酯交換在合成多元醇酯基礎(chǔ)油中的研究現(xiàn)狀

方璐，梁宇翔

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

近年來，由于經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的高速發(fā)展，人們面臨資源與環(huán)境兩大問題。隨著軍事工業(yè)以及尖端科技的發(fā)展，對(duì)潤滑劑的要求也越來越高，如在高溫、低溫、高載荷、高轉(zhuǎn)速等苛刻的條件下，仍能保持潤滑油原來的性能特點(diǎn)，保證機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。潤滑油主要由基礎(chǔ)油和各種添加劑調(diào)合而成，基礎(chǔ)油一般占80%以上，所以基礎(chǔ)油的質(zhì)量直接影響潤滑油的好壞。作為綠色潤滑劑的多元醇酯基礎(chǔ)油由于其優(yōu)勢受到人們的關(guān)注：具有較寬的液體范圍、優(yōu)良的潤滑性能、較高的黏度指數(shù)、性能穩(wěn)定、良好的熱穩(wěn)定性能、高閃點(diǎn)、低揮發(fā)性、傾點(diǎn)低、低溫流動(dòng)性好、氧化穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。此外，多元醇酯基礎(chǔ)油作為可生物降解基礎(chǔ)潤滑油，既可以滿足如今設(shè)備對(duì)潤滑油的高性能要求，又可以解決環(huán)保與資源的需求。

多元醇酯基礎(chǔ)油合成主要是直接酯化法和酯交換法，相比于直接酯化法，酯交換法反應(yīng)溫度更低，耗能小，且副反應(yīng)少[2]。酯交換法合成多元醇酯基礎(chǔ)油的原料脂肪酸甲酯可來自生物柴油，其來源廣泛、價(jià)格低廉，另外酯交換法具有合成過程清潔、工藝過程廢物少、合成物質(zhì)易降解等優(yōu)勢，因此酯交換法合成多元醇酯基礎(chǔ)油的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 酯交換法

1.1 化學(xué)酯交換即化學(xué)物質(zhì)做催化劑

化學(xué)酯交換是利用酸性催化劑(硫酸、磷酸、固體超強(qiáng)酸等)或堿性催化劑(堿金屬、堿金屬氫氧化物、堿金屬烷氧化物等)作為催化劑的酯交換反應(yīng)[3]。其催化劑成本相對(duì)較低，但產(chǎn)物后處理復(fù)雜，產(chǎn)生廢水污染環(huán)境，后處理過程還會(huì)造成產(chǎn)物浪費(fèi)。其中堿性催化對(duì)于所使用的原材料中的許多物質(zhì)如游離脂肪酸和水含量等都有著較為嚴(yán)格的限制。酸性催化法對(duì)反應(yīng)溫度的要求比堿性催化法要高。在原材料方面，少量水和游離脂肪酸的存在，對(duì)酸性催化劑催化能力影響不大[4]。但目前很少利用酸性催化劑酯交換合成多元醇酯的報(bào)道，Kamil R.N.M等用麻風(fēng)樹油甲酯(JOME)和三羥甲基丙烷，以硫酸為催化劑酯交換制備多元醇酯，最佳條件下轉(zhuǎn)化率達(dá)91.5%[5]。在關(guān)于利用堿性催化劑酯交換合成多元醇酯的研究中，使用的堿性催化劑主要是甲醇鈉、甲醇鈣、氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀等等。

國內(nèi)學(xué)者酯交換法合成多元醇酯基礎(chǔ)油利用的堿性催化劑主要是甲醇鈉。邢鳳蘭等以甲醇鈉為催化劑，通過試驗(yàn)確定最佳反應(yīng)條件為:油酸甲酯與三羥甲基丙烷(TMP)物質(zhì)的量比為6.5∶1，反應(yīng)溫度為160 ℃，催化劑用量為總質(zhì)量的0.5%，反應(yīng)8 h，收率為95.5%。反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)混合物用酸性水溶液進(jìn)行中和，并用50 ℃熱水洗，最后用無水硫酸鈉干燥。工藝相對(duì)復(fù)雜，后處理產(chǎn)生廢水[6]。郭瑞華也以甲醇鈉為催化劑，以棕櫚油酸甲酯和三羥甲基丙烷為原料，通過酯交換合成三羥甲基丙烷酯；通過單因素和響應(yīng)面設(shè)計(jì)，得到三羥甲基丙烷三酯的最佳制備條件為：棕櫚油脂肪酸甲酯和三羥甲基丙烷的摩爾比為7.3∶1，的0.86%，反應(yīng)溫度為168 ℃，反應(yīng)時(shí)間為7 h[1]。汪勇等以棕櫚油脂肪酸甲酯和三羥甲基丙烷為原料，選用6種堿性催化劑(氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀)及其合成的2種新型多元醇?jí)A性催化劑(命名為三羥甲基丙烷鉀和三羥甲基丙烷鈉)經(jīng)酯交換反應(yīng)制備可用做生物潤滑油基礎(chǔ)油的三羥甲基丙烷脂肪酸三酯。其中三羥甲基丙烷鉀和三羥甲基丙烷鈉比其他幾種堿性催化劑在三羥甲基丙烷中的溶解性更大，所以催化效果更好且反應(yīng)溫度較低，反應(yīng)時(shí)間短。另外堿性催化劑腐蝕性小，且用量較少，成本優(yōu)勢明顯。最佳合成條件為：催化劑為三羥甲基丙烷鉀，催化劑添加量是三羥甲基丙烷物質(zhì)的量的2%，反應(yīng)時(shí)間1 h，反應(yīng)溫度128 ℃，棕櫚油脂肪酸甲酯與TMP物質(zhì)的量比為4∶1，反應(yīng)在絕對(duì)壓力300 Pa下，反應(yīng)產(chǎn)物中加入過量磷酸中和催化劑，用熱水(80 ℃)水洗2～3次，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去剩余水分，得到反應(yīng)混合液。分析得到脂肪酸甲酯的轉(zhuǎn)化率為91.78%，產(chǎn)物中三油酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.11%[7]。

國外利用的堿性催化劑為甲醇鈉、甲醇鈣。Esa Uosukainen等在無溶劑條件下以化學(xué)堿性催化劑(甲醇鈉)酯交換菜籽油甲酯和三羥甲基丙烷，約10 h內(nèi)得到高達(dá)99%的總轉(zhuǎn)化率，但所需溫度高達(dá)120 ℃，用酸性水中和混合物，用溫水(50 ℃)洗滌，并經(jīng)無水硫酸鈉干燥[8]。GunamResul M.F.M等利用麻風(fēng)樹油甲酯和三羥甲基丙烷在甲醇鈉催化劑的催化下酯交換，壓力保持在1 kPa，溫度范圍為120～200 ℃，在200 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)麻風(fēng)樹油甲酯向麻風(fēng)樹生物潤滑劑的轉(zhuǎn)化率最高為47%[9]。2014年NurAtiqah Mohamad Aziz以甲醇鈉做催化劑由棕櫚油甲酯和季戊四醇的酯交換反應(yīng)合成，最佳反應(yīng)溫度為158 ℃，催化劑用量為物料的1.19%，摩爾比為4.5∶1，反應(yīng)時(shí)間為60 min，季戊四醇四脂肪酸酯的最大產(chǎn)率為37.56%[10]。甲醇鈉應(yīng)保持無水條件下反應(yīng)，得到的產(chǎn)品性能如下：運(yùn)動(dòng)黏度在40 ℃和100 ℃時(shí)分別為68.4 mm2/s和2.7 mm2/s，合成酯的閃點(diǎn)是302 ℃。May Ying Koh等在真空條件下使用甲醇鈉作為催化劑，通過棕櫚油甲酯與三羥甲基丙烷(TMP)的酯交換，將振蕩流動(dòng)混合(OFM)技術(shù)應(yīng)用于棕櫚生物潤滑劑的生產(chǎn)中[11]。振蕩流動(dòng)反應(yīng)器可有效促進(jìn)均勻混合，提高反應(yīng)器內(nèi)的工程性能，節(jié)省了兩倍以上的時(shí)間。

Hassan Masood 等2012年利用合成的甲醇鈣為催化劑，在三羥甲基丙烷與棕櫚油甲酯摩爾比為1∶6、反應(yīng)溫度180 ℃、壓力保持在5 kPa的條件下，加入反應(yīng)物量的0.3%的催化劑，由氣相色譜分析發(fā)現(xiàn)反應(yīng)2 h后得到的三油酸酯產(chǎn)率為80.35%，4 h后為87.48%，6 h后為91.30%，8 h后為92.38%的滿意結(jié)果；表明甲醇鈣在酯交換合成多元醇酯的反應(yīng)中具有良好的催化效果[12]。S．Gryglewicz等以甲醇鈣為催化劑，以菜籽油、橄欖油、豬油為原始材料，合成脂肪酸甲酯之后加入異辛烷做溶劑，同新戊二醇，三羥甲基丙烷酯交換合成多元醇酯，以甲醇的蒸出量判斷轉(zhuǎn)換率；獲得的產(chǎn)品在100 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度在4.05～9.06 mm2/s之間，傾點(diǎn)在-10.5～17.5 ℃之間，但其黏度指數(shù)均達(dá)到200以上[13]。2012 年Teck-Sin Chang通過酯交換合成三羥甲基丙烷高油酸含量的棕櫚油酯，以甲醇鈣為催化劑，反應(yīng)溫度170 ℃，系統(tǒng)壓力保持在50 kPa，甲醇鈣為反應(yīng)混合物的0.3%，反應(yīng)8 h，得到含98%的三油酸酯產(chǎn)物。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)作為非均相催化劑的甲醇鈣同均相催化劑相比雖然催化效果沒有甲醇鈉好，但皂化程度低，且反應(yīng)結(jié)束后甲醇鈣催化劑易于分離[14]。

由以上文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于酯交換合成多元醇酯的堿性催化劑主要集中于甲醇鈉和甲醇鈣，反應(yīng)溫度普遍較高，有些還需要在減壓條件下進(jìn)行。其中均相催化劑甲醇鈉催化效果優(yōu)于非均相催化劑甲醇鈣，但甲醇鈉催化劑皂化現(xiàn)象嚴(yán)重，且安全性低，不適用于工業(yè)生產(chǎn)。除此之外，三羥甲基丙烷鉀作為催化劑催化效果好，但相關(guān)研究較少。堿性催化劑對(duì)反應(yīng)物原料要求較高，后處理會(huì)產(chǎn)生大量廢水，污染環(huán)境。

1.2 生物酯交換

生物酯交換即酶法酯交換是利用酶作為催化劑的酯交換反應(yīng)，形式分為液體酶和固定化酶。固定化酶催化劑指采用有機(jī)或無機(jī)材料作為載體，將酶包埋起來或束縛、限制于載體的表面和微孔中而合成的酶催化劑，固定化酶催化劑既保持了酶的催化活性，還可以回收利用，降低成本。Amin Bornadel等在油酸和三羥甲基丙烷的反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)其他反應(yīng)條件相同情況下，加入酶催化劑后反應(yīng)產(chǎn)物中三羥甲基丙烷三油酸酯高達(dá)95%，而不加酶催化劑的產(chǎn)物中三羥甲基丙烷三油酸酯幾乎沒有[15]。

酶作為催化劑正應(yīng)用于眾多不同的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中，更多新領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷出現(xiàn)。在多數(shù)應(yīng)用場合，酶在溫和的條件下發(fā)揮其催化作用，大大節(jié)約了能源和水資源，既有利于解決工業(yè)問題，又有利于環(huán)保[16]。比如Lipozyme 435，Novozym 435，Lipozyme RM IM，Lipozyme TL IM用于酯交換合成中長碳鏈結(jié)構(gòu)甘三酯[17]，脂肪酶Lipozyme RM IM催化癸酸與椰子油酯交換制備富含中碳鏈甘三酯油脂[18]，固定化Muco r miehei脂肪酶(即Lipozyme-IM)用于酯交換合成類可可脂[19]，固定化Rhizopusarrbizus脂肪酶和Candida rugosa脂肪酶酯交換癸酸乙酯與己醇。酶類催化劑如Novozym 435，Rhizopusoryzae，Pseud-omonascepacia及劉偉東研究小組自制的固定化Candida sp.99-125酶已用于生物柴油方面的研究，其中固定化脂肪酶催化酯交換制備生物柴油已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[4,19]。

Kiriliauskaite V.等利用Lipoprime 50T酶催化劑在水溶劑中，常壓，溫度60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為72 h，得到最高三羥甲基丙烷一，二和三油酸酯總產(chǎn)率約為83%[20]。雖然常壓下，酶催化劑沒有甲醇鈉、甲醇鈣催化效果好，產(chǎn)量不足以滿足工業(yè)應(yīng)用，但該過程表明在不久的將來可以優(yōu)化以獲得更高產(chǎn)率，比如減壓條件下反應(yīng)。

酶催化劑較化學(xué)催化劑具有諸多優(yōu)勢：(1)反應(yīng)條件溫和，其反應(yīng)溫度一般低于70 ℃，能耗低；(2)產(chǎn)物與催化劑易分離， 且催化劑可重復(fù)利用，反應(yīng)產(chǎn)物后處理容易，對(duì)環(huán)境污染小且浪費(fèi)少；Thalles A. Andrade的試驗(yàn)中酶催化蓖麻油酯交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)酶催化劑不易皂化，反應(yīng)結(jié)束后固定化脂肪酶可通過簡單過濾回收，重復(fù)利用[21]；(3)安全性好，其來源于含有脂肪的動(dòng)、植物和微生物(如霉菌、細(xì)菌等)組織中。

目前國內(nèi)外關(guān)于酶法酯交換合成多元醇酯的研究相對(duì)較少。Y. Y. Linko等在不添加水和任何有機(jī)溶劑的條件下，三羥甲基丙烷和菜籽油脂肪酸甲酯的混合物通過固定化脂肪酶Lipozyme IM 20在58 ℃，5.3 kPa條件下反應(yīng)66 h達(dá)到約90%的最高轉(zhuǎn)化率[22]。Esa Uosukainen等在無溶劑條件下用生物催化劑(Candida rugosa即Novozym 435)酯交換[8]。在Candida rugosa的催化下，常壓反應(yīng)120 h，37 °C，添加40%脂肪酶，15%水，最高轉(zhuǎn)化率才有11.2%；當(dāng)反應(yīng)物摩爾比為1∶3.5，42 ℃，72 h，2.0 kPa的減壓下，轉(zhuǎn)換率約為95%；在47 ℃，68 h，5.3 kPa條件下，得到約98%的三羥甲基丙烷酯的轉(zhuǎn)化率。用丙酮萃取總樣品兩次之后，通過離心分離出固定化酶催化劑。專利CN200910058190.1中，劉陽以Novozym 435催化劑在叔丁醇溶劑中催化脂肪酸低烷基醇酯與多元醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)，叔丁醇可有效提高反應(yīng)物溶解度，其支鏈化程度高，難以同脂肪酸酯轉(zhuǎn)酯化，且對(duì)酶催化劑無毒性，可消除水對(duì)酶催化劑活性和穩(wěn)定性的影響，有效提高酶催化劑的穩(wěn)定性和催化活性[23]。反應(yīng)在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行，多元醇酯產(chǎn)率大于92%。蔡慕穎選用Novozym 435脂肪酶為催化劑，以三羥甲基丙烷為原料進(jìn)行酯交換得到了一種麻風(fēng)樹油基可生物降解潤滑油基礎(chǔ)油；考察最佳反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度65 ℃，油醇摩爾比1∶3，反應(yīng)時(shí)間21 h，酶用量為麻風(fēng)樹油量的7%[24]。專利US20020090686A1用Novozym 435脂肪酶為催化劑合成多元醇的羥基脂肪酸酯[25]。

酯交換利用酶催化合成多元醇酯，反應(yīng)溫度相對(duì)較低，一般不高于70 ℃；后處理相對(duì)簡單，通過簡單過濾或離心分離后可以重復(fù)使用，因此不存在產(chǎn)生廢水，污染環(huán)境的問題；但反應(yīng)速率慢、反應(yīng)時(shí)間較長，另外，酶催化劑在有機(jī)溶劑如甲醇含量高的原料中易失活，限制了其使用。雖然酶催化劑成本很高，比如常用的Novozym 435、 Lipozyme TL IM價(jià)格相當(dāng)高，但使用溶劑洗滌后可以重復(fù)使用，有文獻(xiàn)表明酶催化劑可重復(fù)使用10次且催化效率沒有明顯下降[26]。Aguieiras E.C.G研究發(fā)現(xiàn)Novozym 435、Lipozyme RM IM、Lipozyme TL IM三種商業(yè)酶催化劑在重復(fù)使用前若使用溶劑洗滌，酶催化效率降低較少[27]，這在一定程度上降低了酶催化劑的成本。

關(guān)于利用酯交換合成多元醇酯的研究，學(xué)者們可以借鑒合成生物柴油的方法，如Peter Adewale等利用Candida antarctica Lipase B酶催化廢牛脂合成生物柴油，其結(jié)合超聲波技術(shù)充分混合，反應(yīng)時(shí)間20 min(比傳統(tǒng)批處理工藝少30倍)，剛好可以解決酶催化反應(yīng)時(shí)間長的問題[28]。Pollardo A.A.等在超臨界條件下，以Novozym 435酯交換廢棄動(dòng)物脂肪生產(chǎn)生物柴油，由于超臨界狀態(tài)下可以增強(qiáng)酶活性，所以催化效率提高[29]。另外可以嘗試?yán)闷渌ソ粨Q催化劑，不僅僅局限于甲醇鈉、甲醇鈣和Novozym 435，很多酶催化劑已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，都可以用來嘗試作為酯交換催化劑合成多元醇酯如Lipozyme RM IM和Lipozyme TL IM。還有就是可以尋找合適的溶劑進(jìn)行有利于保持酶催化劑的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性的研究。

2 結(jié)束語

催化劑對(duì)于酯交換合成多元醇酯的反應(yīng)起著至關(guān)重要的作用，目前的研究中一方面對(duì)于催化劑的選擇面相對(duì)較窄，主要集中于甲醇鈉、甲醇鈣和Novozym 435這3種催化劑方面合成多元醇酯。甲醇鈉和甲醇鈣催化劑催化效果好，但對(duì)于所使用的原材料中的許多物質(zhì)如游離脂肪酸和水含量等都有著較為嚴(yán)格的限制，安全性低、反應(yīng)溫度較高、易皂化且產(chǎn)物后處理復(fù)雜，產(chǎn)生廢水，污染環(huán)境，因此不適用于工業(yè)生產(chǎn)。脂肪酶催化劑催化效果不及堿性催化劑，反應(yīng)時(shí)間長，但反應(yīng)溫度相對(duì)較低，通過簡單過濾或離心分離催化劑，經(jīng)合適溶劑洗滌后催化效果降低較小，可以重復(fù)使用，有利于成本最小化；后處理相對(duì)簡單，且不存在產(chǎn)生廢水污染環(huán)境等問題。尤其對(duì)于酯交換合成多元醇酯反應(yīng)，其反應(yīng)物原料為脂肪酸甲酯和多元醇，對(duì)催化劑活性影響較小，反應(yīng)后雖然產(chǎn)生甲醇，甲醇影響催化劑活性，但及時(shí)蒸出甲醇，既有利于反應(yīng)向生成多元醇酯方向進(jìn)行，又降低了甲醇對(duì)酶活性的影響。

另一方面關(guān)于脂肪酸酯與多元醇的酯交換反應(yīng)的研究還是較少，大部分關(guān)于酯交換反應(yīng)集中于脂肪酸酯與低碳醇的酯交換研究，比較典型的就是酯交換合成生物柴油。除催化劑的選擇情況研究外，有學(xué)者也研究了利用振蕩流動(dòng)混合(OFM)技術(shù)酯交換合成多元醇酯，或者直接利用多元醇同原料油脂酯交換，省掉油脂甲酯化這一步。雖然酯交換的研究很多，但由于多元醇較大的分子結(jié)構(gòu)的原因，集中于酯交換法合成多元醇酯的研究相對(duì)還是較少，可參考酯交換合成生物柴油的研究情況，結(jié)合新技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化酯交換法合成多元醇酯的研究。