盐效应在制备无水乙醇中的作用研究

2022-06-10吴淑晶宋一诺祖龙淼

上海化工 2022年2期

魏涛吴淑晶宋一诺祖龙淼

上海工程技术大学化学化工学院（上海 201620）

乙醇是一种无色澄清的液体，易溶于有机溶剂，与水能形成共沸化合物，能与水以任意比例互溶，沸点较低，在明火中易爆炸。同时，乙醇是一种重要的基础化学原料，能制取多种不同的有机物，也可以用于消毒，应用范围较广。无水乙醇主要用作有机化工原料，也可用于制酒、食品工业。

在世界能源紧缺问题日益加重的背景下，转向清洁能源的研究与制取非常有必要。在众多的清洁能源中，无水乙醇是一个很好的替代品。它作为一种低污染、低成本、低能耗的清洁能源，已被应用于各种不同的领域，尤其在作为燃料方面，取得良好的效果，已在很多国家得到广泛应用。

在制取无水乙醇时，改进创新实验方案、寻找更多的高效盐、降低生产成本是有待解决的问题。只有遵循绿色化工的理念，才能实现安全环保，经济合理的目标。

目前，制取无水乙醇的常见方法有加盐萃取精馏法、溶盐精馏法、共沸精馏法、膜分离法、吸附法、生石灰法、离子交换树脂脱水法[1]。离子交换树脂脱水法主要用于去除无机离子；生石灰法容易吸收乙醇水溶液蒸出来的水，但是操作烦琐，容易污染环境，并且因为含有钙离子，不适用于工业应用；吸附法是一种新工艺，其经验和知识的积累尚有一定的局限性；加盐萃取精馏方法相较于其他方法能更便捷地制取无水乙醇。在加盐萃取精馏法中，盐易溶于溶液，能够很好地参加反应，且实验操作方便，因此选取加盐萃取精馏法作为本次实验的主要方法。

1 盐效应理论

加盐萃取精馏是一种新型萃取精馏方法，其理论基础是通过盐效应来达到实验目的。盐效应[2]是指在相互平衡的两相体系中加入不挥发的盐来改变溶液沸点，从而改变各物质的活度系数，进而改变原料的相对挥发度。实验对象乙醇在水中不会完全电解出乙醇分子，溶液中乙醇分子的含量相对较少，实验时若是往水中加入相对于乙醇更易电解的物质，此时溶液体系中乙醇与水之间的相互作用力减弱，溶液中乙醇分子的相对百分比升高，乙醇含量增加。

2 实验方案

2.1 所用盐添加量的确定

在一定范围内，盐效应效果会随体系中盐的质量增加而增大，但是一旦盐效应过大，则会使产品乙醇质量降低，因此需要进行多组实验方能确定盐在溶液中的最佳相溶质量[3]。主要选择九水合硝酸铝来进行实验，分别选择15，25，35和45 g 4种不同质量的盐来进行实验，探索盐的最佳添加质量，研究盐效应对乙醇-水体系分离效果的影响。

2.2 萃取剂的选取

在选取相关萃取剂时，应遵循以下原则：有良好的溶解度、无毒无害、价格便宜。当前大多无水乙醇制取实验采用乙二醇作为萃取剂，由相似相溶原理得知，水分子含有较强的氢键，易与接收氢键的分子结合；丙三醇介电常数为56.50，而乙二醇与乙醇的介电常数都小于该值，且丙三醇价格更低，可以降低成本。因此，选择丙三醇作为实验的萃取剂。

2.3 回流比的确定

回流比计算公式：R=L/D[4]，L为回流液的流量（kmol/h），D为塔顶产品的流量（kmol/h）。回流比的大小对精馏过程的分离效果和经济性有着十分重要的影响。由公式可以看出，塔顶产品的流量越多，回流比就越小，所得产品乙醇质量分数降低。本研究选择的回流比为1∶1与2∶1。

3 实验数据整理分析

3.1 不同质量溶盐对乙醇水体系的影响

在原料质量分数为88%，回流比为1∶1的条件下，通过加入不同质量的九水合硝酸铝分析溶盐质量对产品乙醇的影响，实验数据通过拟合得到图1所示的曲线。

图1 溶盐质量对产品乙醇质量分数的影响

由图1可知：在加入的溶盐小于35 g时，最终得到的产品乙醇质量分数逐步上升，最高达到98.8%；而当所加的盐大于35 g后，得到的乙醇质量分数反而有所降低。因此，35 g九水合硝酸铝溶盐为实验条件下的最佳添加量。这主要是由于往弱电解质中加入与弱电解质没有相同离子的强电解质时，溶液中离子总浓度增大，弱电解质分子浓度减小，离子浓度相应增大，解离度增大，产品乙醇质量分数逐步增加；但是一旦加入过量的强电解质之后，盐效应过大，弱电解质的离子浓度过大，反倒使解离度减小，造成产品乙醇质量分数降低。