两生花—三聚磷酸钠 - 南开大学论坛

两生花—三聚磷酸钠

发信人: vivian123 版面: 人文学术浏览: 44303 回复: 0

1 楼 vivian123 发表于: 2016/5/24 9:57:48 编辑

最近北京上海的雾霾犹如人的闲愁，才下眉头、却上心头，反反复复欲消还生，绵绵不绝。北上不仅不相信眼泪，更不相信“铁肺”啊。从雾霾看环保，中国的环境治理还任重道远，然而，曾有一种物质深受环保的“迫害”，经历数十年的围追堵截，追终却是一场误会，它就是曾作为洗涤助剂的三聚磷酸钠（详情请参看《磷酸盐与水体富营养化的“恩怨情仇”》），也是我们今天的主角。
水处理中无处不在
三聚磷酸钠作为聚磷酸盐的一种，行业上习惯称之为“五钠或三聚磷酸五钠”，原因是其化学分子式中含有五个钠原子（Na5P3O10）。其外观洁白无暇，性质稳定，基本无毒，并可溶于水。然而，对于五钠，其在工业水处理和洗涤剂行业可谓是大名鼎鼎，由于它具有螯合、悬浮、分散、胶溶、乳化、pH缓冲等作用，凡是与水有关的领域（工业上），它都有用武之地，其中还包括与人们饮食息息相关的食品添加剂。其用途之广泛、功能之齐全、性质之优异在整个水处理行业都是屈指可数的。而对于三聚磷酸钠的多数使用者而言，它还有许多鲜为人知的东西。

两生花
在这个世上，许多事物都有两面性，如道家所分阴阳，人有热情冷漠共存，有阳光必然有阴暗的影子。而在化学品中许多同一物质也有两种不同类别，比如我们今天介绍的三聚磷酸钠。工业上三聚磷酸钠的生产，一般使用磷酸（包括热、湿法）与其它钠盐在一定条件下，按一定的比例调配获得溶液，并在后续的温度、PH等因素条件的调整下获得三聚磷酸钠。无水三聚磷酸钠有两种不同的晶型Na5P3O10-I型和Na5P3O10-II型。由于Na5P3O10-I型在较高温度450—650℃下稳定，也称作高温型，而Na5P3O10-II型在较低温度400℃以下稳定，也称作低温型。这两种形态通常是共同存在的，犹如活在命运羁绊与纠葛下的两生花一样。而在实际应用过程中，想得到某一晶型的纯净产品是非常困难的，即使在实验室条件下也只能达到99.5%的纯度。工业三聚磷酸钠产品往往是Na5P3O10-I型和Na5P3O10-II型的混合物（当然由于制备工艺的问题，还含有少量的正磷酸钠、焦磷酸钠和偏磷酸钠），至于工业三聚磷酸钠产品中Na5P3O10-I型和Na5P3O10-II型的比例则在一定程度上取决于工艺条件（这我们会在下周做具体的阐述与说明）。

相似而不同
那么对于这两个宿命的纠葛的高温型（Ⅰ型）和低温型（Ⅱ型）又有什么区别和不同呢？从分子结构上讲，它们两个的键长和键角不同（如下图），宏观上两者的密度也不同，Na5P3O10-I型的密度为2.62g/cm3，Na5P3O10-II型的密度为2.57g/cm3，当然他们分子式是完全相同的。Ⅰ型和Ⅱ型产品水合后均可生成六水合物Na5P3O10·6H2O，在溶解方面，由于Ⅰ型结构中存在四配位体的钠离子，四配位体对水有强亲和力，因此，在溶解热（溶解放/吸热的量）方面有所不同，Ⅰ型的水合作用较快产生的热量高，溶于水时容易产生结块现象，反之Ⅱ型在水中则以很慢的速度生成六水物。此外，不管是Ⅰ型和Ⅱ型三聚磷酸钠，其在室温下都相当稳定，不过，如果空气的湿度比较大，他们会缓慢的发生水解反应，最终生成正磷酸钠。

三聚磷酸钠的分子结构

除“恶”务尽
对于三聚磷酸钠的生产，使用热法磷酸生产较为方便，不过成本相对较高，湿法磷酸也可以进行生产，然而由于湿法本身存在较多杂质的问题，如果湿法磷酸中的一些杂质（F-、SO42-）除的不够彻底，生产所得的三聚磷酸钠成品中就会含有过多的NaF、Na2SO4。这些杂质物会使三聚磷酸钠中P2O5的含量达不到标准要求。此外，铁、铝、镁等金属离子杂质的存在，会对“五钠”的白度有很大影响。在实际生产中，也需要设法将它们除去或者将其含量降低至一定范围。可以看出，使用湿法磷酸生产三聚磷酸钠的话，净化工艺是十分关键的一步。至于净化工艺所用的方法，以及其它相关的问题，包括如何控制双生的Ⅰ型和Ⅱ型在具体三聚磷酸钠产品中所占的比例等问题，我们将在下一次的科普板块进行详细介绍。请大家继续关注哈。