CN103111297A - 用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备单硬脂酸甘油酯的带有磁性核壳结构的水滑石类催化剂及其制备方法,该催化剂专用于硬脂酸甲酯与甘油酯交换制备单硬脂酸甘油酯的反应,其磁性核中心为钴铁尖晶石,壳组分为具有层状结构的再水合双金属类水滑石或三金属类水滑石,结构符合通式[M2+ xAl3+ y(OH)2][OH-]2x+3y-2·mH2O,其中M2+为二价金属镁、锌、钙、铜、镍中的一种或两种,x:y为2:1~4:1,其中x为3~8,y为1~3。该固体催化剂高效、无毒、对环境无污染、且反应后与产物分离效果好。
Description
技术领域
本发明属于催化技术领域,尤其涉及一种硬脂酸甲酯与甘油酯交换反应制备具有多功能用途的单硬脂酸甘油酯的催化剂。
背景技术
单硬脂酸甘油酯(简称单甘酯)是一种重要的非离子表面活性剂,具有很好的乳化性能。在食品工业和日用化学品、医药产品的制造中,单甘酯是常用的乳化剂。在纺织工业单甘酯可用作纤维整理剂,柔软剂和上浆剂;在塑料工业,单甘酯可用作PVC的内润滑剂,在高分子加工中,单甘酯用作聚乙烯、聚丙烯、泡沫聚乙烯加工的抗静电剂及增塑剂。
目前单甘酯的工业化生产,多采用甘油与脂肪酸直接酯化和甘油与硬脂酸甲酯酯交换两种工艺路线,催化剂主要采用硫酸、碱金属氢氧化物等均相催化剂,但该工艺路线缺陷明显,产物中单甘酯的含量仅为40%左右,需经分子蒸馏法提纯来得到高纯度的单甘酯,因而大大的增加了生产成本,同时,反应所使用的酸碱均相催化剂,不仅腐蚀设备,排放的酸碱性废液也给环境带来了极大的污染和破坏。
为了满足单甘酯用量日益增加的需求,以较低的成本制备高纯度的单硬脂酸甘油酯成为了该领域研究的重点。专利号为CN1076187的专利申请了一种高纯度单硬脂酸甘油酯的制备方法,该发明以碳酸氢钠和CO2混合物为催化剂,以CO2为保护气体,在高温下进行酯交换反应,并以乙醇为溶剂对产物进行多次分离提纯,得到高纯度的单硬脂酸甘油酯。专利号为CN101914016A的专利申请了一种单硬脂酸甘油酯快速制备的方法,该发明采用微波辐射无溶剂联用有机合成技术,加快了反应速度、简化了反应过程、得到的产品纯度高,但微波技术的使用限制了其工业化应用。专利号为US5316927A的美国专利和专利号为CA2000143A的加拿大专利公开了一种用脂肪酶作为催化剂制备单硬脂酸甘油酯的方法,使用酶做催化剂时具有反应条件温和、目标产物选择性高、产品物质特性好以及对环境无污染的优点,但酶的来源及其成本限制了其工业化应用。
发明内容
本发明目的在于在于介绍一种催化活性高、绿色环保的硬脂酸甲酯和甘油酯交换反应制备单硬脂酸甘油酯用催化剂及其制备方法。
本发明的技术方案为:一种用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂,所述催化剂为磁性核壳结构,为双金属或三金属类水滑石,所述催化剂磁性核中心为钴铁尖晶石,由具有层状结构的前驱物钴铁水滑石煅烧而成,其中前驱物钴铁水滑石组成中金属阳离子Co2+、Fe2+与Fe3+比值为1~3:4~6:1~5;所述壳结构为再水合金属水滑石,结构通式为:[M2+ xAl3+ y(OH)2][OH-]2x+3y-2·mH2O,M2+为二价金属镁、锌、钙、铜、镍中的一种或两种,x:y的比值为2:1~4:1,其中x为3~8,y为1~3。
制备所述的用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂的方法,步骤为:
第一步,制备磁性核中心:按前驱物钴铁水滑石中金属阳离子的比例将对应的水溶性金属盐溶于水中制成混合溶液,恒温30~50℃、搅拌下向混合溶液中逐步滴加NaOH溶液至pH为7,老化、过滤、水洗、干燥,最后700~1000℃下煅烧,得磁性核中心钴铁尖晶石,制成80~100目颗粒备用;
第二步,制备壳结构:按二价阳离子与Al3+摩尔比为2:1~4:1的投料比将对应的水溶性金属盐溶于水中制成总阳离子浓度为1.0~3.0mol/L的混合溶液Ⅰ,将NaOH和Na2CO3按摩尔比为1:1~4:1溶于水中制成总阳离子浓度为2.0~6.0mol/L的混合溶液II,按Co与Al摩尔比为1:2~1:6的比例取第一步得到的钴铁尖晶石固体颗粒加入水中,在搅拌、恒温50~70℃下向其中逐步滴加溶液Ⅰ和溶液II,保持混合溶液pH值为9~11,滴加完毕后,继续搅拌并老化,过滤、水洗至滤液pH为7,干燥后400~550℃下煅烧,取煅烧固体产物与经去CO2处理的去离子水,按固液比为1g:10ml~1g:45ml,在N2保护、60~80℃下搅拌1~3h,过滤,干燥最终制成80~100目颗粒的成品。
第一步中混合溶液的总阳离子浓度为0.4~2.0mol/L。
所述的水溶性金属盐为该金属的硫酸盐、硝酸盐或者氯化盐。
所述的去CO2的水为100℃下煮沸的去离子水或利用超声波快速震荡处理的去离子水。
所述的用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂在硬脂酸甲酯和甘油酯交换制备单硬脂酸甘油酯反应中的应用。
所述的催化剂用量为反应物质量的0.01~0.04。
有益效果:
1.本发明提供的制备单硬脂酸甘油酯的磁性核壳固体催化剂催化活性高,原料硬脂酸甲酯的转化率高,且副产物生成量少,反应后的油脂层中,单硬脂酸甘油酯的质量分数能达到65%~80%。
2.本发明避免了稀有金属和有毒金属的使用,绿色环保而且降低了生产成本。
3.本发明引入磁性核中心钴铁尖晶石,外层包裹的是具有强碱性起催化作用的再水合金属水滑石,可通过外部磁场的作用,使得催化剂易于与反应溶液分离,同时不影响催化剂的活性,降低了因催化剂分离所带来的成本与能耗。
具体实施方式
下面的实施例用来进一步说明本发明而非限制本发明。
一种制备单硬脂酸甘油酯用催化剂,该催化剂专用于硬脂酸甲酯和甘油酯交换制备单硬脂酸甘油酯的反应,所述催化剂为磁性核壳结构的双金属或三金属类水滑石。
上述催化剂磁性核中心为钴铁尖晶石,由具有层状结构的前驱物钴铁水滑石高温煅烧而成,其中前驱物组成中金属阳离子Co2+、Fe2+与Fe3+比值为1~3:4~6:1~5。
上述壳结构的再水合金属水滑石结构通式为:[M2+ xAl3+ y(OH)2][OH-]2x+3y-2·mH2O,M2+为二价金属镁、锌、钙、铜、镍中的一种或两种,x:y的比值为2:1~4:1,其中x为3~8,y为1~3。此处结合水m为不定值。
上述核壳结构的固体催化剂用量为反应物质量的0.01~0.04。
上述的催化剂的制备方法:按金属阳离子Co2+、Fe2+与Fe3+比值为1~3:4~6:1~5的投料比将Co(NO3)2、FeSO4或Fe(NO3)2、Fe2(SO4)3或Fe(NO3)3金属盐溶于水中制成总阳离子浓度为0.4~2.0mol/L的混合溶液,恒温30~50℃、缓慢搅拌下向混合溶液中逐步滴加Na+浓度为0.8~3.0mol/L的NaOH溶液至pH为7,老化4~8h,过滤、水洗3~5次,并在40~80℃下干燥6~10h,所得固体在700~1000℃下煅烧2~5h,得磁性核中心钴铁尖晶石,制成80~100目颗粒,得磁性核中心。按二价阳离子与三价阳离子摩尔比为2:1~4:1的投料比将二价金属盐和三价金属盐溶于水中制成总阳离子浓度为1.0~3.0mol/L的混合溶液Ⅰ,将NaOH和Na2CO3按摩尔比为1:1~4:1溶于水中制成Na+浓度为2.0~6.0mol/L的混合溶液II。按Co与Al摩尔比为1:2~1:6取适量尖晶石固体颗粒加入于其质量8~15倍的水中,在高速搅拌、恒温50~70℃的条件下向其中逐步滴加溶液Ⅰ和溶液Ⅱ,保持混合溶液pH值为9~11,滴加完毕后,继续搅拌0.5~1h,并老化5~8h,过滤、水洗3~5次至滤液pH为7,在40~80℃下干燥6~10h,所得固体在400~550℃下煅烧6~10h。取煅烧固体物与经去CO2处理的去离子水,按固液比为1g:10ml~1g:45ml,在N2保护、60~80℃下搅拌1~3h,过滤,在40~80℃下干燥6~10h,所得固体制成80~100目颗粒。
上述制备金属水滑石的二价金属盐和三价金属盐为该金属的硫酸盐、硝酸盐或者氯化盐,去CO2的水为100℃下煮沸的去离子水或利用超声波快速震荡原理处理的去离子水。
实施例1:
称取Co(NO3)2·6H2O4.54g,FeSO4·7H2O7.23g,Fe2(SO4)3·7H2O4.16g溶于65ml水中,在40℃、缓慢搅拌下逐步滴加1.5mol/L的NaOH溶液至pH为7,老化4h,过滤,水洗3次,在60℃下干燥6h,并在900℃下煅烧2h,得钴铁尖晶石,制成80目颗粒。称取Mg(NO3)2·6H2O31.05g,Al(NO3)3·9H2O11.25g溶于100ml水中制成溶液Ⅰ,称取NaOH13.2g,Na2CO310.60g溶于100ml水中制成溶液Ⅱ,称取钴铁尖晶石1.82g以及100ml水于四颈烧瓶中,在高速搅拌、60℃下,向烧瓶中同时滴加溶液Ⅰ和溶液Ⅱ,并保持pH值为9.5,滴加完毕继续搅拌0.5h,老化6h,过滤、水洗5次至滤液pH值为7,在70℃下干燥10h,然后在500℃下煅烧8h。取煅烧产物6g,经100℃煮沸的去离子水150ml,趁热同时加入到三颈烧瓶中,在80℃、N2保护下搅拌反应2h,过滤、60℃下干燥8h,得磁性核壳结构再水合镁铝水滑石催化剂,制成80目颗粒。
将7.46g硬脂酸甲酯、13.82g甘油、0.43g上述制备的催化剂加入到装有温度计、氮气导管、机械搅拌、Dean-Stark装置的100ml圆底烧瓶中,通入氮气保护,体系温度升至180℃,Dean-Stark装置冷凝回流收集副产物甲醇,反应6h,用磁铁吸附瓶底促进甘油和油脂分层,取上层油脂层0.4g,溶于100ml氯仿中,取25ml溶液于碘量瓶中用高碘酸滴定法测定,油脂层中单硬脂酸甘油酯质量分数为67.2%。
实施例2:
称取Co(NO3)2·6H2O4.54g,FeSO4·7H2O7.23g,Fe2(SO4)3·7H2O4.16g溶于65ml水中,在40℃、缓慢搅拌下逐步滴加1.5mol/L的NaOH溶液至pH为7,老化4h,过滤,水洗3次,在60℃下干燥6h,并在900℃下煅烧2h,得钴铁尖晶石,制成80目颗粒。称取ZnSO4·7H2O14.38g,Mg(NO3)2·6H2O25.87g,Al(NO3)3·9H2O11.25g溶于100ml水中制成溶液Ⅰ,称取NaOH13.2g,Na2CO310.60g溶于100ml水中制成溶液II,称取钴铁尖晶石1.82g以及100ml水于四颈烧瓶中,在高速搅拌、60℃下,向烧瓶中同时滴加溶液Ⅰ和溶液II,并保持pH值为9.5,滴加完毕继续搅拌0.5h,老化6h,过滤、水洗5次至滤液pH值为7,在70℃下干燥10h,然后在500℃下煅烧8h。取煅烧产物6g,经100℃煮沸的去离子水150ml,趁热同时加入到三颈烧瓶中,在80℃、N2保护下搅拌反应2h,过滤、60℃下干燥8h,得磁性核壳结构再水合锌镁铝水滑石催化剂,制成80目颗粒。
将7.46g硬脂酸甲酯、13.82g甘油、0.43g上述制备的催化剂加入到装有温度计、氮气导管、机械搅拌、Dean-Stark装置的100ml圆底烧瓶中,通入氮气保护,体系温度升至180℃,Dean-Stark装置冷凝回流收集副产物甲醇,反应6h,用磁铁吸附瓶底促进分层,取上层油脂层0.4g,溶于100ml氯仿中,取25ml溶液于碘量瓶中用高碘酸滴定法测定,油脂层中单硬脂酸甘油酯质量分数为71.4%。
实施例3:
称取Co(NO3)2·6H2O4.54g,FeSO4·7H2O7.23g,Fe2(SO4)3·7H2O4.16g溶于65ml水中,在40℃、缓慢搅拌下逐步滴加1.5mol/L的NaOH溶液至pH为7,老化4h,过滤,水洗3次,在60℃下干燥6h,并在900℃下煅烧2h,得钴铁尖晶石,制成80目颗粒。称取CaSO4·2H2O8.61g,Mg(NO3)2·6H2O25.87g,Al(NO3)3·9H2O11.25g溶于100ml水中制成溶液Ⅰ,称取NaOH13.2g,Na2CO310.60g溶于100ml水中制成溶液II,称取钴铁尖晶石1.82g以及100ml水于四颈烧瓶中,在高速搅拌、60℃下,向烧瓶中同时滴加溶液Ⅰ和溶液Ⅱ,并保持pH值为9.5,滴加完毕继续搅拌0.5h,老化6h,过滤、水洗5次至滤液pH值为7,在70℃下干燥10h,然后在500℃下煅烧8h。取煅烧产物6g,经100℃煮沸的去离子水150ml,趁热同时加入到三颈烧瓶中,在80℃、N2保护下搅拌反应2h,过滤、60℃下干燥8h,得磁性核壳结构再水合钙镁铝水滑石催化剂,制成80目颗粒。
将7.46g硬脂酸甲酯、13.82g甘油、0.43g上述制备的催化剂加入到装有温度计、氮气导管、机械搅拌、Dean-Stark装置的100ml圆底烧瓶中,通入氮气保护,体系温度升至180℃,Dean-Stark装置冷凝回流收集副产物甲醇,反应6h,用磁铁吸附瓶底促进分层,取上层油脂层0.4g,溶于100ml氯仿中,取25ml溶液于碘量瓶中用高碘酸滴定法测定,油脂层中单硬脂酸甘油酯质量分数为60.5%。
Claims (7)
1.一种用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂,所述催化剂为磁性核壳结构,其特征在于:为双金属或三金属类水滑石,所述催化剂磁性核中心为钴铁尖晶石,由具有层状结构的前驱物钴铁水滑石煅烧而成,其中前驱物钴铁水滑石组成中金属阳离子Co2+、Fe2+与Fe3+比值为1~3:4~6:1~5;所述壳结构为再水合金属水滑石,结构通式为:[M2+ xAl3+ y(OH)2][OH-]2x+3y-2·mH2O,M2+为二价金属镁、锌、钙、铜、镍中的一种或两种,x:y的比值为2:1~4:1,其中x为3~8,y为1~3。
2.制备权利要求1所述的用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂的方法,其特征在于:步骤为:
第一步,制备磁性核中心:按前驱物钴铁水滑石中金属阳离子的比例将对应的水溶性金属盐溶于水中制成混合溶液,恒温30~50℃、搅拌下向混合溶液中逐步滴加NaOH溶液至pH为7,老化、过滤、水洗、干燥,最后700~1000℃下煅烧,得磁性核中心钴铁尖晶石,制成80~100目颗粒备用;
第二步,制备壳结构:按二价阳离子与Al3+摩尔比为2:1~4:1的投料比将对应的水溶性金属盐溶于水中制成总阳离子浓度为1.0~3.0mol/L的混合溶液Ⅰ,将NaOH和Na2CO3按摩尔比为1:1~4:1溶于水中制成总阳离子浓度为2.0~6.0mol/L的混合溶液Ⅱ,按Co与Al摩尔比为1:2~1:6的比例取第一步得到的钴铁尖晶石固体颗粒加入水中,在搅拌、恒温50~70℃下向其中逐步滴加溶液Ⅰ和溶液Ⅱ,保持混合溶液pH值为9~11,滴加完毕后,继续搅拌并老化,过滤、水洗至滤液pH为7,干燥后400~550℃下煅烧,取煅烧固体产物与经去CO2处理的去离子水,按固液比为1g:10ml~1g:45ml,在N2保护、60~80℃下搅拌1~3h,过滤,干燥最终制成80~100目颗粒的成品。
3.根据权利要求2所述的制备用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂的方法,其特征在于,第一步中混合溶液的总阳离子浓度为0.4~2.0mol/L。
4.根据权利要求2所述的制备用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂的方法,其特征在于,所述的水溶性金属盐为该金属的硫酸盐、硝酸盐或者氯化盐。
5.根据权利要求2所述的制备用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂的方法,其特征在于,所述的去CO2的水为100℃下煮沸的去离子水或利用超声波快速震荡处理的去离子水。
6.权利要求1所述的用于单硬脂酸甘油酯合成的催化剂在硬脂酸甲酯和甘油酯交换制备单硬脂酸甘油酯反应中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,所述的催化剂用量为反应物质量的0.01~0.04。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130522 |