g）的层状二硅酸钠。2）添加KCl后，层状二硅酸钠的晶面间距增大，晶体内部发生变化，使得δ晶型转化较完全，这可能是产品钙镁离子脱除能力增大的原因。

［1］ 夏纪华.晶态层状结构二硅酸钠机理性能研究［J］.无机盐工业，2000，32（4）：19-21.

［2］ 杨亚玲，李春云，杨翠平，等.芒硝法泡花碱制备层状结晶二硅酸钠［J］.无机盐工业，2006，38（10）：22-24.

［3］ 董晋湘.无磷洗涤助剂—层状二硅酸钠的合成与特性研究［D］.太原：太原理工大学，2004.

［4］ 殷宪国.层状结晶二硅酸钠制备技术进展［J］.无机盐工业，2011，43（6）：10-13.

［5］ 张志建，马荣，关怀民，等.层状结晶二硅酸钠的合成与改性［J］.无机盐工业，2010，45（4）：32-34.

［6］ 游轻寒，王明帆，黄欢，等.直接焙烧法合成δ-层状二硅酸钠的性能研究［J］.广东化工，2014，41（16）：7-9.

联系方式：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

瓮佳丽（1992— ），女，在读硕士研究生，主要研究方向为精细无机材料。

易美桂