利用餐飲廢油脂制備金屬皂工藝條件

高紅，梁鵬

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384）

利用餐飲廢油脂制備金屬皂工藝條件

高紅1，梁鵬2

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384）

摘 要：以餐飲行業(yè)廢油脂為主要原料，采用皂化反應(yīng)-復(fù)分解反應(yīng)二步法制備鈣皂，探討在復(fù)分解反應(yīng)過(guò)程中的工藝條件選擇。在復(fù)分解反應(yīng)過(guò)程中，鈣皂受到反應(yīng)溫度、pH、皂量等多方面因素影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定對(duì)反應(yīng)效果影響較大的因素及其最佳反應(yīng)條件。

關(guān)鍵詞：廢油脂；金屬皂；鈣皂；工藝條件

1 廢油脂及其利用價(jià)值

餐飲行業(yè)廢棄油脂對(duì)生態(tài)環(huán)境和人民健康的危害，引起社會(huì)的高度關(guān)注。如何將其化害為利，變廢為寶成為目前研究的熱點(diǎn)。在資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，物質(zhì)的廢與不廢是相對(duì)的、暫時(shí)的，任何一種物質(zhì)都有它特有的屬性。同樣，廢油脂也有兩重性：既是一個(gè)危害生態(tài)系統(tǒng)、危害人民健康的污染源，也是一種為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的再生資源。

從環(huán)境保護(hù)和充分利用資源方面考慮，廢棄油脂的綜合利用顯得尤為重要。廢油脂經(jīng)回收循環(huán)再利用，可作為飼料用油、制造肥皂粉的原料，也可用于生產(chǎn)涂料、制造生物柴油及化工原料等[1]。

廢油脂可以用來(lái)生產(chǎn)一類重要的化工原料——金屬皂。金屬皂具有脂肪酸的潤(rùn)滑性、延展性、憎水性等性質(zhì)，金屬皂可作為潤(rùn)滑劑、穩(wěn)定劑、憎水劑、增稠劑、隔離劑、消光劑、殺菌劑、催化劑等[2]。在潤(rùn)滑劑、油墨、橡膠、涂料、化妝品、樹脂、纖維、農(nóng)藥等許多工業(yè)均有廣泛應(yīng)用[3]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原理

利用餐飲行業(yè)廢油脂為原料采用二步法制備金屬皂。沉淀法亦稱二步法，即氫氧化鈉溶液與廢油脂中的甘油酯和游離酸進(jìn)行皂化生成鈉皂，鈉皂再與相應(yīng)金屬的水溶性鹽進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)生成金屬皂，經(jīng)沉淀析出，過(guò)濾、洗滌、干燥和磨碎，便得到金屬皂成品[4]。

2.2 步驟

2.2.1 皂化反應(yīng)

稱取一定量廢油脂，加入適量水，加熱，將固體氫氧化鈉配質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液，緩慢加入1/3的堿液至廢油中（加堿時(shí)應(yīng)維持在pH=9左右），當(dāng)pH近中性時(shí)，加入NaCl飽和溶液，使油水分離，停止加熱，靜置分層，將下層甜水放掉；繼續(xù)加入1/3量的堿進(jìn)行皂化，升溫至沸騰，不斷攪拌，當(dāng)物料接近中性時(shí)，二次皂化結(jié)束，并加入NaCl飽和溶液，使油水分離。停止加熱并靜置，放掉甜水；將剩余的堿液加入到皂液中，析出皂基，繼續(xù)加熱至沸騰，維持一段時(shí)間后，再分離皂基和堿液。

2.2.2 復(fù)分解反應(yīng)

將制得鈉皂加水稀釋至一定濃度，加熱升溫至95℃～100℃，加入一定濃度的氯化鈣溶液，不斷攪拌。當(dāng)加入的氯化鈣溶液不再有更多沉淀產(chǎn)生時(shí)，停止加入。攪拌數(shù)分鐘后，反應(yīng)結(jié)束。將復(fù)分解反應(yīng)生成的不溶于水的鈣皂進(jìn)行反復(fù)抽濾和水洗，直至洗液呈中性。最后，進(jìn)行干燥粉碎，得到產(chǎn)品。

本文實(shí)驗(yàn)主要探索在復(fù)分解過(guò)程中的工藝條件。

2.3 原料

實(shí)驗(yàn)中所用原料取自某快餐店油炸食品后的廢棄油脂。未經(jīng)使用的油脂室溫下呈白色固體，溫度升高至50℃以上時(shí)，油脂熔化成為澄清透明液體。經(jīng)過(guò)油炸食品后的廢油脂在室溫下呈黃色固體，加熱熔化后為橙紅色透明液體。

廢油脂取自食品行業(yè)，將廢油脂與食用油脂指標(biāo)進(jìn)行比較。測(cè)定廢油脂各項(xiàng)理化指標(biāo)，比較結(jié)果如表1所示。

表1 廢油脂與食用油脂的部分理化指標(biāo)比較Table 1 Physical and chemical index of waste oil&fat and edible fat&oil

由廢油脂理化指標(biāo)分析結(jié)果可知，廢油脂的酸值較大，酸敗比較嚴(yán)重，水分、磷脂、雜質(zhì)等含量較少，其余指標(biāo)表明廢油脂變質(zhì)不是很嚴(yán)重。

3 結(jié)果與討論

主要以金屬鈣的含量作為產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)。鈣含量可直接反應(yīng)金屬皂產(chǎn)品的品質(zhì)的好壞[5]，鈣含量高說(shuō)明反應(yīng)較徹底，鈣皂的質(zhì)量較好。但是鈣含量過(guò)高，是由于鈣皂吸附了大量的鈣離子引起的[6]。因此鈣皂的鈣含量要適當(dāng)為宜。

3.1 復(fù)分解反應(yīng)溫度的確定

為確定適宜的復(fù)分解反應(yīng)溫度，選擇70、80、90℃和100℃四個(gè)溫度條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并測(cè)定產(chǎn)品鈣含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，溫度對(duì)鈣皂產(chǎn)品的品質(zhì)是較大的影響。溫度較高時(shí)，鈉皂水解較完全[2]，生成的產(chǎn)品中鈣含量較高，低溫時(shí)，一部分鈉皂不能水解，使產(chǎn)品含有一定量的鈉皂，降低產(chǎn)品的鈣含量。因此本實(shí)驗(yàn)的溫度控制在95℃～100℃之間為宜。

圖1 反應(yīng)溫度與鈣含量關(guān)系圖Fig.1 Relation graph of reaction temperature and calcium content

3.2 復(fù)分解反應(yīng)時(shí)間的確定

選擇 5、10、30、60 min 作為不同反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行鈉皂和氯化鈣的復(fù)分解反應(yīng)，測(cè)定產(chǎn)品含鈣量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)時(shí)間與鈣含量關(guān)系圖Fig.2 Relation graph of reaction time and calcium content

由圖2可知，復(fù)分解反應(yīng)時(shí)間對(duì)鈣皂產(chǎn)品的品質(zhì)的影響不大，反應(yīng)進(jìn)行得比較快，在短時(shí)間內(nèi)就可以完全反應(yīng)。

3.3 復(fù)分解反應(yīng)pH的確定

在pH為7、8、9、10四種不同條件下進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)，測(cè)定產(chǎn)品含鈣量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH與鈣含量關(guān)系圖Fig.3 Relation graph of pH valve and calcium content

由圖3可知，反應(yīng)皂液的pH對(duì)產(chǎn)品的鈣含量有一定影響。鈉皂溶于水后在電離和水解等作用下，使皂液呈堿性，本實(shí)驗(yàn)中使用的皂液pH在7～8之間，從圖3中看出，當(dāng)調(diào)節(jié)pH為9左右時(shí)，產(chǎn)品的鈣含量較高，品質(zhì)較好。

當(dāng)pH過(guò)高時(shí)，由于溶液的堿性過(guò)強(qiáng)而使加入的氯化鈣一部分生成氫氧化鈣沉淀，鈉皂不能完全反應(yīng)，使產(chǎn)品中混入大量的氫氧化鈣。本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量鈣含量的方法得出的鈣含量中包括了這一部分鈣，但存在形態(tài)不是鈣皂，因此反應(yīng)時(shí)的皂液的pH不應(yīng)過(guò)高。

當(dāng)pH較低時(shí)，由于脂肪酸不是強(qiáng)酸，大量H＋存在時(shí)，游離脂肪酸根離子生成大量脂肪酸分子，由于復(fù)分解反應(yīng)是離子反應(yīng)，大量的脂肪酸不能參加反應(yīng)，使產(chǎn)物中含有較多的雜質(zhì)[7]，因此反應(yīng)時(shí)皂液的pH也不可過(guò)低。

3.4 復(fù)分解反應(yīng)超鹽量的確定

在實(shí)際反應(yīng)當(dāng)中，為使反應(yīng)更迅速、徹底，需要過(guò)量的鹽，這部分比理論用量多余的鹽量，稱為超鹽量[4]。適當(dāng)?shù)某}量對(duì)反應(yīng)是有益的，可以提高鈣含量，但是超鹽量過(guò)大，會(huì)造成鈣皂吸附大量鈣離子。因此需選擇合適的超鹽量進(jìn)行反應(yīng)。

在不同的超鹽量下進(jìn)行鈉皂和氯化鈣的復(fù)分解反應(yīng)，測(cè)定含鈣量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 超鹽量與鈣含量關(guān)系圖Fig.4 Relation graph of excess saltness and calcium content

由圖4可知，超鹽量對(duì)產(chǎn)品中鈣含量影響較大，隨著超鹽量的增大，鈣含量也增大。但當(dāng)超鹽量大于10%以后，鈣含量增加趨于平緩，而且加入過(guò)多的鹽會(huì)造成浪費(fèi)，不但增加制備成本，而且過(guò)量的金屬鹽會(huì)與前面過(guò)量的堿生成Ca（OH）2沉淀，不易除去，因此超鹽量為10%較適宜。

3.5 復(fù)分解反應(yīng)皂量的確定

在不同的皂量下進(jìn)行鈉皂和氯化鈣的復(fù)分解反應(yīng)，測(cè)定含鈣量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 皂量與鈣含量關(guān)系圖Fig.5 Relation graph of soap quantity and calcium content

由圖5可知，皂量對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。皂量增加時(shí)，產(chǎn)品的鈣含量明顯增加，提高皂量有利于提高產(chǎn)品的鈣含量。原因是皂量增大，使脂肪酸根離子與加入的鈣離子碰撞幾率增加，能夠較完全迅速發(fā)生反應(yīng)，使產(chǎn)品中鈣含量增加。但皂量過(guò)大時(shí)，使皂液體系粘度迅速增加，在加熱時(shí)導(dǎo)致受熱不均勻，局部過(guò)熱，甚至產(chǎn)生暴沸，所以不宜采用過(guò)大的皂量。

3.6 皂量、pH和超鹽量的確定

通過(guò)以上各工藝條件單因素試驗(yàn)，可確定皂量、pH和超鹽量3個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品含鈣量影響較大，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平條件進(jìn)行正交試驗(yàn)。

考察的因素及水平如表2所示。

表2 因素與水平表Table 2 Factors and levels table

在確定影響因素及水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。選取正交表L9（34）設(shè)計(jì)9組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法和單因素實(shí)驗(yàn)相同，以所得產(chǎn)品含鈣量為評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三因素從主到次依次為：超鹽量、皂量、pH。較好的反應(yīng)條件為A2B1C2，即400 g水中加入40 g鈉皂；pH為 9；超鹽量10%。在此工藝條件下，實(shí)驗(yàn)制得產(chǎn)品含鈣量為8.29%。

4 結(jié)論

利用廢油脂制備金屬皂，采用皂化反應(yīng)—復(fù)分解反應(yīng)二步法，在復(fù)分解反應(yīng)過(guò)程中，受到反應(yīng)溫度、超鹽量、pH、皂量等多種因素的影響，通過(guò)單因素試驗(yàn)，得到影響較大的3個(gè)因素為超鹽量、皂量、pH，由正交試驗(yàn)獲得較優(yōu)的工藝條件為：皂量為400 g水中加入40 g鈉皂、pH為9、超鹽量10%，并在此條件下制得的金屬皂產(chǎn)品效果較好。

表3 正交試驗(yàn)表Table 3 Orthogonal experiment table

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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

高紅（1981—），女（漢），講師，碩士，主要從事環(huán)境污染治理。

2013-12-26