生活污油制备烷醇酰胺的研究

张春兰，陈淑芬， 杨兴锴， 孟 石

(兰州石化职业技术学院 石油化学工程学院，甘肃 兰州 730060)

生活污油中含有多种对人们健康有害的物质，食用简单处理后的生活污油对人体危害极大。生活污油进行处理后的主要成分是甘油三脂和高级脂肪酸，再经深加工可制得生物柴油、肥皂、选矿剂、涂料、饲料、洗衣粉和甘油等化工产品[1]。

烷醇酰胺是一种具有稳定性高、耐腐蚀性、耐水性能、防静电性和润滑性能良好的一种非离子表面活性剂[2]，常用在洗涤剂、纺织助剂、金属加工清洗剂、驱油用表面活性剂中等[3]，还可用作增稠剂、泡沫剂、抗静电剂、稳定剂、防锈剂等[4]。以生活污油为原料生产烷醇酰胺，不仅使生活污油资源得到合理化利用，同时大幅度地降低生产烷醇酰胺的成本，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。

本文首先对生活污油处理[5]除去杂质，将得到的生活污油通过酯化反应，降低原料油的酸值；然后用自制的固体超强酸(SLTH)为催化剂，以已处理脱色后的生活污油与甲醇进行酯化/酯交换制备生物柴油；最后用制得的生物柴油制备烷醇酰胺。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器

生活污油，由笔者单位学校食堂提供，氨水(28%)、硫酸和硝酸(体积比1∶1)，氧化镧(99.95%)，TiCI4溶液均为分析纯试剂；氯化钠、氢氧化钠、甲醇、和二乙醇胺(分析纯)，兰州石化公司提供HZSM-5。

旋转黏度计(NDJ-1，上海精密仪器仪表有限公司)、02A-1S 型恒温干燥箱(常州亚特仪器制造有限公司)、HH-601 超级恒温水浴、德国 SARTORIUS-PRACTUM124-1CN 分析天平、JJ-1 精密增力电动搅拌器。

1.2 实验方法

1.2.1 生活污油预处理

对生活污油进行预处理，除去杂质，制得高级脂肪酸和粗油脂-甘油三酯的混合物。将一定量的粗油脂中加入量为粗油脂的8%一定量的活性白土，加热升温至120℃并搅拌25min，搅拌后的油进行真空抽滤，然后干燥后得到实验用油。

1.2.2 生活污油酯化/酯交换制备生物柴油

将一定量的除去杂质后的生活污油置于250 mL三口烧瓶中，将自制固体超强酸催化剂(SLTH)[6]加入甲醇中，一并加入到生活污油中，在一定的反应条件下反应，反应结束后，过滤除去催化剂，常压蒸的甲醇后，静止，分层，取上层液体减压蒸馏，即得精制后的生物柴油，其主要成分为脂肪酸甲酯。

1.2.3 烷醇酰胺的制备

在250mL三口烧瓶中加入一定量的脂肪酸甲酯，然后再加入一定量的催化剂氢氧化钠和二乙醇胺，加热反应，通过抽真空可以抽出反应生成的甲醇。反应结束后，冷却即得产品烷醇酰胺。

烷醇酰胺的产率=(实验得到的烷醇酰胺总量/理论生成烷醇酰胺量)×100%

1.2.4 产品性能分析

对制得烷醇酰胺的增黏性、表面张力、起泡性和稳泡性进行测定分析，与产品6501比较分析制得烷醇酰胺的乳化能力。

2 结果与讨论

2.1 考察单因素对烷醇酰胺产率的影响

2.1.1 胺酯比对烷醇酰胺的影响

称取一定量的精制脂肪酸甲酯6份，胺酯比分别为1∶1、1.2∶1、1.4∶1、1.6∶1、1.8∶1和2∶1加入到三口烧瓶中，催化剂(氢氧化钠)用量为0.7%(相对于脂肪酸甲酯的质量)、真空度为0.07 MPa，在100℃下反应2h，考察胺酯比对烷醇酰胺产率的影响，实验结果如图1所示。

图1 胺酯比对烷醇酰胺产率的影响

由图1可知，在胺酯物质的量比较低时，反应不完全，随着胺酯比的增加，烷醇酰胺产率不断提高。当胺酯摩尔比达到1.6左右时，烷醇酰胺的产率达到最高89.6%。再继续增加胺酯物质的量之比，烷醇酰胺产率开始下降，这主要因为胺酯比太高时，由于副反应导致副产物酰胺单酯或双酯增多导致的。因此胺酯摩尔比为1.6左右较为适宜。

2.1.2 反应温度对烷醇酰胺的影响

二乙醇胺与脂肪酸甲酯反应生成烷醇酰胺的反应是吸热反应，升高温度，反应速度加快，有利于烷醇酰胺的生成。在胺酯物质的量之比为1.6、催化剂用量为0.7%、真空度为0.07MPa、反应时间为2h的条件下，考察反应温度在70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃和120 ℃下对烷醇酰胺产率的影响，实验结果如图2所示。

图2 反应温度对烷醇酰胺产率的影响

由图2可知，反应温度较低时，酰胺化反应不完全，烷醇酰胺产率较低。随着温度的升高，烷醇酰胺产率逐渐升高，到100℃时烷醇酰胺产率最高，温度的再继续升高，烷醇酰胺产率开始降低，产物的颜色也开始变深。这主要是因为温度过高，由于副反应导致副产物的量增加，烷醇酰胺的产率就降低。因此，反应温度选择100℃较为合适。

2.1.3 反应时间对烷醇酰胺产率的影响

在胺酯物质的量之比为1.6、温度为100 ℃、催化剂用量为0.7%、真空度为0.07 MPa的条件下，考察反应时间分别为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h的反应条件对烷醇酰胺产率的影响，实验结果如图3。

图3 反应时间对烷醇酰胺产率的影响

由图3可知，随着反应时间的延长，烷醇酰胺的产率增加，当反应时间达到2h左右时烷醇酰胺产率达到最大。再继续增加反应时间，产率略微下降。这是因为随着反应时间的增加，烷醇酰胺的量不再上升，而副反应增加，副产物增多导致烷醇酰胺产率降低。因此反应时间为2h较为合适。

2.1.4 催化剂用量对烷醇酰胺产率的影响

在胺脂物质的量之比为1.6，反应温度为100 ℃，反应时间为2h，真空度为0.07 MPa的条件下，在催化剂用量分别为0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%的条件下，考察催化剂氢氧化钠用量对烷醇酰胺产率的影响，实验结果如图4所示。

图4 催化剂(氢氧化钠)用量对烷醇酰胺产率的影响

由图4可知，随着催化剂用量的增加，烷醇酰胺的产率先增加后减少，当催化剂用量为0.8%时，烷醇酰胺的产率的最高。再继续增加催化剂用量时，烷醇酰胺产率下降，这主要是副反应增加造成的。因此催化剂量(氢氧化钠)为0.8% 较为适宜。

2.1.5 真空度对烷醇酰胺产率的影响

在反应温度为100 ℃、反应时间为2h、催化剂用量为0.8%、胺酯物质的量之比为1.6的反应条件下，考察真空度分别为0.05 MPa、0.06 MPa、0.07 MPa、0.08MPa、0.09 MPa、 1.00 MPa的条件下，真空度对烷醇酰胺产率的影响，实验结果如图5所示。

图5 真空度对烷醇酰胺产率的影响

由图5可知，烷醇酰胺产率随着真空度的增加，先增加后减少，当真空度到达0.08MPa时产率达到最大。而之后随着真空度的增大，烷醇酰胺产率下降，这主要是因为真空度较高时，部分反应物可能会被抽走，参与反应的反应物减少，导致烷醇酰胺产率下降。因此真空度为0.08MPa比较适宜。

2.2 生活污油与二乙醇胺反应制备烷醇酰胺的正交实验设计与结果

在考察单因素影响烷醇酰胺产率的基础上，选取真空度为0.08MPa，以胺酯比、反应温度、反应时间、催化剂用量为主要考察因素，采用四因素三水平进行正交实验以确定烷醇酰胺的最佳制备条件。正交实验因素与水平见表1，实验结果见表2。

表1 固体超强酸催化剂酯化生活污油的因素水平表

表2 正交实验设计及结果分析

由表2的正交实验结果分析可知，烷醇酰胺的最佳合成方案是A2B2C1D2，即胺酯比1.6∶1、反应温度100 ℃、反应时间1.5 h、催化剂的量是0.8%。为了验证正交试验结果，在最佳条件下得生活污油得酯化率是95.2%，高于正交表里的最高值，说明正交试验设计合理、结果可靠。

3 产品结果分析

3.1 增稠性

配置4%十二烷基磺酸钠与4%十二烷基硫酸钠水溶液，加入1.2%产品，31 ℃下用旋转黏度计测试不同盐含量时体系的黏度，与不加入产品，只加入不同盐含量时体系黏度进行对比，并观察最终体系状态[7]。实验结果见表3。

表3 产品的增稠性能(氯化钠质量分数为5%～8%)

由表3可知，本实验合成的烷醇酰胺产品对主表面活性剂具有良好的增稠性，在加入少量产品的体系中(1.2% ) ,氯化钠质量分数在6.5%时，体系黏度开始急剧增大。在含有烷醇酰胺的体系中，虽然黏度增大，但整个体系仍然具有流动性，而不含烷醇酰胺的体系在黏度增加的同时，失去了流动性。

3.2 表面张力

将制得烷醇酰胺配制成不同浓度的溶液分别测其表面张力。实验结果见表4。

表4 烷醇酰胺水溶液的表面张力

由表4可知，烷醇酰胺能显著降低水溶液表面张力，具有较好的表面活性。

3.3 起泡性和稳泡性

将0.3g产品溶解于20 mL的去离子水中，然后置于带有塞子的量筒中充分震荡后，观察泡沫高度和状态。静置1h后，再次观察泡沫高度和状态。实验结果表明，泡沫高度为40mL，1h后，泡沫高度不变，明显稀疏。由净化处理后的生活污油为原料，合成的烷醇酰胺的起泡性和稳泡性不是很好，这与水溶性有关[8]。

3.4 分散乳化性

取50 mL去离子水，溶解0.5 g产品，然后再与50 mL液体石蜡混合均匀，然后充分摇动，静置1h，测定乳化能力[9]。与市场商品6501作比较，实验结果见表5。

表5 乳化性能的测定

4 结论

1)自制的固体超强酸催化剂(SLTH)催化生活污油制备生物柴油具有较好的催化活性，整个过程无废液产生。

2)制备的生物柴油与二乙醇胺反应合成烷醇酰胺，最佳的合成条件是胺酯比为1.6∶1、反应温度100 ℃、反应时间1.5 h、催化剂的量是0.8%和真空度为0.08MPa，在此条件下，烷醇酰胺的产率为95.2%。

3)通过对合成的烷醇酰胺的性能测定，以生活污油为原料，制备的生物柴油与二乙醇胺在碱催化剂的作用下，合成的烷醇酰胺具有一定较好的表面活性、分散乳化性和增黏性。