响应面法优化焦磷酸钠螯合锌的制备工艺研究

侯黎爽，谷守玉，侯翠红，王好斌，李露毅

（郑州大学化工学院，河南郑州450001）

世界粮农组织（FAO）统计结果表明，肥料对粮食增产贡献率达40%以上［1］。近年来，随着氮磷钾肥料的大量使用和作物产量水平的提高， 土壤和作物中微量元素营养失调已成为农作物产量和品质进一步提高的限制因子［2］。

锌在植物体中一般以蛋白质和金属酶的形式存在，具有加速发育、调节机体免疫等功能［3］；锌也是与人体健康密切相关的必需微量营养元素［4］。 但锌离子易与土壤中的磷酸盐、 有机物等反应形成难溶性物质，难以被植物吸收利用［5-6］。 目前多采用螯合方式保护锌离子，有效提高肥料利用率，降低施用量［7］，提高产量和品质。螯合锌含量是考核螯合能力的重要指标。 何其明等［8］研究的高含量螯合锌肥可解决作物缺锌的生理性病害，且螯合锌含量增加作物对锌的吸收率提高并减缓作物缺锌症状，与夏中梅等［9］的研究结果一致。

传统的螯合态锌有EDTA-Zn、柠檬酸锌及氨基酸锌等。 其中，EDTA-Zn 及柠檬酸锌价格昂贵且EDTA 会对植物产生不良影响； 氨基酸锌稳定常数低，在植物体内会发生水解，易与其他阴离子发生反应而失去移动性。 焦磷酸钠作为螯合剂对微量元素（如锌）具有良好的螯合能力，可有效防止土壤中金属离子被固定，同时可提供磷营养。 本文以螯合锌含量为评价指标，通过响应面设计优化焦磷酸钠与硫酸锌螯合的工艺条件，制备焦磷酸锌，提供磷和锌营养元素共存并能高效吸收利用的制备工艺和产品。

1 材料与方法

1.1 实验材料及仪器

材料：焦磷酸钠、硫酸锌、无水乙醇，均为分析纯。

仪器：SC-15B 超级恒温槽；JJ-1 磁力搅拌器；PHS-3C 型pH 计；CP214 电子分析天平；TAS-990原子吸收分光光度计；DHG-9076A 型电热恒温鼓风干燥箱；SHA-BA 数显水浴恒温振荡器；D/MAXRB 型XRD 衍射仪。

1.2 实验方法

1.2.1 焦磷酸锌的螯合工艺流程［10-11］

焦磷酸钠→溶解→调pH→调温→螯合→乙醇析出→静置→干燥→焦磷酸锌螯合物。

1.2.2 焦磷酸锌螯合物锌含量的测定［12］

标准曲线的绘制：吸取0.01 mg/mL 锌标准溶液0、0.05、0.1、0.2、0.4 mL， 分别置于100 mL 容量瓶中，用0.5 mol/L HCl 溶液稀释至刻度混匀。 以不加锌的试剂空白溶液作参比液，在213.9 nm 波长处测定吸光度。

样品测定： 准确称取5 g 样品于250 mL 烧杯中，加50 mL 盐酸，盖上表面皿于电热板上加热15 min， 冷却后用蒸馏水定容于250 mL 容量瓶中，然后混匀过滤。 取滤液用0.5 mol/L HCl 溶液稀释一定倍数后在与测定标准溶液相同的条件下，测得试样溶液的吸光度，在工作曲线上查出相应的锌质量浓度（μg/mL）。 同时做空白实验的锌浓度为零。 螯合物中锌含量（w）计算公式如下：

式中：ρ 为标准曲线上查得样品试液相应的锌质量浓度，μg/mL；m为样品的质量，g；D为测定试样溶液稀释的倍数。

1.2.3 单因素实验设计

以螯合物中的锌含量为指标，分别考察反应比、反应温度、反应pH、无水乙醇用量4 个单因素对焦磷酸钠螯合锌含量的影响， 为响应面实验各因素水平设计提供有意义的取值范围。

1.2.4 响应面法优化实验设计

响应面法是数学和统计技术的集合， 用于确定多个变量的影响并优化条件［13］。 在单因素实验的基础上，根据响应面Box-Behnken 设计原理，选取无水乙醇用量（X1）、反应比（X2）、反应pH（X3）、反应温度（X4）共4 个对螯合物锌含量影响显著的因素，以螯合锌含量为响应值，根据实验数据，使用多元回归方程［式（2）］拟合二阶多项式方程［14］，并找出最佳反应参数。

式中：Y是预测的响应值；β0是一个常数；βi，βii，βij是线性系数；Xi，Xj是独立变量。以1、0、-1 分别代表自变量的高、中、低水平，建立四因素三水平的Box-Behnken 模型，变量因素编码及水平见表1。

表1 实验因素和水平

2 结果与分析

2.1 单因素对焦磷酸锌螯合物锌含量的影响

2.1.1 无水乙醇用量的影响

在反应比为1、 反应温度为30 ℃、 反应pH 为10 的条件下，改变无水乙醇用量进行实验。 无水乙醇用量小于25 mL/g 时， 产物中螯合锌含量随无水乙醇用量增加而上升；无水乙醇用量为25 mL/g 时，产物中螯合锌质量分数最高为16.55%；无水乙醇用量大于25 mL/g 时， 产物中螯合锌含量随无水乙醇用量增加而下降。无水乙醇萃取螯合产物，用量过少时不能萃取完全，用量过多时杂质会伴随析出。

2.1.2 反应比的影响

在初步探究实验中发现，向1 g 焦磷酸钠形成的溶液中加入0.1 mol/L 的七水硫酸锌溶液的体积为18.8 mL 时，恰好在出现沉淀的临界点，因此将此体积与质量的比值作为反应比并规定此时反应比为1。在反应温度为30 ℃、反应pH 为10、无水乙醇用量为25 mL/g 条件下，改变反应比进行实验。 产物中螯合锌含量随反应比增大先增大后减小。 在反应比小于1 时，加入的七水硫酸锌全部参与螯合反应，产物螯合锌含量随反应比增大而增大； 反应比为1时，产物螯合锌质量分数为16.55%；反应比大于1时，加入的七水硫酸锌过量，部分锌离子与焦磷酸钠结合后不能成环形成螯合物， 产物螯合锌含量会随之降低。

2.1.3 反应pH 的影响

在反应比为1、反应温度为30 ℃、无水乙醇用量为25 mL/g 条件下，改变反应pH 进行实验。 产物中螯合锌含量随反应pH 升高先升高后下降。 反应pH 小于9 时，产物中螯合锌含量随反应pH 升高而升高； 反应pH 为9 时， 产物中螯合锌质量分数最大，为17.95%；反应pH 大于9 时，产物中螯合锌含量随反应pH 升高而下降。 梁文等［15］发现H+和Zn2+在与焦磷酸钠的螯合过程中存在竞争关系，当pH增大时H+的浓度降低，竞争减弱，因此螯合容量增加。氢氧根浓度过高时与锌离子可形成Zn（OH）+、Zn（OH）3-、Zn（OH）42-等水溶性络合离子。

2.1.4 反应温度的影响

在反应比为1、反应pH 为10、无水乙醇用量为25 mL/g 条件下，改变反应温度进行实验。 产物中螯合锌含量随反应温度升高而下降，在反应温度为30 ℃时，产物中螯合锌质量分数为16.55%；反应温度升高，焦磷酸钠水解程度增大，不利于螯合反应进行，产物中螯合锌含量逐渐降低。

2.2 响应面优化实验

2.2.1 回归方程的建立与方差分析

在单因素实验的基础上， 确定无水乙醇用量（X1）、反应比（X2）、反应pH（X3）、反应温度（X4）4 个自变量，以螯合物焦磷酸锌的螯合锌含量（Y）为响应值，建立回归模型。 实验设计方案及结果见表2。

利用Design-Expert8.0 实验设计软件， 对表2中的实验数据进行二次多元回归拟合， 得到的二次多项式回归方程如公式（3）所示：

表2 响应面设计方案及实验结果

对回归模型进行方差分析，结果见表3。 从实验因素的方差分析可知，X1、X3对螯合物中锌含量的影响极显著（P＜0.01），X2（P＜0.05）的影响显著，X4的影响不显著。 各因素的二次项X12、X22、X32、X42对实验的影响均达到极显著水平。 各因素的交互作用中X1X4、X2X3及X3X4对螯合物中锌含量的影响均显著，X1X2、X1X3、X2X4的交互作用不显著。 回归模型P＜0.000 1 显著，失拟项P＞0.05 不显著，即该模型在被研究的整个回归区域内拟合较好。

表3 回归模型的方差分析和显著性检验

复相关系数R2越大，说明相关性越好；修正复相关系数和预测复相关系数之差小于0.2，则回归模型能充分说明工艺过程；变异系数（CV）＜10%，表明实验的可信度和精确度高；精密度是有效信号与噪声的比值，大于4 视为合理［16］。

表4 回归方程误差统计分析

图1 预测值与实测值分布图

2.2.2 响应面结果分析

响应面图形是响应值对各实验因素A、B、C、D所构成的三维空间的曲面图， 可直观地反映出各自变量对响应值的影响。 回归方程中二次项的系数为负值，说明回归方程所对应的抛物线开口向下，存在最大值［17］，由Design-Expert8.0 软件实验得到的响应曲面图开口也均向下， 说明在实验区域内有最高点，即实验结果螯合锌含量在实验区域内有最大值。而曲面图形的形状可反映影响因素的显著性， 若曲线走势越陡，表明该因素对螯合锌含量影响越显著。等高线图形的形状近似椭圆形说明各个因素之间的交互作用显著［18］。

图2 无水乙醇用量与反应比的交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图

图3 无水乙醇用量与反应pH 的交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图

图4 无水乙醇用量与反应温度的交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图

图5 反应比与反应pH 的交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图

图6 反应比与反应温度的交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图

图7 反应pH 与反应温度的交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图

各因素交互作用对螯合物锌含量影响的响应面图见图2～7。 从图2 看，当反应比不变时，螯合锌含量随无水乙醇用量的增加先增大后减小，而无水乙醇用量不变时，螯合锌含量先随反应比的增加而增大，当反应比超过1 时，螯合锌含量开始下降；由图3 可知，当无水乙醇用量不变时，螯合锌含量随反应pH 的增大而增大，而反应pH 一定时，螯合锌含量随无水乙醇用量的增加先增大，当用量大于28 mL/g时呈现缓慢下降趋势；由图4 可知，当反应温度不变时螯合锌含量随无水乙醇用量的增加先增大后缓慢减小，而无水乙醇用量不变时，螯合锌含量随反应温度的增加先增大后减小， 由等高线图可以看出反应温度与无水乙醇用量有一定的交互作用； 由图5 可看出，反应比和反应pH 沿曲面上升的坡面都较陡，轴向等高线也都相对密集， 表明反应比和反应pH对锌含量的影响都比较显著， 且反应pH 与反应比的交互作用也极显著，当反应比不变时，螯合锌含量随反应pH 的增加而增大， 而当反应pH 一定时，螯合锌含量随着反应比的增加先增大后减小； 从图6可知， 反应温度和反应比对螯合锌含量的影响都有先增后降的趋势；图7 中，反应pH 和反应温度对螯合锌含量的影响也都有先增后降的趋势， 反应pH和反应温度的交互作用一般显著。

2.3 响应面结果的验证性检验

由模型方程计算可得， 最佳螯合工艺条件为无水乙醇用量为25 mL/g、反应比为1、反应pH 为9、反应温度为30 ℃。在此条件下，螯合物锌质量分数为17.92%，与响应面模型预测值17.85%极为接近。 这说明该回归模型能较好地反映螯合物焦磷酸锌中锌含量的变化规律，可以为实际操作提供良好的指导。

2.4 焦磷酸锌螯合物的检测

2.4.1 焦磷酸锌的XRD 衍射分析

采用D/MAX-RB 型XRD 衍射仪，在Cu 靶，加速电压为40.0 kV，管电流为40.0 mA，扫描速率为5 （°）/min，扫描衍射角（2θ）范围为5～90°条件下测定。螯合物焦磷酸锌XRD 图见图8。从图8 看出，谱图中出现Zn3（PO4）2、Na2ZnP2O7、Na4P2O7及ZnSO4的特征峰，Na4P2O7和ZnSO4是未螯合的原料，Zn3（PO4）2的产生是由于原料焦磷酸钠在水中有少量分解，与硫酸锌反应生成少量磷酸锌，ZnSO4和Zn3（PO4）2的存在不会影响螯合锌肥的肥效； 谱图表明焦磷酸钠和七水硫酸锌发生了螯合反应生成了螯合物焦磷酸锌，反应式如式（4）、（5）所示：

图8 螯合物焦磷酸锌XRD 图

2.4.2 焦磷酸锌的红外光谱分析

焦磷酸钠的FTIR 谱图见图9。 由图9 看出，在检测过程中出现了较多的吸收峰。 在1 149.11 cm-1处出现的P=O 伸缩振动吸收峰与988.75 cm-1处出现的P—H 变形振动吸收峰在螯合反应中发生主要作用。螯合物的FTIR 谱图见图10。由图10 看出，螯合后988.75 cm-1处的P—H 变形振动吸收峰消失，其他位置的吸收峰都有略微偏移，1 149.11 cm-1处出现的P=O 伸缩振动吸收峰分裂为1 169.06 cm-1处和1 081.21 cm-1处两个相邻的吸收峰，这表明锌与焦磷酸钠之间通过形成Zn—O 配位键发生螯合。

图9 焦磷酸钠FTIR 谱图

图10 螯合物焦磷酸锌的FTIR 谱图

3 结论

1）利用焦磷酸钠与七水硫酸锌进行螯合反应，以螯合物焦磷酸锌中的锌含量作为响应指标， 通过四因素三水平Box-Behnken 响应面法，建立了螯合锌含量的二次多项式回归模型方程， 回归方程拟合较好， 可用该方程预测焦磷酸钠与七水硫酸锌的螯合反应。 2）利用模型的响应曲面对影响螯合锌含量的各因素进行分析。 结果表明，4 个因素对螯合锌含量的影响大小依次为：反应pH、无水乙醇用量、反应比、反应温度，且pH 和温度之间的交互作用显著。3） 通过响应面优化实验最佳工艺条件的验证与计算得到焦磷酸钠螯合锌最优制备工艺条件：无水乙醇用量为25 mL/g、反应比为1、反应pH 为9、反应温度为30 ℃。 在此条件下， 螯合锌质量分数为17.85%，实测值为17.92%，相对误差为0.3%，预测值与实测值之间拟合性好。 4）通过XRD 分析发现焦磷酸钠与七水硫酸锌发生了螯合反应；通过螯合前后红外光谱的对比实验证明了焦磷酸锌的生成。