活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對脫膠植物油的作用

　　植物油脫膠可以去除磷脂、微量金屬和其他不需要的化合物。具有較低磷濃度的脫膠油具有較低的動力粘度和較低的碳殘留，可作為燃料。在發動機中測試時，脫膠油可以減少過濾器堵塞和焦化問題。本次我們評估活性炭在水力脫膠非食用植物油中的作用。在脫膠過程中將竹活性炭納米顆粒添加到油中，由于活性炭其高孔隙率和隨機排列的碳表面的化學性質而具有吸收潛力。活性炭作為催化劑，使電子離域，加速植物油蒸汽重整器中的化學反應來實現更好的脫磷。

　　活性炭的形態特征、表面電荷和元素含量

　　活性炭在5000倍放大倍數下的表面形態特征如圖1a所示。有類似于孔洞和網狀結構的多孔結構特征。這些特征通過在碳結構中產生更多暴露的邊緣來增加比表面積，為電荷轉移引入更多的活性位點，從而促進靜電吸引，進一步放大到納米尺寸顯示存在明亮的球，圖像表明富勒烯在活性炭納米粒簇如圖1b，這些富勒烯和任何其他碳納米結構的形成由內在缺陷引起，特別是促進電子傳輸的關鍵特征。放大200,000倍并在軟件的輔助下顯示活性炭表面以明亮的顏色為主(圖1c)表明更多的電子濃度被表面電荷吸引，因此活性炭表面更有可能具有表面帶正電荷。

　　圖1：(a)放大5000倍的活性炭表面形態(b)活性炭內的富勒烯簇(c)表面電荷。

　　活性炭對非食用油脫膠評估

　　磷含量在兩個兩種植物油中主要由以所示的處理(水重量2%+活性炭0.1克)后減少圖2。植物油1的磷含量降低了大約95.22%，而植物油2的磷含量降低了大約相同的值(94.98%)。油液經水脫膠后Mg、Ca含量略有下降，而Ca處理后略有升高。這一結果可能是由于在處理過程中活性炭中存在一些Ca解離回油相。活性炭對磷含量的大量降低是由于NaOH改性的活性炭具有極性、帶正電荷的表面。由于存在芳環簇和固有缺陷，它還具有磁力。在脫膠過程中將活性炭添加到植物油和水中時，活性炭的芳環簇中的離域電子產生磁矩，強烈誘導磷脂磷酸頭部周圍的順磁性氧。同時，活性炭的極性/親水性也允許與極性水分子相互作用。水分子也被磁場激活，從而發生氫自旋從旁水到鄰水的重新定向，從而降低水的抗磁性。活性炭誘導的這種磁場會導致表面張力降低，削弱水分子的分子內能。結果，更多的水分子被分解成H+離子和OH-離子，促進更多水解反應。這些現象與其他力量相結合：熱能和離心也會引發磷脂分子內的鍵斷裂，導致磷酸頭部基團從磷脂分子上分離(脫磷脂)。

　　圖2：原油和脫膠油的磷和堿土金屬含量。

　　熱能以及順磁的影響水，其降低水分子能量，減弱了共價鍵的水。因此，會釋放一些H+離子和OH-離子。這些H+離子以及來自活性炭的Na+離子將與分離的磷酸根基團結合，形成磷酸二氫鈉(NaH2PO4)。而OH-離子會與油的甘油部分結合形成甘油二酯。甘油二酯會移動到油相，而磷酸二氫鈉會移動到水相形成乳液狀聚集體(圖3)。磷脂、水和活性炭之間的這種相互作用機制與堿促進酯水解一致，因為在油脫膠過程中，在其表層添加具有O-Na+鍵的活性炭涉及Na離子反應過程。相比之下，植物油的水脫膠遵循簡單的水解反應，其中磷脂分子與水分子反應生成甘油二酯和磷酸酯。

　　圖3：磷脂、水和活性炭之間的相互作用機制。

　　活性炭對脫膠植物油的作用，在添加活性炭的氫化脫膠非食用植物油顯示脫膠油中磷濃度大幅下降(約95%)。活性炭具有正表面電荷，增加了親水性。它的芳香環簇，通過活化，它的離域電子，也有助于磁力。活性炭納米粒與帶負電荷的氧相互作用的協同作用包圍親水性磷酸酯頭基團的的磷脂分子以及改變水質子自旋方向從對位到鄰位，促進更多的水解反應。這些現象，加上熱能和離心力，觸發磷脂分子內的鍵斷裂，導致脫磷脂的可能性更高。這種高粘性成分的成功去除也歸因于油特性(粘度和熱值)的輕微改善。總體而言，這項研究具有程序簡單、成本低和減少化學品需求等優點，為利用活性炭納米顆粒的植物油脫膠工藝提供了替代方法。

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