马尔文激光粒度仪在测定4A沸石粒度分布中的应用

    4A沸石为人工合成晶体，在洗涤剂工业、石油化学工业、医药工业及环境保护行业都有广泛应用传统的洗衣粉助剂三聚磷酸钠易引起环境污染，造成河流湖泊的富营养化，自20世纪70年代起，世界各国都在寻找其代用品，到目前为止以4A沸石为最佳。近年来，我国部分内陆湖区、沿海经济发达、人口稠密地区的水域相继发生水质富营养化现象，引起了环保部门的高度重视。我国现已禁止部分地区使用含磷洗衣粉，21世纪要逐步实现洗衣粉无磷化。随着我国经济的不断发展，人民生活的提高，家用洗衣机的普及，洗涤剂增长地很快，比世界平均年增长率(4％6％)高出许多倍，但因基数低，人口多，洗涤剂的消费量会大大增长，相应地环境保护也越来越强烈要求采用无磷洗涤，因此沸石洗涤剂的应用前景广阔。
    国家标准(QB／T1768—2003)中对沸石粒度分布的测定有详细规定。使用日本Hoifba公司生产的CAPA一500型粒度分析仪，参照该规定进行了沸石粒度分布测定。重点介绍以蒸馏水为分散介质，讨论Mastersizer2000型激光粒度仪在测定4A沸石粒度分布中的应用。此方法容易建立，精密度高，已得到应
用，效果良好。

1实验
1．1仪器和原料
英国Marlvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪和Mastersizer2000分析软件；原料来自中国日用化学工业研究院；蒸馏水；日本Hofiba公司生产的CAPA一500型粒度分析仪。英国Marlvem公司的Mastersizer2000型激光粒度仪适用于微米级粒的粒度测定，它使粒度分析变成一项简单、直观的日常工作。
1．2实验方法
4A沸石颗粒均匀分散在蒸馏水中，循环泵以一定的转速使蒸馏水以一定的流速通过激光束。颗粒大小不同，衍射角度也不同，衍射光由检测器收集，并将接收到的信号转换成粒度分布曲线图，得到相关数据。
1．3仪器的校正
为了更好地做好本实验，使结果更具说服力，对光学系统进行了认真彻底地清洁，另外重新使用Marlvern公司提供的标准样品，检查仪器测试结果的符合程度。测试的重复性是通过多次分析单一标准品确定的，如果重复性指标在仪器设置的精密度范围内，但结果与Marlvern公司的标准样品不符，说明需要重新设置样品的浓度和流速，直至结果与Marlvern公司的标准样品相符。循环泵的转速对应一定的流速，在实际测量中，设置循环泵的转速也就是设置了流速。转速选择适当，既能使样品加入烧杯后溶液不会产生明显的气泡，又能使样品颗粒均匀地分布在蒸馏水中而不出现沉降。最后设定的循环泵转速为2000rpm。
1．4测试步骤
测试前查看样品中是否有大颗粒，如有则需要研磨。在500mL烧杯中注入400mL蒸馏水，设置循环泵的转速为2000rpm，启动循环泵；启动手动测量，软件将自动进行光路校正，测量背景。当测试步骤提示加入样品时，用样品勺将少量4A沸石小心加入烧杯中，直至遮光度达到提示要求；按“开始”键，开始测量，测量结束后，仪器自动给出粒度分布图。也可在超声后测量。
2结果与讨论
国家标准(QB／T1768—2003)中对洗涤剂用4A沸石粒度分布的测定有详细的规定，把同一样品参照该规定进行了测试，从表中可以看出，4A沸石颗粒的粒度在1．000 m一2．000 m范围内最多，接近50％；小于4 m的粒度所占体积百分数为99．71％。测试过程中使用了日本Horiba公司生产的CAPA一500型粒度分析仪，该仪器属传统仪器。
使用Mastersizer2000型激光粒度仪测定4A沸石的粒度分布，其结果应该与该标准的测试结果相匹配。使用Mastersizer2000型激光粒度仪测定样品的粒度分布，测试条件主要从以下几个方面考虑：流速、同一样品在蒸馏水中的停留时间、超声时问和超声强度。另外，对于颗粒较大的样品要进行预处理如研磨等，以减少样品分散时问，提高测试数据的可靠性。循环泵的转速为2000rpm，转速不太高有助于防止气泡产生，避免其影响测试结果。
2．1超声时间和超声强度
超声的目的是使4A沸石在蒸馏水中分散更均匀，同时可打散“团聚”颗粒。Marlvem公司的Mastersizer2000型激光粒度仪自带超声设备，效果良好。通过选择超声强度值最大，调整超声时问来观察超声对4A沸石粒度分布的影响。图1、图2和图3分别是未超声、超声1min、超声5min情况下的粒度分布图。
随着超声时间的增加，4A沸石中团聚颗粒的比例逐渐减少，超声5mi后，4A沸石团聚颗粒已经减少到理想状况。所以超声处理对4A沸石在蒸馏水中的均匀分散、消除4A沸石团聚的“团聚”作用效果明显，但超声时问
也不是越长越好。综合考查其他样品的测试情况，最终选定超声时间为5arin，这时4A沸石在蒸馏水中的分散比较理想，超声时问再延长意义不大。
2．2超声后同一样品在蒸馏水中的停留时间
超声处理后4A沸石样品测定的重复性如何，测定的粒度分布曲线图能否重合，这也是测试所得数据能否具有说服力的重要依据，针对此问题也作了考察。表2是超声后同一4A沸石样品在蒸馏水中停留不同时间的粒度分布情况。经过超声处理，同一样品在蒸馏水中停留时间不同，对4A沸石的粒度分布无影响，另外其对应的粒度分布曲线图能够重合。这说明4A沸石样品在蒸馏水中已经处于一个相对稳定的状态。
2．3与国家标准的对比
做了一系列实验，目的之一就是使用Mastersizer2000型激光粒度仪建立测试方法，其测试结果要与国标相比较，分析并找到可以匹配的测试条件。实验过程中使用Mastersizer2000型激光粒度仪对同样的4A沸石样品做了很多次测试，选定的测试条件前面已讨论，表2是该条件下的测试结果。对照表1和表2可以看出，小于4 m的粒度所占体积百分数中，国标测定值为99．71％，略大于激光粒度仪测定的结果。
3结论
经过测试条件的优化，获得的测试结果可以和国标的结果相匹配。同时与传统仪器相比较，用激光粒度仪测试样品具有快速、简便的优点，能够更好地为实验和生产等服务。在测试过程中，即使有少量气泡也会对分析结果产生影响。增加分散剂及延长搅拌时问等有助于防止气泡的产生。另外，每次测试结束，要认真进行清洗，以保证仪器的光学系统清洁；每隔一段时间也要对管路进行清洗。
 作者：宋鹏，杨效益，张威（日用化学品科学）