黃永春，關(guān)瑞晨，楊 鋒，何 仁

(廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西柳州545006)

糖汁電絮凝提純的研究

黃永春，關(guān)瑞晨，楊 鋒，何 仁

(廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西柳州545006)

采用電絮凝法對糖汁進(jìn)行提純，考察了電絮凝時(shí)間、電流密度、溫度、電極間距以及初始pH對糖汁提純效果的影響。結(jié)果表明，用鋁做電極材料，電絮凝法處理糖汁的最佳工藝條件為:電絮凝時(shí)間16min、電流密度700A·m－2、溫度50℃、電極間距10mm、初始pH4～9，在此條件下糖汁的簡純度提高率可以達(dá)到4.12%。

電絮凝，糖汁，簡純度

在制糖的制品分析過程中，簡純度是一個(gè)重要的指標(biāo)。簡純度的高低是甘蔗和糖汁澄清質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志之一。因此，如何提高糖汁的簡純度，對于提高白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高糖廠的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。電絮凝法是電化學(xué)方法的一種，電絮凝通過可溶性陽極在外加電壓條件下產(chǎn)生陽離子的水解、聚合等作用，產(chǎn)生一系列新生態(tài)的氫氧化物和多核羥基絡(luò)合物，這些新生態(tài)的氫氧化物和多核羥基絡(luò)合物活性高，吸附能力強(qiáng)，具有很好的絮凝效果。與傳統(tǒng)的絮凝劑相比，電絮凝法的絮凝效果更好，而且設(shè)備簡單，易于操作，占地面積小，不需要加入大量的化學(xué)藥品，不會(huì)造成二次污染，適用范圍廣［1－2］。電絮凝方法目前已經(jīng)應(yīng)用到染料廢水、電鍍廢水、石油化工廢水、垃圾滲濾液廢水等多種工業(yè)廢水的處理中［3－11］。本文以鋁為電極，采用電絮凝方法對糖汁提純進(jìn)行研究，考察電解條件對電絮凝提純效果的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

赤砂糖 柳州市柳冰食品廠;陰陽兩極均為純鋁極板 電極規(guī)格尺寸為120mm×40mm×1mm;其他試劑 均為分析純。

有機(jī)玻璃電解槽 自制;RXN－202型數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源 深圳兆信電子儀器設(shè)備廠;WAY型阿貝折射儀、722型分光光度計(jì)、圓盤旋光儀 上海精密科學(xué)儀器有限公司;EF20型酸度計(jì)、AL104型電子天平 梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;HH－8型數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分析方法 純度采用簡純度表示。

簡純度測定方法:一次旋光法［12］。取糖汁處理后濾液100mL置于干燥潔凈的250mL的錐形瓶內(nèi)，加入適量的堿性醋酸鉛作為澄清劑(以最少量而又收到澄清效果為宜)，搖勻，過濾，以最初的濾液洗滌盛器并傾去，然后收集濾液，用圓盤旋光儀測定其旋光度。其計(jì)算公式如下:

1.2.2 溶液配制 將赤砂糖回溶，濃度控制在15°Bx左右。用0.5mol/L的HCl溶液和0.5mol/L的NaOH溶液調(diào)糖汁至實(shí)驗(yàn)所需pH。每份量取200mL置于電解槽內(nèi)。

1.2.3 空白實(shí)驗(yàn) 將恒溫水浴鍋調(diào)至實(shí)驗(yàn)溫度，置電解槽于水浴鍋內(nèi)，預(yù)熱15min。在空白樣中加入適量堿性醋酸鉛，過濾取濾液，通過式(1)和式(2)測定其簡純度。

1.2.4 電解實(shí)驗(yàn) 將電解槽置于恒溫水浴鍋內(nèi)并調(diào)節(jié)溫度，預(yù)熱15min，控制極板間距，保持極板的有效面積在22cm2，通入直流穩(wěn)壓電對糖汁進(jìn)行電解處理。過濾處理后，樣液加入適量堿性醋酸鉛，過濾，通過式(1)和式(2)計(jì)算樣液的簡純度。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解時(shí)間對簡純度的影響

在電流密度600A·m－2、電解溫度50℃、電極間距10mm，初始pH為7條件下，對回溶糖汁分別電解2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22min，糖汁的簡純度變化如圖1所示。

圖1 電解時(shí)間對簡純度的影響

由圖1可知，以鋁為可溶性陽極在不同時(shí)間條件下對糖汁進(jìn)行電解處理并與空白樣進(jìn)行比較，簡純度都有不同程度的升高。這說明電解過程中產(chǎn)生的氫氧化鋁和多核羥基絡(luò)合物等高效絮凝劑可以對糖汁中的膠體雜質(zhì)有很好的絮凝沉降作用，使糖汁得到澄清，從而提高了簡純度。從圖1中可以看出，在16min時(shí)簡純度的增加程度最高，效果最為明顯。在16min之前，簡純度隨著電解時(shí)間的增大而增大，這是由于隨著時(shí)間的增大生成的氫氧化鋁和多核羥基絡(luò)合物等絮凝劑也隨之增多。而16min后糖汁的簡純度有所下降，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生的Al3+已過量，膠體表面大量同性電荷會(huì)互相排斥，生成的Al(OH)3絮團(tuán)結(jié)構(gòu)松散不易沉降，影響了Al(OH)3等絮凝劑對雜質(zhì)的吸附架橋作用。

2.2 電流密度對簡純度的影響

在電解溫度50℃、電極間距10mm，初始pH為7條件下，電流密度在200、300、400、500、600、700、800A·m－2下對回溶糖汁分別電解16min，糖汁的簡純度變化如圖2所示。

圖2 電流密度對簡純度的影響

由圖2可知，在不同電流密度條件下對糖汁進(jìn)行電解處理，與空白樣比較，簡純度都有所升高。在200～700A·m－2之間，隨著電流密度的增加，電極反應(yīng)加快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的Al3+增多，生成的氫氧化鋁和多核羥基絡(luò)合物等絮凝劑也隨之增多，對糖液中的雜質(zhì)有較好的架橋吸附作用，絮凝沉降效果明顯，簡純度提高。在700A·m－2左右，簡純度增加緩慢并隨之下降，這可能是因?yàn)锳l3+的過量導(dǎo)致Al(OH)3絮團(tuán)結(jié)構(gòu)松散不易沉降，同時(shí)隨著電流密度的增大，糖液內(nèi)部的溫度迅速升高，糖液在高溫下長時(shí)間加熱，產(chǎn)生深色物質(zhì)，從而導(dǎo)致簡純度有所下降。

2.3 溫度對簡純度的影響

在電流密度700A·m－2、電極間距10mm，初始pH為7條件下，分別在30、40、50、60、70、80℃對回溶糖汁電解16min，糖汁的簡純度變化如圖3所示。

由圖3可知，在不同溫度條件下對回溶糖汁進(jìn)行電解處理，簡純度較空白樣都有所升高。隨著溫度的升高簡純度也隨之增大，并在50℃下簡純度的提高幅度最大，這是由于隨著溫度的升高糖液的粘度隨之下降，分子的熱運(yùn)動(dòng)也隨之加劇，有利于分子之間的相互碰撞，增大了Al(OH)3和多核羥基絡(luò)合物等絮凝劑分子與膠體雜質(zhì)、色素分子相互碰撞結(jié)合絮凝沉降的機(jī)率，簡純度也就相應(yīng)的提高。在50℃之后，溫度升高簡純度不升反降，原因可能是一方面溫度的升高時(shí)糖液長時(shí)間在高溫下加熱處理，生成了有色物質(zhì);另一方面溫度的升高促使分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，使得已經(jīng)相互結(jié)合的絮凝劑分子與膠體雜質(zhì)、色素分子重新分開的機(jī)會(huì)也增大了。這兩個(gè)方面都可能導(dǎo)致糖汁的簡純度有所下降。

圖3 溫度對簡純度的影響

2.4 電極間距對簡純度的影響

在電流密度700A·m－2、電解溫度50℃，初始pH為7條件下，控制電極間距在5、10、15、20、25mm分別對回溶糖汁電解16min，糖汁的簡純度變化如圖4所示。

圖4 電極間距對簡純度的影響

圖4表明，在不同電極間距條件下對回溶赤砂糖汁進(jìn)行電解處理，與空白樣進(jìn)行比較，簡純度都有不同程度的升高。電極間距在5mm和10mm處簡純度的提高幅度都很大，原因是電極間距小可以加快反應(yīng)速度，同時(shí)陰極產(chǎn)生的氫氣等氣體有著較強(qiáng)的浮載能力，可以將生成的Al(OH)3絮體氣浮上升，加速陽極鋁的溶解，生成更多的Al(OH)3等絮凝劑。但是極板間距不宜過小易造成堵塞短路。隨著電極間距的增大，簡純度提升幅度下降，造成這種現(xiàn)象的原因可能是電極間距增大，能耗也迅速增大，大部分能耗就會(huì)用于糖汁本身溫度的升高上，同時(shí)在陽極表面形成致密的氧化層，阻礙電極反應(yīng)的進(jìn)行。

2.5 初始pH對簡純度的影響

在電流密度700 A·m－2、電解溫度50℃，電極間距10mm條件下，初始pH分別在4、5、6、7、8、9、10對回溶糖汁電解16min，糖汁的簡純度變化如圖5所示。

由圖5可知，在不同初始pH條件下對糖汁進(jìn)行電解處理并與空白樣進(jìn)行比較，pH在4～9范圍內(nèi)簡純度都有不同程度的升高。由圖5可以看出，在偏酸性和偏堿性條件下，簡純度的提高幅度較大。在偏酸性條件下，可溶性陽極鋁的電化學(xué)溶解速度較快，電極反應(yīng)速度加快，生成的Al(OH)3絮凝劑量增多，絮凝效率提高;在偏堿性條件下，能夠使陽極溶解的Al3+更多地與OH－結(jié)合生成Al(OH)3絮凝劑，促使絮凝速度加快，因而簡純度升高幅度較大。當(dāng)pH大于10時(shí)，糖液中的鋁鹽主要以Al(OH)－4的形式存在，絮凝沉降效果下降，因而簡純度下降。

3 結(jié)論

通過考察電解時(shí)間、電流密度、電解溫度、電極間距、初始pH等因素對電解糖汁時(shí)簡純度的影響，得到以下結(jié)論:

3.1 電解法處理糖汁中生成的氫氧化鋁和多核羥基絡(luò)合物等絮凝劑對糖汁中的非糖分有很好的吸附絡(luò)合作用，能夠有效地提高糖汁的簡純度。

3.2 通過單因素實(shí)驗(yàn)得到電解法處理糖汁提高簡純度的最佳工藝參數(shù)為:電解時(shí)間16min、溫度50℃、電流密度700A·m－2、電極間距10mm、初始pH4～9。

3.3 在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下糖汁的簡純度為0.887，而空白實(shí)驗(yàn)糖汁的簡純度為0.85，簡純度的提高率可以達(dá)到4.12%。

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Study on purification of syrup by electrocoagulation

HUANG Yong－chun，GUAN Rui－chen，YANG Feng，HE Ren (Department of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Technology，Liuzhou 545006，China)

Treating of syrup by electrocoagulation method was studied.The factors affecting efficient of treatment，such as electrocoagulation time，currentdensity，temperature，inter－electrode distance，initialpH were investigated.It was found that the optimal conditions using aluminum as electrode material:electrocoagulation time was 16min，current density was 700A·m－2，the temperature was 50℃，inter－electrode distance was 10mm and initial pH was 4～9.The percentage of increase of syrup apparent purity was 4.12%under the optimal conditions.

electrocoagulation;syrup;apparent purity

TS244

B

1002－0306(2011)12－0291－03

2011－08－26

黃永春(1974－)，男，博士，教授，研究方向:食品加工過程強(qiáng)化。

廣西高校優(yōu)秀人才資助計(jì)劃項(xiàng)目(桂人教［2009］62號(hào))。