地沟油制备皂粉的研究

2019-06-22卞惠芳

天津化工 2019年3期

卞惠芳

（江阴职业技术学院，江苏江阴210005）

地沟油，泛指在生活中存在的各类劣质油，如回收的食用油、反复使用的炸油等。地沟油的主要成分是甘油三酯，但其酸值、过氧化值、水分严重超标，其主要的危害物——黄曲霉素的毒性则是砒霜的100倍[1，2]。地沟油含有的毒素，流向江河会造成水体营养化；人类食用“地沟油”后，它会破坏人体的白血球以及消化道黏膜，引起食物中毒现象，甚至可能致癌。所以“地沟油”是禁止用于食用油领域的。我国每年的餐饮废弃油脂（地沟油）产量多达300～400万t，若能将这种废弃油脂转化为可利用的化工原料或现有产品的替代品，不仅能有效缓解能源供应紧张的问题，还可以解决社会群众最关心的食品安全问题。将地沟油催化分解为高级脂肪酸和甘油，可深度加工为生物柴油、甘油、皂粉和洗衣粉等日常用品。开展地沟油高值化利用才是解决地沟油不重回餐桌和食品的根本途径。本文采用地沟油为原料制备皂粉，具有较为显著的社会意义和经济意义。

1 实验

1.1 主要试剂及仪器

地沟油（当地大型酒店采样）；复合水解催化剂（自制）；釜式反应系统（镇江市丹徒环球机电配件厂）；喷雾干燥器KDM-1000（上海世远生物工程设备有限公司）。

1.2 试验方法

将地沟油用10目筛过滤除去其中的菜叶等肉眼可见杂质，然后加入一定量的硫酸和水（80～90℃）进行酸炼1h，静置分层，放出水层，用热水洗涤（废水回用），称取一定量的经酸洗、热水洗涤除杂后的地沟油放入三口烧瓶中，装好回流冷凝装置，并通好冷却水，加入少量的催化剂并升温至一定温度进行常压催化水解，经反复水洗、脱色，然后加入一定浓度的氢氧化钠、控制一定温度进行皂化，加入辅料搅拌均质后泵入喷雾干燥器进行喷雾脱水，并得到皂粉产品，对得到的皂粉进行相关分析。

2 结果讨论

2.1 酸化pH值对脂肪酸得率的影响

为了除去地沟油中的酸溶物，考察了酸化pH值对提取脂肪酸反应的影响，其结果为：当酸化pH 值分别为：0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、4.0、5.5、7.0时，脂肪酸得率（%）分别为：63.7、80.5、88.3、96.5、87.7、77.6、53.2、23.1。

由结果可见，地沟油酸化pH值对脂肪酸得率的影响呈现先上升后下降的趋势，在地沟油酸化pH值为2.5以内，随着地沟油酸化pH值的上升，脂肪酸得率呈现持续上升的趋势，pH值到2.5时达到最大值，脂肪酸得率达到96.5%，而后随着地沟油酸化pH值的上升，脂肪酸得率呈现持续下降趋势。因此，适宜的地沟油酸化pH值为2.5。

2.2 地沟油水解条件对脂肪酸得率及其色泽的影响

地沟油水解条件主要有水解温度和水解时间，其具体条件主要取决于所采用的催化剂，为了降低该工序对水解反应设备的要求，考察了不同催化剂对水解条件及脂肪酸得率的影响，具体见表 1，2。

表1 不同催化剂对水解脂肪酸得率的影响

表2 反应时间对常压水解脂肪酸得率的影响（自制复合催化剂）

由表1，2可以看出，反应条件、催化剂对废油脂的水解影响很大，要获得较好的脂肪酸得率，在不采用适宜催化剂的条件下，往往需要较高的水解压力（与其对应的反应温度较高）与较长的水解时间，所得脂肪酸产品颜色较浅；适宜的催化剂明显能够降低反应条件，自制复合催化剂在低温、常压和较短的水解时间等条件下取得了较高的脂肪酸得率，并且其产品颜色较浅，其具体原因有待今后进一步研究。

2.3 精制方法与条件对脂肪酸得率及其色泽的影响

2.3.1 精制方法对脂肪酸得率及其色泽的影响

在实验研究中精制过程主要包括脱色工序，主要研究脱色方法对脂肪酸得率及其色泽的影响，从前面的参考文献中可以看出，用于粗脂肪酸脱色的方法较多，主要有活性炭、酸性白土、双氧水、亚硫酸钠等方法[3]，从研究的结果来看，单一方法往往存在效果差、成本高等缺陷，因此一般采取两种方法组合法脱色，在本次实验过程中，主要考察了复合脱色方法（比例为1∶1（质量））对脂肪酸得率及其色泽的影响（添加总量均为6%，脱色温度均为85℃），具体见表3。

表3 复合脱色方法对脂肪酸得率及其色泽的影响

从表3可以看出，就简单复合脱色效果而言，活性白土与双氧水的组合效果较好，其白度达到了82，用肉眼观测为白色；而自制复合脱色剂的脱色效果更好，在相同的添加量下，其白度达到了92，用肉眼观测为白色。

2.3.2 脱色剂加入量对脂肪酸得率及其色泽的影响

采用自制复合脱色剂对粗脂肪酸进行脱色研究，固定脱色时间为1h，考察其加入量对其脱色效果及其得率的影响，具体见表4。

从表4可以看出，采用自制复合脱色剂的添加量对脂肪酸得率及其色泽的影响较大。

随着自制复合脱色剂的添加量增加，脂肪酸的得率呈现不同程度的下降趋势，但所产品的白度呈现不断上升趋势，但当其加入量达到4%以后，其产品颜色以为白色，其白度值上升速度变缓慢，因此，自制复合脱色剂的适意添加量为4%～6%。

表4 脱色剂加入量对脂肪酸得率及其色泽的影响

2.4 皂化条件对皂化度的影响

2.4.1 反应时间对皂化度的影响

反应时间对皂化度的影响结果为：当反应时间（h）为：1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 时，皂化度（%）为：39.5、57.5、81.6、95.5、95.5、94.3、93.8。

由结果可见，随着反应时间的延长，皂化度越来越大，但到了4h以后，皂化度趋于平稳，变化幅质较小，这说明皂化已基本达到平衡，而且越往后，皂化度略有下降，产品颜色越来越深，因此最佳的皂化时间应为4h。

2.4.2 反应温度对皂化度的影响

反应温度对皂化度的影响结果为：当反应温度（℃）为：60、70、80、90、100、120 时，皂化度（%）为：73.0、83.5、92.6、93.5、94.5、95.3。

由结果可见，随着反应温度的增加，皂化度越来越大，考虑到常压实验较容易，故选择适宜反应温度为100℃。

2.4.3 烧碱用量对皂化度的影响

烧碱用量对皂化度的影响结果为：

当烧碱用量（氢氧化钠与废油脂质量之比）为：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 时，皂化度（%）为：56.5、60.5、76.9、81.8、94.7、94.8。

由结果可见，烧碱用量对其皂化度影响较大，随着烧碱的增加，皂化度越来越大，但超过0.5以后，不仅皂化度上升不明显，而且所得皂体明显变黄，因此选择最佳烧碱用量为0.5。

2.4.4 烧碱质量分数对皂化度的影响

烧碱质量分数对皂化度的影响结果为：当烧碱质量分数（%）为：10、20、25、30、40、60 时，皂化度（%）为：68.2、82.3、92.9、94.7、91.4、81.4。

由结果可见，烧碱质量分数对其皂化度影响较大，随着烧碱质量分数的增加，皂化度呈现先增加后下降的趋势，其皂化度在30%时达到最大值（94.7%）。在其质量分数为30%以内，随着烧碱质量分数的增大，皂化度越来越大；超过30%以后，随着烧碱质量分数的增大，皂化度越来越小，故烧碱质量分数的适宜值为30%。

2.4.5 烧碱加入方式对皂化度的影响

烧碱加入方式对皂化度的影响结果为：当加入方式为：一次加入、连续滴加、头尾各1/6，中间分两次加入、头尾各1/8，中间分两次加入时，皂化度（%）为：73.8、83.6、93.1、94.9。

由此可见，烧碱加入方式对其皂化度影响较大，一次加入的皂化度最低，头尾各1/8，中间分两次加入的皂化度最高，达94.9%，因此适宜的烧碱加入方式为头尾各1/8，中间分两次加入。

2.4.6 搅拌速度对皂化度的影响

搅拌速度（rpm）对皂化度的影响结果为：当搅拌速度（rpm）为：50、100、200、300、500 时，皂化度（%）为 33.7、78.5、93.4、94.7、96.3。

由此可见，搅拌速度对其皂化度影响较大，随着搅拌速度的增加，皂化度有不断增大的趋势，这是因为随着搅拌速度的加快，碱的接触界面不断得到更新使得油脂分子与碱接触的几率不断增加，从而提高其皂化速度；同时，随着搅拌速度的加快，皂化膜破裂速度加快、促进了原料与产物的更替速度加快，从而提高了皂化反应速度。因此，提高搅拌速度有利于油脂皂化完全。考虑到生产实现的容易性、安全性等因素，适宜的搅拌速度为300～500rpm。

2.4.7 助剂对皂化度的影响

对于皂化反应来说，用于提高皂化速度的助剂主要有乳化剂、乙醇等，这些助剂对皂化度的影响（考虑到成本问题，其添加量均为1%）结果为：当助剂为：无、乙醇、乳化剂、自制复合助剂时，皂化度（%）为：88.0、93.4、94.3、96.5。

由此可见，助剂对其皂化度影响较大，在其条件相同的情况下，乳化剂、乙醇均能提高油脂的皂化度，尤以自制复合助剂对提高油脂的皂化度效果最好，所以，适宜的助剂为自制复合助剂。

2.5 喷雾条件对皂粉产率及其色度的影响

对皂化后物料添加一下辅料、经搅拌等均质后即可进行喷雾操作。考虑到当代皂粉等细化产品的无磷化的需要，辅料中不添加有磷的原料。在喷雾研究过程中，影响因数较多，诸如进口温度、通针速度、进料速度、鼓风量等，其中通针速度主要是为了保证物料在进料过程中不发生堵塞而确定的，本次选择5次/分基本满足了本实验的需要，至于进料速度、鼓风量等参数主要是依据进料喷雾过程中成雾情况随时调节的，因此本次实验真正可调的就是物料进口温度，物料进口温度对皂粉产率及其色泽的影响见表5。

表5 物料进口温度对皂粉产率及其色泽的影响

从表5可以看出，物料进口温度对脂肪酸得率及其色泽的影响较大。随着增加，脂肪酸的得率基本保持不变，在物料进口温度200℃以内，脂肪酸的得率基本保持在97%以上，产品颜色均为白色，当物料进口温度达到250℃时，产品脂肪酸的得率略有下降，其值为96.5%，而且产品白度小于80，呈浅黄色，结合物料的喷雾速度等因数，适宜的物料进口温度应为180～200℃。