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        螯合劑N,N'-哌嗪二硫代氨基甲酸鹽制備收率提高的方法研究

        2020-04-07 09:59:30王祥靜王藝霖張恭孝
        山東化工 2020年5期
        關(guān)鍵詞:二硫化碳氫氧化鉀哌嗪

        王祥靜,王 巖,王藝霖,張恭孝

        (山東第一醫(yī)科大學(xué) 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,山東 泰安 271016)

        N,N'-哌嗪二硫代氨基甲酸鹽(簡稱BPD)作為一種新型的重金屬離子捕集劑,具有分子量大小適中,分子空間結(jié)構(gòu)合理等特點(diǎn),對重金屬離子的捕集螯合效率和沉降性能效果明顯,同時(shí)具有氣味小、不釋放有毒氣體、不產(chǎn)生二次污染,環(huán)保性能好、效率高、操作安全等優(yōu)點(diǎn),適用于重金屬離子廢水的處理,以及生活垃圾焚燒飛灰和醫(yī)療垃圾焚燒飛灰的重金屬固化等[1-3]。目前,N,N'-哌嗪二硫代氨基甲酸鹽的研究報(bào)道主要有:李潤濤等[4]提出了在無水磷酸鉀存在下,伯胺、仲胺和哌嗪與二硫化碳和不同的鹵代烴于室溫反應(yīng),生成氨基二硫代甲酸酯的合成方法。李日東等[5]對在強(qiáng)堿條件下、弱堿條件下合成氨基二硫代甲酸酯類化合物的方法進(jìn)行了綜述。崔元臣等[6]對近50年來雙-(二硫代酯基)哌嗪類化合物的合成方法、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了歸納比較。付豐連[7]提出了以哌嗪、固體氫氧化鈉、特種溶劑為原料,在0~10℃條件下與二硫化碳反應(yīng)制備BPD的方法。熊亞等[8]提出了將無水哌嗪和固體氫氧化鈉加入異丙醇和乙醚的混合溶劑中、滴加二硫化碳反應(yīng)合成重金屬沉淀劑的方法。阿山義則等[9]提出了以正己烷等溶劑為疏水性溶劑、使哌嗪與二硫化碳和堿金屬氫氧化物在水溶液中混合、反應(yīng)的哌嗪二硫代羧酸鹽的合成方法。這些合成方法存在的問題主要有:(1)反應(yīng)時(shí)間長,僅合成反應(yīng)就需要6~8 h;(2)原料配比不合理,特別是二硫化碳過量較多;(3)產(chǎn)品收率低,產(chǎn)品貯存穩(wěn)定性差等。

        為解決BPD合成中反應(yīng)時(shí)間長、收率低、反應(yīng)不充分等不足,并提高產(chǎn)品收率,本研究擬選用有機(jī)堿四甲基胍為催化劑,哌嗪、二硫化碳、氫氧化鉀水溶液為原料,優(yōu)化反應(yīng)條件,形成一種N,N'-哌嗪二硫代氨基甲酸鹽制備收率提高的方法,產(chǎn)品收率可達(dá)96%以上。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑

        哌嗪(分析純,工業(yè)級),氫氧化鉀(分析純,工業(yè)級),二硫化碳(分析純,工業(yè)級),四甲基胍(分析純)。

        1.2 主要儀器

        GR-202電子分析天平,日本AND公司;B700-600M型蠕動恒流泵,保定蘭格恒流泵有限公司;90-4數(shù)顯控溫磁力攪拌器,上海振榮科學(xué)技術(shù)有限公司;ARDll0型精密稱重儀器,上海澳豪斯國際貿(mào)易有限公司生產(chǎn);601-A型超級數(shù)顯恒溫水浴,上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);LC-10AT型日本島津高效液相色譜儀,島津儀器蘇州有限公司;HS-3CpH計(jì),上海雷磁儀器廠;NSHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長城技工貿(mào)有限公司。

        1.3 實(shí)驗(yàn)原理

        在有機(jī)堿四甲基胍催化下,哌嗪與二硫化碳、氫氧化鉀反應(yīng)生成哌嗪-N,N-雙二硫代氨基甲酸鉀鹽。反應(yīng)方程式:

        該反應(yīng)屬親核加成反應(yīng),在強(qiáng)有機(jī)堿四甲基胍及強(qiáng)無機(jī)堿氫氧化鉀體系中,哌嗪的仲胺與氫氧根離子作用生成仲胺負(fù)離子,仲胺負(fù)離子進(jìn)攻二硫化碳碳硫基上的碳原子形成碳負(fù)離子中間體,然后與帶正電的鉀離子作用,得到目標(biāo)產(chǎn)品重螯合劑BPD。

        1.4 實(shí)驗(yàn)方法

        在裝有溫度計(jì)、回流冷凝管及滴液漏斗的500 mL四口燒瓶中加入50 mL水,水浴加熱升溫至30℃開啟攪拌,加入無水哌嗪16.5 g、催化劑四甲基胍0.11 g, 攪拌20 min待哌嗪全部溶解后,立即向四口燒瓶中加入48%KOH溶液43.5 g,繼續(xù)攪拌15 min;用冰水將四口燒瓶內(nèi)溫度降至20℃以下,自裝入29.6 g二硫化碳的滴液漏斗(漏斗內(nèi)水位不低于10 mm)中向四口燒瓶滴加二硫化碳,滴加時(shí)間約為50 min,二硫化碳滴加過程中保持燒瓶中反應(yīng)溫度為22~30℃。二硫化碳滴加完畢,用水浴加熱升溫至58~60℃繼續(xù)攪拌反應(yīng)60 min。反應(yīng)結(jié)束,取樣,分析BPD含量,計(jì)算收率96.5%。

        1.5 實(shí)驗(yàn)影響因素分析

        1.5.1 原料哌嗪的溶解及堿液KOH的加入

        哌嗪在水中的溶解是一個(gè)物理過程,但由于哌嗪在水中的溶解度不高,溶解后,如果不及時(shí)加入KOH溶液,哌嗪很快就會以六水哌嗪的結(jié)構(gòu)形式從溶液中析出,需要再次加水才能保證六水哌嗪全部溶解。實(shí)驗(yàn)中加入的哌嗪與水的比例略低于常溫下哌嗪的溶解度;但如果水量加入過多,反應(yīng)體系中的哌嗪、KOH濃度會很低,影響與二硫化碳的反應(yīng)。因此,操作中30℃溶解哌嗪,一旦觀察到哌嗪全部溶解,需要立即向溶液中加入KOH溶液,以保證不會析出六水哌嗪晶體,影響與二硫化碳的滴加反應(yīng);同時(shí)使哌嗪和KOH保持在較高濃度,加快反應(yīng),減少副反應(yīng)從而提高目標(biāo)產(chǎn)品收率。

        1.5.2 反應(yīng)溫度

        反應(yīng)溫度過高,造成二硫化碳損耗太大,導(dǎo)致投料中必須加大二硫化碳的比例;反應(yīng)溫度過低,哌嗪與氫氧化鉀溶液、二硫化碳反應(yīng)速度慢。為保證反應(yīng)盡量完全,同時(shí)減少二氧化硫的損失,采取分階段控制反應(yīng)溫度。開始滴加二硫化碳時(shí),控制反應(yīng)溫度為22~30℃,50 min內(nèi)二硫化碳全部滴加完成。滴加完成后,水浴加熱升溫至55~60℃,繼續(xù)攪拌反應(yīng)60 min,完成反應(yīng),得到目標(biāo)產(chǎn)品BPD。

        2 BDP中試生產(chǎn)

        2.1 中試生產(chǎn)工藝流程

        在實(shí)驗(yàn)小試對工藝條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上,為降低二硫化碳的損失量,中試中將反應(yīng)中過量的二硫化碳?xì)怏w用KOH溶液吸收,再將吸收二硫化碳后的堿液升溫進(jìn)行二次反應(yīng),以提高二硫化碳的利用率,為此設(shè)計(jì)中試生產(chǎn)示意圖如圖1。

        圖1 中試生產(chǎn)示意圖

        先將去離子水、哌嗪、催化劑四甲基胍加入第一合成釜溶解,再加入48%KOH,從二硫化碳高位槽向第一合成釜滴加二硫化碳,進(jìn)行一次反應(yīng),一次反應(yīng)溫度控制在30℃左右。未冷凝下來的二硫化碳用24%KOH吸收,與一次反應(yīng)后的混合液一起壓入第二反應(yīng)釜進(jìn)行二次反應(yīng),二次反應(yīng)溫度控制在60℃左右,物料在第二合成釜反應(yīng)完畢,檢測合格,降溫至常溫壓入成品貯罐。

        2.2 中試生產(chǎn)過程

        (1)備料:將35 kg溫度為30℃熱水計(jì)量后用真空吸入第一合成釜,開啟攪拌, 并向釜內(nèi)加入無水哌嗪11 kg、催化劑四甲基胍0.072 kg,攪拌溶解。攪拌20 min后,將29 kg濃度為48%的KOH溶液加入第一合成釜,繼續(xù)攪拌25 min。向堿液吸收罐內(nèi)加入3.6 kg濃度為24%的KOH溶液,用壓縮空氣將19.8 kg二硫化碳壓入二硫化碳計(jì)量槽(必須保證計(jì)量槽內(nèi)水的高度不低于20 mm)。

        (2)一次反應(yīng):以液體乙二醇作為冷卻液體,開始向第一合成釜滴加二硫化碳。二硫化碳滴加過程中保持合成釜內(nèi)反應(yīng)溫度為28℃,二硫化碳滴加時(shí)間50 min,未反應(yīng)逸出的二硫化碳?xì)怏w用3.6 kg的24%KOH溶液吸收,用于二次反應(yīng)。二硫化碳滴加完畢,升溫至30℃,繼續(xù)攪拌反應(yīng)30 min后,將堿液吸收罐內(nèi)的物料全部放入第一合成釜,攪拌15 min。

        (3)二次反應(yīng):用壓縮空氣將第一合成釜內(nèi)物料全部壓入第二合成釜,將釜內(nèi)物料加熱升溫到60℃,進(jìn)行二次反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間50 min;取樣檢測,計(jì)算BPD產(chǎn)品的含量,當(dāng)產(chǎn)品含量超過40%后,用壓縮空氣自第二合成釜通過精密過濾器(過濾精度2~10 μm)壓入成品中間貯罐。

        2.3 產(chǎn)品收率及規(guī)格

        制備的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)如表1。

        表1 BPD產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

        中試生產(chǎn),以連續(xù)三批投料得到的BPD來計(jì)算收率,并考慮未冷凝下來的二硫化碳用24%KOH吸收后的物料再次回用,BPD的平均收率96.1%。

        2.4 中試結(jié)果分析

        選定在(30±2)℃條件下溶解哌嗪,得到較高濃度的哌嗪溶液;選用強(qiáng)堿性有機(jī)化合物四甲基胍為催化劑,協(xié)同無機(jī)強(qiáng)堿KOH在配合其它操作條件,加快了高濃度哌嗪液與KOH溶液、二硫化碳反應(yīng)速度,縮短反應(yīng)時(shí)間。

        一次反應(yīng)采用在反應(yīng)溫度為28℃時(shí)滴加,減少二硫化碳的逸出量,同時(shí)用堿液吸收槽吸收未冷凝排出的二硫化碳?xì)怏w;二次反應(yīng), 加入堿液吸收槽吸收的未反應(yīng)二硫化碳的堿液,在(60±2)℃時(shí)與一次反應(yīng)的料液繼續(xù)反應(yīng),兩次反應(yīng),少量未反應(yīng)的二硫化碳幾乎全部參加反應(yīng), 提高了二硫化碳的利用率, 避免了在使用該品去除重金屬離子的操作中因產(chǎn)品含有極少量的二硫化碳與其它物質(zhì)反應(yīng)生成硫化氫等有毒物質(zhì)造成人員中毒。

        3 生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新

        (1)采用有機(jī)堿四甲基胍為催化劑,對無機(jī)堿氫氧化鉀的反應(yīng)具有協(xié)同作用,能加快哌嗪與二硫化碳、氫氧化鉀的反應(yīng)速度,縮短反應(yīng)時(shí)間。

        (2)分階段控制反應(yīng)溫度,一次反應(yīng)溫度為(30±2)℃,逸出的二硫化碳?xì)怏w在堿液槽用氫氧化鉀吸收;二次反應(yīng)溫度(60±2)℃,加入吸收了二硫化碳?xì)怏w的堿液,與N-哌嗪硫代氨基甲酸鉀、二硫化碳等繼續(xù)反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)品。

        (3)在一次反應(yīng)釜底部增設(shè)循環(huán)泵,在滴加原料二硫化碳的同時(shí),開啟循環(huán)泵,與反應(yīng)設(shè)備攪拌器形成攪拌協(xié)同作用,強(qiáng)化了物料混合的程度,促進(jìn)了傳熱傳質(zhì),反應(yīng)效果好。

        (4)中試制備的產(chǎn)品BPD平均收率提高到96%以上,產(chǎn)品成本降低,可顯著提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

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