超低Ⅰ型三聚磷酸钠制备工艺研究

郑 旺，曾 敏，张亚娟

（湖北兴发化工集团股份有限公司，湖北宜昌443007）

三聚磷酸钠俗称磷酸五钠或五钠，化学式为Na5P3O10，相对分子质量为368，一般为白色粉末或颗粒状固体。三聚磷酸钠具有良好的络合和缓冲能力使其应用广泛，可在食品工业中用作保水剂、pH调节剂，在纺织工业中用作漂白剂、染色助剂等。但是，三聚磷酸钠在工业应用中容易结块，而对于三聚磷酸钠的研究，多数集中在物理改性或工艺参数的优化方面，如：Banach 等［1-2］研究了二步法生产高密度三聚磷酸钠的工艺条件；Sadehgi等［3］研究了中和料浆pH以及煅烧方式对三聚磷酸钠品质的影响，鲜见有对三聚磷酸钠结块机理的深入研究。三聚磷酸钠水合性质与其Ⅰ、Ⅱ型比例有关，Ⅰ型结构中存在四配位体，对水有极强亲和力，所以在相同条件下溶解时，Ⅰ型迅速水合生成六水合物从溶液中析出，发生结块现象［4-5］。 Shen 等［6］研究发现，三聚磷酸钠Ⅰ型含量越高，溶解过程中放热越高，越容易结块。贡长生［7］谈到Ⅰ型三聚磷酸钠在水中很快溶解形成六水合物，而六水合物溶解度低，造成过饱和现象，导致六水合五钠晶体析出，进而团簇成块，给合成洗涤剂料浆的配制带来困难。基于此，低Ⅰ型三聚磷酸钠有利于后续工业应用。周骏宏［8］研究了三聚磷酸钠Ⅰ、Ⅱ型比例的控制方法，但仅能将Ⅰ型降至约10%（质量分数），未能合成出超低Ⅰ型三聚磷酸钠。笔者通过正交实验确定了影响三聚磷酸钠Ⅰ型含量的因素主次，继而通过单因素实验确定了超低Ⅰ型三聚磷酸钠制备工艺条件。

1 三聚磷酸钠的制备

称量一定质量的碳酸钠（工业级，湖北双环科技股份有限公司）和85%湿法磷酸（食品级，湖北兴发化工集团股份有限公司），加入500 mL三口烧瓶中，加入一定量水配制成K为2.98～3.02{K=［n（NaH2PO4）+n（Na2HPO4）］/n（NaH2PO4）}、一定密度的溶液，将三口烧瓶放入带有磁力搅拌器的恒温水浴锅中，调节好水浴温度，反应一定的时间。反应结束后，将三口烧瓶中的溶液转移至瓷坩埚中，将瓷坩埚放进马弗炉内，通过调节反应时间、反应温度和升温速率，进行一段时间的聚合反应。最后得到目标产物，对目标产物进行检测。三聚磷酸钠制备反应方程式：

2 结果与分析

2.1 正交实验

选用L9（36）正交表，考察各因素对三聚磷酸钠Ⅰ型、P2O5、三聚磷酸钠含量及pH的影响。正交实验因素及水平见表1，实验方案及结果见表2，数据分析见表3。

表1 正交实验因素及水平

表2 正交实验方案及结果

表3 正交实验数据分析

由表3可知，对于Ⅰ型含量，聚合升温速率（E）、聚合温度（C）、中和料浆密度（F）是主要影响因素，较优条件为E1C1F1，即聚合温度为150℃，聚合升温速率为5℃/min，中和料浆密度为1.2 g/cm3；三聚磷酸钠的基础指标是P2O5，较优条件为A2，即中和温度 80℃；D对 pH为主要因素，对 P2O5及主含量不是主要因素，故确定D1为较优条件，即聚合时间0.5 h；B对P2O5为次要因素、对主含量影响较小，故确认B3为较优条件，即中和时间50 min。

2.2 单因素实验

根据正交实验结果，对影响五钠Ⅰ型含量的主要影响因素进行单因素实验，以确定适宜的工艺条件范围。

1）聚合温度。在中和料浆密度为1.2 g/cm3、中和温度为80℃、中和时间为50 min、聚合时间为0.5 h、升温速率为5℃/min条件下，考察聚合温度对三聚磷酸钠Ⅰ型含量的影响，结果见表4。从表4看出，聚合温度为150～170℃，五钠Ⅰ型含量小于3%，为超低Ⅰ型五钠。

表4 聚合温度对三聚磷酸钠Ⅰ型含量的影响

2）升温速率。在中和料浆密度为1.2 g/cm3、中和温度为80℃、中和时间为50 min、聚合时间为0.5 h、聚合温度为150℃条件下，考察了聚合升温速率对三聚磷酸钠Ⅰ型含量的影响，结果见表5，从表5看出，聚合升温速率在5～9℃/min，五钠Ⅰ型含量小于3%，为超低Ⅰ型五钠，且升温速率越快Ⅰ型含量越低。故确定聚合升温速率为7～9℃/min。

表5 聚合升温速率对三聚磷酸钠Ⅰ型含量的影响

3）中和料浆密度。在聚合升温速率为5℃/min、中和温度为80℃、中和时间为50 min、聚合时间为0.5 h、聚合温度为150℃条件下，考察了中和料浆密度对三聚磷酸钠Ⅰ型含量的影响，结果见表6。从表6看出，中和料浆密度为1.2～1.3 g/cm3，五钠Ⅰ型含量＜0.4%。

表6 中和料浆密度对三聚磷酸钠Ⅰ型含量的影响

终上所述，确定超低Ⅰ型三聚磷酸钠制备条件：中和温度为80℃，中和时间为50 min，聚合时间为0.5 h，聚合温度为150～170℃，聚合升温速率为7～9 ℃/min，料浆密度为 1.2～1.3 g/cm3。

3 结论

影响三聚磷酸钠Ⅰ型含量的因素主次为聚合升温速率、聚合反应温度、中和料浆密度。聚合过程中，升温速率越慢，物料吸收热量越均匀，Ⅱ型含量越高；聚合温度越低，物料吸收热量越少，Ⅰ型含量越低。制备超低Ⅰ型三聚磷酸钠工艺条件：中和温度为80℃，中和时间为50 min，聚合时间为0.5 h，聚合温度为 150～170℃，聚合升温速率为 7～9℃/min，中和料浆密度为 1.2～1.3 g/cm3。