CN107954626A - 生物质基减水剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精细化工技术领域,具体涉及一种生物质基减水剂的制备方法。所述的生物质基减水剂的制备方法是先将热解生物油中提取的混合酚在磺化溶剂作用下进行磺化反应,脱除溶剂,得到混合酚的磺化衍生物;再与热解生物油中提取的醛类,在酸性催化剂的作用下进行酚醛缩合反应,得到复合磺化酚醛缩聚物溶液;调节其pH值为6‑9,得到生物质基减水剂。本发明的高效生物质基减水剂的减水效果显著,其制备原料来自于热解生物油,具有来源广泛、产品绿色、成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明属于精细化工技术领域,具体涉及一种生物质基减水剂的制备方法。
背景技术
热解生物油是由木质纤维素生物质经过快速热裂解后,气相冷凝下的液体物质。含有多类化合物,如有机酸类、醛类、醚类、酮类、酚类和水。但由于组分众多,导致其性质不稳定。在储存阶段仍然可以发生缓慢的化学反应,如醛类、酚类可以转换为酸类、醇类等比较稳定的物质。为了有效利用生物油中的有效成分,目前开发了诸多工艺。
美国专利US 4942269公开一种将生物油分离含酚组分的方法,使用有机溶剂和碱性水溶液分别萃取生物油,最终得到酚类的混合物。
中国专利CN102976906A公开一种从生物油中提取酚类的方法,将生物油进行蒸馏、水萃取和有机溶剂萃取后获得酚类混合物。通过该方法提取的混合酚包含有多种酚类化合物,如苯酚、2-甲氧基酚(愈创木酚)、邻甲基酚、对甲基酚、4-甲基-2-甲氧基酚、邻苯二酚等酚类。
由于生物油分离出的混合酚种类较多,并性质相近,对混合酚的分离难度更大。为此,技术人员创新了一些利用混合酚的方法。如美国专利US5091499A公开一种制备酚醛树脂和胶黏剂的方法,该方法采用生物油提取的混合酚类化合物为原料,部分代替原料苯酚。
中国专利CN1251828A公开了一种高强度混凝土高效减水剂以及由磺化苯酚和甲醛制备减水剂的方法,但原料苯酚和甲醛都是来自于化学合成的化学品,不能保证产品的绿色安全,也不能满足当前的环保要求。
因此,以生物质快速热裂油(即热解生物油)为原料,通过分离提取混合酚,直接以其为原料合成生物质基减水剂,不仅可以充分利用这些廉价的混合酚,而且无需对混合酚进行分离,替代来自化石资源的酚类化合物,符合低碳绿色环保的发展要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质基减水剂的制备方法,充分并及时利用生物油的有效成分,合成出性质稳定的绿色安全的生物质基减水剂。
本发明所述的生物质基减水剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将热解生物油中提取的混合酚在磺化溶剂作用下进行磺化反应,脱除溶剂,得到混合酚的磺化衍生物;
(2)混合酚的磺化衍生物再与热解生物油中提取的混合醛,进行酚醛缩合反应,得到复合磺化酚醛缩聚物溶液;
(3)调节复合磺化酚醛缩聚物溶液的pH值为6-9,得到生物质基减水剂。
步骤(1)中,混合酚提取步骤如下:
于20-60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5-5重量份1mol/L的NaOH水溶液,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取水相,与1-5重量份1mol/L的HCl水溶液混合,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取油相,浓缩蒸发后,得到混合酚,混合酚中含有酚的总质量为65-85wt.%。
步骤(1)中,热解生物油中提取的混合酚包括苯酚、2-甲氧基酚、2-甲基酚、4-甲基酚、4-甲基-2-甲氧基酚或邻苯二酚中的一种或多种。
步骤(1)中,磺化溶剂制备步骤如下:1-5重量份的磺化剂与1-10重量份的溶剂混合制得;其中,所述磺化剂为浓硫酸、氯磺酸、三氧化硫或发烟硫酸;所述溶剂为四氯化碳、四氯乙烯或冰乙酸。
步骤(1)中,热解生物油中提取的混合酚与磺化溶剂的重量份数之比为1:0.1-10。
步骤(1)中,磺化反应温度20-180℃,磺化反应时间1-5小时。
本发明中的混合酚种类多,性质不同,因此给磺化带来了很大的难度,很容易磺化过度。因此,本发明创新性的使用磺化溶剂,将磺化剂溶解于溶剂中使用,保证了磺化效果,经过NaOH滴定检测,证明磺化基团和羟基基团的数量约为1:1,从而保证了混合酚的磺化度。
步骤(2)中,混合醛提取步骤如下:
于20-60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5-5重量份水,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取水相,氮气保护下浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为55-65wt.%。
步骤(2)中,热解生物油中提取的混合醛包括甲醛、糠醛或羟基乙醛中的一种或多种。
步骤(2)中,混合酚的磺化衍生物与热解生物油中提取的混合醛的重量份数之比为1:0.5-5。
步骤(2)中,酚醛缩合反应步骤如下:先在10-20℃,静置10-24小时;再在50-150℃,反应2-5小时。
本发明中的醛种类多,成分复杂,按常规酚醛缩合反应工艺,则会造成酚醛缩合反应效果不佳。因此,本发明将酚醛缩合反应分阶段进行,从而使得醛进行彻底的酚醛缩合反应,保证了酚醛缩合反应的效果。
步骤(3)中,采用碱性物质调节复合磺化酚醛缩聚物溶液的pH值。
本发明的具体步骤如下:
①提取混合酚:
于20-60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5-5重量份1mol/L的NaOH水溶液,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取水相,与1-5重量份1mol/L的HCl水溶液混合,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取油相,浓缩蒸发后,得到混合酚,混合酚中含有酚的总质量为65-85wt.%。
②制备磺化溶剂:
1-5重量份的浓硫酸,或氯磺酸,或三氧化硫,或发烟硫酸,与1-10重量份的四氯化碳、四氯乙烯或冰乙酸混合,得到磺化溶剂。
③磺化:
取1重量份的步骤①提取的混合酚置于反应器中,加入步骤②制备的0.1-10份的磺化溶剂,控制温度20-180℃,进行磺化反应,反应1-5小时,脱除溶剂后,得到混合酚的磺化衍生物。
④提取混合醛:
于20-60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5-5重量份水,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取水相,氮气保护下浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为55-65wt.%。
⑤酚醛缩合:
向带有搅拌、控温系统的反应器中加入1重量份混合酚的磺化衍生物,滴加0.5-5重量份热解生物油中提取的混合醛,先在10-20℃下,静置10-24小时;再在50-150℃下,反应2-5小时,最终生成复合磺化酚醛缩聚物溶液。
⑥调整pH值:
向复合磺化酚醛缩聚物溶液中添加碱性试剂,使其pH值达到6-9,就可以得到本发明的生物质基减水剂。
本发明的有益效果如下:
(1)与化学合成的酚和醛相比,本发明生物质基减水剂的原料均来自于热解生物油,是从热解生物油中提取的混合酚和醛,成本较低。
(2)与化学合成的酚和醛制备的产品相比,本发明生物质基减水剂更加绿色健康和安全。
(3)与化学合成的酚和醛制备的产品相比,本发明生物质基减水剂含有多种酚类和醛类,形成聚合度差别较大的不同缩聚物的混合物,适用性强。
(4)据国家标准GB/T 8077-2012的要求测定减水效果,当添加量为1wt.%时,水泥净浆流动度达到180-210mm,水泥胶砂减水率达到25-35%。因此,经水泥净浆流动性检测和胶砂流动性检测表明:本发明生物质基减水剂具有优良的减水性能。
综上,本发明的高效生物质基减水剂的减水效果显著,其制备原料来自于热解生物油,具有来源广泛、产品绿色、成本低廉的优点。
附图说明
图1是实施例1中NaOH滴定检测磺化基团和羟基基团数量的曲线图。
图2是实施例1中混合酚气质检测图。
图3是实施例1中提取混合醛过程中水相的气质检测图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
①提取混合酚:
于60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5重量份1mol/L的NaOH水溶液,静置10小时,再与0.5重量份乙酸乙酯混合,静置1小时;取水相,与1重量份1mol/L的HCl水溶液混合,静置1小时,再与5重量份乙酸乙酯混合,静置1小时;取油相,浓缩蒸发后,得到混合酚,混合酚中含有酚的总质量为65wt.%。
②制备磺化溶剂:
1重量份的浓硫酸,与10重量份的四氯化碳混合,得到磺化溶剂。
③磺化:
取1重量份的步骤①制备的混合酚置于反应器中,加入步骤②制备的10份的磺化溶剂,控制温度180℃,进行磺化反应,反应5小时,脱除溶剂后,得到混合酚的磺化衍生物。
④提取混合醛:
于60℃下,向1重量份热解生物油中加入5重量份水,静置2小时,再与0.5重量份乙酸乙酯混合,静置5小时;取水相,氮气保护下浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为60.3wt.%。
⑤酚醛缩合:
向带有搅拌、控温系统的反应器中加入1重量份混合酚的磺化衍生物,滴加0.5重量份热解生物油中提取的混合醛,先在20℃下,静置24小时;再在150℃下,反应5小时,最终生成复合磺化酚醛缩聚物溶液。
⑥调整pH值:
向复合磺化酚醛缩聚物溶液中添加氢氧化钠,使其pH值达到6.5,就可以得到本发明的生物质基减水剂。
⑦性能检测:
A、减水实验:据国家标准GB/T 8077-2012的要求进行测定减水效果,当添加量为1wt.%时,水泥净浆流动度达到180mm,水泥胶砂减水率达到25%。
B、磺化度测定实验:经过NaOH电位滴定法检测,如图1所示,磺化基团和羟基基团的数量约为1:1,也充分说明本发明的磺化工艺保证了混合酚的磺化度。
C、混合酚含量检测实验:
将混合酚进行检测,气相色谱-质谱谱图如图2,酚的组成及出峰时间如下:
苯酚20.48min、2-甲氧基酚21.14min、2-甲基酚21.90min、4-甲基酚22.91min、4-甲基-2-甲氧基酚24.07min、邻苯二酚29.04min。具体含量如下:
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
苯酚 | 2-甲氧基酚 | 2-甲基酚 | 4-甲基酚 | 4-甲基-2-甲氧基酚 | 邻苯二酚 |
15.6% | 32.56% | 4.8% | 5.34% | 11.6% | 30.08% |
D、混合醛含量检测实验:
热解生物油中提取混合醛过程中,水相含量检测实验如下,气相色谱-质谱谱图如图3:
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
甲醛 | 水 | 羟基乙醛 | 乙酸 | 羟基丙酮 | 糠醛 |
1.47% | 82.00% | 5.32% | 2.56% | 4.59% | 4.05% |
取水相,浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为60.3wt.%。具体含量如下:
甲醛 | 羟基乙醛 | 乙酸 | 羟基丙酮 | 糠醛 |
8.2% | 29.65% | 14.29% | 25.33% | 22.52% |
实施例2
①提取混合酚:
于20℃下,向1重量份热解生物油中加入5重量份1mol/L的NaOH水溶液,静置1小时,再与5重量份乙酸乙酯混合,静置10小时;取水相,与5重量份1mol/L的HCl水溶液混合,静置10小时,再与0.5重量份乙酸乙酯混合,静置10小时;取油相,浓缩蒸发后,得到混合酚,混合酚中含有酚的总质量为85%。
②制备磺化溶剂:
5重量份的氯磺酸,与10重量份的四氯乙烯混合,得到磺化溶剂。
③磺化:
取1重量份的步骤①制备的混合酚置于反应器中,加入步骤②制备的0.1份的磺化溶剂,控制温度20℃,进行磺化反应,反应1小时,脱除溶剂后,得到混合酚的磺化衍生物。
④提取混合醛:
于40℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5重量份水,静置5小时,再与5重量份乙酸乙酯混合,静置10小时;取水相,氮气保护下浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为56.3wt.%。
⑤酚醛缩合:
向带有搅拌、控温系统的反应器中加入1重量份混合酚的磺化衍生物,滴加5重量份热解生物油中提取的混合醛,先在10℃下,静置10小时;再在50℃下,反应2小时,最终生成复合磺化酚醛缩聚物溶液。
⑥调整pH值:
向复合磺化酚醛缩聚物溶液中添加氢氧化钠,使其pH值达到9,就可以得到本发明的生物质基减水剂。
⑦性能检测:
A、减水实验:据国家标准GB/T 8077-2012的要求进行测定减水效果,当添加量为1wt.%时,水泥净浆流动度达到210mm,水泥胶砂减水率达到35%。
B、磺化度测定实验:经过NaOH电位滴定法检测,磺化基团和羟基基团的数量约为1:1,也充分说明本发明的磺化工艺保证了混合酚的磺化度。
实施例3
①提取混合酚:
于40℃下,向1重量份热解生物油中加入2重量份1mol/L的NaOH水溶液,静置5小时,再与3重量份乙酸乙酯混合,静置5小时;取水相,与3重量份1mol/L的HCl水溶液混合,静置5小时,再与2重量份乙酸乙酯混合,静置3小时;取油相,浓缩蒸发后,得到混合酚,混合酚中含有酚的总质量为75%。
②制备磺化溶剂:
3重量份的发烟硫酸,与10重量份的冰乙酸混合,得到磺化溶剂。
③磺化:
取1重量份的步骤①制备的混合酚置于反应器中,加入步骤②制备的5份的磺化溶剂,控制温度100℃,进行磺化反应,反应3小时,脱除溶剂后,得到混合酚的磺化衍生物。
④提取混合醛:
于20℃下,向1重量份热解生物油中加入2重量份水,静置10小时,再与3重量份乙酸乙酯混合,静置1小时;取水相,氮气保护下浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为60.7wt.%。
⑤酚醛缩合:
向带有搅拌、控温系统的反应器中加入1重量份混合酚的磺化衍生物,滴加3重量份热解生物油中提取的混合醛,先在15℃下,静置17小时;再在100℃下,反应3小时,最终生成复合磺化酚醛缩聚物溶液。
⑥调整pH值:
向复合磺化酚醛缩聚物溶液中添加氢氧化钠,使其pH值达到8,就可以得到本发明的生物质基减水剂。
⑦性能检测:
A、减水实验:据国家标准GB/T 8077-2012的要求进行测定减水效果,当添加量为1wt.%时,水泥净浆流动度达到190mm,水泥胶砂减水率达到32%。
B、磺化度测定实验:经过NaOH电位滴定法检测,磺化基团和羟基基团的数量约为1:1,也充分说明本发明的磺化工艺保证了混合酚的磺化度。
Claims (10)
1.一种生物质基减水剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将热解生物油中提取的混合酚在磺化溶剂作用下进行磺化反应,脱除溶剂,得到混合酚的磺化衍生物;
(2)混合酚的磺化衍生物再与热解生物油中提取的混合醛,进行酚醛缩合反应,得到复合磺化酚醛缩聚物溶液;
(3)调节复合磺化酚醛缩聚物溶液的pH值为6-9,得到生物质基减水剂。
2.根据权利要求1所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,混合酚提取步骤如下:于20-60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5-5重量份1M的NaOH水溶液,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取水相,与1-5重量份1M的HCl水溶液混合,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取油相,浓缩蒸发后,得到混合酚,混合酚中含有酚的总质量为65-85wt.%。
3.根据权利要求1或2所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,热解生物油中提取的混合酚包括苯酚、2-甲氧基酚、2-甲基酚、4-甲基酚、4-甲基-2-甲氧基酚或邻苯二酚中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,磺化溶剂制备步骤如下:1-5重量份的磺化剂与1-10重量份的溶剂混合制得;其中,所述磺化剂为浓硫酸、氯磺酸、三氧化硫或发烟硫酸;所述溶剂为四氯化碳、四氯乙烯或冰乙酸。
5.根据权利要求1或4所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,热解生物油中提取的混合酚与磺化溶剂的重量份数之比为1:0.1-10。
6.根据权利要求1或4所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,磺化反应温度20-180℃,磺化反应时间1-5小时。
7.根据权利要求1所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,混合醛提取步骤如下:于20-60℃下,向1重量份热解生物油中加入0.5-5重量份水,静置1-10小时,再与0.5-5重量份乙酸乙酯混合,静置1-10小时;取水相,氮气保护下浓缩蒸发后,得到混合醛,混合醛中含有醛的总质量为55-65wt.%。
8.根据权利要求1或7所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,热解生物油中提取的混合醛包括甲醛、糠醛或羟基乙醛中的一种或多种。
9.根据权利要求1或7所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,混合酚的磺化衍生物与热解生物油中提取的混合醛的重量份数之比为1:0.5-5;步骤(2)中,酚醛缩合反应步骤如下:先在10-20℃,静置10-24小时;再在50-150℃,反应2-5小时。
10.根据权利要求1所述的生物质基减水剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,采用碱性物质调节复合磺化酚醛缩聚物溶液的pH值。
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CN107954626B (zh) | 2020-08-21 |
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