1、吸附剂选择依据
合乎油脂工业要求的吸附剂首先是多孔性、比表面积大的物质,除此以外,它还需具备以下基本性质:
(1)具有选择性吸附作用。大量吸附杂质而少吸油,用少量吸附剂就达到效果。
(2)化学性质稳定,与油脂不发生化学反应,不使油脂带上异味(白土味)。
(3)具一定工程特性,如机械强度、几何形状等,使用方便,能以简便的方法与油脂分离。
(4)来源广、价廉、使用经济。
完全具备上述诸条件的吸附剂尚未见报道,寻找和研制理想的吸附剂是油脂加工业重要的课题之一。
2、吸附剂的种类
01天然漂土
某些由层状硅酸盐所构成的矿物如膨润土(bentonite)、凹凸棒石和海泡石等,具有很高的表面积(40~120m2/g),显示出高吸附容量,经过干燥、煅烧和粉碎等简单的物理加工即可用于吸附,产生一定漂洗效果,这些矿物常被称为天然漂土。
膨润土的主要成分为蒙脱石(montmorillonite),其结构和成分如图所示。
凹凸棒土又称坡缕石(palygouskite)或坡缕缟石,是一种具链层状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物。凹凸棒石的化学结构式为Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O,具有独特的晶体结构,晶体呈针状、纤维状或纤维集合状(见图),主要物化性能和工艺性能与蒙脱石相似,有:阳离子可交换性、吸水性、吸附脱色性、大的比表面积等。
02活性白土
活性白土又称为酸性白土,是目前在油脂脱色加工中用量最大的吸附剂。在本节中,“活性”是指活性白土所显示的各种性能,如吸附性、催化性、离子交换性能等综合性能,活性大小用活性度来表示。
用于生产活性白土的起始物料主要是膨润土矿物,如蒙脱石,其活化通常是用无机酸(硫酸或盐酸)在高温下处理数小时,这样可大大增加比表面积,从原来40–60 m2/g增加到约300 m2/g。图显示蒙脱石酸活化时,酸用量对比表面积和脱色性能的影响。膨润土是天然的阳离子交换剂,在自然条件下,其晶体层间的阳离子可被无机酸的质子所取代:
Ca型膨润土 + 2 H+ ——H型膨润土 + Ca2+
自然发生的这个反应非常缓慢,但因为这个原因,天然漂土常呈微酸性,其悬浮液的pH为5~6。
用酸处理时,首先溶解掉土中杂物,如方解石等,无机酸的质子取代蒙脱石晶体层间的阳离子,如Ca2+、Mg2+、K+、Na+等,在不改变蒙脱石层状结构的情况下,溶出蒙脱石八面体层中部分Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+以及四面体的层中部分Al3+,由小半径的H+取代它们的相应位置,使蒙脱石晶格“松懈”,晶体二端孔道增大,比表面积增加,体积密度减小。
由于H+对八面体或四面体多价离子的取代,造成白土表面的电性更负,强化了活性白土的酸性、催化性等多种化学活性。
03活性炭
活性炭是由树枝、皮壳等炭化后,再经活化处理而成。具有细密多孔结构,比表面积达200~1000m2/g;脱色系数很高,可有效除去油中红色素,脱色后油脂不带异味,能吸附低烟点物质,但活性炭价格较贵,吸油率也较高,过滤速度慢。故一般不单独用于脱色,而是与活性白土配合使用,搭配比常为1:10~20,这样有利于发挥这两类吸附剂的互补作用。
活性炭可以吸附白土不能吸附的重质多环芳烃,而且吸附后的活性炭滤饼中压榨出的油不含多环芳烃,表明活性炭可以牢固吸附此类芳烃。
04沸石
沸石是一种大小均匀、结果规则的含水碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物,它是一种具有分子筛(molecular sieve)作用的多孔吸附材料,可以在分子水平上筛分物质,即只吸附特定体积的分子,而排除其它尺寸的分子。虽然沸石只是分子筛的一种,但是沸石在其中最具代表性,因此“沸石”和“分子筛”这两个词经常被混用。沸石是沸石族矿物的总称,自然界已发现的沸石有30多种,较常见的有方沸石、钙沸石等。它们的含水量与外界温度及水蒸气的压力有关,加热时水分可慢慢逸出,但并不破坏其结晶构造。沸石除天然外,也可由人工合成,如磺酸化聚苯乙烯。
05硅胶
硅胶又称为“水凝胶”,其原料为水玻璃,又称“泡化碱”,经过稀硫酸处理,制备成一种多孔海绵状的水溶性硅酸盐,含水60~70%,它的比表面积为800 m2/g左右。尽管这种硅酸盐吸附剂的脱色活性较小,但是它对微量金属、磷脂有很高的选择性吸附作用。
06硅藻土
硅藻土(kieselguhrs)是一种由古代硅藻遗体组成的生物沉积矿物,其化学成份主要是SiO2,含有少量Al2O3、Fe2O3等,SiO2通常占80%以上,最高可达94%。硅藻土中的硅藻有许多不同的形状,如圆盘状、针状、筒状、羽状等,松散密度为0.3~0.5g/cm3,孔隙率达80%~90%,能吸收其本身重量1.5~4倍的水,化学稳定性高,不溶于强酸(氢氟酸除外),但能溶于强碱溶液中。
硅藻土具有一定的吸附性能,但在油脂工业中主要作为助滤剂使用。商用硅藻土的性能与原土粉碎、分选、煅烧、气流分级、去杂等加工工序有关。在约1000℃高温下加入助熔剂(通常纯碱)进行煅烧可制备快滤型硅藻土(见图),由于助熔剂的加入,这种硅藻土呈微碱性,pH为10。
合成硅酸镁合成硅酸镁(magnesium silicate)又名三硅酸镁,由泡花碱、氢氧化钠与可溶性镁盐(如硫酸镁)经预处理后进行反应,生成三硅酸镁沉淀,经漂洗、压滤、干燥、粉碎,制得成品。主要成分为MgO和SiO2。本品为白色、无味粉末,无臭、无味。不溶于水、油和有机溶剂。10%混悬液的pH值为7.0~10.8。易受无机酸分解,略有吸湿性。具有较强的选择吸附性,能吸附除去油脂中的色素、黄曲霉素、苯并比、胶质、游离酸、焦化物等,过滤速度较快,滤饼带油率低。目前主要用于延长煎炸油的使用寿命,在食用油脱色精炼中尚未见应用。
稿件来源:食用油营养与安全科技创新团队
编辑:黄雅祺 硕士研究生
校稿:金 俊 副研究员