姜玉芝 張忠陽 王利華 楊培全

(沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)

硅藻土助濾劑是以硅藻土為原料制成的粉末狀產(chǎn)品，具有獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)和比表面積大，吸附能力、滲透能力和抗壓縮能力強(qiáng)，無毒無味，化學(xué)性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)異特性［1］，其助濾機(jī)制主要是對雜質(zhì)起機(jī)械截留和吸附作用，可去除懸浮物、膠體物質(zhì)、細(xì)菌、病毒等。硅藻土助濾劑形成的濾餅層具有較高的滲透性和吸附性，有助于提高過濾時的截流精度和處理能力，其中截留精度可達(dá)0.1μm。

2009年7月17日發(fā)布、2010年6月1日正式實(shí)施的《GB 24265—2009 硅藻土助濾劑》將硅藻土助濾劑按加工方式分為焙燒品硅藻土助濾劑和助熔焙燒品硅藻土助濾劑兩種，按用途分為食品醫(yī)藥用硅藻土助濾劑和工業(yè)用硅藻土助濾劑兩類［2］。在食品醫(yī)藥中，硅藻土助濾劑可用于對啤酒、飲用水、飲料、食油、液體食品添加劑、口服藥用糖漿、藥用霧化劑等的過濾，如對于發(fā)酵后的啤酒，經(jīng)硅藻土助濾劑過濾可以使啤酒清亮透明有光澤，長時間不產(chǎn)生沉淀，并可避免焦糊味［3-4］。在工業(yè)中，硅藻土助濾劑可用于對污水、無機(jī)產(chǎn)品、有機(jī)溶劑、有機(jī)化工中間體等的過濾，如過濾游泳池水、磺酸鹽、彩色顯象管熒光粉、三聚氰胺、壓延機(jī)油、乙二胺廢液以及化妝品、殺蟲劑、潤滑油等。

滲透性能是硅藻土助濾劑的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)，而硅藻土助濾劑的滲透性能很大程度上與其粒度有關(guān)，但GB 24265—2009中并未對硅藻土助濾劑的粒度作出相關(guān)規(guī)定。本研究考察粒度對食品醫(yī)藥用硅藻土助濾劑滲透性能的影響，目的是為GB 24265—2009的逐步完善提供參考。

1 試樣

焙燒品硅藻土助濾劑(簡稱BS)是硅藻土原土經(jīng)650～1 000℃焙燒、粉碎、分級而得到的產(chǎn)品，助熔焙燒品硅藻土助濾劑(簡稱ZBS)是在硅藻土原土中加入適量的助熔劑，經(jīng)800～1 200℃焙燒、粉碎、分級得到的產(chǎn)品。本研究采用臨江硅藻土助濾劑廠產(chǎn)4種粒度的食品醫(yī)藥用焙燒品硅藻土助濾劑(編號為BS－1#～BS－4#)和5種粒度的食品醫(yī)藥用助熔焙燒品硅藻土助濾劑(編號為ZBS－1#～ZBS－5#)作為試驗(yàn)用樣，其理化指標(biāo)符合表1要求。

表1 食品醫(yī)藥用硅藻土助濾劑理化指標(biāo)要求［2］

采用LS900型激光粒度儀對9種試樣進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見表2。

表2 試樣粒度分析結(jié)果

2 試驗(yàn)方法

(1)根據(jù)GB 24265—2009，組裝硅藻土助濾劑滲透率測試裝置如圖1所示。該裝置由真空抽濾系統(tǒng)、壓力計(jì)、穩(wěn)壓瓶、真空度調(diào)節(jié)閥、濾網(wǎng)(硅藻土助濾劑在網(wǎng)上形成濾餅)、給料瓶、濾液瓶及連接管路組成，組裝時各連接部位一定要進(jìn)行密封處理，以保證整個系統(tǒng)的真空度可以調(diào)節(jié)。

圖1 滲透率測試裝置

(2)準(zhǔn)確稱取某一硅藻土助濾劑干樣5 g(精確到0.1 g)于100 mL燒杯中，加50 mL左右的蒸餾水?dāng)噭蚝笕康谷霛B透率測試裝置的給料瓶中。

(3)開啟真空泵，控制真空度為7 500±100 Pa，直至濾餅形成、不再有濾液產(chǎn)生。

(4)關(guān)閉真空泵，放空濾液瓶后，沿給料瓶瓶壁加入50～60 mL蒸餾水(切忌直接沖擊濾餅)，在7 600±100 Pa真空度下進(jìn)行過濾;至濾液體積為40 mL左右時，準(zhǔn)確記錄相應(yīng)的過濾時間和濾液體積，計(jì)算濾液流量。

(5)重復(fù)第(4)步，取3次濾液流量計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值。

(6)立即準(zhǔn)確測定濾餅厚度。

(7)根據(jù)測試時蒸餾水的溫度，由表3讀取蒸餾水的黏度系數(shù)(試驗(yàn)中蒸餾水的溫度小于19℃)。

表3 蒸餾水黏度系數(shù)與溫度關(guān)系

式中:K為滲透率，cm2;η為蒸餾水黏度系數(shù)，Pa·s;h為濾餅厚度，cm;Q為濾液流量平均值，cm3/s;p為真空度，Pa;A為過濾面積，cm2。

(8)按下式計(jì)算滲透率:

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粒度對ZBS試樣滲透率的影響

以d50為標(biāo)準(zhǔn)考察ZBS試樣的粒度對其滲透率的影響，不同d50下ZBS試樣的滲透率如圖2所示。

圖2 粒度對ZBS試樣滲透率的影響

由圖2可見，ZBS試樣的滲透率隨著d50的增大而不斷上升，說明隨著d50的增大，ZBS試樣的滲透性能逐漸提高，過濾能力逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)閆BS試樣的粒度增大后，顆粒間的空隙增加，從而擴(kuò)大了濾液的透過面積，縮短了過濾時間。反之，ZBS試樣的粒度減小，顆粒間的空隙減少，過濾速度減慢，粒度過小時，甚至將無法過濾。

對圖2中的試驗(yàn)曲線進(jìn)行線性回歸，所得擬合直線如圖2中的虛線所示，相應(yīng)的線性方程為

由于式(2)與圖2中試驗(yàn)曲線的相關(guān)系數(shù)R=0.989 86，因此，ZBS試樣的滲透率與d50的關(guān)系完全可以用式(2)來描述。

GB 24265—2009規(guī)定，食品醫(yī)藥用ZBS的滲透率范圍為(0.5～12.0)×10－8cm2(對應(yīng)產(chǎn)品型號為70～1200)。將該滲透率范圍代入式(2)，可得食品醫(yī)藥用ZBS的d50范圍應(yīng)為24.6～131.4μm。

3.2 粒度對BS試樣滲透率的影響

同樣以d50為標(biāo)準(zhǔn)考察BS試樣的粒度對其滲透率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，與ZBS試樣一樣，隨著d50的增大，BS試樣的過濾能力也越來越強(qiáng)，從而使?jié)B透率不斷提高。

圖3 粒度對BS試樣滲透率的影響

對圖3中的試驗(yàn)曲線進(jìn)行線性回歸，所得擬合直線如圖3中的虛線所示，相應(yīng)的線性方程為

由于式(3)與圖3中試驗(yàn)曲線的相關(guān)系數(shù)R=0.996 51，因此，BS試樣的滲透率與d50的關(guān)系完全可以用式(3)來描述。

GB 24265—2009規(guī)定，食品醫(yī)藥用BS的滲透率范圍為(0.05～0.5)×10－8cm2(對應(yīng)產(chǎn)品型號為10～50)，將該滲透率范圍代入式(3)，可得食品醫(yī)藥用BS的d50范圍應(yīng)為2.9～79.8μm。

3.3 粒度對ZBS和BS試樣滲透性能的影響程度

根據(jù)式(2)和式(3)比較粒度對ZBS和BS試樣滲透性能的影響程度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 ZBS和BS試樣的滲透率隨粒度變化的比較

由圖4可見:雖然ZBS和BS試樣的滲透率都隨著粒度的增大而逐漸提高，但ZBS試樣的滲透率變化速率更快，表明ZBS試樣的粒度對滲透率影響更顯著。此外，在相同的粒度下，ZBS試樣的滲透率明顯高于BS，說明ZBS試樣的滲透性能優(yōu)于BS試樣的滲透性能。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)過濾作業(yè)要求有較高的處理能力時，應(yīng)選用ZBS，BS適用于對處理能力要求不高的場合。

4 結(jié)論

(1)食品醫(yī)藥用助熔焙燒品硅藻土助濾劑和焙燒品硅藻土助濾劑的滲透率都隨著粒度的增大而提高，但助熔焙燒品硅藻土助濾劑的粒度對滲透率影響更顯著，而且在粒度相同的情況下，助熔焙燒品硅藻土助濾劑的滲透率高于焙燒品硅藻土助濾劑的滲透率。因此，在實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)視具體情況正確選用助熔焙燒品硅藻土助濾劑或焙燒品硅藻土助濾劑，以求在保證過濾作業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的前提下有較高的處理能力。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，食品醫(yī)藥用助熔焙燒品硅藻土助濾劑的d50范圍應(yīng)為24.6～131.4μm，食品醫(yī)藥用焙燒品硅藻土助濾劑的d50范圍應(yīng)為2.9～79.8μm。

［1］ 黃承彥．中國硅藻土及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1993:1-14．

［2］ 姜玉芝，孫中強(qiáng)，劉 勇，等．GB 24265—2009 硅藻土助濾劑［S］.北京:中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2009．

［3］ 毛青鐘，陳寶良，俞關(guān)松，等．硅藻土助濾劑應(yīng)用于黃酒過濾［J］.中國釀造，2006(2):46-49．

［4］ 吳煒亮，吳國杰．啤酒過濾技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.釀酒，2006(4):62-64．