利用餐饮废油脂制备金属皂工艺条件

高红，梁鹏

（1.天津现代职业技术学院，天津 300350；2.天津农学院，天津 300384）

利用餐饮废油脂制备金属皂工艺条件

高红1，梁鹏2

（1.天津现代职业技术学院，天津 300350；2.天津农学院，天津 300384）

摘 要：以餐饮行业废油脂为主要原料，采用皂化反应-复分解反应二步法制备钙皂，探讨在复分解反应过程中的工艺条件选择。在复分解反应过程中，钙皂受到反应温度、pH、皂量等多方面因素影响。通过实验，确定对反应效果影响较大的因素及其最佳反应条件。

关键词：废油脂；金属皂；钙皂；工艺条件

1 废油脂及其利用价值

餐饮行业废弃油脂对生态环境和人民健康的危害，引起社会的高度关注。如何将其化害为利，变废为宝成为目前研究的热点。在资源生态经济系统中，物质的废与不废是相对的、暂时的，任何一种物质都有它特有的属性。同样，废油脂也有两重性：既是一个危害生态系统、危害人民健康的污染源，也是一种为经济建设服务，满足工业生产需要的再生资源。

从环境保护和充分利用资源方面考虑，废弃油脂的综合利用显得尤为重要。废油脂经回收循环再利用，可作为饲料用油、制造肥皂粉的原料，也可用于生产涂料、制造生物柴油及化工原料等[1]。

废油脂可以用来生产一类重要的化工原料——金属皂。金属皂具有脂肪酸的润滑性、延展性、憎水性等性质，金属皂可作为润滑剂、稳定剂、憎水剂、增稠剂、隔离剂、消光剂、杀菌剂、催化剂等[2]。在润滑剂、油墨、橡胶、涂料、化妆品、树脂、纤维、农药等许多工业均有广泛应用[3]。

2 实验部分

2.1 原理

利用餐饮行业废油脂为原料采用二步法制备金属皂。沉淀法亦称二步法，即氢氧化钠溶液与废油脂中的甘油酯和游离酸进行皂化生成钠皂，钠皂再与相应金属的水溶性盐进行复分解反应生成金属皂，经沉淀析出，过滤、洗涤、干燥和磨碎，便得到金属皂成品[4]。

2.2 步骤

2.2.1 皂化反应

称取一定量废油脂，加入适量水，加热，将固体氢氧化钠配质量分数为10%的溶液，缓慢加入1/3的碱液至废油中（加碱时应维持在pH=9左右），当pH近中性时，加入NaCl饱和溶液，使油水分离，停止加热，静置分层，将下层甜水放掉；继续加入1/3量的碱进行皂化，升温至沸腾，不断搅拌，当物料接近中性时，二次皂化结束，并加入NaCl饱和溶液，使油水分离。停止加热并静置，放掉甜水；将剩余的碱液加入到皂液中，析出皂基，继续加热至沸腾，维持一段时间后，再分离皂基和碱液。

2.2.2 复分解反应

将制得钠皂加水稀释至一定浓度，加热升温至95℃～100℃，加入一定浓度的氯化钙溶液，不断搅拌。当加入的氯化钙溶液不再有更多沉淀产生时，停止加入。搅拌数分钟后，反应结束。将复分解反应生成的不溶于水的钙皂进行反复抽滤和水洗，直至洗液呈中性。最后，进行干燥粉碎，得到产品。

本文实验主要探索在复分解过程中的工艺条件。

2.3 原料

实验中所用原料取自某快餐店油炸食品后的废弃油脂。未经使用的油脂室温下呈白色固体，温度升高至50℃以上时，油脂熔化成为澄清透明液体。经过油炸食品后的废油脂在室温下呈黄色固体，加热熔化后为橙红色透明液体。

废油脂取自食品行业，将废油脂与食用油脂指标进行比较。测定废油脂各项理化指标，比较结果如表1所示。

表1 废油脂与食用油脂的部分理化指标比较Table 1 Physical and chemical index of waste oil&fat and edible fat&oil

由废油脂理化指标分析结果可知，废油脂的酸值较大，酸败比较严重，水分、磷脂、杂质等含量较少，其余指标表明废油脂变质不是很严重。

3 结果与讨论

主要以金属钙的含量作为产品评价指标。钙含量可直接反应金属皂产品的品质的好坏[5]，钙含量高说明反应较彻底，钙皂的质量较好。但是钙含量过高，是由于钙皂吸附了大量的钙离子引起的[6]。因此钙皂的钙含量要适当为宜。

3.1 复分解反应温度的确定

为确定适宜的复分解反应温度，选择70、80、90℃和100℃四个温度条件进行实验，并测定产品钙含量作为评价指标，实验结果如图1所示。

由图1可知，温度对钙皂产品的品质是较大的影响。温度较高时，钠皂水解较完全[2]，生成的产品中钙含量较高，低温时，一部分钠皂不能水解，使产品含有一定量的钠皂，降低产品的钙含量。因此本实验的温度控制在95℃～100℃之间为宜。

图1 反应温度与钙含量关系图Fig.1 Relation graph of reaction temperature and calcium content

3.2 复分解反应时间的确定

选择 5、10、30、60 min 作为不同反应时间，进行钠皂和氯化钙的复分解反应，测定产品含钙量，实验结果如图2所示。

图2 反应时间与钙含量关系图Fig.2 Relation graph of reaction time and calcium content

由图2可知，复分解反应时间对钙皂产品的品质的影响不大，反应进行得比较快，在短时间内就可以完全反应。

3.3 复分解反应pH的确定

在pH为7、8、9、10四种不同条件下进行复分解反应，测定产品含钙量，实验结果如图3所示。

图3 pH与钙含量关系图Fig.3 Relation graph of pH valve and calcium content

由图3可知，反应皂液的pH对产品的钙含量有一定影响。钠皂溶于水后在电离和水解等作用下，使皂液呈碱性，本实验中使用的皂液pH在7～8之间，从图3中看出，当调节pH为9左右时，产品的钙含量较高，品质较好。

当pH过高时，由于溶液的碱性过强而使加入的氯化钙一部分生成氢氧化钙沉淀，钠皂不能完全反应，使产品中混入大量的氢氧化钙。本实验采用的测量钙含量的方法得出的钙含量中包括了这一部分钙，但存在形态不是钙皂，因此反应时的皂液的pH不应过高。

当pH较低时，由于脂肪酸不是强酸，大量H＋存在时，游离脂肪酸根离子生成大量脂肪酸分子，由于复分解反应是离子反应，大量的脂肪酸不能参加反应，使产物中含有较多的杂质[7]，因此反应时皂液的pH也不可过低。

3.4 复分解反应超盐量的确定

在实际反应当中，为使反应更迅速、彻底，需要过量的盐，这部分比理论用量多余的盐量，称为超盐量[4]。适当的超盐量对反应是有益的，可以提高钙含量，但是超盐量过大，会造成钙皂吸附大量钙离子。因此需选择合适的超盐量进行反应。

在不同的超盐量下进行钠皂和氯化钙的复分解反应，测定含钙量，实验结果如图4所示。

图4 超盐量与钙含量关系图Fig.4 Relation graph of excess saltness and calcium content

由图4可知，超盐量对产品中钙含量影响较大，随着超盐量的增大，钙含量也增大。但当超盐量大于10%以后，钙含量增加趋于平缓，而且加入过多的盐会造成浪费，不但增加制备成本，而且过量的金属盐会与前面过量的碱生成Ca（OH）2沉淀，不易除去，因此超盐量为10%较适宜。

3.5 复分解反应皂量的确定

在不同的皂量下进行钠皂和氯化钙的复分解反应，测定含钙量，实验结果如图5所示。

图5 皂量与钙含量关系图Fig.5 Relation graph of soap quantity and calcium content

由图5可知，皂量对产品的质量有很大影响。皂量增加时，产品的钙含量明显增加，提高皂量有利于提高产品的钙含量。原因是皂量增大，使脂肪酸根离子与加入的钙离子碰撞几率增加，能够较完全迅速发生反应，使产品中钙含量增加。但皂量过大时，使皂液体系粘度迅速增加，在加热时导致受热不均匀，局部过热，甚至产生暴沸，所以不宜采用过大的皂量。

3.6 皂量、pH和超盐量的确定

通过以上各工艺条件单因素试验，可确定皂量、pH和超盐量3个因素对产品含钙量影响较大，每个因素选择3个水平条件进行正交试验。

考察的因素及水平如表2所示。

表2 因素与水平表Table 2 Factors and levels table

在确定影响因素及水平的基础上，进行正交实验。选取正交表L9（34）设计9组实验，实验方法和单因素实验相同，以所得产品含钙量为评价指标。实验结果如表3所示。

实验结果表明，三因素从主到次依次为：超盐量、皂量、pH。较好的反应条件为A2B1C2，即400 g水中加入40 g钠皂；pH为 9；超盐量10%。在此工艺条件下，实验制得产品含钙量为8.29%。

4 结论

利用废油脂制备金属皂，采用皂化反应—复分解反应二步法，在复分解反应过程中，受到反应温度、超盐量、pH、皂量等多种因素的影响，通过单因素试验，得到影响较大的3个因素为超盐量、皂量、pH，由正交试验获得较优的工艺条件为：皂量为400 g水中加入40 g钠皂、pH为9、超盐量10%，并在此条件下制得的金属皂产品效果较好。

表3 正交试验表Table 3 Orthogonal experiment table

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[2]《化工百科全书》编委会.化工百科全书(vol.8)[M].北京:化学工业出版社,1994:136-142

[3]李云雁.利用劣质植物油制取金属皂的研究[J].应用化工,2002,2,31(1):23-26

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[5]赵玲,尹平河,邓琪.餐饮业废油脂脱色及皂化工艺[J].暨南大学学报:自然科学与医学版,2004,25(5):632-636

[6]PatriciaR.Todd,The 2000 Grease production Survey Report[J].NLGI Spokesman,2002,65(1):21-31

[7]刘伟,张天胜.环境友好润滑脂的研究现状与发展前景[J].润滑油,2005,20(2):26-29

Study on Technological Conditions of Manufacturing Metallic Soap with Waste Oil&Fat

GAO Hong1，LIANG Peng2
（1.Tianjin Modern Vocational Technology College ，Tianjin 300350，China；2.Tianjin Angricultural University，Tianjin 300384，China）

Abstract：This article mainly analyses calcium soap manufacture， by using waste oil&fat as main raw material，adopting saponification-replacement reaction.Discuss the technological condition choice in replacement reaction process.In the process， calcium soap making was influenced by temperature， pH value and soap quantity， etc.By testing，find out the optimum reaction condition and main influence factors of reaction.

Key words：waste oil&fat； metallic soap；calcium soap； technological conditions

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2014.06.019

高红（1981—），女（汉），讲师，硕士，主要从事环境污染治理。

2013-12-26