固体酒精的制备工艺研究
(2007-03-08 10:45:25)
转载 分类： 无机及分析化学实验 固体酒精，或称固化酒精，因使用、运输和携带方便，燃烧时对环境的污染较少，与液体酒精比较安全性较高，作为一种固体燃料，广泛应用于餐饮业、旅游业和野外作业等场合。近几年来，出现了各种使工业酒精固化的方法。这些方法的差别主要是选择了不同的固化剂[1-2] 。
目前，所使用的固化剂主要有[3]：醋酸钙、硝化纤维、乙基羧基乙基纤维素、高级脂肪酸等。另外，从固化条件上来看，有一步法和两步法之区别。将各种添加剂投入到一份酒精溶液中进行溶解和冷却固化，我们称之为一步法；将不同添加剂分别投入到两份酒精溶液中，再进行混合固化，我们称之为两步法。一种好的固体酒精应该具有易点燃，燃烧热值高、无黑烟、无异味，燃烧后残渣少，储存时即使在夏季也不软化、不分离出液体酒精等特点。另外作为一种燃料，成本不能过高。考虑到燃烧时的安全性，最好在燃烧过程中始终保持固体状态。
针对上述要求，我们详细研究了固体酒精的制备工艺，探讨了固化剂和各种添加剂的作用以及不同工艺条件对固体酒精性能的影响。结果发现，硬脂酸与氢氧化钠反应生成的硬脂酸钠是一种较为理想的固体剂，硬脂酸的添加量在6.5％，氢氧化钠的添加量在1％时较为合适。制备时采用两步法，及硬脂酸和氢氧化钠分别溶于两份酒精溶液中，在60℃进行混合固化效果最佳。
１．实验
1.1 实验装置采用四口玻璃烧瓶，装有电动搅拌器、回流冷凝器、水银温度计和送料口。玻璃烧瓶置于超级恒温水浴中进行加热和温度控制。
1.2 实验原料为尽量使实验情况接近生产情况，使实验结果易于在生产中直接应用，绝大多数原料采用工业品。
1.3 实验步骤
将一种或数种添加剂一次或分几次加入到一份或两份酒精溶液中，进行加热和控制温度，直至所有固体都彻底溶解。溶解之后，若只是一种溶液则进行自然冷却、固化即可。若是两份溶液，则趁热混合，再自然冷却使之固化。
以硬脂酸钠为固化剂，采用两步法制备固体酒精的实验步骤如下：
取含量95%的工业酒精100g，加入13g硬脂酸，在四口烧瓶中加热搅拌，维持温度在60℃，直至硬脂酸完全溶解。时间大约需要40分钟。在另一烧瓶中加入酒精84g，NaOH 2g，在同样温度下加热搅拌，直至NaOH完全溶解。然后，将两份溶液趁热混合均匀，自然冷却后得均匀一致、几乎透明的固体酒精。以醋酸钙、硝化纤维和乙基羧基乙基纤维素为固化剂制备固体酒精的实验步骤与上述操作基本相同，不再赘述。
1.4 实验原理 硬脂酸与氢氧化钠混合后将发生下列反应：
C17 H35 COOH + NaOH ＝ C17 H35 COONa + H2 O
反应生成的硬脂酸钠是一个长碳链的极性分子，室温下在酒精中不易溶。在较高的温度下，硬脂酸钠可以均匀地分散在液体酒精中，而冷却后则形成凝胶体系，使酒精分子被束缚于相互连接的大分子之间，呈不流动状态而使酒精凝固，形成了固体状态的酒精。
２．结果与讨论
2.1 不同固化剂制得的固体酒精的比较
我们对上述几种固化剂分别作了实验。结果表明，使用这几种固化剂都可以制备出固体酒精。但制备工艺、产品性能及成本上还是有差别的。具体分析如下：
以醋酸钙为固化剂操作温度较低，在40～50℃即可。但制得的固体酒精放置后易软化变形，最终变成糊状物。因此储存性能较差，不宜久置。
以硝化纤维为固化剂操作温度也在40～50℃，但尚需用乙酸乙酯和丙酮溶解硝化纤维，致使成本提高。制得的固体酒精燃烧时可能发生爆炸，故安全性较差。
以乙基羧基乙基纤维素为固化剂虽制备工艺并不复杂，但该固化剂来源困难，价格较高，不易推广使用。
使用硬脂酸和氢氧化钠作固化剂原料来源丰富，成本较低，且产品性能优良。因此我们重点研究了使用该种固化剂时各种因素对产品性能和质量的影响。
2.2 加料方式的影响
我们在相同的温度（60℃）下比较了三种不同的加料方式，即Ａ．将固体硬脂酸和固体氢氧化钠同时加入酒精中，然后加热搅拌。这种加料方式较为简单，称为一步法。加料后开始加热，5min.后便有部分酒精开始固化，固化的酒精包在固体硬脂酸和固体氢氧化钠的周围，阻止了两种固体的溶解的反应的进一步进行，因而延长了反应时间和增加了能耗。最终溶解并反应完全需要60min. 以上的时间Ｂ．先将硬脂酸在酒精中加热溶解，再加入固体氢氧化钠。这样，反应情况比方式Ａ明显好转，但因先后两次加热溶解，需45min.
以上方可反应完全，生产周期较长。因此，我们采用两步法，即方式Ｃ．将硬脂酸和氢氧化钠分别在两份酒精中加热溶解，然后趁热混合，这样反应所用的时间较短，只需30min.即可完成溶解的反应过程，产品的质量也较好。
2.3 温度的影响
以硬脂酸钠为固化剂，在上述条件下将两份溶液混合。混合时温度影响的实验结果如表１所述。
表1 温度的影响
温度/℃ 现 象
20 硬脂酸不能完全溶解。
30 混合后立即生成固体酒精。
40 同上。
50 混合后有少量固体酒精生成。
60 混合后不立刻生成固体酒精。
70 同上。
通过上述实验结果，很容易看出，在温度很低时由于硬脂酸不能完全溶解，因此无法制得固体酒精。在30℃时，硬脂酸可以溶解，但需要较长的时间。且两液混合后立刻生成固体酒精，由于固化速度太快，致使生成的产品均匀性差。随着温度的升高，固化的产品均匀性越来越好。在60℃时，两液混合后并不立该产生固化，因此可以使溶液混合的非常均匀，混合后在自然冷却的过程中，酒精不断地固化，最后得到均匀一致的固体酒精。虽然在70℃时所制得的产品外观亦很好，但该温度接近酒精溶液的沸点，酒精挥发速度太快，因此不宜选用该温度。
从实验结果来看，60℃是较为理想的温度。这时，硬脂酸的溶解速度较快，而酒精的挥发不是太快，产品的外观均匀一致，几乎是透明的。
2.4 硬脂酸与HaOH配比的影响
在两份溶液混合后，硬脂酸与氢氧化钠将进行酸碱中和反应。理论上，进行该反应硬脂酸与氢氧化钠的质量比为7.1:1。考虑到硬脂酸的价格为7200元/吨，而氢氧化钠仅为1800元/吨，为使硬脂酸尽量反应完全，氢氧化钠应稍微过量。实验发现硬脂酸与氢氧化钠配比的不同主要影响固体酒精燃烧后剩余残渣的量，其实验结果见表２。
表２．硬脂酸与氢氧化钠不同配比对燃烧残渣量的影响
硬脂酸:NaOH 燃烧残渣(％)
3:1 1.14
3:0.75 0.89
3:0.6 0.74
3:0.5 0.64
3:0.46 0.59
从表中数据不难看出，随着NaOH比例的增加燃烧残渣量也不断增大。因此，NaOH的量不宜过量很多。我们取3:0.46也就是硬脂酸:NaOH=6.5:1。这时，酒精的凝固程度较好，产品透明度高，燃烧残渣少，燃烧热值高。
2.5 硬脂酸加入量的影响
硬脂酸加入量的多少直接影响固体酒精的凝固性能。目前，大部分市售的固体酒精在点燃后即变为液体。因此，必须放在铁制容器内燃烧，且易流淌，不安全。能否使固体酒精在燃烧时仍保持固体状态呢？实验表明是完全可以的。这可以通过改变硬脂酸的添加量来实现。硬脂酸的添加量对酒精凝固性能影响的实验结果见表３。
表３．硬脂酸的添加量对酒精凝固性能的影响
硬脂酸的量W(％） 燃烧现象 出现熔化的时间（秒）
3 熔化、流淌 〈5
4 熔化、流淌 〈5
5 熔化、流淌 5 ～ 10
6 少量熔、淌 15 ～ 20
6.5 不熔化 ∞
表中数据可以看出，在硬脂酸含量达到6.5%以上时，就可以使制成的固体酒精在燃烧时仍然保持固体状态。这样大大提高了固体酒精在使用时的安全性，同时可以降低成本，在某些场合可以使用塑料袋包装代替铁桶或塑料桶的包装。特别是在野外作业或旅游时，可以直接将固体酒精放在铁板或砖块上燃烧而不必盛于铁桶内，用起来特别方便。
当增加了硬脂酸的用量后，固体酒精在燃烧时会有一层不易燃烧的硬膜生成，阻止了酒精的流淌，而保持了酒精的固体形态。
2.6 其它添加剂的影响
2.6.1 石蜡的影响
石蜡在常温下为固体，且为烃类化合物，易燃，很容易使人想到加入石蜡来提高和改善固体酒精的性能。通过实验我们发现石蜡确实能提高固体酒精的硬度，但加入石蜡后，燃烧时有黑烟冒出，且有石蜡的气味。因此，加入石蜡的固体酒精不适合于室内使用。
2.6.2 硝酸铜的影响
酒精在燃烧时火焰基本无色，而固体酒精由于加入了NaOH，钠离子的存在使燃烧时的火焰为黄色。若加入0.5％的硝酸铜，固体酒精的各项指标基本不受影响，但燃烧时火焰变为蓝色。可以选择不同的盐类，加入到固体酒精中去得到不同颜色的火焰，增加燃烧时的美感。
2.7 产品的测试
外观：半透明固体，均匀一致，无液体渗出。
熔点: 52℃，可以保证在夏季储存不软化，不流淌。
燃烧状态：燃烧时仍呈固体状态，不流淌，无黑烟，无异味。
燃烧时间：取150g置于Φ70×50mm铁桶内，点燃后可持续燃烧114分钟。
３．结论
以硬脂酸钠为凝固剂，采用两步法制备工艺，在60℃时进行反应，酒精:硬脂酸:氢氧化钠的最佳比例为92.5:6.5:1时，可以制得性能优良的固体酒精。
所制得的固体酒精熔点为52℃，储存时不软化，不流淌；燃烧时无黑烟，无异味。燃烧持续时间长且燃烧时仍保持固体状态。
通过添加少量无机盐类可以改变火焰的颜色。
偶看新闻