黃永春 吳修超 任仙娥 楊 鋒

（廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西 柳州 545006）

原糖溶液的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面張力、黏度和電導(dǎo)率等，對(duì)原糖的制煉過(guò)程，如澄清、蒸發(fā)和結(jié)晶等有著重要的影響。目前制糖工藝過(guò)程通常通過(guò)添加表面活性劑來(lái)改變糖液的表面張力。近年來(lái)，通過(guò)超聲波對(duì)糖液作用從而改變其表面張力的研究已有報(bào)道［1－3］。超聲波對(duì)溶液性質(zhì)的影響主要源于超聲“空化效應(yīng)”及由此引發(fā)的物理和化學(xué)變化。超聲波傳播過(guò)程也就是波的膨脹和壓縮的交替過(guò)程，在膨脹周期內(nèi)，超聲波對(duì)液體產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，施加于液體的負(fù)壓使液體斷裂而產(chǎn)生空穴，形成空化核，即在液體中生成充滿氣體的氣泡，這種現(xiàn)象被稱為空化現(xiàn)象。空化出來(lái)的氣泡停留時(shí)間很短，幾乎是剛剛生成便立刻受到來(lái)自相鄰壓縮區(qū)的壓力，造成這些氣泡在極短時(shí)間內(nèi)迅速崩潰消失，并在其周圍的極小空間范圍內(nèi)產(chǎn)生局部高溫（高達(dá)5 000K）和局部高壓（可達(dá)50MPa），伴隨出現(xiàn)強(qiáng)烈的沖擊波和速度高達(dá)100m／s微射流，這些物理?xiàng)l件為水中有機(jī)物降解提供了一個(gè)極為有利的理化環(huán)境［4，5］。

水力空化是空化的一種方式，近年來(lái)水力空化強(qiáng)化化工過(guò)程的研究日益受到重視。水力空化與超聲空化對(duì)過(guò)程的強(qiáng)化原理是相同的，區(qū)別在于形成空泡的手段上。水力空化是液體通過(guò)限流區(qū)域時(shí)，液體內(nèi)局部壓強(qiáng)降至飽和蒸汽壓以下，液體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡在隨著液體流動(dòng)過(guò)程中，遇到壓力增大時(shí)會(huì)急劇潰滅，瞬間產(chǎn)生高溫、高壓及高時(shí)速的微射流［6］，從而產(chǎn)生多種極其復(fù)雜的物理、化學(xué)效應(yīng)。研究［7，8］表明，水力空化對(duì)過(guò)程的強(qiáng)化效果不比超聲空化差，而水力空化的能量利用率明顯高于超聲空化，更具工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)。

為進(jìn)一步了解水力空化對(duì)原糖溶液物理化學(xué)性質(zhì)的影響，本試驗(yàn)基于渦流的水力空化對(duì)原糖溶液表面張力的影響及其規(guī)律，為水力空化在制糖工業(yè)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備與材料

1.1.1 主要儀器與設(shè)備

全自動(dòng)表面張力儀：DT－102型，淄博華坤電子儀器有限公司；

光波爐：DKE200－829A 型，中山市國(guó)太電器有限公司；

托盤天平：JTP－20型，江蘇常熟衡器廠。

渦流空化裝置：本實(shí)驗(yàn)室自制。如圖1 所示，渦流空化裝置是由一個(gè)渦輪、電動(dòng)機(jī)、壓力表、若干閥門和輔助管道等組成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)液體流經(jīng)旋轉(zhuǎn)著的渦輪時(shí)形成渦流，在渦流中心形成低壓區(qū)，當(dāng)壓強(qiáng)低于液體蒸氣壓時(shí)形成空化氣泡，氣泡隨著渦輪的旋轉(zhuǎn)流出渦輪后，由于壓強(qiáng)突然變大而使氣泡潰滅，從而產(chǎn)生空化效應(yīng)。

圖1 渦流空化裝置示意圖Figure 1 The abridged general view of swirling cavitation equipment

1.1.2 材料

原糖：二級(jí)原糖，廣東東莞市制糖廠有限公司。

1.2 分析方法

原糖溶液表面張力測(cè)定：采用全自動(dòng)表面張力儀測(cè)定。根據(jù)表面張力下降率，判斷水力空化對(duì)原糖溶液的空化效果。

式中：

fr—— 表面張力下降率，%；

f0—— 空化前溶液表面張力，mN／m；

ft—— 空化后溶液表面張力，mN／m。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 初始濃度對(duì)原糖溶液表面張力的影響 配置不同濃度（0.10，0.15，0.20，0.25，0.35，0.45g／mL）的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到60 ℃，在0.2 MPa壓力下通過(guò)空化裝置循環(huán)2min，測(cè)定空化前后原糖溶液表面張力的變化。

1.3.2 渦輪出口壓力對(duì)原糖溶液表面張力的影響 配置濃度為0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到60 ℃，在不同的壓力（0.1，0.2，0.3，0.4 MPa）下通過(guò)空化裝置循環(huán)2min，測(cè)定空化前后原糖溶液表面張力的變化。

1.3.3 溶液溫度對(duì)原糖溶液表面張力的影響 配置濃度為0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到不同溫度（30，40，50，60，70 ℃），在0.2 MPa壓力下通過(guò)空化裝置循環(huán)2min，測(cè)定空化前后原糖溶液表面張力的變化。

1.3.4 空化時(shí)間對(duì)原糖溶液表面張力的影響 配置濃度為0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到60 ℃，在0.2 MPa壓力下通過(guò)空化裝置循環(huán)不同的時(shí)間（1，2，5，10，20min），測(cè)定空化前后原糖溶液的表面張力的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始濃度對(duì)原糖溶液表面張力的影響

由圖2可知，原糖溶液初始濃度對(duì)空化后溶液表面張力有明顯的影響。原糖溶液濃度越大，表面張力下降率越高，在相同的空化條件下，當(dāng)原糖溶液濃度為0.10g／mL 時(shí)，表面張力下降率只有4.8%，而當(dāng)原糖溶液濃度為0.45g／mL時(shí)，表面張力下降率可以達(dá)到12.4%。表面張力是物質(zhì)分子間相互作用力的宏觀表現(xiàn)，是分子內(nèi)聚力的一種反映［4］。在水力空化強(qiáng)大的剪切力和空化作用下，原糖溶液中的組分分子的運(yùn)動(dòng)加劇，使其分子間引力減小，宏觀上表面張力降低；此外，空化作用可以降低溶液黏度，使水分子之間以及水分子與溶質(zhì)間的結(jié)合力減小，也即減小了溶液的表面張力。原糖溶液濃度越大，受空化作用影響的溶質(zhì)分子影響的數(shù)量越多，最終分子間引力減小的越明顯，所以表面張力下降率隨原糖溶液濃度的升高而增大。

圖2 原糖溶液初始濃度對(duì)表面張力下降率的影響Figure 2 The effect of raw sugar solution initial concentration on the percentage of surface tension decreased

2.2 渦輪出口壓力對(duì)原糖溶液表面張力的影響

由圖3可知，原糖溶液表面張力下降率隨著渦輪出口壓力的增加而增大。這是由于出口壓力升高時(shí)，一方面使流量下降，單位體積的原溶液獲得的能量提高，空化氣泡含率升高［9］；另一方面，出口壓力在一定范圍內(nèi)升高，使空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓力、溫度升高，增強(qiáng)了空化效應(yīng)。從圖3中發(fā)現(xiàn)，在0.3 MPa和0.4 MPa條件下表面張力下降率幾乎相同，這說(shuō)明通過(guò)增大壓力來(lái)提高空化效應(yīng)是有限度的，即在一定的范圍內(nèi)，提高壓力有利用空化效應(yīng)的提高，而當(dāng)壓力達(dá)到某一臨界值后，再通過(guò)增大壓力來(lái)提高空化效果已不太明顯。這是因?yàn)?，雖然壓力增大，空化效應(yīng)增大，但若壓力增大到一定程度，空化泡生長(zhǎng)的阻力也增大，空化泡的最大半徑變小，空化泡潰滅時(shí)釋放的能量變小，空化效應(yīng)不再提高，從而表面張力下降率不再增大。

2.3 溶液溫度對(duì)原糖溶液表面張力的影響

圖3 壓力對(duì)表面張力下降率的影響Figure 3 The effect of pressure on the percentage of surface tension decreased

圖4 溶液溫度對(duì)表面張力下降率的影響Figure 4 The effect of solution temperature on the percentage of surface tension decreased

由圖4可知，在渦流空化原糖溶液的反應(yīng)中，溶液溫度對(duì)原糖溶液表面張力下降率影響明顯。在其它條件相同的情況下，當(dāng)溶液溫度為30 ℃時(shí)，空化2min后原糖溶液的表面張力下降了7.5%左右，而隨著溶液溫度的升高，表面張力下降率逐漸下降，當(dāng)反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)，表面張力下降率僅為5%左右。這是由于溶液溫度越小，溶液本身表面張力越大，水力空化作用對(duì)溶液表面張力的降低越明顯。

2.4 空化時(shí)間對(duì)原糖溶液表面張力的影響

由圖5可知，在渦流空化原糖溶液的反應(yīng)中，原糖溶液表面張力隨著空化時(shí)間的增加而減小。當(dāng)渦輪空化作用于原糖溶液時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力和空化作用（即氣泡的形成、長(zhǎng)大、潰滅），在泡外產(chǎn)生沖擊波，使得原糖溶液內(nèi)能增加，并且破壞膠體粒子的水化層，使親水膠體與水分子的相互作用力減弱。在反應(yīng)初期，膠體含量較多，膠體粒子水化層被破壞，親水膠體與水分子的相互作用力減弱較明顯，所以空化初期表面張力下降明顯，隨著空化作用時(shí)間的延長(zhǎng)，大量膠體粒子的水化層被破壞，并且分子的相互作用力已減弱到一定程度，所以溶液表面張力基本不再變化。

3 結(jié)論

圖5 空化時(shí)間對(duì)表面張力的影響Figure 5 The effect of cavitation radiation time on the surface tension

本試驗(yàn)表明水力空化的作用能夠明顯降低原糖溶液的表面張力，表面張力的下降程度受到原糖溶液濃度以及空化條件，即渦輪出口壓力、溶液溫度、空化作用時(shí)間等因素影響。在其它參數(shù)不變的情況下：①隨著濃度的升高，表面張力下降率逐漸升高；②隨著出口壓力的增大，表面張力下降率逐漸升高；③隨著溶液溫度的升高表面張力下降率逐漸降低；④隨著空化作用時(shí)間的延長(zhǎng)，表面張力逐漸降低，并且在空化作用初期，其減小速度較快。

與聲空化相比，水力空化具有裝置設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗相對(duì)較低、操作方便、維護(hù)費(fèi)用低廉、易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；葍?yōu)點(diǎn)，其強(qiáng)化化工過(guò)程強(qiáng)方面的研究日趨活躍。

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