过氧甲酸法环氧棕榈油的制备研究
2021-01-08
来源:乌哈旅游
第十八届学术年会暨产品展示会论文选集过氧甲酸法环氧棕榈油的制备研究马传国郭瑞华张科红(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州,450052)摘要:本文采用过氧甲酸法制备环氧棕桐油.并研究了甲酸、履氧水和催化荆加入量以度反应温度和反应时间对环氧值的影响。此外.本文还通过响应面法对工艺备件进行优化.从而得到最佳反应备件为m(棕桐油):m(甲酸):m(3%的鼹氧水):In(催化荆)=30:6:43:03,反应温度65℃,反应时间6h,在此条件下其环氧值为389%。关键词:棕橱油;环氧化;过氧甲酸;制备环氧棕榈油是以棕榈油为原料.在催化剂存在下.用环氧化剂与之作用而制得。环氧植物油的制备按有无溶剂参与分为溶剂法和无溶剂法。其中溶剂法生产流程长、投资大、环境污染大、产品质量差n】。因此.目前多采用无溶剂法生产环氧植物油。无溶剂法以过氧甲酸嘲或过氧乙酸嘲作为环氧剂.把植物油中的双键转化为环氧键。从而制得环氧植物油。由于无溶剂法具有反应温度低.反应时间短.副反应少.环氧值高等特点Ⅲ.目前已基本取代以苯作为溶剂的生产工艺。由于甲酸的分子较乙酸小.过氧甲酸的氧化速率大于过氧乙酸.因此采用甲酸进行生产所得产品的质量更好,反应流程更短口】。因此,本文以棕榈油为原料.采用过氧甲酸法制备环氧棕榈油,并通过单因素试验和响应面设计.研究了甲酸、双氧水、催化剂加入量、反应温度、反应时间及其交互作用对环氧值的影响.并确定制备环氧棕榈油的最佳工艺条件。1试验材料和方法1.1试验原理嘲氧甲酸HCOOH+H20z-+HCOOOH+HD(2)过氧甲酸立即与棕榈油中的不饱和双键反应.生成环氧棕榈油。0/\HCOOOH+--c=C--"'-HCOOH+一C=C一1.2试验材料液态棕榈油(天津龙威粮油工业有限公司).酸值O.18(KOH)/(m以),皂化值189.10mg/g;过氧化值5.02mmol/kg;主要脂肪酸组成:油酸(47.55%),棕榈酸(316%),亚油酸(14-.39%),硬脂酸(3.26%),豆蔻酸(1.24%)。1.3主要试验仪器DF一101D型集热式恒温加热磁力搅拌器、800型低速离心机、DZF--6050真空干燥箱、罗维朋比色计、岛津IRPrestige一21红外光谱仪。1.4试验方法(1)环氧化剂的配制。取一定量甲酸和双氧水,再加入一定量的H2s04;在大约400c温度下混匀后备用。(2)环氧化反应。称取309棕榈油加入到250mL的三口烧瓶中.加热升温至40。C以上后匀速滴加环氧化剂.并在一定转速下搅拌,在lh内滴加完毕。然后在恒温条件下反应一定的时间。(3)产品的精制。反应完成后静置分层,分去下作者筒介:马传国(1966一),男。教授/硬士生导师,从事棕榈油是混脂肪酸甘三酯的混合物,其脂肪酸有饱和脂肪酸和含有C---C双键的不饱和脂肪酸。环氧棕榈油的生成分以下两步进行:(1)在H+的存在下,甲酸与双氧水反应生成过层废液,油层先用热的稀碱溶液洗涤.再用软化水水油脂化学及工艺学方向的教学和科研工作。论文选集中国粮油学会油脂分会洗至中性,脱水,即得产品。1.5产品的测定1.51环氧值的测定按GB1677—81方法测定。152酸值的测定接GB/T5530—2005方法测定。153结构表征取少量环氧棕榈油涂在KBr压片上.再用岛津IRPrestige一21红外光谱仪进行红外扫描。15.4色泽的测定按SN/T080114—1999方法测定。先将样品熔融混匀.在50℃下用干燥快速滤纸过滤。之后用罗维朋比色计测定色泽(采用1英寸比色槽)。2结果与讨论2.1单因素试验2.1.1反应时间对环氧值的影响按m(棕榈油):m(双氧水):m(甲酸):m(催化剂)=30:28:6:03的比例加料.反应温度65℃.考察反应时间对环氧值的影响.结果如图1所示。反应时间m围1反应时间对环氧值的影响由图1可知:起初随着反应时间的延长,环氧值逐渐升高,在6h时,环氧值最高,再延长时间,环氧值迅速下降。这是因为反应时间少于6h时.环氧化反应不够充分;而反应时间过长.会发生开环反应,降低环氧值。反应时间为6h时.反应最充分。且开环副反应较少.因此,反应时间取6h最好。2.1皇双氧水加入量对环氧值的影响按m(棕榈油):hi(甲酸):m(催化剂)=30:6:o.3的比例加料。反应温度65℃.反应时间“.考察双氧水(30%)加入量对环氧值的影响,结果如图2所示。由图2可知:双氧水加入量较少时,环氧值较低,随着双氧水加入量的增加.环氧值逐渐上升。这是因为双氧水偏少时,会使过氧酸量不足.环氧化能力受限:随着双氧水用量的增加.环氧化反应越来越艰氯木加/ktittg图2双氧水加入量对环氧值的影响双氧水加人量为439时,环氧值最高。按m(棕榈油):m(双氧水):m(催化剂)=30:43:0.3的比例加料,反应温度65%.反应时问6h.考察甲酸加人量对环氧值的影响,结果如图3所示。薹荽甲酸加^量幢围3甲酸加入量对环氧值的影响若甲酸的加入量过少。则生成过氧甲酸量少.因此环氧化反应不充分,致使产物环氧值低:若甲酸用量过大,则易产生开环反应,降低产物的环氧值。由图3可知:甲酸用量为69时.既保证了环氧化反应的充分进行.同时开环副反应较少.此时环氧值最高。214催化剂(浓硫酸)加入量对环氧值的影响按m(棕榈油):m(双氧水):m(甲酸)=30:43:6的比例加料.反应温度65。C,反应时间6h,考察催化剂加入量对环氧值的影响.结果如图4所示。;旷\催化剂加人量幢图4催化剂加入量对环氧值的影响充分.但当双氧水用量过大。超过439时,大量水的存在易发生开环副反应,生成双羟基化合物。因此取2.1.3甲酸加入量对环氧值的影响第十八目々术《台暨产£Ⅲt会{仓文选集环氧棕榈油的生成过程分两步进行首先是甲酸和双氧水反应生成过氧甲艘.然后对氧甲酸和棕桐油反应生战环氧椽桐油。过氧甲睦的隹成建度较慢.因此需要强酸催化。谋反应中使朋淮硫酸作为僵化荆.但用量要适宜。浓赢酸用量过少时,催化作用不强.一,“X:“翟警瞥警篙4:妒khlF州or2苎!里竺苎三皇兰!反应时间长.并且环氧值低;若用量过太.会使原料油发生凛化、碳化.并且还会腐蚀设备。由嘲4可知:催化荆加_凡量为0.39时.催化效果最好.环氧值最高。之后,随着硫酸加^量的增加.环氧值降低,因此选样催化荆加^置为039堆佳.21…一-:姥。勰:照::嚣善^(g)“g)68Fwlor3№一F础商一c(5)D(℃)“b}5反应温度对环氧值的彤响按m(棕橱油):m(双瓴水)m(甲瞳)m(催化荆)=30:43:6:03的比例力日料.反应时间6I|.考察反应沮度时环氧值的影响,结果如网5所示。∞●∞b●:5666ii裂ii66444m”2H78}g■}6¨99"i8。。。应;f;:筹霎≥值舯影响反应温度是环氧化反应的重要条件.反应温度太低,反应不充分;反应温度过高,虽然反应加快,但反应放出太量的热量.反应过程难以控制,剐反应增多.并且形成的环J匮键在高温,酸性条件下不稳定.容易开环.环氧值降低.由刚5可知:反应温度取65℃畦佳。22■应面设计厦结幂分析依据上面的单因繁试验结果,称取3咄栋榈油.选择甲酸加入量、般氧水加^量、催化剐加人量、反应时同和反应温度五个因素做五因素j水平响应面试验.试验设计与分析见表I、运J}id%和呻‘P叫7167*3n镕5Bj8¨“”“”jii篙iiiiiiiiil446S6686688666j∞jnn“口∞imM∞Mii芝ii48软件埘26个试验点的响应值(产物的环氧值)进行分析碍出浚模型的F值为8466.并且该模型显著。D、E,AB、^S.舫、cD、DE、A2、酽、酽、P各项对环氧值的影响显著.其彤睛太小依次为:P>CD)乎)肋)DE)A2)圈8Y=ffA.町响应曲面田爰#等膏馒论文选集中目*油学会油脂分会袅3目归模2方差分析生成。由隔6可知:当双氧水加^量少于439时,环i:…譬一一一等…氧值随着甲醢加入量的增加逐渐增大.这可能因为双#女04800248466∞000l&*氧水加人最少于439时.过氧甲酸的生成受到限制.^l2501;一1031l250E埘3443n嘴91因此可以增大甲酸的加^量.使反庙向过氧酸方移B0000l动.增大产品的环氧值。但甲酸加^量不应过太.若c4n2622超过缸.会导致开环副反应的发牛.从而降低产物的D24删]㈨24—舶35∞E㈩…60200……∞∞86900320£32。0F枷3环氧值.同时双氧水加人量也不能超过439否则会132110E州3II35nOl99A口3394E埘3造成不必要的浪费。3394E埘31204n(1179AC7l∞12日04J7I∞E—0∞255n17】5(2)双氧水加人量与反应时间的交互作用加l756E删I1756E删062n4659由图7可知:当双氧水加人量在33—439范同内^E川Ifl7E,NI^3394E—∞33埘F—啪3120400179时.环氧值随着反应时问的延长mi增大.因此.在此lA62E珈㈣l1l101E-0063.924E一003095256.701;E删3范嗣内.可以通过延长反应时问来提高产物的环氧BD6708£√m31235㈩0718780洲值;同样,当反应时问在5巧5h内时,也可以增大BE酬3CDn0120012双氧水加入量.提高产物的环氧值。但是.双氧水加叩z357E螂J2.357E删0¨04c1254I∞0.0014人量小能超过4k,反应时问不能超过65h时,否则DE6247F—0031E柳E—0032215n(?053都会导致开环剐反应的发生从而降低产品的环氧^24515E驯504F—00314504E—“3159700104值。口335I5E埘312*t30167(3)甲酸加^量与反应温度的变且作用p6949E—帅3J6849E埘3M2800044口1283E—003J1283E-0034550∞61由圈8可知:在甲酸加人量少于6z时.单独提Fn02310023831800003高反应温度.会致使环氧值有所降低.但幅度不大:&#1410E珈352但当反应温度慨于65℃时单独增大甲睦加^量.会*m8.901£删18瑚㈣820E—∞4685t30590{a*致使环氧值迅速降低斟此.璺制得环氧值较高的产Ⅸ£5200…】NIOE』134§*04825品,甲酸加^量不能少于缸,反应温度不能低于65屯,二者必须同时达到一定的要求.才能制得高环B2>^口刊E>E>D。此外.谈设计王丕得到环氧值氧值的产品.(y)耐各因素的二次多元同归模型为:(4)催化剂加人量与反应温度的交互作用y=386m025A+0000B一0015Cm035Dm040E一005IAB_0051AE一9194E一004BC十0肿2肋_0033BE+0094CD_0013CF-由.069DE一0043A2_003&酽一n053P一0023肛0呻8UD(反应温度).E(反廊时间)对环氧值的影响由单因紊试验可得.以下是交互项AB、AE、BD,叩,蹦对环氧值的交互作用。(1)双氧水加人量与甲酸加入量的交互作用环氧化反应分两步进行第一步是过氧甲酸环氧剂的圈8Y=f(B。Dl响&曲面目Ⅱ#等毫缱第十八届学术年会暨产品屉示台论文选集分进行,影响产品的环氧值。因此.要想锚得高环氧值的产品.反应温度不能低于65℃.同时反应时间应控制在6-7h内。2.3量佳工艺条件的选择殛模型检验目9v=fIc.D}响应∞Ⅲ目Ⅱ奠等离线由回归模型(※)来预测环氧值最高的工艺条件,利用统计软件D曲ignEI—De町l6分析得封6组环氧值最高的工艺参数.结果见表4。经上述分析按表4列出的6组工艺参数进行试验验证.袁5统计丁按回归模目10YdlD.El响应曲面目&其等育蝗型所预测的6组环氧化工艺参效的验证结果。诙匣应采用硫酸作为催化荆.由图9可知:在催化刺加人量少于n25E时.单独提高反应温度,环氧值稍有降低.这可骓因为随着温度的升高.有少量开环副反应的发生。当反应温匪低于60℃时.催化剂加人量超过n2兔时.环氧值迅速降低,这可能因为在低温条件下.环氧化建度比较缓慢.少量催化剂就可以前足环氧化反应的需要.此时增太催化剂加入量.只会致使原料油发生碘化、碳化.从而降低产物的环氧值。因此.环氧化反应中.要翩备高环氧值的产品催化荆加人量和反应温度都需要控制在一定的范围内。(5)反应温度与反应时问对环氧值的交互作用由图10可知:当反应温度低于65℃时.可能因为环氧化进程缓慢.致使环氧值偏低.因此,可以延长反应时间提高产品的环氧值.但反应时间过长,也会伴随开环剐反应的发生.从而造成环氧值的降低。此外反应时间也不能过短,否则环氧化反应不能充寰4回归蕞壁所惦化的6目■■化I芎参盎一e水加警矬豢蒹蕉篡攀::一e纂琴霉篱薏薰葛蔫纂(g)【g)(s)(%)综合以上单因素试验.响应面试验及预测试验可得.过氧甲酸法制备环氧棕榈油的最佳工艺条件为:m(棕榈油):m(甲酸):m(撕的双氧水)m(催化剂)=30:6:43:0.3.反应温度65t,反应时间6h,在此条”渤嚣黼嚣篇篇了—萄F—磊—、i—雨FiF丽帖删帅舢邶%曲舯舯4目u№匹唧唧蚴“哪¨仙舯蚋椭Ⅻ瞄孽l埘∞黧鬻∞蒿面篙篙㈣i匝围11棒桐油的缸外舳论文选集中国粮油学会油脂分会件下其环氧值最高为3.89%。2.4傅立叶变换红外光谱分析《t脞(2)反应过程中会放出热量.因此要有效控制环氧剂的滴加速度,否则放热过于集中.温度失控,会(1)原料棕榈油的红外光谱图增加副反应.降低产物的环氧值.而且不利于安全操(2)环氧棕榈油的红外光谱图作。(3)用NaOH碱洗时,碱液加量大或NaOH浓度过大,会导致环氧物开环.形成乳液,延长分层时间,并且会影响产品的透明度,但若碱液浓度过低,会使碱洗次数增多。时间增长,因此,要选择适当的披散/em‘碱液浓度。图12环氧棕榈油的红外光谱参考文献由图11和图12可知:在棕榈油的红外谱囤中,:1]胡志国.牡二强高环氧值环氧大豆油制备工艺的研究[J]在3005.10era一处有特征吸收峰.这是C=C双键上C—中国油脂.2008,33(4):32—34H的伸缩振动吸收峰:而在830em。1处无吸收峰,说’2]}Iarry-O'kura’RE.G0rdonbsH.Bisw踞A“AFacile明原料油中没有环氧键存在。在环氧棕榈油的红外谱SynthesisdAminohydroxy%dpnkfmrnNewCropOils图中.3005.10cm。1处的吸收峰消失.而在830cm。处[J]JMmaloftheAmtican咖ChemistsSociety,2005,82出现新的环氧基的不对称伸缩振动吸收峰.从而证明(3):207—212.:3]VaibhavV.Coud.Hmy阴cPradll叽,AnandVPatwardh蛆.C--C双键结构消失.形成了额的环氧基。Ep缸idationdr.一ja(Pongar“a西山Ⅱ)咖byHA【J]3结论】∞“oftheAmetiⅢOilChemistsSociety,2006,83(7):635-640,(1)通过以上试验和分析,得到了制备环氧棕榈[4]高广颍,张玉军,李靖靖,等无溶剂法快速制备环氧大豆油油的最佳工艺条件:投料比m(棕榈油):In(甲酸):m的研究[J]化学工程师.2001.83(2):12一lt(双氧水):m(催化剂)=30:6:43:0.3,反应温度65%,反[5]施赛泉,蒋平平,卢云环保型增塑剂环氧大豆油的生产工艺应时间6h,在此条件下得到产品的环氧值为3.89%,与发展趋势Ⅱ]塑料助剂,2007(3):l一3酸值<05(KOn)/(mg/g),色泽较浅(y:o9;F0)。【6]韩振武.粱学军环氧大豆油无溶剂法告成研究【j]山东化I.2006.35(3):7-9StudyonthePreparationofEpoxyPalmOilwithPeroxyformicAcidMaChuanguoGuoRuihuaZhaIlgKehong(College矿G商n,Oil&Food,ttenanUniversityofTechnology,,刀aengzhou450052,China)Abstract:Inthispaper,theepoxypdmoilwerepreparedusingperoxyformicacid.Theeffectsofvariousinfluencefactors,such∞theamountofformicacid.坶drogenperoxideandcatalyst,reaetiontemperature,reaetmtttimeⅥ∞discussedInaddtion.adoptingtheresponsesurfacemethodology,theoptimumconditionsweredetermined∞follows:massratioof口almoiltoformicacidtohydrogenperoxide(concentration30%)tOcatalyst30:6:43:03,reactiontime6h,temperature65℃.andinthiscondition,itsepoxyvaluew∞3.89%.Keywords:Palmoil,Epoxidation,Pemxyformicacid,Preparation