超临界流体萃取技术制备高纯度聚丙烯酸

聚丙烯酸作为高吸水材料、助洗涤剂和水处理剂,近年来被广泛应用于医疗卫生、建筑、石油、日化、食品等领域。制备聚丙烯酸的传统方法主要有反相悬浮聚合法和水溶液聚合法。反应结束后需要干燥除水,耗能很多。如果聚丙烯酸用于日化、食品等行业,则要求纯度很高,因此传统工艺中去除有机溶剂、表面活性剂和残余单体等小分子物质也是一项烦琐的工作。而我们利用超临界二氧化碳作为反应介质可解决这一问题,反应结束后无须干燥就可直接得到固体状态的白色粉末,同时使用超临界萃取技术,将小分子单体抽提出来,从而提高产物的纯度。CO2可以在密闭管路中循环使用,可以避免“温室效应”问题,同时也有效地降低了能耗。

1.实验部分

1.1实验方法

将丙烯酸、偶氮二异丁腈(引发剂)加入到密闭高压釜中,丙烯酸的体积对浓度的比为10%～30%,引发剂的浓度均为单体的0.2%～1%,一边升温,一边用高压泵充入CO2,待温度达到60～70℃,CO2压力达13～16MPa时,搅拌反应8～10h,降温减压得到聚丙烯酸白色固体粉末。(因为本实验目的是要使用超临界二氧化碳萃取技术研究不同温度、压力和CO2流量对聚丙烯酸纯度的影响,所以所用样品为纯聚丙烯酸,故将上述反应产物放置在干燥器中数天,让丙烯酸单体充分挥发直至不再有刺激性的单体气味)称取约4g纯聚丙烯酸,精确滴入1g丙烯酸单体,放入高压釜内,升温升压到超临界状态,使其充分溶解5h左右。然后打开出气阀,用高压泵使釜内压力保持11～15MPa,高压釜的温度保持在40～60℃,解析器温度为50～70℃,缓慢解析,使经过湿式流量计的CO2流量为10～40L,解析完后关闭解析阀,一边降温,一边缓慢减压放出CO2,即可得到高纯度的聚丙烯酸白色粉末。

假设萃取后样品减重为m,则抽提率为(m/l)×100%。

2.结果与讨论

2.1不同温度对萃取结果的影响

将丙烯酸、偶氮二异丁腈(引发剂)加入到密闭高压釜中,丙烯酸的体积对浓度的比为10%～30%,引发剂的浓度均为单体的0.2%～1%,一边升温,一边用高压泵充入CO2,待温度达到60～70℃,CO2压力达13～16MPa时,搅拌反应8～10h,降温减压得到聚丙烯酸白色固体粉末。(因为本实验目的是要使用超临界二氧化碳萃取技术研究不同温度、压力和CO2流量对聚丙烯酸纯度的影响,所以所用样品为纯聚丙烯酸,故将上述反应产物放置在干燥器中数天,让丙烯酸单体充分挥发直至不再有刺激性的单体气味)称取约4g纯聚丙烯酸,精确滴入1g丙烯酸单体,放入高压釜内,升温升压到超临界状态,使其充分溶解5h左右。然后打开出气阀,用高压泵使釜内压力保持11～15MPa,高压釜的温度保持在40～60℃,解析器温度为50～70℃,缓慢解析,使经过湿式流量计的CO2流量为10～40L,解析完后关闭解析阀,一边降温,一边缓慢减压放出CO2,即可得到高纯度的聚丙烯酸白色粉末。

当压力为11MPa,经过流量计的CO2流量为10L时,改变温度得到的实验结果如表1所示:

随着温度升高,超临界CO2对单体的溶解度也增加,随之萃取出的单体量也增加,从上述结果可看出抽提率对温度的变化不是很敏感。

2.2CO2流量对萃取结果的影响

实验结果可看出，固定温度和压力,超临界CO2对单体的溶解度是一定的,但随着CO2流量的增加,溶解在其中的单体量也会随之增加,因此样品的抽提率也随之提高。

2.3不同压力对萃取结果的影响

实验结果如可看出，在相同温度和CO2流量下,样品的抽提率随着压力的增加而增加,这与超临界CO2的溶解能力随压力增加而增加的性质是一致的。

3.结论

从丙烯酸与超临界CO2的相图可以看出当丙烯酸的浓度为20%,温度为65℃时,只要压力高于12MPa,丙烯酸可完全溶解,而当温度低于65℃,完全溶解丙烯酸所需的压力则更低。因此当CO2流量足够大时,溶解的丙烯酸都能萃取出来。通过实验我们可得出如下结论:升高温度和压力,增大CO2流量都能有效地提高抽提率。这同时也是对相图的验证。