響應面法優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

（鄭州大學化工學院，河南鄭州450001）

世界糧農組織（FAO）統計結果表明，肥料對糧食增產貢獻率達40%以上［1］。近年來，隨著氮磷鉀肥料的大量使用和作物產量水平的提高， 土壤和作物中微量元素營養失調已成為農作物產量和品質進一步提高的限制因子［2］。

鋅在植物體中一般以蛋白質和金屬酶的形式存在，具有加速發育、調節機體免疫等功能［3］；鋅也是與人體健康密切相關的必需微量營養元素［4］。 但鋅離子易與土壤中的磷酸鹽、 有機物等反應形成難溶性物質，難以被植物吸收利用［5-6］。 目前多采用螯合方式保護鋅離子，有效提高肥料利用率，降低施用量［7］，提高產量和品質。螯合鋅含量是考核螯合能力的重要指標。 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］的研究結果一致。

傳統的螯合態鋅有EDTA-Zn、檸檬酸鋅及氨基酸鋅等。 其中，EDTA-Zn 及檸檬酸鋅價格昂貴且EDTA 會對植物產生不良影響； 氨基酸鋅穩定常數低，在植物體內會發生水解，易與其他陰離子發生反應而失去移動性。 焦磷酸鈉作為螯合劑對微量元素（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，同時可提供磷營養。 本文以螯合鋅含量為評價指標，通過響應面設計優化焦磷酸鈉與硫酸鋅螯合的工藝條件，制備焦磷酸鋅，提供磷和鋅營養元素共存并能高效吸收利用的制備工藝和產品。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及儀器

材料：焦磷酸鈉、硫酸鋅、無水乙醇，均為分析純。

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

1.2 實驗方法

1.2.1 焦磷酸鋅的螯合工藝流程［10-11］

焦磷酸鈉→溶解→調pH→調溫→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定［12］

標準曲線的繪制：吸取0.01 mg/mL 鋅標準溶液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 波長處測定吸光度。

樣品測定： 準確稱取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 溶液稀釋一定倍數后在與測定標準溶液相同的條件下，測得試樣溶液的吸光度，在工作曲線上查出相應的鋅質量濃度（μg/mL）。 同時做空白實驗的鋅濃度為零。 螯合物中鋅含量（w）計算公式如下：

式中：ρ 為標準曲線上查得樣品試液相應的鋅質量濃度，μg/mL；m為樣品的質量，g；D為測定試樣溶液稀釋的倍數。

1.2.3 單因素實驗設計

以螯合物中的鋅含量為指標，分別考察反應比、反應溫度、反應pH、無水乙醇用量4 個單因素對焦磷酸鈉螯合鋅含量的影響， 為響應面實驗各因素水平設計提供有意義的取值范圍。

1.2.4 響應面法優化實驗設計

響應面法是數學和統計技術的集合， 用于確定多個變量的影響并優化條件［13］。 在單因素實驗的基礎上，根據響應面Box-Behnken 設計原理，選取無水乙醇用量（X1）、反應比（X2）、反應pH（X3）、反應溫度（X4）共4 個對螯合物鋅含量影響顯著的因素，以螯合鋅含量為響應值，根據實驗數據，使用多元回歸方程［式（2）］擬合二階多項式方程［14］，并找出最佳反應參數。

式中：Y是預測的響應值；β0是一個常數；βi，βii，βij是線性系數；Xi，Xj是獨立變量。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 實驗因素和水平

2 結果與分析

2.1 單因素對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

在反應比為1、 反應溫度為30 ℃、 反應pH 為10 的條件下，改變無水乙醇用量進行實驗。 無水乙醇用量小于25 mL/g 時， 產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，產物中螯合鋅質量分數最高為16.55%；無水乙醇用量大于25 mL/g 時， 產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物，用量過少時不能萃取完全，用量過多時雜質會伴隨析出。

2.1.2 反應比的影響

在初步探究實驗中發現，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，恰好在出現沉淀的臨界點，因此將此體積與質量的比值作為反應比并規定此時反應比為1。在反應溫度為30 ℃、反應pH 為10、無水乙醇用量為25 mL/g 條件下，改變反應比進行實驗。 產物中螯合鋅含量隨反應比增大先增大后減小。 在反應比小于1 時，加入的七水硫酸鋅全部參與螯合反應，產物螯合鋅含量隨反應比增大而增大； 反應比為1時，產物螯合鋅質量分數為16.55%；反應比大于1時，加入的七水硫酸鋅過量，部分鋅離子與焦磷酸鈉結合后不能成環形成螯合物， 產物螯合鋅含量會隨之降低。

2.1.3 反應pH 的影響

在反應比為1、反應溫度為30 ℃、無水乙醇用量為25 mL/g 條件下，改變反應pH 進行實驗。 產物中螯合鋅含量隨反應pH 升高先升高后下降。 反應pH 小于9 時，產物中螯合鋅含量隨反應pH 升高而升高； 反應pH 為9 時， 產物中螯合鋅質量分數最大，為17.95%；反應pH 大于9 時，產物中螯合鋅含量隨反應pH 升高而下降。 梁文等［15］發現H+和Zn2+在與焦磷酸鈉的螯合過程中存在競爭關系，當pH增大時H+的濃度降低，競爭減弱，因此螯合容量增加。氫氧根濃度過高時與鋅離子可形成Zn（OH）+、Zn（OH）3-、Zn（OH）42-等水溶性絡合離子。

2.1.4 反應溫度的影響

在反應比為1、反應pH 為10、無水乙醇用量為25 mL/g 條件下，改變反應溫度進行實驗。 產物中螯合鋅含量隨反應溫度升高而下降，在反應溫度為30 ℃時，產物中螯合鋅質量分數為16.55%；反應溫度升高，焦磷酸鈉水解程度增大，不利于螯合反應進行，產物中螯合鋅含量逐漸降低。

2.2 響應面優化實驗

2.2.1 回歸方程的建立與方差分析

在單因素實驗的基礎上， 確定無水乙醇用量（X1）、反應比（X2）、反應pH（X3）、反應溫度（X4）4 個自變量，以螯合物焦磷酸鋅的螯合鋅含量（Y）為響應值，建立回歸模型。 實驗設計方案及結果見表2。

利用Design-Expert8.0 實驗設計軟件， 對表2中的實驗數據進行二次多元回歸擬合， 得到的二次多項式回歸方程如公式（3）所示：

表2 響應面設計方案及實驗結果

對回歸模型進行方差分析，結果見表3。 從實驗因素的方差分析可知，X1、X3對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X12、X22、X32、X42對實驗的影響均達到極顯著水平。 各因素的交互作用中X1X4、X2X3及X3X4對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P＞0.05 不顯著，即該模型在被研究的整個回歸區域內擬合較好。

表3 回歸模型的方差分析和顯著性檢驗

復相關系數R2越大，說明相關性越好；修正復相關系數和預測復相關系數之差小于0.2，則回歸模型能充分說明工藝過程；變異系數（CV）＜10%，表明實驗的可信度和精確度高；精密度是有效信號與噪聲的比值，大于4 視為合理［16］。

表4 回歸方程誤差統計分析

圖1 預測值與實測值分布圖

2.2.2 響應面結果分析

響應面圖形是響應值對各實驗因素A、B、C、D所構成的三維空間的曲面圖， 可直觀地反映出各自變量對響應值的影響。 回歸方程中二次項的系數為負值，說明回歸方程所對應的拋物線開口向下，存在最大值［17］，由Design-Expert8.0 軟件實驗得到的響應曲面圖開口也均向下， 說明在實驗區域內有最高點，即實驗結果螯合鋅含量在實驗區域內有最大值。而曲面圖形的形狀可反映影響因素的顯著性， 若曲線走勢越陡，表明該因素對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因素之間的交互作用顯著［18］。

圖2 無水乙醇用量與反應比的交互作用對螯合物鋅含量影響的響應面圖

圖3 無水乙醇用量與反應pH 的交互作用對螯合物鋅含量影響的響應面圖

圖4 無水乙醇用量與反應溫度的交互作用對螯合物鋅含量影響的響應面圖

圖5 反應比與反應pH 的交互作用對螯合物鋅含量影響的響應面圖

圖6 反應比與反應溫度的交互作用對螯合物鋅含量影響的響應面圖

圖7 反應pH 與反應溫度的交互作用對螯合物鋅含量影響的響應面圖

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

2.3 響應面結果的驗證性檢驗

由模型方程計算可得， 最佳螯合工藝條件為無水乙醇用量為25 mL/g、反應比為1、反應pH 為9、反應溫度為30 ℃。在此條件下，螯合物鋅質量分數為17.92%，與響應面模型預測值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律，可以為實際操作提供良好的指導。

2.4 焦磷酸鋅螯合物的檢測

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°條件下測定。螯合物焦磷酸鋅XRD 圖見圖8。從圖8 看出，譜圖中出現Zn3（PO4）2、Na2ZnP2O7、Na4P2O7及ZnSO4的特征峰，Na4P2O7和ZnSO4是未螯合的原料，Zn3（PO4）2的產生是由于原料焦磷酸鈉在水中有少量分解，與硫酸鋅反應生成少量磷酸鋅，ZnSO4和Zn3（PO4）2的存在不會影響螯合鋅肥的肥效； 譜圖表明焦磷酸鈉和七水硫酸鋅發生了螯合反應生成了螯合物焦磷酸鋅，反應式如式（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，在檢測過程中出現了較多的吸收峰。 在1 149.11 cm-1處出現的P=O 伸縮振動吸收峰與988.75 cm-1處出現的P—H 變形振動吸收峰在螯合反應中發生主要作用。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處出現的P=O 伸縮振動吸收峰分裂為1 169.06 cm-1處和1 081.21 cm-1處兩個相鄰的吸收峰，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 結論

1）利用焦磷酸鈉與七水硫酸鋅進行螯合反應，以螯合物焦磷酸鋅中的鋅含量作為響應指標， 通過四因素三水平Box-Behnken 響應面法，建立了螯合鋅含量的二次多項式回歸模型方程， 回歸方程擬合較好， 可用該方程預測焦磷酸鈉與七水硫酸鋅的螯合反應。 2）利用模型的響應曲面對影響螯合鋅含量的各因素進行分析。 結果表明，4 個因素對螯合鋅含量的影響大小依次為：反應pH、無水乙醇用量、反應比、反應溫度，且pH 和溫度之間的交互作用顯著。3） 通過響應面優化實驗最佳工藝條件的驗證與計算得到焦磷酸鈉螯合鋅最優制備工藝條件：無水乙醇用量為25 mL/g、反應比為1、反應pH 為9、反應溫度為30 ℃。 在此條件下， 螯合鋅質量分數為17.85%，實測值為17.92%，相對誤差為0.3%，預測值與實測值之間擬合性好。 4）通過XRD 分析發現焦磷酸鈉與七水硫酸鋅發生了螯合反應；通過螯合前后紅外光譜的對比實驗證明了焦磷酸鋅的生成。