MES表面活性劑的工業化精制工藝

宋國強, 李 歡, 曹引梅， 唐 龍,2*

(1.常州大學 制藥與生命科學學院,江蘇 常州 213164; 2.中國林業科學研究院林產化學工業研究所,江蘇 南京 210042)

表面活性劑是一種可以顯著降低表面張力或者界面張力的物質，具有乳化、發泡、去污、殺菌等性能，廣泛應用于工業生產和日常生活中[1-2]。α-磺基脂肪酸甲酯鈉鹽(MES)是一種以天然油脂為原料，經酯交換、加氫、磺化、中和等工藝制備而成的陰離子表面活性劑，具有良好的環境相容性、生物降解性、可再生性、耐硬水性、去污性、低刺激性以及良好配伍性等優點，是替代烷基苯磺酸鈉(LAS)的第3代表面活性劑[3]。MES可用于膏狀[4]、粉狀[5]、洗發香波[6]等日化產品，在潤滑[7-8]、制藥[9]、造紙、建材、化工[10-12]等行業也有廣泛的應用。MES熱穩定性差，超過60 ℃脂肪鏈上的磺酸基就易脫落，因此要求其干燥和粉劑化處理工藝在較低溫度下進行。目前，MES的工業化精制技術主要有兩種：一種是采用真空低溫刮膜干燥技術去除半固態MES中的水分，得到固態MES，再經低溫粉碎，制得MES粉劑產品，含活性物質量分數70%～80%；另一種是將半固態MES熔融后，與大量的粉狀分子篩混合干燥，制得MES粉劑產品。然而，前者制備的MES流動性差，耐溫和耐壓性差，易結塊；后者制備的MES活性物含量低，且大量分子篩分散不均勻，導致不耐溫、不耐壓和流動性差，下游產品的開發受到了很大的限制[13]。本研究將含70%活性物的MES產品在加熱熔融的狀態下滴加到低沸點水溶性有機溶劑中，經冷卻、結晶、過濾和干燥等工藝，得到高純MES粉劑產品，探討了其提純精制工藝，以期為工業化生產高純MES粉劑化產品提供參考。

1 實 驗

1.1 原料、試劑及儀器

α-磺基脂肪酸甲酯鈉鹽(MES)粗品(活性物質量分數70%)，浙江贊宇科技股份有限公司；甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮和甲乙酮均為分析純。

S212玻璃夾套反應釜(30 L)，鄭州研理儀器設備有限公司；PSD800 平板吊袋上部卸料離心機，張家港市中南化工機械有限公司；DHG-9240A電熱鼓風干燥箱，重慶市松朗電子儀器有限公司；FL風冷式粉碎機，江陰市永昌藥化機械廠。

1.2 MES的提純精制

在裝有攪拌和回流裝置的反應釜中，定量加入低沸點水溶性有機溶劑，攪拌并加熱到50～55 ℃；然后分批加入加熱熔融狀態下的MES粗品5 kg，攪拌保溫30～60 min后靜置，反應釜內物料經冷卻、結晶、過濾，在溫度控制為40～55 ℃的干空氣中鼓風干燥，得到高純MES粉劑產品。

1.3 性能測試

MES活性物測定：按照國標GB/T 5173—1995(等效國際標準ISO 2271—1989)操作。過篩率：過篩產品于40 ℃密封保存12 h后過篩(篩孔尺寸0.850 mm)的百分比。MES回收率：MES回收率=(精制品質量×精制品中活性物質量分數)/(粗品質量×粗品中活性物質量分數)×100%。

2 結果與討論

2.1 提純工藝對MES精制效果的影響

2.1.1溶劑種類 低沸點水溶性有機溶劑選用甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮和甲乙酮。取MES粗品5 kg，在溶劑用量15 kg，攪拌時間45 min，冷卻溫度5 ℃，結晶時間120 min，空氣干燥溫度45 ℃，干燥時間60 min，溶劑使用1次，鼓風速率5 m/s條件下考察了不同種類的水溶性低沸點有機溶劑對純化MES回收率、活性物質量分數和過篩率等性能的影響，結果見表1。從表1可以看出，用甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮和甲乙酮作溶劑，精制物回收率和活性物質量分數均較高，但是由于異丙醇價格相對于甲醇、乙醇較高，丙酮、甲乙酮屬于易制毒管制溶劑且產品過篩率低，所以，甲醇和乙醇為反應溶劑較適宜。此外，甲醇可以方便地通過精餾工藝提純重復使用，而乙醇卻不行,且甲醇沸點低、價格便宜。綜合各因素，優選甲醇為溶劑。

2.1.2溶劑用量 溶劑加入量直接影響分散和萃取的效果，溶劑加入量太少，達不到充分萃取水的效果；溶劑加入量太多，增加后處理繁瑣程度和成本。以甲醇為溶劑，其它條件同2.1.1節，當MES粗品為5 kg時，考察甲醇用量對純化MES回收率、活性物質量分數和過篩率等性能的影響，結果見表1。從表1可以看出，隨著甲醇與MES粗品投料質量比的增大，MES的回收率和活性物質量分數逐漸增大，當投料質量比大于3 ∶1時，過篩率達100%，但產品回收率和活性物質量分數增加緩慢，且甲醇消耗量增加較多，能耗也會較高。綜合考慮，選取15 kg甲醇作為溶劑用量比較適宜。

2.1.3冷卻溫度 冷卻溫度對最終產品的回收率、活性物質量分數和過篩率有著重要的影響。以甲醇為溶劑，其它條件同2.1.1節，考察冷卻溫度對純化MES回收率、活性物質量分數和過篩率等性能的影響，結果見表1。從表1可以看出，當冷卻溫度為0 ℃時，MES粉劑化產品的回收率高達97.08%，但是活性物質量分數和過篩率偏低，主要是因為溫度太低，原料中雜質也可能結晶析出；當溫度高于 5 ℃后，活性物質量分數略有增加，但是回收率降為96.45%(10 ℃)。可能是因為溫度太高，目標產品析出不完全，影響回收率。綜合考慮，選取冷卻溫度5 ℃為宜。

表1 不同提純條件對MES精制效果的影響Table 1 Effect of different purification conditions on MES refining effect

2.1.4結晶時間 結晶時間長短關系到表面活性劑能否析出完全，以甲醇為溶劑，其它條件同2.1.1節，考察了結晶時間對MES精制和粉劑化效果的影響，結果見表1。從表1可以發現，結晶時間越長，回收率越高；當結晶時間從60 min延長到120 min時，MES產品的活性物質量分數和過篩率升高，當結晶時間超過120 min時，MES產品的活性物質量分數和過篩率降低，產生此種情況的原因可能是結晶時間太長，雜質析出，影響活性物質量分數和過篩率。因此，綜合考慮，結晶時間選取120 min比較適宜。

2.2 干燥條件對MES精制效果的影響

2.2.1干燥時間 干燥時間也是決定MES精制效果的重要因素，因為如果干燥不徹底將直接影響MES的回收率和過篩率，進而影響產品的活性物質量分數。以甲醇為溶劑，其它條件同2.1.1節，考察干燥時間對MES精制效果的影響,結果見圖1。

a.干燥時間drying time; b.干燥溫度drying temperature圖1 干燥條件對MES精制效果的影響Fig.1 Effect of drying conditions on MES refining effect

當干燥時間為45 min以下時，MES精制產品有黏性且部分結塊，說明干燥不徹底，雖然回收率高，但是MES產品活性物質量分數和過篩率都不高；干燥時間為60 min時，回收率、活性物質量分數相對較高，過篩率也是100%，較為適宜。從生產中發現，當干燥時間太短時，干燥不徹底，影響產品的流動性，而當干燥時間太長時，會導致產品太干，容易揚塵，不利于后續包裝及使用。因此，選擇干燥時間為60 min。

2.2.2干燥溫度 以甲醇為溶劑，其它條件同2.1.1節，考察干燥溫度對MES精致效果的影響，結果見圖1。從圖可以看出，當干燥溫度≥45 ℃時，活性物質量分數和過篩率都較高，隨著干燥溫度升高，回收率呈下降趨勢，當溫度達到50 ℃，回收率基本穩定。所以，綜合考慮選擇干燥溫度為45 ℃。

2.3 溶劑使用次數對MES精制效果的影響

溶劑回收利用在工業生產中較為常見，不僅可以節約成本，最為關鍵的是環保，不會帶來排放污染。以甲醇為溶劑，其它條件同2.1.1節，研究了甲醇使用次數對MES精制和粉劑化效果的影響(表2)。

表2 甲醇使用對MES精制效果的影響Table 2 Effect of methanol application on MES refining effect

由數據可知，回收甲醇使用3次后，產品的回收率影響不大，活性物質量分數和過篩率下降，這是因為隨著使用次數的增加，溶劑中的含水量逐漸增大，不利于粗品MES中水分的脫除，造成活性物質量分數和過篩率呈下降趨勢。因此，甲醇作為溶劑使用3次后，可通過精餾回收，得到高純甲醇，可繼續循環使用，達到環境保護和成本節約的目的，有利于產業化工藝的可持續性。

2.4 MES精制產品過篩率分析

由于市場上現有MES產品存在流動性差、易結塊等不足，限制了其下游產品的開發和使用，需通過精制工藝制備MES粉劑化產品。產品于40 ℃密封保存12 h后，分別選取篩孔尺寸為2.00、 0.850、 0.600、 0.425和0.300 mm篩網對MES精制產品進行過篩，結果顯示當篩孔尺寸為0.850 mm時，過篩率100%，且產品流動性較好，不易結塊。

3 結 論

以活性物質量分數為70%的MES為原料進行提純精制，得到較佳精制條件：原料5 kg，甲醇 15 kg，冷卻溫度5 ℃，結晶時間120 min，干燥時間60 min，干燥溫度45 ℃，溶劑使用3次的條件下，得到可以穩定存放的MES粉劑產品。此條件下制備的MES粉劑產品回收率大于98%，含活性物大于93%，過0.850 mm篩孔時過篩率達100%，產品流動性較好。