硫酸亚铁微胶囊还原剂在水泥降铬中的研究

2020-11-05赵有强

广东建材 2020年10期

赵有强

（华润水泥技术研发有限公司）

0 前言

铬是水泥熟料及水泥中不可避免的微量元素，铬的三价和六价形式都具有毒性，且三价铬的毒性比六价铬低100 倍。人体如果接触六价铬可刺激皮肤，甚至溃烂，食用含有六价铬的水会导致贫血，神经炎，摄入过多六价铬会带来致癌，致突变等不良影响[1]。因此有必要将六价铬还原成毒性低的三价铬形态。利用亚铁还原六价铬是一种非常有效的手段，亚铁在自然界中分布广泛，成本低廉，且对环境不会造成污染。但因亚铁容易氧化，所以包裹亚铁防止其氧化具有重大意义。微胶囊是指用天然的或合成的高分子作为包埋材料，将固体或液体包埋，制成直径为5μm～250μm 的固体微小胶囊。微胶囊技术是一项比较新颖、用途广泛、发展迅速的新技术[2]。微胶囊化的方法很多，可以分为化学法、物理化学法和物理机械法三大类20 多种方法，其中工业中应用最为广泛的是喷雾干燥法，如今该方法仍占主导地位，因为这种方法操作灵活、成本低，并且具有良好的产品性能[3-6]。本研究以明胶、壳核糖、阿拉伯胶三种水溶性生物大分子物质为包裹物，采用喷雾干燥法对硫酸亚铁进行包裹，通过对水泥水溶性六价铬检测以及水泥物理性能比较，确定较好的有机包裹物质种类。

1 实验设备与材料

⑴实验仪器与设备：三颈瓶、YC-015 小型喷雾干燥机、电子天平、水浴锅、水溶性六价铬测试仪（紫外分光光度计）。

⑵实验材料：七水合硫酸亚铁、明胶、壳核糖、阿拉伯胶、抗氧化剂、丙酮、二苯碳酰二肼、盐酸、重铬酸钾。

2 实验方法

2.1 实验过程

本试验首次采用多糖类物质（阿拉伯胶、壳核糖）和蛋白类物质（明胶）为包裹物，利用喷雾干燥工艺制备硫酸亚铁微胶囊。文献[4]结果表明：以上多糖类物质和蛋白类物质均对硫酸亚铁的具有良好的包埋效果。在喷雾干燥工艺中，明胶作为蛋白质胶体，在喷雾干燥过程中大分子易形成致密的网络结构。故以它为包裹物时，微胶囊获得了良好的包埋效果，包埋率可达89%。同时，阿拉伯胶具有高浓低黏的特性，成膜性能好，利于在喷雾干燥过程中使用，同样也是一种良好的喷雾干燥包裹物。喷雾干燥工艺[4]即将芯材分散于包裹物的稀溶液中，形成悬浮液或乳浊液。用泵将此分散液送到含有喷雾干燥的雾化器中，分散液则被雾化成小液滴，液滴中所含溶剂迅速蒸发而使包裹物析出成囊的工艺过程。该工艺可连续化生产，批量可大可小，操作灵活，生产效率高。

⑴分别配制2%～4%的明胶（Ⅰ）、壳核糖（Ⅱ）、阿拉伯胶（Ⅲ）的水溶液，加入1%抗氧化剂。之后分别加入20%的七水合硫酸亚铁进行搅拌，室温搅拌5～30 分钟，直到溶液均匀后停止搅拌。

⑵将（1）中溶液进行喷雾干燥，进风温度为180℃,进料流量为4mL/min。

⑶将所制得的三种干燥亚铁还原剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）按照千分之一到千分之三的掺量，添加到水泥样品中，进行水溶性六价铬浓度以及水泥物理性能测试。

2.2 分析方法

水泥样品中的水溶性六价铬还原剂含量的测定，均采用国标GB31893《水泥水溶性铬（VI）的限量及测定方法》附录A《水泥中水溶性铬（VI）的测定方法二苯碳酰二肼分光光度法》的方法进行，具体为：将水泥样品、标准砂和水混合并搅拌均匀形成水泥胶砂，其中标准砂的用量为水泥样品的三倍，水的用量为水泥样品的一半；对水泥胶砂进行过滤得到滤液；取5.0ml 滤液，向滤液中加入5.0ml 二苯碳酰二肼溶液，调整酸度、显色，在540nm 处测定溶液的吸光度，在工作曲线上查得溶液中水溶性六价铬浓度，再由水溶性六价铬浓度计算得到六价铬含量[7-8]。

2.3 还原原理

六价铬易溶于水，很容易被人体吸收，可在体内蓄积。而三价铬不溶于水，可吸附在固体物质上而存在于沉积物中，因此水泥可溶性六价铬的降铬措施就是利用六价铬的强氧化作用，加入还原剂将六价铬还原为三价铬[9-10]。

3 结果与讨论

3.1 三种包裹物不同浓度对水泥水溶性六价铬还原作用的影响

不同包裹物对硫酸亚铁微胶囊化的制备条件，以三种不同的水溶性生物大分子物质为包裹物，采用喷雾干燥法，可以对硫酸亚铁进行微胶囊化。包裹物浓度越高，水分含量就越低，喷雾干燥过程中有利于囊壁的形成以及致密度的提高，但浓度过高，料液黏度增大，喷雾干燥过程中液滴雾化困难[4]。通过2%、3%、4%四种浓度不同的还原剂对比，还原剂掺量为千分之一，进行六价铬检测。如图1 所示，不同浓度包裹物进行包裹测试，可以看出，在相同掺量下，随着浓度的增大，其还原性在降低。