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        環(huán)保增塑劑檸檬酸三丁酯的催化合成工藝研究

        2012-04-01 01:57:22王百軍
        化工技術(shù)與開發(fā) 2012年10期
        關(guān)鍵詞:丁酯負(fù)載量苯磺酸

        王百軍,程 佳

        (常熟理工學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500)

        鄰苯二甲酸酯是塑料最常用的增塑劑,由于它揮發(fā)性、遷移性和毒性都很大,近年來,發(fā)達(dá)國家已禁止將其用于食品包裝、化妝品、衛(wèi)生用品和玩具等。我國也制定了相關(guān)法規(guī),將逐步淘汰其在相關(guān)行業(yè)的使用。檸檬酸三丁酯(TBC)是一種良好的環(huán)保塑料增塑劑,它已經(jīng)通過美國FDA認(rèn)證,可作為一種無毒、低毒或生物降解性好的新型塑料助劑取代傳統(tǒng)的鄰苯二甲酸酯類增塑劑[1~2]。檸檬酸三丁酯一般是以檸檬酸與正丁醇為原料,在催化劑的作用下合成的[3~4]。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝以濃硫酸為催化劑,該法副反應(yīng)多, 產(chǎn)品純度不高, 設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。鑒于濃硫酸催化酯化的各種弊端,新型催化劑的研究成為檸檬酸三丁酯合成技術(shù)的焦點(diǎn)[5~7]。本文研究以活性炭吸附對(duì)甲苯磺酸作為催化劑合成檸檬酸三丁酯。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 儀器和試劑

        SP-2000A 型氣相色譜儀,JJ-1精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器,ZW阿貝折射儀,DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器,EL204電子天平。

        檸檬酸、正丁醇、活性炭、對(duì)甲苯磺酸(均為化學(xué)純)。蒸餾水(自制)。

        1.2 催化劑的制備

        稱取一定量活性炭,用蒸餾水洗凈粉末,烘至恒重,然后將烘干后的活性炭顆粒在120℃下活化2h,冷卻后加入到25%的對(duì)甲苯磺酸水溶液中, 加熱回流數(shù)小時(shí)后抽濾, 水洗至中性, 活性炭抽干后在110℃下干燥數(shù)小時(shí), 放入干燥器中備用, 使用前經(jīng)110℃活化1h。

        1.3 TBC的制備

        向裝有溫度計(jì)、冷凝器、回流分水器、攪拌器的四口燒瓶中,按一定的摩爾比加入檸檬酸、正丁醇和經(jīng)過活化的催化劑,加熱至一定溫度進(jìn)行反應(yīng),回流至無水珠出現(xiàn)為止。反應(yīng)完畢后冷卻,濾出催化劑,減壓蒸出過量的正丁醇,然后水洗,再分層,油層減壓蒸餾收集178~180℃/400Pa的餾分,得產(chǎn)品TBC。

        1.4 表觀吸附量的計(jì)算

        用移液管量取活性炭浸泡前后的對(duì)甲苯磺酸水溶液各1mL于錐形瓶中分別加入10mL蒸餾水,用0.1mol·L-1的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,計(jì)算表觀吸附量。

        式中:V0——活性炭浸泡前的對(duì)甲苯磺酸水溶液所消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積;

        V——活性炭浸泡后的對(duì)甲苯磺酸水溶液所消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。

        1.5 酯化率的計(jì)算

        反應(yīng)前,在已混合均勻的三口燒瓶中取一定的反應(yīng)液,以酚酞為指示劑,用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定,滴定到微紅且30s不褪色時(shí)為終點(diǎn),記下所消耗的氫氧化鈉溶液的體積。反應(yīng)結(jié)束時(shí),用同樣的方法測(cè)定,并用下式計(jì)算出檸檬酸的酯化率:

        2 結(jié)果與討論

        2.1 酸醇比對(duì)酯化率的影響

        檸檬酸與正丁醇摩爾比理論值為1∶3,但由于酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng),為了提高酯化率,使正丁醇過量,考察反應(yīng)物摩爾比對(duì)酯化率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

        表1 酸醇比對(duì)酯化率的影響

        結(jié)果表明,增加正丁醇的用量,有利于平衡向生成酯的方向進(jìn)行,酯化率提高,并在酸醇比為1∶4.0時(shí)達(dá)到最高,再提高酸醇比則酯化率下降,這是因?yàn)楫?dāng)醇用量過多時(shí),會(huì)有生成醚的副反應(yīng)發(fā)生。因此本反應(yīng)的最佳酸醇摩爾比為1∶4.0。

        2.2 催化劑用量對(duì)酯化率的影響

        為了考察催化劑用量對(duì)酯化率的影響,固定其它反應(yīng)條件,改變催化劑的用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

        表2 催化劑用量對(duì)酯化率的影響

        由表2可知,在一定范圍內(nèi),檸檬酸的酯化率隨催化劑用量的增加而增加,當(dāng)催化劑用量達(dá)到反應(yīng)物總質(zhì)量的2.2%時(shí),繼續(xù)增加催化劑用量,酯化率的增加不明顯;而且在實(shí)驗(yàn)時(shí)還發(fā)現(xiàn),催化劑的用量過多會(huì)造成副反應(yīng)增加,產(chǎn)品顏色加深,并且提高了生產(chǎn)成本。因此,控制催化劑用量為反應(yīng)物總質(zhì)量的2.2%是適宜的。

        2.3 催化劑負(fù)載量對(duì)酯化率的影響

        為了考察催化劑負(fù)載量對(duì)酯化率的影響,固定其它反應(yīng)條件,改變催化劑的負(fù)載量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 催化劑負(fù)載量對(duì)酯化率的影響

        由表3可知,催化劑的負(fù)載量對(duì)酯化率有較大的影響,負(fù)載量增加,催化劑的活性增加, 從而使酯化率增大,當(dāng)負(fù)載量為21.0%時(shí),酯化率達(dá)98.3%,之后再增加負(fù)載量,酯化率增加較小。本實(shí)驗(yàn)選擇催化劑的負(fù)載量為21.0%。

        2.4 反應(yīng)溫度對(duì)酯化率的影響

        為考察檸檬酸三丁酯合成反應(yīng)的最佳溫度,固定其它反應(yīng)條件,改變反應(yīng)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 反應(yīng)溫度對(duì)酯化率的影響

        由表4可知,隨著反應(yīng)溫度的提高,酯化率升高;當(dāng)溫度超過120℃,隨著溫度的升高,酯化率下降,顏色加深。這是因?yàn)闇囟冗^高,平行副反應(yīng)和連副反應(yīng)加速,導(dǎo)致醚類生成和釜液顏色變深,產(chǎn)品質(zhì)量變差,因此控制適宜的反應(yīng)溫度,對(duì)提高產(chǎn)品收率和保證質(zhì)量是非常必要的。本實(shí)驗(yàn)控制反應(yīng)溫度為120℃。

        2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響

        考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響,固定其它實(shí)驗(yàn)條件,改變反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表5。

        表5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化率的影響

        由表5可知,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí),酯化率隨時(shí)間增加而增大,當(dāng)時(shí)間達(dá)到3.0h時(shí)酯化率最大,超過3.0h后,隨時(shí)間增長(zhǎng)酯化率增加緩慢,而且反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致副反應(yīng)增加,產(chǎn)物顏色變深,影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,本實(shí)驗(yàn)適宜的反應(yīng)時(shí)間為3.0h。

        2.6 催化劑重復(fù)利用對(duì)酯化率的影響

        為驗(yàn)證催化劑的使用壽命,在一次酯化反應(yīng)結(jié)束后,將催化劑和產(chǎn)物分離, 烘干后進(jìn)行下一次反應(yīng)。其他條件不變,考察催化劑重復(fù)使用5次對(duì)其催化活性的影響,結(jié)果見表6。

        表6 催化劑重復(fù)利用對(duì)酯化率的影響

        由表6可知,在最佳工藝條件下,經(jīng)過多次重復(fù)使用,催化劑仍保持較高的催化活性,酯化率沒有明顯的變化,說明該催化劑重復(fù)使用的穩(wěn)定性良好,可滿足工業(yè)生產(chǎn)的成本和技術(shù)要求。

        3 結(jié)論

        (1)活性炭負(fù)載對(duì)甲苯磺酸是催化合成檸檬酸三丁酯的良好催化劑,催化劑制作容易,回收方便,酯化率高,無腐蝕設(shè)備問題,產(chǎn)物易純化分離,是一種具有開發(fā)前途的酯化反應(yīng)催化劑。

        (2)以活性炭固載甲苯磺酸為催化劑合成檸檬酸三丁酯的最佳反應(yīng)條件為:酸醇比為1∶4.0,催化劑質(zhì)量濃度為2.2%,催化劑負(fù)載量為21.0%,反應(yīng)溫度為120℃,反應(yīng)時(shí)間3.0h,酯化率可達(dá)98.3%,催化劑可重復(fù)使用。

        [1] 梅允福,李剛.快速發(fā)展無毒檸檬酸三丁酯的生產(chǎn)和應(yīng)用 [J].塑料工業(yè), 2006, 34(4):5-7.

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