CN103805155A - 磺酸盐型生物质表面活性剂及其合成方法 - Google Patents

磺酸盐型生物质表面活性剂及其合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机化合物合成领域，具体地，涉及一种基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂及其合成方法。城市餐厨垃圾废弃油脂主要成分为脂肪酸甲酯，基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂由以下步骤制备：脂肪酸烷醇酰胺的制备，磺丙基化反应；所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂，应用于石油开采领域。本发明合成的磺酸盐型生物质表面活性剂具有较好的表面活性、界面活性，无毒、无害、可降解，对环境和地层伤害均较小，可替代传统石化柴油基表面活性剂，同时实现了城市餐厨垃圾的资源化综合利用、提高附加值的目的，应用前景良好；另外该合成反应条件温和、制备工艺简单、工艺合理，适于规模化生产；该剂用于石油开采中化学驱油体系的洗油剂，提高洗油效果，从而提高原油采收率。

Description

磺酸盐型生物质表面活性剂及其合成方法
技术领域
本发明属于有机化合物合成领域，具体地，涉及一种基于餐厨垃圾废弃油脂中主要成分为脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂及其合成方法，并应用于石油开采。
背景技术
我国城市餐厨垃圾中每年产生废弃油脂约400～600万吨，废弃油脂部分流入江河，白白浪费掉且污染水体；另外相当一部分被加工成“精炼油”回流餐桌，对我国食品安全构成严重威胁。而从餐厨废弃油脂中制备出的脂肪酸甲酯，由于其具有储存稳定性好、沸点低、分馏容易、腐蚀性小等优点而被广泛用做柴油机燃料。除此之外，随着人们对脂肪酸甲酯的深入研究，其用途也在不断扩大，最主要的用途是作为生产表面活性剂的中间体原料，以此为基础开发出系列无毒、无害、可降解的“生物基表面活性剂”是石化柴油基表面活性剂的理想替代品，具有优良的环保特性。
以脂肪酸甲酯为基础合成的表面活性剂产品种类很多，通过磺化中和生产脂肪酸甲酯磺酸盐(MES)，与乙二醇胺热缩合反应生产烷醇酰胺等。脂肪酸甲酯磺酸盐属于磺酸盐阴离子型表面活性剂，其耐温抗盐效果均较好，且磺酸盐型表面活性剂在三次采油过程中应用较广泛，CN101759612A公开了一种以硬脂酸甲酯为原料，在多管膜反应容器上以SO3气体进行磺化制备脂肪酸甲酯磺酸盐表面活性剂的制备工艺，但是其合成过程中反应器要求较高且SO3磺化剂具有一定的毒性。CN101774936A公开了一种以脂肪酸酯为基础制备烷醇酰胺的工艺，尽管其制备工艺简单、能耗低，且烷醇酰胺的泡沫稳定性好，具有乳化、润湿等功能，但因其属于非离子型表面活性剂，耐温性能一般，限制了其使用的范围，而且其合成过程中副反应较多，收率较低，反应产物提纯较困难。因此综合考虑烷醇酰胺合成反应的优缺点和磺酸盐型表面活性剂广泛应用，以脂肪酸甲酯为基础，开发出反应条件温和、制备工艺简单、耐温抗盐效果较好的可以用于三次采油的新型磺酸盐型表面活性剂的合成工艺具有重要的意义，并具有广泛的应用前景及实用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂及其合成方法，该表面活性剂采用餐厨废弃油脂中制备出的脂肪酸甲酯为原料进而合成出生物质表面活性剂，属于新型绿色环保表面活性剂。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂，其特征在于，分子通式为：
Figure BDA0000463097060000021
其中，R为C11～C17的烷烃基。
所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，合成路线如下：
Figure BDA0000463097060000022
Figure BDA0000463097060000031
具体包括以下步骤：
1)脂肪酸烷醇酰胺的制备
2)磺丙基化反应。
所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的应用，应用于石油开采领域。
相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明合成的磺酸盐型生物质表面活性剂具有较好的表面活性，质量分数为0.3%的表面活性剂溶液在25℃下的表面张力为25mN/m左右。
2、本发明合成的磺酸盐型表面活性剂具有较好的界面活性，在50℃、7×104mg/L矿化度条件下，质量分数为0.3%的表面活性剂溶液与陆梁原油的界面张力可达到2.35×10-3mN/m，在三次采油中可以有效提高洗油效率，提高原油采收率。
3、本发明合成的表面活性剂为生物质表面活性剂，无毒、无害、可降解，对环境和地层伤害均较小,可替代传统石化柴油基表面活性剂，同时实现了城市餐厨垃圾的资源化综合利用的目标。
4、本发明合成的表面活性剂成本低，且满足城市餐厨垃圾的资源化综合利用，意义深远，具有良好的应用前景。
5、本发明的合成方法，反应条件温和、制备工艺简单、工艺合理，适于规模化生产。
6、本发明的磺酸盐型生物质表面活性剂用于石油开采中的化学驱的驱油体系，能与地下原油形成10-3mN/m数量级的超低界面张力，达到最佳的驱油效果。在50℃、7×104mg/L矿化度的油藏条件下能与原油形成10-3mN/m数量级的超低界面张力，从而达到洗油的效果，提高采收率11.9%左右，取得了较好的驱油效果。
附图说明
图1为基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成装置示意图。
图中：1、集热式恒温磁力搅拌器，2、三口烧瓶，3、分水器，4、冷凝管，5、温度计，6、磁力转子。
图2为实施例一中N-月桂酰胺-N,N-二乙氧基丙基磺酸钠表面活性剂的红外光谱图。
图3为实施例一中N-月桂酰胺-N,N-二乙氧基丙基磺酸钠表面活性剂的核磁共振谱图。
具体实施方式
基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂，其分子通式为：
Figure BDA0000463097060000041
其中，R为C11～C17的烷烃基。
上述基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其合成路线是：
Figure BDA0000463097060000042
该合成方法，具体包括以下步骤：
1)脂肪酸烷醇酰胺的制备
将脂肪酸甲酯与二乙醇胺按摩尔比为1:1.05～1:1.15混合于装有磁力转子6、冷凝管4、温度计5的三口烧瓶2中，向三口烧瓶中加入占总反应物(脂肪酸甲酯和二乙醇胺的质量之和)质量0.6%～0.8%的催化剂氢氧化钠，然后将烧瓶置于油浴中加热至110℃～130℃搅拌反应4h～6h，最后旋蒸干燥冷却后得到脂肪酸烷醇酰胺。
三口烧瓶2是有机物质合成反应常用的玻璃容器，其通常具有圆肚细颈的外观，它有三个口，一个边口安装分水器3和冷凝管4，将蒸发出来的蒸汽冷凝成液体再回流到反应体系中，避免反应液体被蒸干；中间的口用橡皮塞密封，防止溶液溅出或减少溶液的蒸发；另一边口安装温度计5，记录反应温度。加入反应物料后向其中加入磁力转子6，反应过程中将其置于集热式恒温磁力搅拌器1中，可以实现边搅拌边反应。
上述脂肪酸甲酯的结构式为CnH2n+1COOCH3，n=11～17。
2)磺丙基化反应
先将丙磺酸内酯溶于四氢呋喃中，然后按照烷醇酰胺与丙磺酸内酯为1.02:2～1.05:2的摩尔比向其中加入脂肪酸烷醇酰胺，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中(三口烧瓶同步骤1中的三口烧瓶)，向三口烧瓶中加入占总反应物质量(脂肪酸烷醇酰胺和丙磺酸内酯的质量之和)1.0%～1.5%的催化剂氢氧化钠，加热至回流温度(66℃，四氢呋喃的沸点温度），搅拌反应12～16h后，旋蒸干燥冷却后得到N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基脂肪酰胺表面活性剂。
下面实施例中，表面张力测定条件为：测定温度25℃、质量分数为0.3%；界面张力测定条件为：测定温度50℃、矿化度7×104mg/L、原油为陆梁原油、质量分数为0.3%。
实施例一
将21.43g月桂酸甲酯(C11H23COOCH3，0.1摩尔)与11.04g二乙醇胺(0.105摩尔)混合于装有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.20g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为0.62%)，将烧瓶置于油浴中加热至110℃，搅拌反应5h后，旋蒸干燥冷却后得到24.21g月桂酸烷醇酰胺，收率为84.24%。
将12.20g丙磺酸内酯(0.1摩尔)溶于一定体积的四氢呋喃中，然后向其中加入月桂酸烷醇酰胺14.66g(0.051摩尔)，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.27g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为1.00%)，加热至回流温度，搅拌反应16h后，旋蒸干燥冷却后得到14.42g N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基月桂酰胺磺酸盐表面活性剂，收率为54.25%。
本实施例得到的产物表面张力为25.82mN/m，界面张力为2.65×10-3mN/m。
本实施例得到的产物红外谱图如附图2所示，由谱图解析可知：3399.71cm-1处为磺酸基的O-H的吸收峰；2924.94cm-1、2853.89cm-1处为—CH3、—CH2的伸缩振动峰；1620.61cm-1处为羰基的伸缩振动吸收峰；1462.70cm-1、1417.42cm-1处为—CH3、—CH2的弯曲振动吸收峰；1347.15cm-1处为酰胺—CON的特征吸收峰；1167.72cm-1处为醚键C—O—C的吸收峰；1192.61cm-1、1041.09cm-1处为SO3的特征吸收峰。
在长度为10cm，直径为2.5cm，渗透率为0.4μm2的岩心上模拟驱油实验。先用陆梁油田注入水驱至含水98%，转注0.3PV(岩心孔隙体积）浓度为0.3%的本实施例所制备的表面活性剂(N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基月桂酰胺磺酸盐表面活性剂)，水驱至含水100%，可以在水驱的基础上提高原油采收率11.9%左右。
实施例二
将21.43g月桂酸甲酯(C11H23COOCH3，0.1摩尔)与11.56g二乙醇胺(0.11摩尔)混合于装有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.231g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为0.70%)，将烧瓶置于油浴中加热至120℃，搅拌反应5h后，旋蒸干燥冷却后得到24.55g月桂酸烷醇酰胺，收率为85.41%。
将12.20g丙磺酸内酯(0.1摩尔)溶于一定体积的四氢呋喃中，然后向其中加入月桂酸烷醇酰胺15.09g(0.0525摩尔)，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.33g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为1.21%)，加热至回流温度，搅拌反应12h后，旋蒸干燥冷却后得到13.45g N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基月桂酰胺磺酸盐表面活性剂，收率为50.62%。
本实施例得到的产物表面张力为26.12mN/m，界面张力为2.83×10-3mN/m。
实施例三
将24.23g豆蔻酸甲酯(C13H27COOCH3，0.1摩尔)与12.09g二乙醇胺(0.115摩尔)混合于装有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.22g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为0.61%)，将烧瓶置于油浴中加热至130℃，搅拌反应6h后，旋蒸干燥冷却后得到24.75豆蔻酸烷醇酰胺，收率为78.45%。
将12.20g丙磺酸内酯(0.1摩尔)溶于一定体积的四氢呋喃中，然后向其中加入豆蔻酸烷醇酰胺16.40g(0.052摩尔)，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.42g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为1.47%)，加热至回流温度，搅拌反应14h后，旋蒸干燥冷却后得到16.82g N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基豆蔻酰胺磺酸盐表面活性剂，收率为60.12%。
本实施例得到的产物表面张力为25.21mN/m，界面张力为2.73×10-3mN/m。
实施例四
将27.03g棕榈酸甲酯(C15H31COOCH3，0.1摩尔)与11.04g二乙醇胺(0.105摩尔)混合于装有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.30g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为0.78%)，将烧瓶置于油浴中加热至110℃，搅拌反应5h后，旋蒸干燥冷却后得到26.91g棕榈酸烷醇酰胺，收率为80.71%。
将12.20g丙磺酸内酯(0.1摩尔)溶于一定体积的四氢呋喃中，然后向其中加入棕榈酸烷醇酰胺17.52g(0.051摩尔)，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.39g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为1.31%)，加热至回流温度，搅拌反应16h后，旋蒸干燥冷却后得到17.27g N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基棕榈酰胺磺酸盐表面活性剂，收率为58.80%。
本实施例得到的产物表面张力为25.45mN/m，界面张力为2.62×10-3mN/m。
实施例五
将29.83g硬脂酸甲酯(C17H35COOCH3，0.1摩尔)与11.04g二乙醇胺(0.105摩尔)混合于装有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.32g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为0.78%)，将烧瓶置于油浴中加热至120℃，搅拌反应4h后，旋蒸干燥冷却后得到30.67g硬脂酸烷醇酰胺，收率为82.58%。
将12.20g丙磺酸内酯(0.1摩尔)溶于一定体积的四氢呋喃中，然后向其中加入硬脂酸烷醇酰胺19.13g(0.0515摩尔)，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入0.44g氢氧化钠(占总反应物的质量百分比为1.40%)，加热至回流温度，搅拌反应15h后，旋蒸干燥冷却后得到17.27gN,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基硬脂酰胺磺酸盐表面活性剂，收率为56.12%。
本实施例得到的产物表面张力为26.03mN/m，界面张力为2.92×10-3mN/m。

Claims (10)

1.一种基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂，其特征在于，分子通式为： 
Figure FDA0000463097050000011
其中，R为C11～C17的烷烃基。 
2.权利要求1所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，合成路线是： 
Figure FDA0000463097050000012
。
3.根据权利要求2所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，该合成方法具体包括以下步骤： 
1)脂肪酸烷醇酰胺的制备 
2)磺丙基化反应。 
4.根据权利要求3所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，脂肪酸烷醇酰胺的制备的具体方法如下：将脂肪酸甲酯与二乙醇胺按摩尔比为1:1.05～1:1.15混合于装有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入占总反应物质量0.6%～0.8%的催化剂氢氧化钠，然后将烧瓶置于油浴中加热至110℃～130℃搅拌反应4h～6h，最后旋蒸干燥冷却后得到脂肪酸烷醇酰胺，上述总反应物为脂肪酸甲酯和二乙醇胺之和。 
5.根据权利要求3-4所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，磺丙基化反应的具体方法如下： 先将丙磺酸内酯溶于四氢呋喃中，然后按照烷醇酰胺与丙磺酸内酯为1.02:2～1.05:2的摩尔比向其中加入脂肪酸烷醇酰胺，充分溶解后装入连有磁力转子、冷凝管、温度计的三口烧瓶中，向三口烧瓶中加入占总反应物质量1.0%～1.5%的催化剂氢氧化钠，加热至回流温度，搅拌反应12～16h后，旋蒸干燥冷却后得到N,N-二(1-乙氧基-)3-磺酸基丙基脂肪酰胺表面活性剂；总反应物为脂肪酸烷醇酰胺和丙磺酸内酯之和。 
6.根据权利要求3-5所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，回流温度为66℃，即四氢呋喃的沸点温度。 
7.根据权利要求3-6所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，所述的脂肪酸甲酯的结构式为CnH2n+1COOCH3，n=11～17。 
8.根据权利要求3-7所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，三口烧瓶有圆肚细颈的外观，具有三个口，一个边口安装分水器和冷凝管，将蒸发出来的蒸汽冷凝成液体再回流到反应体系中，避免反应液体被蒸干；中间的口用橡皮塞密封，防止溶液溅出或减少溶液的蒸发；另一边口安装温度计，记录反应温度。加入反应物料后向其中加入磁力转子，反应过程中将其置于集热式恒温磁力搅拌器中，可以实现边搅拌边反应。 
9.根据权利要求3-8所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的合成方法，其特征在于，脂肪酸甲酯为月桂酸甲酯、豆蔻酸甲酯、棕榈酸甲酯或者硬脂酸甲酯。 
10.权利要求1所述的基于脂肪酸甲酯的磺酸盐型生物质表面活性剂的应用，其特征在于，应用于石油开采领域。 
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