废弃食用油脂,俗称地沟油,是食用油脂经过长时间高温煎炒烹炸后产生的一类不可食用的低值油脂[1],主要成分是脂肪酸甘油三酯,其中不饱和脂肪酸油酸和亚油酸的含量居多[2]。作为一种可再生生物质原料,废弃食用油脂的资源化利用对于低值油脂“变废为宝”、资源的节约和经济的可持续发展具有重要意义,受到了人们的广泛关注和研究[3]。国内外研究者们开展了许多有意义的研究,将废弃食用油脂转化利用合成生物柴油[4]、生物基润滑剂[5]、表面活性剂[6]、增塑剂[7]、聚氨酯[8]等化学品和材料。
表面活性剂是一类重要的精细化工产品,是国民经济中不可或缺的功能材料。其中,支链表面活性剂因其疏水端的支链化结构具有低泡或快速消泡特性和出众的润湿、渗透、去污[9]等优异性能,在工业硬表面清洗领域展现出了重要的研究和应用价值。典型的支链表面活性剂是以古尔伯特醇为原料合成的。古尔伯特醇由长链脂肪醇通过古尔伯特缩合反应获得,该反应副产物复杂,目标产物选择性低[10]。拓展支链表面活性剂的合成原料选择,对于支链表面活性剂的应用发展具有重要的意义。
油酸是废弃食用油脂中含量最为丰富的单烯酸,是天然的内烯烃分子,碳碳双键位于分子内部(9,10位),可以发生多种官能团化反应,是合成油脂基精细化学品的重要平台分子之一[11]。以油酸为原料,通过脱羧反应同时保留双键获得内烯烃,进而通过双键官能化反应接枝亲水基团,是合成支链表面活性剂的理想路线。众所周知,保留双键进行油酸脱羧反应获得内烯烃难以实现[12-13]。课题组前期以油酸为原料,通过羧基酯化封端提高疏水性、双键官能化反应接枝亲水基团的策略合成了性能优良的油酸基支链表面活性剂[14-15]。但是经羧基酯化封端得到的磺酸盐,在酸碱条件下酯基容易水解,使用条件受限。油醇是油酸选择性加氢的产物[16-18],含有碳碳双键和羟基基团,与酯基作为疏水端相比,油醇中的羟基在酸碱条件下较为稳定;同时作为相对较弱的亲水基团,其亲水贡献值(1.9)小于磺酸钠(—SO3 Na)基团的亲水贡献值(11.0)[19].基于上述认识,本文以油醇为原料,以过氧化苯甲酸叔丁酯和三乙胺催化体系催化油醇与亚硫酸氢钠进行双键加成磺化反应的同时,保留端位的羟基,合成了油醇磺酸盐支链表面活性剂,并与课题组前期合成的油酸甲酯支链磺酸盐表面活性剂[15]、商用脂肪酸甲酯磺酸盐表面活性剂[20-21]进行基本性能和应用性能对比,阐释构效关系。三种表面活性剂的合成路线[15-18,20-22]如图1所示。
图1 磺酸盐阴离子表面活性剂的合成路线
Fig.1 Synthetic procedure for sulfonate anionic surfactants
油醇(90%,质量分数)、过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)(98%,质量分数)、无水乙醇(99.5%,质量分数)、亚硫酸氢钠、三乙胺、石油醚(AR),上海阿拉丁生物科技有限公司;异丙醇(AR),国药化学试剂有限公司;液体石蜡(CP),天津市风船化学试剂科技有限公司;脂肪酸甲酯磺酸盐(MES)(90%,质量分数),山东优索化工科技有限公司;油酸甲酯磺酸盐(MOS)(≥95%,质量分数),蒸馏水,实验室自制。
IKA RCT 恒温油浴锅,IKA RV10 旋转蒸发仪,德国IKA 公司;IR Spirit-T FTIR 傅里叶变换红外光谱仪,LC-20AD 高效液相色谱仪(HPLC),日本岛津公司;高分辨液相色谱与质谱联用仪(HRMS)采用X500R 高分辨率系统和SCIEX LC-MS系统进行,美国SCIEX 公司;AV 300核磁共振波谱仪,德国Bruker 公司;K100C 静态表面张力仪,BP100动态表面张力仪,DSA100 动态接触角仪,DFA100全自动泡沫分析仪,德国Krüss公司;F6/10手持式高速匀浆机,上海净信公司;Leica DM750 P显微镜,德国徕卡公司。
参照课题组前期方法[23],在250 mL 三口圆底烧瓶中依次加入油醇(OA)(9.400 g,0.035 mol)、异丙醇(50 mL)、蒸馏水(50 mL)溶解的亚硫酸氢钠(14.568 g,0.140 mol)、三乙胺(0.071 g,相对于底物油醇摩尔比2.0%)和TBPB(0.470 g,相对于底物油醇质量比5.0%),置于恒温油浴中,充分搅拌后于(40±0.5)℃下反应20 h.待反应结束,加入石油醚和蒸馏水进行萃取,收集水相,加无水乙醇除盐。过滤后,旋转蒸发除去溶剂,烘干得到的粗产物经过无水乙醇重结晶后得产品油醇磺酸盐(OAS).化学反应方程式如图2所示。
图2 油醇双键接枝磺酸基团合成油醇磺酸钠
Fig.2 Addition of a sulfonate function group to oleyl alcohol for synthesis of oleyl alcohol sulfonate
采用IR Spirit-T FTIR 型傅里叶变换红外光谱仪分析产物结构,将产物溶于乙醇并均匀涂覆在KBr片上进行扫描,扫描范围为500~4 000 cm-1.使用LC-20AD 型高效液相色谱仪对产物组成和纯度进行分析,选用InertSustain C18 色谱柱(ϕ4.6 mm×250 mm,填料粒径3.0μm),柱温为30℃,等度洗脱,流动相为甲醇(HPLC 级),流速为0.5 mL/min,检测器为示差折光检测器(RID),进样量为20μL.使用SCIEX LC-MS型高分辨液相色谱质谱联用仪进行结构分析鉴定,将样品溶于甲醇中,浓度为2.0 mg/L.采用AC 400型氢谱核磁共振波谱仪(1 H NMR)对产物进行定性分析,频率为400 MHz,样品用氘代的二甲基亚砜(DMSO)(99.8%,质量分数)进行溶解。
静态表面张力:采用Wilhelmy 铂金板法在K100C表面张力仪上测试表面活性剂水溶液在(25±0.1)℃时的平衡表面张力。测试为自动模式,每个浓度下测量10次取表面张力平均值,测试结束就可以得到表面张力与浓度的关系曲线。临界胶束浓度(CMC)和CMC下的平衡表面张力(γCMC)可由曲线的拐点确定。
动态表面张力:采用最大气泡压力法在BP 100动态表面张力仪上测试表面活性剂水溶液在(25±0.1)℃时的动态表面张力。测量的有效表面年龄范围为0.01 s至100 s.
泡沫性能测定:使用DFA100全自动泡沫分析仪测定(25±0.1)℃时不同浓度的表面活性剂溶液的泡沫性能。将50 mL 样品溶液置于圆柱形玻璃柱(长度为250 mm,内径为40 mm)中,以机械搅拌的方式发泡,转子转速为6 000 r/min,发泡时间为30 s,总运行时间为1 200 s,对表面活性剂的泡沫进行动态分析。
润湿性能测试:在(25±0.1)℃下,使用DSA 100动态接触角仪测定了不同浓度的表面活性剂溶液在石蜡膜上的动态接触角。记录表面活性剂在疏水表面接触角大小和液滴形态随时间的变化,其最终的接触角值取三次测量结果的平均值。
乳化性能测试:采用分水时间法,将表面活性剂溶液(40 mL)和液体石蜡(40 mL)放于150 mL 的烧杯中,将高速匀浆机的转头放置于液面以下,以10 000 r/min的转速乳化12 s,结束后立即将乳液置于具塞量筒中,记录乳液分出10 mL水的时间来评价表面活性剂的乳化性能。采取同样方法得到表面活性剂乳液,使用光学显微镜对形成乳液的液滴尺寸进行研究,并使用Image-J软件对图像进行分析,得到相应的液滴尺寸分布图。
图3为OA 和OAS的红外光谱图。从图中可以看出OA 和OAS 中均存在位于3 368、3 326 cm-1 处的羟基伸缩特征峰,OAS在3 009 cm-1 处的—CH═CH—的伸缩振动特征峰消失,同时出现了1 050和1 185 cm-1 处属于—SO3 Na的伸缩振动特征峰,表明OA 通过磺化反应在碳碳双键上接枝了磺酸钠基团,并保留了羟基。由此可以初步判断OA 经磺化反应成功地合成了目标产物OAS.
图3 油醇(OA)和油醇磺酸盐(OAS)的红外光谱图
Fig.3 FTIR spectra of oleyl alcohol(OA)and oleyl alcohol sulfonates(OAS)
图4为OA 和OAS的高效液相色谱图。由图4可以看出,提纯后得到的产物OAS(保留时间为5.02~6.30 min)具有较高的纯度(>99.0%),未残留原料OA(保留时间为12.51 min)。HPLC 分析得知在OAS的色谱图中出现M 型重叠峰,说明产物OAS可能是—SO3 Na基团加在碳碳双键的9位或10位上的两个区域异构体的混合物。
图4 油醇(OA)和油醇磺酸盐(OAS)的高效液相色谱图
Fig.4 High-performance liquid chromatography of oleyl alcohol(OA)and oleyl alcohol sulfonate(OAS)
为进一步验证产物OAS 的结构,对其进行了高分辨质谱(HR-MS)分析,如图5所示。由于HRMS分析模式为负离子模式,目标产物OAS的准离子峰m/z 值应为OAS 减去一个钠离子的碎片([C18 H36 SO4 Na-Na]-)形成。OAS的m/z 理论值为349.2412,与质谱中强度较高的离子峰的m/z值349.242 4相接近,进一步证实了OAS的结构,同时验证了HPLC中检测到的M 型重叠峰为两个异构体。
图5 油醇磺酸盐(OAS)的高分辨质谱图
Fig.5 Negative ion HR-MS spectrum of the oleyl alcohol sulfonates(OAS)
为进一步确认提纯产物的结构,将提纯产物OAS溶解于氘代的DMSO 中进行了1 H NMR 分析。结果如图6 所示,详细的核磁信息如下:1 H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ3.73(q,J=7.1 Hz,2H),3.00(t,J=8.8 Hz,1 H),2.87(p,J=6.1 Hz,1H),1.81~1.58(m,6H),1.50~1.08(m,24H),0.91~0.80(m,3 H).
图6 油醇磺酸盐(OAS)在氘代的DMSO 的1 H NMR 谱图
Fig.6 1 H NMR spectra of oleyl alcohol sulfonate(OAS)in deuterated DMSO
结果证明了所合成产物中碳碳双键消失,同时仍存在羟基,进一步确定了产物油醇磺酸盐表面活性剂(OAS)的结构。
2.2.1 表面张力
表面活性剂的最基本特征是能够显著降低液体的表面张力,而且表面张力的大小也是衡量表面活性剂的重要指标。图7为OAS、MOS和MES表面活性剂水溶液在两种温度下的表面张力随浓度的变化曲线。由图7得到的相关表面活性参数列于表1、2中。
表1 OAS、MOS和MES表面活性剂水溶液在不同温度下的γCMC
Table 1 γCMC of OAS,MOS,and MES surfactant aqueous solutions at different temperatures
图7 表面活性剂水溶液的平衡表面张力曲线
Fig.7 Equilibrium surface tension curves of surfactant aqueous solutions
表1为表面活性剂溶液在两种温度下的γCMC.可以看到,升高温度时,表面活性剂的γCMC 有所减小。这是因为升高温度会使其吸附膜排列更为紧密,提高了界面处烃类的有效密度,降低了平衡表面张力。
由表2可知,油醇磺酸盐(OAS)可以将水的表面张力降低至33.99 m N/m,其降低表面张力的能力与油酸甲酯磺酸盐(MOS)(33.64 m N/m)接近,优于直链表面活性剂脂肪酸甲酯磺酸盐(MES)(34.79 m N/m);OAS的临界胶束浓度(CMC,cMC,mol/L)为4.17×10-3 mol/L,和MOS的CMC 值(4.81×10-3 mol/L)相 当,大 于MES 的CMC 值(0.39×10-3 mol/L).通过分析上述三种不同结构的磺酸盐型阴离子表面活性剂可以发现,在相同温度下,随着支链的引入,表面活性剂临界胶束浓度下的表面张力值(γCMC)减小,CMC 值却有所增大,这是因为在引入支链后,表面活性剂中空气/水界面处的疏水部分的密度增大,使得γCMC 减小。此外,分支降低了表面活性剂分子的有效链长,导致胶束难以聚集形成,只能不断提高表面活性剂的浓度,使溶液内部的离子从分散的状态缔合成稳定的胶束,这也与通常情况下直链型表面活性剂临界胶束浓度比支链型低的结论相符[24]。OAS疏水支链中一端的极性基团羟基的存在使其分子间作用力增大,与MOS的支链疏水端相比降低了界面处烃类的有效密度,同时减少了胶束化的空间抑制作用,使得OAS的γCMC 值高于MOS而CMC值小于MOS.pC20通常用来表示表面活性剂的效率,即指表面张力降低20 m N/m 所需的表面活性剂浓度,计算公式见式(1).p C20 值越大,表示降低表面张力的效率越高[25]。从表2 中可以看出,OAS 的效率最低。结果说明,与MOS一样,油酸通过羧基选择性加氢、双键加成磺化得到的OAS具有典型支链表面活性剂的性质。
表2 OAS、MOS和MES表面活性剂水溶液的表面参数
Table 2 Surface parameters of OAS,MOS,and MES surfactant aqueous solutions
为了研究OAS 在气/液界面上的吸附和聚集行为,分别根据方程(2)-(5)[26-28]计算吸附平衡时的相关参数:饱和吸附容量(Γmax)、分子最小吸附面积(Amin)、本体溶液中胶束化的标准吉布斯自由能空气/水界面吸附标准吉布斯自由能
式中:γ 为表面张力,m N/m;c 为表面活性剂浓度,mol/L;T 为绝对温度,K;R 为气体常数,8.314 J·mol-1·K-1;∂γ/∂lg c 为表面张力图中CMC 处的斜率;n 为常数,对于单价离子表面活性剂,n=2;NA 为阿伏伽德罗常数,6.02×1023 mol-1;∏CMC=γ0-γCMC 为纯液体表面张力与表面活性剂水溶液最低表面张力的差值,计算结果列在表2中。支链表面活性剂OAS 与MOS 在气/液界面的吸附不同,与线性结构的MES相比,OAS的饱和吸附容量(Γmax)略有增大、分子最小吸附面积(Amin)减小,这主要是因为OAS疏水支链一端极性基团羟基使分子间作用力增大,减小了吸附的表面活性剂分子的独占面积。胶束化标准吉布斯自由能ΔGθmic 和吸附标准吉布斯自由能ΔGθads 均为负值,表明表面活性剂分子在水中的胶束化行为和在气/液界面的吸附行为均为自发过程,其中ΔGθads 的数值更小(绝对值更大),表明合成的表面活性剂OAS 在气/液界面的吸附为主要过程,优于胶束化过程[29]。
图8为OAS、MOS和MES表面活性剂水溶液在(25±0.1)℃下的表面张力随时间的变化曲线。由图8可知,在任意浓度下,动态表面张力均随着表面时间的增加逐渐降低,表明表面活性剂分子从溶液内部通过亚表面迁移到界面需要一定的时间,且可以明显看出随着浓度的增大,表面活性剂分子替代界面上的水分子的速度变快,即开始形成新的表面所需要的时间越来越短。这是因为表面活性剂分子在水溶液表面吸附是自发的过程,浓度越大时,其水溶液中OAS分子越多,分子向溶液表面吸附的速率就越大,表面张力达到平衡的速度就越快。在大约10 ms时,合成的油醇磺酸盐表面活性剂分子在空气/水界面处的表面张力比MES 溶液下降得更快,表明所合成的油醇磺酸盐表面活性剂具有更高的动态效率,具有快速清洗的特性。从图8(d)、(e)、(f)中相同浓度的表面活性剂水溶液的动态表面张力曲线可以看出,MOS 表面张力下降速度最快,即达到平衡时间最短;OAS次之;MES 所需时间最长。可得到MOS分子在空气/水界面扩散速度最快。同时,平衡时的OAS 溶液表面张力介于MOS和MES之间,与表2所得γCMC 值一致。
图8 表面活性剂水溶液的动态表面张力与表面年龄的关系
Fig.8 Dynamic surface tension versus surface age for surfactant solution
2.2.2 润湿性能
表面活性剂在疏水表面(石蜡膜)的动态接触角的大小是衡量润湿铺展性能最为简单方便的测试方法[30]。图9 展示了不同浓度OAS、MOS 和MES表面活性剂水溶液在石蜡膜上接触角及其随接触时间的变化情况。
图9 表面活性剂水溶液在石蜡膜上的接触角
Fig.9 Contact angles on parafilm for aqueous surfactant solutions
由图9可以看出,随着表面活性剂浓度的增大,其初始接触角不断减少,即浓度的增加使得表面活性剂分子能够快速地从水溶液迁移至固/液界面上,加快了润湿效率。在200 s时,OAS的接触角小于MES,即所合成的表面活性剂OAS 具有良好的润湿性能。同时,OAS的CMC 小于MOS,在相同浓度下,OAS在固-液和气-液界面吸附量大于MOS,使得OAS在200 s时润湿效果更好。图9(e)为表面活性剂溶液与石蜡膜接触的瞬时润湿时的图片,可以更加直观地看到,随着时间的推移,接触角呈现出逐渐变小的趋势。
2.2.3 乳化性能
当加入乳化剂(即表面活性剂)时,油水界面上的表面活性剂会在油水界面定向排列形成薄膜来阻止油滴的聚结,同时降低了界面张力,使油在水面上铺展,有利于乳液的稳定。一般用油水分离所需的时间来衡量表面活性剂的乳化能力,所需时间越长,说明乳化能力越好,反之则越差。考察油醇磺酸盐、油酸甲酯磺酸盐和脂肪酸甲酯磺酸盐三种表面活性剂对液体石蜡的乳化效果,结果如图10所示。
图10 不同浓度表面活性剂水溶液对液体石蜡的乳化能力
Fig.10 The emulsifying capacities of aqueous surfactant solutions of various concentration for liquid paraffin
由图10可以看出,表面活性剂浓度越大,其乳化时间越长,即乳液的稳定性与表面活性剂的浓度成正比例的关系。这是由于更多的表面活性剂分子吸附在水油界面上,增强了分子间相互作用,导致界面膜强度增大,因此形成的乳液的稳定性增强,乳化能力更好[24]。从图中可以看出,OAS 的乳化能力优于MOS,弱于MES。相比支链表面活性剂OAS和MOS,直链表面活性剂MES在界面膜的排列更紧密,膜强度更大,形成的乳状液更稳定。对比支链结构的OAS 和MOS,OAS 疏水端处的羟基使得OAS在油/水界面处吸附量更大,其界面膜强度更高,乳液更加稳定,乳化能力更好。图11为乳液微观图像,可以看出,随着浓度的增加,乳液液滴逐渐减小;相同浓度下,乳化时间越长的,乳液液滴越小。
图11 不同表面活性剂水溶液乳液液滴显微镜照片(比例尺为200μm)
Fig.11 Micrograph of emulsion droplets in aqueous solution of different surfactants(Scale bars are 200μm)
2.2.4 泡沫性能
一般泡沫性能主要是指稳定性和起泡性。产生低泡沫或不稳定的泡沫的表面活性剂比产生稳定泡沫的表面活性剂更适用于实际的工业清洗应用。不稳定的泡沫易被清洗,可以避免在管路清洗时泡沫堆积导致系统压力增加,从而使机械内部发生损坏[31]。图12为三种表面活性剂溶液的泡沫体积随时间的变化。
图12 不同表面活性剂水溶液的泡沫性能
Fig.12 Foaming properties of different aqueous surfactant solutions
由图12可知,三种表面活性剂的泡沫体积随时间变化趋势相似,只是泡沫稳定性不同。在相同的时间内,OAS的消泡速率大于MES而小于MOS.OAS和MOS表面活性剂具有较好的消泡性,MES则具有更佳的泡沫稳定性,这是由于支链表面活性剂吸附分子的排列较直链更松散,导致有较低的泡沫稳定性。OAS的消泡速率小于MOS,这是因为OAS中羟基的存在使得OAS较MOS分子结构更紧密。图13为泡沫微观形态的照片,从中也可看出与MES相比,OAS具有更好的消泡能力。
图13 质量浓度为1.5 g/L时不同表面活性剂水溶液的泡沫形态图像
Fig.13 Photographs of foam morphology of different surfactant aqueous solutions at 1.5 g/L
1) 以油醇为原料,亚硫酸氢钠作为磺化剂,过氧化苯甲酸叔丁酯和三乙胺作为催化体系,在40℃下反应20 h得到油醇磺酸盐。
2) 油醇双键加成磺化反应得到的油醇磺酸盐具有典型的支链表面活性剂特性,与直链表面活性剂MES相比,具有更低的表面张力,优异的润湿性能和快速消泡能力。
3) 与同为支链表面活性剂的MOS相比,油醇磺酸盐疏水支链中的一端存在极性基团羟基,这不但降低了界面处烃类的有效密度,同时还减少了胶束化的空间抑制作用,使得其润湿性能、稳泡性能和乳化性能均优于MOS.
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