活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对脱胶植物油的作用

　　植物油脱胶可以去除磷脂、微量金属和其他不需要的化合物。具有较低磷浓度的脱胶油具有较低的动力粘度和较低的碳残留，可作为燃料。在发动机中测试时，脱胶油可以减少过滤器堵塞和焦化问题。本次我们评估活性炭在水力脱胶非食用植物油中的作用。在脱胶过程中将竹活性炭纳米颗粒添加到油中，由于活性炭其高孔隙率和随机排列的碳表面的化学性质而具有吸收潜力。活性炭作为催化剂，使电子离域，加速植物油蒸汽重整器中的化学反应来实现更好的脱磷。

　　活性炭的形态特征、表面电荷和元素含量

　　活性炭在5000倍放大倍数下的表面形态特征如图1a所示。有类似于孔洞和网状结构的多孔结构特征。这些特征通过在碳结构中产生更多暴露的边缘来增加比表面积，为电荷转移引入更多的活性位点，从而促进静电吸引，进一步放大到纳米尺寸显示存在明亮的球，图像表明富勒烯在活性炭纳米粒簇如图1b，这些富勒烯和任何其他碳纳米结构的形成由内在缺陷引起，特别是促进电子传输的关键特征。放大200,000倍并在软件的辅助下显示活性炭表面以明亮的颜色为主(图1c)表明更多的电子浓度被表面电荷吸引，因此活性炭表面更有可能具有表面带正电荷。

　　图1：(a)放大5000倍的活性炭表面形态(b)活性炭内的富勒烯簇(c)表面电荷。

　　活性炭对非食用油脱胶评估

　　磷含量在两个两种植物油中主要由以所示的处理(水重量2%+活性炭0.1克)后减少图2。植物油1的磷含量降低了大约95.22%，而植物油2的磷含量降低了大约相同的值(94.98%)。油液经水脱胶后Mg、Ca含量略有下降，而Ca处理后略有升高。这一结果可能是由于在处理过程中活性炭中存在一些Ca解离回油相。活性炭对磷含量的大量降低是由于NaOH改性的活性炭具有极性、带正电荷的表面。由于存在芳环簇和固有缺陷，它还具有磁力。在脱胶过程中将活性炭添加到植物油和水中时，活性炭的芳环簇中的离域电子产生磁矩，强烈诱导磷脂磷酸头部周围的顺磁性氧。同时，活性炭的极性/亲水性也允许与极性水分子相互作用。水分子也被磁场激活，从而发生氢自旋从旁水到邻水的重新定向，从而降低水的抗磁性。活性炭诱导的这种磁场会导致表面张力降低，削弱水分子的分子内能。结果，更多的水分子被分解成H+离子和OH-离子，促进更多水解反应。这些现象与其他力量相结合：热能和离心也会引发磷脂分子内的键断裂，导致磷酸头部基团从磷脂分子上分离(脱磷脂)。

　　图2：原油和脱胶油的磷和碱土金属含量。

　　热能以及顺磁的影响水，其降低水分子能量，减弱了共价键的水。因此，会释放一些H+离子和OH-离子。这些H+离子以及来自活性炭的Na+离子将与分离的磷酸根基团结合，形成磷酸二氢钠(NaH2PO4)。而OH-离子会与油的甘油部分结合形成甘油二酯。甘油二酯会移动到油相，而磷酸二氢钠会移动到水相形成乳液状聚集体(图3)。磷脂、水和活性炭之间的这种相互作用机制与碱促进酯水解一致，因为在油脱胶过程中，在其表层添加具有O-Na+键的活性炭涉及Na离子反应过程。相比之下，植物油的水脱胶遵循简单的水解反应，其中磷脂分子与水分子反应生成甘油二酯和磷酸酯。

　　图3：磷脂、水和活性炭之间的相互作用机制。

　　活性炭对脱胶植物油的作用，在添加活性炭的氢化脱胶非食用植物油显示脱胶油中磷浓度大幅下降(约95%)。活性炭具有正表面电荷，增加了亲水性。它的芳香环簇，通过活化，它的离域电子，也有助于磁力。活性炭纳米粒与带负电荷的氧相互作用的协同作用包围亲水性磷酸酯头基团的的磷脂分子以及改变水质子自旋方向从对位到邻位，促进更多的水解反应。这些现象，加上热能和离心力，触发磷脂分子内的键断裂，导致脱磷脂的可能性更高。这种高粘性成分的成功去除也归因于油特性(粘度和热值)的轻微改善。总体而言，这项研究具有程序简单、成本低和减少化学品需求等优点，为利用活性炭纳米颗粒的植物油脱胶工艺提供了替代方法。

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