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電滲析技術(shù)在糖業(yè)中的應(yīng)用

來源:   2007年02月07日 12:13  
從1960年代起,國內(nèi)外糖業(yè)界即開始研究應(yīng)用電滲析法除去糖液中的無機(jī)物。甜菜糖廠用它處理二碳清汁,可以除去大部分灰分,使糖汁純度提高到95~96。不過,陰離子樹脂膜易受污染,影響處理量迅速下降,難以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。

    我國甜菜糖業(yè)研究所在1970年代對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了大量的研究工作。對(duì)國內(nèi)生產(chǎn)和研制的多種離子交換膜進(jìn)行試驗(yàn)篩選,研究了糖汁電滲析的技術(shù)條件、膜污染的原因和防治,取得不少進(jìn)展。

    糖汁電滲析的原理和前述者基本相同。在電滲析器的電場(chǎng)作用下,糖汁中的陽離子透過陽膜向陰極遷移,聚積于濃縮室被流動(dòng)的濃水帶走;陰離子則透過陰膜向陽極遷移,聚積于另一側(cè)的濃縮室被濃水帶走。提純后的糖汁從淡化室流出。由于糖汁中的非糖份的成份復(fù)雜,特別是含有多種大分子的負(fù)電性有機(jī)物,它們不易通過陰離子樹脂膜,在該處積聚而將膜污染,降低陰膜的透過效能,導(dǎo)致分離能力降低。

    將甜菜滲出汁預(yù)灰后加5%活性炭過濾,除去約95%的膠體物質(zhì),然后用電滲析器處理,連續(xù)運(yùn)行十多天。隨運(yùn)行時(shí)間延長,所用電壓逐漸升高,這是由于樹脂膜的污染減低了導(dǎo)電性能。糖汁的純度初期升高超過5度,以后逐漸降低,除去非糖份的效果下降,但對(duì)鈣的除去率基本保持在70~80%之間。

    試驗(yàn)時(shí)用酸化水(水加鹽酸維持pH3~4)通入濃縮室將濃集的離子化合物帶出,酸化水可減少樹脂膜被無機(jī)物污染,耗鹽酸量約為入汁的0.1%。樹脂膜上沉積物的形成與兩膜之間的隔板的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。隔板的厚度、隔板內(nèi)通道的寬度、通道屈折次數(shù)和流程總長度(寬通道的屈折較少、流程較短)以及隔網(wǎng)的形式等,都會(huì)影響液體流動(dòng)的阻力和狀態(tài)。樹脂膜表面上適當(dāng)?shù)耐牧骺蓽p少沉積。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可選定適宜的形式和參數(shù)。

    電滲析的工作溫度是很重要的因素,水處理都是在常溫下進(jìn)行。然而,提高溫度可以降低液體的粘度,提高離子擴(kuò)散速度,增大溶液和膜的電導(dǎo),并提高電滲析器的生產(chǎn)能力,降低單位電耗和處理成本。用不同的膜作試驗(yàn),在70℃下每m3水的電耗只約為30℃的一半,但用較高的電滲析溫度要選用較耐熱的膜和隔板。

    處理糖汁的情況類似,較高的溫度可降低糖液的粘度,提高電滲析的效果。試驗(yàn)說明,在60℃下滲析和40℃相比,灰分除去較多,糖汁純度提高較大。

    試驗(yàn)用電滲析器處理甘蔗糖廠的清汁,所用的樹脂膜為
苯乙烯系磺酸型陽離子樹脂和季胺型陰離子樹脂,尺寸為50×100cm,有效面積為3445cm2,有100對(duì)膜,單程工作,將兩組串聯(lián)使用。清汁過濾并冷卻到45℃后進(jìn)入滲析器,流量為300~450L/h,滲析器的電壓為100V。清汁灰分除去50~70%,純度提高4~6度,蔗糖損失約0.35%,用電量為2~2.5kW.h /m3。

    用電滲析器處理糖漿,它有20對(duì)膜和板,每對(duì)膜面積232cm2。糖漿先稀釋到不同濃度(15~35oBx),分別通過電滲析器,研究濃度的影響。結(jié)果說明,在糖液濃度低時(shí),灰分除去率較高,超過40% ,用較低的電流和電壓已有良好效果;隨糖液濃度升高,灰分除去率明顯降低,用較高電流和電壓的效果稍為好些。每用1度電除去的灰分,在幾種條件下都可超過3kg,這意味著煮煉間可多收回?cái)?shù)kg的糖,如不計(jì)算設(shè)備及其他費(fèi)用,用電滲析處理糖汁的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)好。

    糖液濃度高時(shí)電滲析的效果較低,是由于糖液粘度大,妨礙了離子透過滲析膜。因此,將電滲析用于稀糖液比較適合。為充分發(fā)揮電流的作用,可用1.電流。按此推算出,一個(gè)每小時(shí)壓榨500噸甘蔗的糖廠,如用電滲析器處理15oBx的糖汁,需用電375kW.h,預(yù)計(jì)可多產(chǎn)糖960kg;如處理25oBx的糖液,需用電235kW.h(灰分除去量不如前者),多產(chǎn)糖約600kg。電滲析器所需面積為2970m2。

 此試驗(yàn)所用的糖漿先用孔徑為0.075mm的篩網(wǎng)過濾,再加水稀釋。

   
用電滲析法也可以除去糖蜜中的無機(jī)物,裝置面積為700m2的電滲析器,用以處理乙糖蜜。灰分除去率40~60%,糖蜜純度提高約7度,煮糖后的糖蜜純度約下降3度,糖蜜量減少,因此多回收的糖量約為除去灰分量的一倍。糖蜜質(zhì)量提高,用作飼料和發(fā)酵原料的價(jià)值提高。糖蜜先經(jīng)如下的預(yù)處理:稀釋到50oBx,加熱到70℃,加入石灰至pH6.7,加入CaCl2液,在70℃保溫30分鐘,然后用沉降式離心機(jī)(分離因素1800G)分離20分鐘,取其清液。

   
為減少雜質(zhì)對(duì)電滲析的不良影響,該系統(tǒng)用陽離子膜和中性膜組成,不用陰離子膜。中性膜受有機(jī)物質(zhì)的影響較小,因此預(yù)處理可以簡(jiǎn)化,滲析過程pH值穩(wěn)定,糖的轉(zhuǎn)化少,可以在高電流密度下工作,節(jié)省膜面積,中性膜壽命長,價(jià)格較低。但這種組合的電流效率低,理論上只為陰、陽膜組合的一半),對(duì)氯離子以外的陰離子的除去較差。

   
研究糖蜜的電滲析處理所用裝置有20對(duì)陽膜和中性膜,膜面積為16×18cm,總面積0.576m2,使用電壓40V。糖蜜用兩種方法預(yù)處理:一種同上述,另一種是稀釋到50oBx,加熱到70℃,離心分離20分鐘。預(yù)處理可除去10~30%的灰分(與糖蜜的來源和處理方法有關(guān))。糖蜜溫度35~40℃,通過電滲析器后返回再循環(huán)處理,經(jīng)過不同時(shí)間后取樣分析糖液成份。測(cè)定數(shù)據(jù)說明,隨電滲析處理時(shí)間延長,灰分除去率直線升高,5小時(shí)后約達(dá)到30~40%。對(duì)鉀和硫酸根的除去率較高,而對(duì)鈣鎂的除去率較低。糖蜜純度提高約9度,電流效率30~40%。

   
糖蜜的電滲析,使用間歇式滲析器,它有10對(duì)陰、陽離子膜,膜面積246cm2。糖蜜先加入一倍或兩倍水稀釋,攪拌1小時(shí)后用離心機(jī)(分離因素23000G)分離50分鐘。清液濃度30~40oBx 40℃,用電滲析器處理1小時(shí),流動(dòng)速度4.1L/min,流出液返回循環(huán),使用電壓10V。兩端電極室通入3%Na2SO4液作電極水,另在濃縮室通入1%NaCl液帶出濃縮液。在電滲析的初始20分鐘,糖液含鉀量明顯下降,降幅約40%,以后下降就很少,到60分鐘時(shí)接近50%。鈣鎂的下降不多,這是由于它們的含量遠(yuǎn)低于鉀,以及二價(jià)離子比一級(jí)離子難通過樹脂膜。含鈉量反略有升高 (由濃縮室滲漏出)。提高溫度可降低電阻而提高電流效率,但因膜的操作溫度極限是50℃,故使用溫度只是40℃。通過滲析器的流動(dòng)速度也有影響,當(dāng)它由2.0 L/min提高到4.1 L/min時(shí),除鉀率顯著升高,但再提高到5 L/min并無作用。電壓的影響亦較大,將電壓由8V提高到10V,效果較大,但再提高到12V的作用就不大。隨滲析時(shí)間延長,糖液的濃度逐漸下降(由于外加水的滲入)。電壓越高,下降越大。在10V電壓下,20分鐘后濃度由40oBx降至37oBx。電滲析后糖蜜中的含氮物和多糖類物質(zhì)都稍為減少。

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