鈣鋁復合氧化物催化合成單硬脂酸甘油酯

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(邵陽學院 食品與化學工程學院，湖南 邵陽 422000)

鈣鋁復合氧化物是一種高效的固體堿催化劑，其原料來源廣、價格相對較低。

鄭麗萍等[1]將Ca/Al復合氧化物用于催化甘油與碳酸二甲酯合成碳酸甘油酯；鄭華艷等[2]制備出Ca/Al固體堿催化菜籽油以合成生物柴油；孟永祿[3]以Ca/Al復合氧化物為催化劑制備生物柴油。然而，文獻報道的Ca/Al復合氧化物均以鹽溶液共沉淀法制備，產生大量含鹽廢水。本文以氫氧化鈣、氫氧化鋁和二氧化碳為原料清潔制備水鋁鈣石，并經過焙燒得到Ca/Al復合氧化物，濾液可循環使用，無任何廢水排放，并將其應用于催化硬脂酸甲酯與甘油酯交換合成單硬脂酸甘油酯(簡稱GMS)。

1 實驗部分

1.1 鈣鋁復合氧化物的制備

氫氧化鈣和氫氧化鋁摩爾比是2∶1，在二氧化碳氛圍下，升溫至80℃，攪拌2h，在90℃干燥箱中晶化19 h，然后過濾、干燥、研磨后放入馬弗爐中焙燒活化，研磨過篩后得到鈣鋁復合氧化物。

1.2 GMS的合成

甘油和硬脂酸甲酯摩爾比是5∶1，加入5%(占硬脂酸甲酯質量百分比，下同)催化劑，升溫至200℃，同時排除反應生成的甲醇，反應5h后趁熱過濾，將產物水洗過濾后干燥，得GMS粗品。根據GB 15612-1995[4]測定GMS含量。

2 結果與討論

2.1 催化劑對GMS含量的影響

如圖1所示，在無催化劑時，得到的GMS含量非常低，僅有31.2%。使用鹽溶液共沉淀法制備的Ca/Al復合氧化物為催化劑，GMS含量增加至53.5%，表明Ca/Al復合氧化物具有較好的催化性能。以清潔法制備Ca/Al復合氧化物為催化劑時，GMS含量進一步上升至82.7%，表明其催化性能優于傳統的鹽溶液共沉淀法制備的Ca/Al復合氧化物。

圖1 催化劑對GMS含量的影響

2.2 響應面法優化單硬脂酸甘油酯的合成工藝

為優化反應條件，進行了響應面試驗(使用Design-Expert軟件)，根據單因素實驗結果，確定反應溫度(A)、反應時間(B)、醇酯比(C)、催化劑用量(D)為自變量的4因素3水平，響應值(Y)為GMS含量，根據生成的30個試驗點進行實驗，其實驗設計及結果見表1所示，響應面實驗方差分析結果見表2所示。

表1 響應面實驗設計及結果

表1(續)

表2 響應面實驗方差分析

采用軟件Design-Expert對試驗結果進行分析后，得到4個自變量與GMS含量之間的模擬關系方程式為：

Y=+82.70+0.35A+0.35B+0.18C+0.43D-0.025AB+0.000AC-0.075AD+0.13BC+0.000BD-0.025CD-2.01A2-0.76 B2-0.28C2-0.13D2

由表2可知，設計模型的P值極顯著(P<0.01)，失擬項的P值不顯著(P>0.05)，顯示試驗模擬與實際相接近，誤差不大，表明了響應值與4個因素之間的關系，而且呈現出極顯著影響的還有A、B、D、A2、B2，即反應溫度、反應時間、催化劑用量三者對GMS含量的影響較為顯著。

由Design-Expert軟件進行系統分析，模擬得到合成GMS的最佳合成工藝條件為反應溫度200℃，反應時間5h，醇酯摩爾比5∶1，催化劑用量為5%，得到GMS的含量為82.7%。

3 總結

采用清潔制備法得到的Ca/Al復合氧化物，具有較好的催化活性。通過響應面法優化合成GMS的條件，結果表明：反應溫度、反應時間、催化劑用量三者對GMS含量的影響較為顯著，最佳合成工藝條件為反應溫度200℃，反應時間5h，醇酯摩爾比5∶1，催化劑用量為硬脂酸甲酯質量的5%，粗產物中GMS的含量為82.7%。