1、吸附劑選擇依據
合乎油脂工業要求的吸附劑首先是多孔性、比表面積大的物質,除此以外,它還需具備以下基本性質:
(1)具有選擇性吸附作用。大量吸附雜質而少吸油,用少量吸附劑就達到效果。
(2)化學性質穩定,與油脂不發生化學反應,不使油脂帶上異味(白土味)。
(3)具一定工程特性,如機械強度、幾何形狀等,使用方便,能以簡便的方法與油脂分離。
(4)來源廣、價廉、使用經濟。
完全具備上述諸條件的吸附劑尚未見報道,尋找和研制理想的吸附劑是油脂加工業重要的課題之一。
2、吸附劑的種類
01天然漂土
某些由層狀硅酸鹽所構成的礦物如膨潤土(bentonite)、凹凸棒石和海泡石等,具有很高的表面積(40~120m2/g),顯示出高吸附容量,經過干燥、煅燒和粉碎等簡單的物理加工即可用于吸附,產生一定漂洗效果,這些礦物常被稱為天然漂土。
膨潤土的主要成分為蒙脫石(montmorillonite),其結構和成分如圖所示。
凹凸棒土又稱坡縷石(palygouskite)或坡縷縞石,是一種具鏈層狀結構的含水富鎂硅酸鹽粘土礦物。凹凸棒石的化學結構式為Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O,具有獨特的晶體結構,晶體呈針狀、纖維狀或纖維集合狀(見圖),主要物化性能和工藝性能與蒙脫石相似,有:陽離子可交換性、吸水性、吸附脫色性、大的比表面積等。
02活性白土
活性白土又稱為酸性白土,是目前在油脂脫色加工中用量最大的吸附劑。在本節中,“活性”是指活性白土所顯示的各種性能,如吸附性、催化性、離子交換性能等綜合性能,活性大小用活性度來表示。
用于生產活性白土的起始物料主要是膨潤土礦物,如蒙脫石,其活化通常是用無機酸(硫酸或鹽酸)在高溫下處理數小時,這樣可大大增加比表面積,從原來40–60 m2/g增加到約300 m2/g。圖顯示蒙脫石酸活化時,酸用量對比表面積和脫色性能的影響。膨潤土是天然的陽離子交換劑,在自然條件下,其晶體層間的陽離子可被無機酸的質子所取代:
Ca型膨潤土 + 2 H+ ——H型膨潤土 + Ca2+
自然發生的這個反應非常緩慢,但因為這個原因,天然漂土常呈微酸性,其懸浮液的pH為5~6。
用酸處理時,首先溶解掉土中雜物,如方解石等,無機酸的質子取代蒙脫石晶體層間的陽離子,如Ca2+、Mg2+、K+、Na+等,在不改變蒙脫石層狀結構的情況下,溶出蒙脫石八面體層中部分Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+以及四面體的層中部分Al3+,由小半徑的H+取代它們的相應位置,使蒙脫石晶格“松懈”,晶體二端孔道增大,比表面積增加,體積密度減小。
由于H+對八面體或四面體多價離子的取代,造成白土表面的電性更負,強化了活性白土的酸性、催化性等多種化學活性。
03活性炭
活性炭是由樹枝、皮殼等炭化后,再經活化處理而成。具有細密多孔結構,比表面積達200~1000m2/g;脫色系數很高,可有效除去油中紅色素,脫色后油脂不帶異味,能吸附低煙點物質,但活性炭價格較貴,吸油率也較高,過濾速度慢。故一般不單獨用于脫色,而是與活性白土配合使用,搭配比常為1:10~20,這樣有利于發揮這兩類吸附劑的互補作用。
活性炭可以吸附白土不能吸附的重質多環芳烴,而且吸附后的活性炭濾餅中壓榨出的油不含多環芳烴,表明活性炭可以牢固吸附此類芳烴。
04沸石
沸石是一種大小均勻、結果規則的含水堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物,它是一種具有分子篩(molecular sieve)作用的多孔吸附材料,可以在分子水平上篩分物質,即只吸附特定體積的分子,而排除其它尺寸的分子。雖然沸石只是分子篩的一種,但是沸石在其中最具代表性,因此“沸石”和“分子篩”這兩個詞經常被混用。沸石是沸石族礦物的總稱,自然界已發現的沸石有30多種,較常見的有方沸石、鈣沸石等。它們的含水量與外界溫度及水蒸氣的壓力有關,加熱時水分可慢慢逸出,但并不破壞其結晶構造。沸石除天然外,也可由人工合成,如磺酸化聚苯乙烯。
05硅膠
硅膠又稱為“水凝膠”,其原料為水玻璃,又稱“泡化堿”,經過稀硫酸處理,制備成一種多孔海綿狀的水溶性硅酸鹽,含水60~70%,它的比表面積為800 m2/g左右。盡管這種硅酸鹽吸附劑的脫色活性較小,但是它對微量金屬、磷脂有很高的選擇性吸附作用。
06硅藻土
硅藻土(kieselguhrs)是一種由古代硅藻遺體組成的生物沉積礦物,其化學成份主要是SiO2,含有少量Al2O3、Fe2O3等,SiO2通常占80%以上,最高可達94%。硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀,如圓盤狀、針狀、筒狀、羽狀等,松散密度為0.3~0.5g/cm3,孔隙率達80%~90%,能吸收其本身重量1.5~4倍的水,化學穩定性高,不溶于強酸(氫氟酸除外),但能溶于強堿溶液中。
硅藻土具有一定的吸附性能,但在油脂工業中主要作為助濾劑使用。商用硅藻土的性能與原土粉碎、分選、煅燒、氣流分級、去雜等加工工序有關。在約1000℃高溫下加入助熔劑(通常純堿)進行煅燒可制備快濾型硅藻土(見圖),由于助熔劑的加入,這種硅藻土呈微堿性,pH為10。
合成硅酸鎂合成硅酸鎂(magnesium silicate)又名三硅酸鎂,由泡花堿、氫氧化鈉與可溶性鎂鹽(如硫酸鎂)經預處理后進行反應,生成三硅酸鎂沉淀,經漂洗、壓濾、干燥、粉碎,制得成品。主要成分為MgO和SiO2。本品為白色、無味粉末,無臭、無味。不溶于水、油和有機溶劑。10%混懸液的pH值為7.0~10.8。易受無機酸分解,略有吸濕性。具有較強的選擇吸附性,能吸附除去油脂中的色素、黃曲霉素、苯并比、膠質、游離酸、焦化物等,過濾速度較快,濾餅帶油率低。目前主要用于延長煎炸油的使用壽命,在食用油脫色精煉中尚未見應用。
稿件來源:食用油營養與安全科技創新團隊
編輯:黃雅祺 碩士研究生
校稿:金 俊 副研究員