AX沸石制备及其对衣料的洗涤性能

赵阳敏

（重庆工商学校，重庆 402289）

随着现代生活水平的不断提高，洗涤剂已成为消费者生活的必需品，而洗涤的范围也相当广泛。但在各种类型的洗涤剂中，最普遍的是衣物洗涤剂。清洗衣物常用的合成洗涤剂主要成分为烷基苯磺酸钠、烷基磺酸盐、烯基磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、烷基硫酸盐等表面活性剂［1-5］。这类物质大多以石油化学产品或油脂化学产品为原料合成，在水中能迅速溶解，并显示良好的起泡、增溶、乳化、润湿、分散、去污等性能［6-11］。同时为了降低成本，进一步改善综合洗涤去污效果，需要在洗衣粉中加入各种洗涤助剂。洗涤助剂是合成洗涤剂中不可缺少的部分，主要作用是软化水，即消除硬水中的Ca2+和Mg2+，提高表面活性剂的活性；此外还能缓冲溶液的pH，提高分散污垢和抗再沉积能力。目前主要有含磷和无磷两大类，含磷助剂以三聚磷酸钠为主。三聚磷酸钠是一种具有较强分散能力、螯合能力和pH缓冲能力的无机化合物，可以促进洗涤剂中的表面活性剂发挥功效并有助洗作用，但大量使用含磷洗涤剂会导致河流湖泊富营养化，引发严重的环境问题。目前寻找价廉、无毒、性能良好、对环境无污染又能替代三聚磷酸钠的无磷助剂已经成为国内外合成洗涤剂新产品开发的重要方向［11-14］。

沸石具有软化洗涤用水和增强洗涤剂去污能力的作用，且成本低廉、节能环保，是一种较为理想的绿色洗涤剂。沸石结构类似于氯化钠晶体，具有较好的离子吸附性能和离子交换能力［15-19］，但使用单一沸石的无磷洗衣粉去污力不如含磷洗衣粉。研究发现，目前洗涤常用的单一沸石（如A型沸石和X型沸石）均存在明显的缺点，A型沸石孔径太小，导致其与水中镁离子的交换能力不足；而X型沸石因硅铝比较大，导致其总离子交换容量较小。为了克服两种沸石的缺陷，本研究利用超声波法合成了一种AX复合沸石，并对比了样品与其他常用洗涤剂的钙镁离子交换能力及其对衣料污物的洗涤效果。

1 实验

1.1 材料和仪器

材料：偏铝酸钠（NaAlO2）、硅酸钠水溶液、氢氧化钠（NaOH）、阴离子型表面活性剂烷基芳基磺酸钠、三聚磷酸钠（Na5P3O10）、硅酸钠（Na2O·nSiO2）、硫酸钠（Na2SO4）、羧甲基纤维素、牛油脂肪酸硫酸钠、荧光增白剂（分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心）。仪器：SF320超声波清洗器（上海汉克科学仪器有限公司），S-4800-I扫描电子显微镜（日本日立公司），AXS D8 X射线衍射仪（德国Bruker公司），Model 102F红外光谱仪［努美（北京）科技有限公司］，101-10恒温干燥箱（上海坤诚科学仪器有限公司），KQ-50真空抽滤装置（昆山市舒美超声仪器有限公司），YP202P电子天平（上海右一仪器有限公司）。

1.2 制备方法

称取一定量NaAlO2溶于去离子水，加入适量的NaOH，搅拌均匀，缓慢滴加到适量Na2O·nSiO2水溶液中，边滴加边匀速搅拌，静置6 h，转移至超声波清洗器（功率为250 W，温度为65 ℃）中辐射晶化25 min，过滤，用去离子水多次冲洗，烘干。

1.3 测试

微观形貌：用扫描电子显微镜观察。

微观晶体结构：采用红外光谱法和X射线衍射法进行测定。

钙离子交换能力：参照QB/T 1768—2003《洗涤剂用4A沸石》［20］测试。

镁离子交换能力：参照GB/T 19421—2008《层状结晶二硅酸钠试验方法》［21］测试。

去污能力：参照GB/T 13174—2003《衣料用洗涤剂去污力及抗污渍再沉积能力的测定》［22-24］测试。

2 结果与讨论

2.1 样品结构表征

2.1.1 红外光谱

从图1中可以看出，样品既有A型沸石的特征吸收峰464.3 cm-1，又有X型沸石的特征吸收峰454.5、720.5 cm-1，表明同时存在A型沸石和X型沸石结构，此外，554.6、564.6、671.8和997.5 cm-1处的特征吸收峰可能是由于两种沸石的结构组成相似，部分特征吸收峰重叠，进一步说明样品具有复合沸石的特征。

图1 样品的红外光谱图

2.1.2 X射线衍射

由图2可知，样品的XRD曲线中同时出现了A型沸石和X型沸石的衍射特征峰［25］。值得注意的是，X型沸石的（111）晶面衍射峰（衍射角1.03°）出现最大强度，而A型沸石的（644）晶面（衍射角19.19°）具有最大强度，并且宽化效果显著，这表明所制备的样品微观晶粒尺寸较小。但因为A型沸石（220）晶面处的2θ衍射角（5.99°）位置与X型沸石重合，致使A型沸石的（220）晶面特征衍射峰与X型沸石的（220）晶面特征衍射峰一致；因受到特征衍射峰宽化作用的影响，A型沸石的（222）晶面特征衍射峰与X型沸石的（311）晶面特征衍射峰出现部分重合。

图2 样品的XRD图谱

根据图2还可知，A型沸石的最大特征衍射峰强度要比X型沸石高很多，这也进一步说明A型沸石的质量分数比X型沸石更大。因为超声波对于原料溶液具有超声空化作用，可以快速分散溶液中的各组分，同时会在溶液的局部区域产生高温高压，从而加速晶核的形成。

2.1.3 扫描电镜

由图3可知，样品同时具有A型沸石的立方体结构和X型沸石的八面体结构［26］，两者紧密结合，没有显著的晶界，而且粒径相对均匀、分散度好，表明合成的样品是一种新型的AX共结晶沸石。

图3 样品的扫描电镜图（10 000倍）

2.2 离子交换容量

由图4可知，NaA沸石的钙离子交换容量最高，可达327 mgCaCO3/g沸石，AX沸石为322 mgCaCO3/g沸石，LSX沸石最低，并且AX沸石的钙离子交换速度要高于LSX沸石，表明AX沸石具有良好的钙离子交换能力。

图4 3种沸石的钙离子交换曲线

由图5可以看出，AX沸石的镁离子交换容量高达206 mgMgCO3/g沸石，远远高于NaA沸石和LSX沸石，而且AX沸石的镁离子交换速度高于其他两种沸石，说明AX沸石的镁离子交换能力极佳。

图5 3种沸石的镁离子交换曲线

2.3 去污能力

由图6可以看出，针对炭黑污布，含磷洗衣粉的去污能力最强，去污值可达21.5%，AX沸石洗衣粉的效果与之接近，NaA沸石洗衣粉和LSX沸石洗衣粉的清洗效果较差；针对皮脂污布，AX沸石洗衣粉的去污值为20.8%，显著优于其他3种洗衣粉；针对蛋白污布，4种洗衣粉的去污能力接近，AX沸石洗衣粉的去污值略高于其他3种洗衣粉。

图6 不同洗涤剂的去污能力

综上所述，与含磷洗衣粉相比，AX沸石洗衣粉对炭黑污布和蛋白污布的去污能力相近，而对皮脂污布的去污能力显著增强，并且AX沸石洗衣粉的去污能力全面优于单一沸石洗衣粉，因此AX沸石可作为一种去污性能优良的洗涤助剂。

3 结论

（1）通过超声波法快速制备AX复合沸石，既包含A型沸石的立方体结构，又包含X型沸石的八面体结构，是一种新型的AX共结晶沸石。

（2）AX沸石的钙镁离子交换性能优良，钙离子交换容量与A型沸石相当，高于X型沸石，镁离子交换容量显著高于A型沸石和X型沸石，钙镁离子交换速率也高于单一沸石。

（3）与含磷洗衣粉以及单一沸石洗衣粉相比，AX沸石洗衣粉对3种污布的清洗能力显著增强，是一种绿色高效的洗衣粉助剂。