Влияние катализаторов в наноструктурированной форме на качество сырья (растительное масло) в производстве органических пленкообразующих

Показатели качества лака в значительной степени определяются чистотой основного исходного компонента – подсолнечного масла. Поэтому разработка способа удаления из подсолнечного масла белков, фосфатидов, каротиноидов (веществ, которые формируют окраску масла от желтого до красного, что влияет на цвет готового пленкообразующего) и воды, является первоочередной задачей при производстве лака ПФ-060.

Примеси масел (фосфатиды, белки, каратиноиды) ухудшают качество получаемых на их основе лакокрасочных материалов. Присутствие белковых веществ приводит к значительному потемнению масла при его нагреве до температуры выше 200˚С, а иногда и к его коагуляции. Эти примеси оказывают отрицательное влияние на качественные характеристики органического пленкообразующего вещества, его цветность, кислотное число, твердость [1,6].

Для удаления примесей из масла его подвергают очистке различными методами. Для получения масла высокой степени чистоты необходимо использовать способ очистки, включающий операции гидратации и фильтрации.

Физико-химические свойства подсолнечного масла, используемого для ПФ-060 представлены в таблице 1.

Таблица1

Физико-химические свойства растительного масла

Для проведения исследований процесса удаления примесей из растительного масла использовали экспериментальную установку, представленную на рис. 1.

Экспериментальная установка для удаления фосфатидов, белков и каротиноидов из масла состоит из трехгорлой колбы (7), привода (3), лопастной мешалки (4), термопары (6), водяной бани (8), компьютера (1) для контроля температуры. Отделение примесей из масла проводили в делительной воронке.

Делительную воронку закрепляли штативом, загружали смесь масло-вода через стеклянную воронку, проводили процесс отстаивания. Примеси (фосфатиды, белки) собирали в лабораторном стакане.

Рис. 1. Экспериментальная установка для удаления фосфатидов, белков из масла: 1 – ПК с соответствующим программным и аппаратурным обеспечением; 2 – выносная плата DB – 16 P; 3 – привод; 4 – лопастная мешалка; 5 – штатив; 6 – термопара; 7 – трехгорлая колба; 8 – водяная баня

Метод гидратации для удаления гидрофильных примесей: фосфатидов, белков, углеводов является предпочтительным. Для удаления примесей используют воду, т. к. фосфатиды гигроскопичны, образуют в воде мутные коллоидные растворы, коагулируемые солями двухвалентных металлов. Однако при гидратировании водой полного отделения фосфатидно-белкового комплекса не происходит. Более полно гидратация протекает при применении слабых растворов электролитов, за счет растворения в них фосфатидов и белков [6].

Для удаления примесей из масла предлагаем модифицировать этот метод вводя в систему масло-вода материалы, улучшающие адсорбцию фосфатидов и последующее их удаление. В качестве адсорбентов предлагаем использовать углерод высокой реакционной способности (УСВР) и частицы оксидов металла в нано структурированной форме (латунь, Cu, Ag).

Выбор материалов таких как Cu, латунь (Л68), Ag в нано структурированной форме для удаления примесей из растительного масла основывался на том, что примеси (фосфатиды, белки) коагулируются двухвалентными металлами [1, 2, 3, 6, 7, 8].

УСВР является хорошим адсорбентом. Каротиноиды сорбируются на поверхности твердых адсорбентов [1, 6]. Это свойство каротиноидов положено в основу технологии их удаления из масла.

Кроме того, окислы металлов являются разрыхлителями материала, в который они введены [3, 4, 5]. Введение этих металлов приводит к увеличению удельной поверхности материала. Учитывая все вышесказанное составляем композиции из материалов в нано структурированной форме следующего вида: №1 –УСВР, латунь; № 2 – УСВР, Cu; № 3 – УСВР, Ag.

В качестве ультрадисперсного материала для удаления примесей из растительного масла использовалась УСВР, латунь (вариант №1).

В колбу загружали подсолнечное масло (700 см³) через стеклянную воронку. Нано структурированные материалы в количестве 0.0001 г вводили в воду и перемешивали при помощи магнитной мешалки, после чего загружали в колбу.

Использовали массовое соотношение масло-вода 10:1. Полученную смесь нагревали до температуры 90-95ºC. Процесс проводили при перемешивании, после того как температура достигла 90ºC делали выдержку в течении 30 минут. Температуру контролировали с помощью персонального компьютера. После завершения выдержки масло охлаждали до температуры 40ºC. Процесс отделения масла от воды и примесей проводили на делительной воронке. Затем удаляли нижний слой воду, средний слой белки, фосфатиды и слизистые вещества, а масло фильтровали через ткань бязь-лавсан.

В качестве ультрадисперсных материалов вариант №2 использовали Сu, и вариант №3 – Ag.

Удаление примесей из масла проводили, используя воду и материалы в нано структурированной форме №2, №3.

В колбу загружали масло (700 см³) через стеклянную воронку. В воду при перемешивании магнитной мешалкой вводили материал в нано структурированной форме (0.0001 г), затем загружали при помощи стеклянной воронки в колбу. УСВР (0.0001) предварительно взвесив на весах марки BL 210 S вводили в масло. Нагрев массы до температуры 90-95ºC контролировали с помощью персонального компьютера. Процесс проводили при перемешивании, после того как температура достигла 90ºC, делали выдержку в течении 30 минут. После завершения выдержки масло охлаждали до температуры 40ºC. Процесс отделения масла от воды и примесей проводили на делительной воронке. После разделения системы удаляли нижний слой воду, средний слой белки, фосфатиды и слизистые вещества, а масло фильтровали через ткань бязь-лавсан.

Данные качественных характеристик растительного масла, полученных по традиционной технологии и при использовании материалов в нано структурированной форме, 1, 2, 3 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели качества растительного масла, очищенного по традиционной технологии и при использовании материалов в нано структурированной форме

Цветность масла определяли, используя метод определения цветности по шкале стандартных растворов йода (ГОСТ 5477-93).

Кислотное число масла определяли следующим образом: в коническую колбе вместимостью 250 см³ взвешивали навеску М=3-5 г с точностью до 0.1 г. Затем к навеске приливали 50 см³ спиртоэфирной нейтрализованной смеси. Содержимое колбы перемешивали взбалтыванием. К раствору добавляли несколько капель фенолфталеина. Полученный раствор масла при постоянном взбалтывании титровали раствором гидроокиси калия С=0.1 моль/дм³ до получения слабо-розовой окраски, устойчивой в течение 30 с.

Кислотное число масла Х, мг NaОН/г:

К – отношение действительной концентрации раствора гидроокиси натрия к номинальной; V – объем раствора гидроокиси натрия, израсходованного на титрование, см³; М – масса навески, г.

Для определения термостойкости 100 г масла нагревали до 250°С и наблюдали за изменением цвета или выпадением осадка. Цвет не должен меняться, затем измеряли показатель «цветность» после термопробы. Если масло потемнело или выпал осадок, то масло не проходило проверку на термостойкость.

При использовании материала в нано структурированной форме состава №1 установлено, что время процесса разделения масла, примесей и воды сократилось с 24 часов до 2 часов. Кроме того, снизилось кислотное число, как в следствии осаждения белковых веществ, так и в следствии удаления с водой органических кислот [1].

Из анализов результатов таблицы 2 использование материалов в нано структурированной форме №2 приводит к улучшению характеристик качества масла, цветность масла уменьшилась до 5 мг I₂/100 см³, кислотное число – 2.1 мг NaОН/г.

Использование материалов №3 процесса очистки масла приводит к снижению цветности масла до 3 мг I₂/100 см³, кислотного числа до 1.4 мг NaОН/г в следствии полного удаления примесей из растительного масла.

Предполагаемый механизм удаления примесей из растительного масла с использованием материалов в нано структурированной форме и воды представлен на рис. 2.

Рис. 2. Механизм удаления примесей из растительного масла гидратацией с использованием материалов в нано структурированной форме

Материал в нано структурированной форме введенный в систему при перемешивании распределяется по всему объему. Как видно из рис. 2 примеси адсорбируются на частицах УСВР, укрупняются, а затем сорбируются на границе раздела фаз масло-вода [1]. Молекулы фосфатидов, обладающие большей гидрофильностью, диффундируют из объема масла к этой поверхности, располагаясь между находящимися там молекулами.

Кроме того, на поверхности воды находящейся в масле адсорбируются фосфатиды и глицериды.

Нано структурированные металлы распределяясь по объему масло:вода осуществляют коагуляцию с фосфатидами, образуя водные агломераты.[6] Затем эти агломераты адсорбируются на поверхности раздела фаз масло-вода, образуя слой фосфатидов, белков. При повышении температуры ускоряется процесс диффузии и, следовательно, улучшается процесс адсорбции. Скорость адсорбции примесей увеличивается, и образуются более крупные агломераты, которые адсорбируются на поверхности молекулы воды.

Выводы

Предложены композиции катализаторов в нано структурированной форме для совершенствования процесса очистки сырья (растительное масло) в производстве органических пленкообразующих веществ. Предложен механизм удаления примесей из растительного масла с использованием композитов. Приведены результаты эффективности работы катализаторов в процессе удаления примесей из растительного масла.

1. Арутюнян, Н.С. Технология переработки жиров / Н.С. Арутюнян, Л.И. Янова, И.И. Захарова. – М.: Агропромиздат, 1985. – 368 с.
2. Винюкова, Н.П. Гидратация растительных масел растворами поляризующих соединений / Н.П. Воюцкий, Н.С. Арутюнян // Масложировая промышленность. – 1984. – №2 – С. 12-15.
3. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. – М.: Химия, 1976. – 512 с.
4. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров, Т. 1 / под ред. А.Г. Сергеева. – Л.: ВНИИЖ, 1975 г. – 382 с.
5. Стромберг, А.Г. Физическая химия. / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко; под ред. А.Г. Стромберга. –М.: Высшая школа, 2009. – 527 с.
6. Тютюнникова, Б.Н. Технология переработки жиров / под ред Б.Н. Тютюнникова. – М.: Пищевая промышленность, 1970. – 207 с.
7. Фридрихсберг, Д. А. Курс коллоидной химии / Д. А. Фридрихсберг. – СПб.: Химия, 1995. – 400 с.
8. Фролов Ю.Г., Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю.Г. Фролов – М.: Химия,1989. – 464 с.