响应面法优化饲料添加剂二甲酸钾的合成工艺

武 芸， 胡浩斌， 张小伟， 齐慧丽， 张艳敏

（陇东学院化学化工学院，甘肃庆阳 745000）

二甲酸钾是甲酸分子与甲酸钾通过氢键缔合的产物，作为饲料添加剂可降低动物肠道的pH，抑制肠道内有害细菌的生长，预防动物发病，提高矿物质及营养成分的吸收率，促进动物生长发育 （Papenbrock 等，2005；Knarreborg 等，2002；Mroz等，2002）。 同时，二甲酸钾无毒害、不残留、安全性高、适口性好（Overland等，2000）。目前，二甲酸钾的合成方法主要有甲酸-甲酸钾法（Hjørnevik，2000）、甲酸-碳酸钾/氢氧化钾法（钟国清等，2006）、甲酸甲酯-碳酸钾/氢氧化钾法（Adami等，2005）、甲酸-氧化钾法（邹宗加等，2006）。

本研究以甲酸、碳酸氢钾为原料合成了二甲酸钾，并通过响应面法系统地研究了合成工艺。该方法工艺简单、对设备的腐蚀性小、基本无“三废”排放。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂 BS110S电子天平（赛多利斯科学有限公司）、6511电动搅拌器 （上海昂尼电子仪器公司）、HH·S11-Ni2型恒温水浴锅（北京三二八科学仪器有限公司）、SHK-Ⅲ循环水式多用真空泵（郑州科泰实验设备有限公司）、DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒有限公司）、WRS-1B数字熔点测定仪（上海易测电子仪器公司）、FTIR-8400S红外光谱仪（日本岛津公司）。

甲酸（质量分数≥88.0%）、碳酸氢钾，均为分析纯试剂。

1.2 合成方法 向配有温度计与搅拌装置的250 mL三口圆底烧瓶中加入20 mL甲酸，分批加入21.4 g碳酸氢钾，保持反应温度65℃2 h后，冷却、结晶、抽滤，得白色针状晶体，60℃恒温干燥48 h，研磨，即得二甲酸钾产品。

1.3 产品收率

1.4 二甲酸钾的分析与表征 产品熔点通过WRS-1B数字熔点仪进行测定，采用KBr压片进行FT-IR分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 反应温度对收率的影响 选取nHCOOH∶nKHCO3为 2.4，反应时间为 1.5 h，分别在 45、55、65、75、85℃下进行合成试验，考察反应温度对产品收率的影响，结果见表1。由表1可知，产品收率随温度的升高先增大后减小，65℃时达到最大值。可能是因为二甲酸钾的合成分两步进行，第一步是甲酸与碳酸氢钾进行酸碱反应生成甲酸钾、二氧化碳和水，反应放热并且速率很快；第二步是过量的甲酸与甲酸钾之间缔合形成氢键，时间相对较长。当反应温度高于65℃时，甲酸挥发损失的量增加，可能会使缔合反应逆向移动导致产品收率下降，故选择反应温度65℃为宜。

表1 单因素试验结果

2.1.2 反应时间对收率的影响 选取nHCOOH∶nKHCO3为2.4，反应温度为65℃，分别在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h 时合成二甲酸钾， 考察反应时间对产品收率的影响，结果见表1。由表1可知，产品收率随反应时间的延长呈现先增大后减小的趋势，1.5 h时达到最大值，1.5～2.5 h收率不断下降，可能因为随着加热时间的延长，甲酸挥发损失的量增加，缔合反应逆向移动使收率下降。故选择反应时间为1.5 h。

2.1.3 反应物物料比对收率的影响 选取反应温度为65℃，反应时间为1.5 h，分别在nHCOOH∶nKHCO3为 2.0、2.2、2.4、2.6、2.8 时进行试验，结果见表 1。 由表 1可知，nHCOOH∶nKHCO3为 2.0～2.2时，产品收率增加，是因为甲酸作为反应物之一，适当过量可促进反应正向进行；nHCOOH∶nKHCO3为2.2～2.8时，产品收率逐渐减小可能因为二甲酸钾在水和甲酸中都有较好的溶解性，甲酸过量太多，生成的二甲酸钾会溶于水和过量甲酸中难以析出使收率下降，或者干燥过程中呈现稀糊状，给后处理带来困难。故选择nHCOOH∶nKHCO3为 2.2。

2.2 响应面试验

2.2.1 试验设计 为了得到较好的回归模型，各因素的水平根据单因素试验结果选取。试验因素与水平见表2。

表2 响应面试验因素与水平

以反应温度（X1）、反应时间（X2）、nHCOOH∶nKHCO3（X3）为自变量，产品收率（Y）为响应值，根据Box-Behnken中心组合原理进行响应面试验设计，结果见表3。由表3可知，共设计出17个试验点，其中 1、6、10、16、17 为零点试验，用以估计试验误差，其余为析因试验。

2.2.2 响应面试验结果分析 利用Design-Expert 8.0.5软件对表3的试验结果进行二次多元回归拟合，得到二甲酸钾的收率与各因素变量的二次回归模型为：

Y=87.66-0.13X1+2.74X2+0.059X3-1.09X1X2-4.60X1X3-0.96X2X3-6.87X12+0.71X22-7.59X32。

表3 Box-Behnken中心组合试验设计及结果

其方差分析及显著性检验结果见表4。

由表4可知，模型的P值小于0.0001，说明回归模型已达到极显著统计水平，表明回归模型与试验数据吻合良好；失拟项P值为0.1407（大于0.05），说明失拟因素不显著；决定系数（R2）和调整系数（RAdj2）的值分别为 0.9849和0.9655，表明该模型的准确性和适用性均良好。因此，可以用该模型进行模拟和预测二甲酸钾的合成工艺。

表4 回归模型的方差分析及显著性检验结果

一次项 X2、二次项 X12和 X32、交互项 X1X3的P值均小于0.01，说明反应时间、反应温度与nHCOOH∶nKHCO3的平方、反应温度与 nHCOOH∶nKHCO3的交互作用对响应值的影响极显著，并且由各项估计值可知，各因素对产品收率的影响顺序为：反应时间＞反应温度＞nHCOOH∶nKHCO3。因此，在实际操作中，可通过适当调整反应物物料比和严格控制反应时间的方法节约成本。为了更直观的表示各交互作用对二甲酸钾收率的影响，采用Design-Expert 8.0.5软件作出响应面图及等高线图，见图 1～3，其中 A=X1：反应温度；B=X2：反应时间；C=X3：nHCOOH∶nKHCO3。

由图1和图3可知，在选取的条件范围内，产品收率随反应时间的延长而增大，并且曲线较陡，说明反应时间影响显著，综合响应面图和等高线图可以得出，反应温度控制为64～66℃时或nHCOOH∶nKHCO3值为2.15～2.25时，反应时间大于1.8 h时，产品收率高于88.95%和88.78%。

图1 Y=f（X1，X2）的响应面图及等高线图

图2 Y=f（X1，X3）的响应面图及等高线图

图3 Y=f（X2，X3）的响应面图及等高线图

由图2可知，在选取的条件范围内，反应温度不变，随着nHCOOH∶nKHCO3值的增大，产品收率先逐渐增大，随后逐渐减小；当反应物摩尔比保持不变，产品收率随反应温度先增大，达到一定值后开始下降。综合响应面图和等高线图可知，收率的极值出现在试验范围内，反应温度为64～66℃时，nHCOOH∶nKHCO3值为 2.15～2.25，产品收率极值为88.77%

2.2.3 最佳工艺条件的确定和验证试验 利用Design-Expert软件对回归方程求解，预测出二甲酸钾的最佳合成工艺条件为：nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反应温度64.61℃，反应时间2.0 h，对应的最大响应值为91.17%。为验证该模型的可靠性，同时兼顾试验操作的简便，采用nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反应温度65℃，反应时间2.0 h进行3次验证试验，得到二甲酸钾收率的平均值为91.44%，与预测值接近，说明所得模型与实际情况基本吻合，模型可靠。

2.3 产品结构表征

2.3.1 熔点测定 测定产品的熔点为106.4～109.1℃，与石波等（2004）研究结果接近。

2.3.2 红外光谱分析 最佳合成条件下所得产品为白色晶体，其红外光谱图（KBr压片）见图4。

图4 产品的红外光谱图

由图4可知，3421.48 cm－1处强而宽的吸收峰， 指纹区 763.21 cm－1与 698.37 cm－1处的吸收峰说明分子中存在缔合的OH基团；2808.31 cm－1与2715.59cm－1处的两个吸收峰为醛基上 C-H的伸缩振动，1631.67 cm－1与 1602.74 cm－1处的两个吸收峰说明样品中含有两个C=O基团，在1384.79 cm－1与 1350.08 cm－1处有两个吸收峰说明样品中含有两个羧酸根基团。产品的红外特征吸收峰与二甲酸钾的分子结构相对应，并且与石波等（2004）报道一致，说明试验所得的产物为二甲酸钾。

3 结论

采用甲酸与碳酸氢钾为原料合成了二甲酸钾，并采用响应面法优化得出最佳工艺条件为：nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反应温度 65 ℃，反应时间2.0 h。在此条件下产品收率达91.44%。

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