Z e t a電位法優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝的研究

崔 越，李利軍，李青松，劉 柳，李彥青，劉 燾

（廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西柳州545006）

Zeta電位是表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[1-2]。根據(jù)DLVO理論，Zeta電位的絕對值越小，顆粒之間的排斥力越弱，則分散體系穩(wěn)定性越差，越容易聚沉[1，3-5]，從而發(fā)生絮凝現(xiàn)象。反之，分散體系越穩(wěn)定，不易聚沉。目前Zeta電位已經(jīng)廣泛應(yīng)用于造紙、礦物浮選、醫(yī)藥、粘結(jié)劑、廢水絮凝處理、高嶺土絮凝處理、菌類懸浮液絮凝處理和膜處理等[6-8]，而在制糖工業(yè)中Zeta電位理論的應(yīng)用還較少。在制糖工藝中，蔗汁澄清過程屬于最重要的工序之一。目前，我國糖廠一般采用的澄清方法主要有石灰法、亞硫酸法和碳酸法。蔗汁澄清過程的本質(zhì)是蔗汁中的懸浮微粒及膠體顆粒脫穩(wěn)凝聚和絮凝沉降，在凝聚和絮凝的過程中色素等雜質(zhì)被吸附分離，從而實(shí)現(xiàn)糖汁濁度、色值及雜質(zhì)的降低。引起懸浮微粒及膠體顆粒脫穩(wěn)和凝聚的方法主要有添加電解質(zhì)、加熱或濃度等[9-10]。石灰法是用石灰作為主要澄清劑的蔗汁澄清方法[11]，在我國用石灰澄清蔗汁已有三百多年歷史，其工藝方法已比較成熟。國外糖廠生產(chǎn)糖度在96%以上的粗糖時，一般亦采用石灰法[12]，但是石灰法澄清過程中的Zeta電位及其機(jī)理的研究卻很少見報道。本文基于Zeta電位理論，通過研究pH、Ca2+離子、Ca（OH）2、PAM以及Ca（OH）2和PAM的協(xié)同作用對赤砂糖回溶糖漿Zeta的影響規(guī)律，并分別基于Zeta電位、脫色率、濁度三種指標(biāo)優(yōu)化生石灰法澄清赤砂糖回溶糖漿的最佳工藝，結(jié)果表明，以Zeta電位、脫色率、濁度為指標(biāo)，優(yōu)化的最佳工藝條件基本一致，證明以Zeta電位法優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝具有可行性。同時，由于Zeta電位更能反映澄清絮凝過程的本質(zhì)，可為澄清劑、絮凝劑的遴選及確定其最佳用量提供重要的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

赤砂糖 主要成分為蔗糖，柳州市柳冰食品廠，實(shí)驗(yàn)室配制10°Bx；氫氧化鈣、鹽酸 西隴化工股份有限公司，AR；氫氧化鈉 廣東光華化學(xué)廠有限公司，AR；陽離子聚丙烯酰胺（cPAM）、陰離子聚丙烯酰胺（aPAM）、非離子聚丙烯酰胺（nPAM） 相對分子質(zhì)量為8×106，工業(yè)級。

JJ500型電子天平 東莞市新陽儀器設(shè)備有限公司；2WAJ-改型阿貝折射儀 上海物理學(xué)儀器廠；pHS-25型pH計 上海雷磁儀器廠；恒溫磁力攪拌器 上海碩光電子科技有限公司；微孔膜過濾器 天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；Nano ZS 90型納米粒度及Zeta電位分析儀 英國馬爾文儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 絮凝實(shí)驗(yàn) 聚丙烯酰胺的配制：準(zhǔn)確稱量2g聚丙烯酸胺，將其溶解于蒸餾水中，用磁力攪拌器緩慢攪拌至完全溶解，最后稀釋定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.2 Zeta電位的測定 用去離子水調(diào)節(jié)溶液電導(dǎo)率＜50mS·cm-1，取出部分溶液導(dǎo)入電位儀的池子中，測試溫度為25℃，用Zeta電位分析儀測定其Zeta電位值，3次平行樣的平均值。

1.2.3 測定方法 赤砂糖色值按照國際機(jī)構(gòu)ICUMSA（糖品分析統(tǒng)一方法國際委員會）規(guī)定使用560nm波長進(jìn)行測定，其計算公式如下：

IU560=A560/bc×1000 式（1）

式中：IU560—色值；A560—樣液在560nm下測得的吸光度；b—比色皿的厚度（cm）；c—樣液固形物的濃度（g/mL）可用下式計算：c=清汁折光錘度×相應(yīng)視密度（20℃）/100。

脫色率由式（2）計算得出：

N（%）=（IU前-IU后）/IU后×100 式（2）

式中：N-脫色率（%）；IU前-處理前赤砂糖色值；IU后-處理后赤砂糖色值。

濁度由下式計算得出：M=IU未-IU過

式中：M-濁度；IU未-處理后未過濾赤砂糖色值；IU過-處理后過濾赤砂糖色值。

1.2.4 正交實(shí)驗(yàn)方案 選擇氫氧化鈣量A（g/L）、陽離子聚丙烯酰胺B（g/L）按二因素四水平L16（42）安排正交實(shí)驗(yàn)，見表1～表3。

表1 關(guān)于Zeta電位多因素水平表Table 1 The table of Zeta potential multivariate levels

表2 關(guān)于脫色率多因素水平表Table 2 The table of decoloration rate multivariate levels

表3 關(guān)于濁度多因素水平表Table 3 The table of turbidity multivariate levels

2 結(jié)果與討論

2.1 回溶糖漿及絮凝劑的Zeta電位

從圖1～圖4可以看出，回溶糖漿體系的Zeta電位為負(fù)值，約為-11mV；陽離子聚丙烯酰胺的電位為正，約為+17mV；非離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺表面均帶有少量負(fù)電荷，非離子聚丙烯酰胺電位在-7mV左右，陰離子聚丙烯酰胺點(diǎn)位在-30mV左右。

2.2 pH對回溶糖漿的ZETA電位的影響

由圖5可以看出，Zeta電位很好地反映了回溶糖漿的帶電特性隨pH的變化：回溶糖漿的等電點(diǎn)大致在2.2左右，此時回溶糖漿中膠體凈電荷為零，Zeta電位趨近于零。當(dāng)pH小于2.2時，膠體Zeta電位為正；當(dāng)pH大于膠體等電點(diǎn)2.2時，回溶糖漿膠體表面所帶負(fù)電荷增多，膠體表面Zeta電位絕對值隨pH的升高呈顯著增長。

2.3 Ca2+對回溶糖漿的ZETA電位的影響

溶膠中加入適量電解質(zhì)可以引起膠粒的聚沉現(xiàn)象。高價反離子電解質(zhì)，濃度和價數(shù)增加，都將壓縮擴(kuò)散層，降低斥力勢能的作用；反離子發(fā)生特性吸附，降低膠體粒子的帶電量，從而導(dǎo)致聚沉[13]。由于回溶糖漿帶負(fù)電，加入含Ca2+的電解質(zhì)溶液不僅降低膠體粒子帶電量，而且壓縮擴(kuò)散層降低斥力勢能。從圖6可知，pH=7時，回溶糖漿的Zeta電位隨Ca2+增加，Zeta的絕對值不斷減小，C（Ca2+）=1.0mol/L時達(dá)到等電點(diǎn)；當(dāng)pH=4.5時，回溶糖漿的Zeta電位隨Ca2+增加，Zeta的絕對值先減小后增大，C（Ca2+）=0.5mol/L時達(dá)到等電點(diǎn)。

2.4 Ca（OH）2對回溶糖漿的ZETA電位的影響

Ca（OH）2對回溶糖漿的Zeta電位的影響包括Ca2+和pH兩個方面的因素。Ca2+降低回溶糖漿溶液中的膠體粒子的帶電量，同時壓縮擴(kuò)散層降低斥力勢，使Zeta的絕對值減?。籓H-影響溶液pH，Ca（OH）2量過大，pH過大，使溶液負(fù)電荷過多，Zeta的絕對值升高。如圖7可知，當(dāng)氫氧化鈣加入量小于2g/L時，Zeta的絕對值迅速減小；當(dāng)大于2g/L時，Zeta的絕對值減小速度變緩；當(dāng)氫氧化鈣加入量等于4g/L時，Zeta電位的絕對值為3，達(dá)到最小值；當(dāng)氫氧化鈣加入量大于4g/L時，Zeta的絕對值開始變大。

2.5 絮凝劑對回溶糖漿的ZETA電位的影響

絮凝劑主要通過電中和、鑲嵌及架橋等作用吸附蔗汁中大量的膠體、色素等非糖成分[14-15]。由于aPAM和nPAM均帶負(fù)電，從圖8～圖10可知，它們在一定程度均可以降低回溶糖漿的Zeta的絕對值，但aPAM和nPAM電離出很少量的負(fù)電荷，不能同帶負(fù)電的回溶糖漿中膠粒發(fā)生電中和作用，因此，主要的機(jī)理是鑲嵌和架橋作用，所以絮凝效果較差。cPAM可以電離出正電荷，能與回溶糖漿中膠粒的負(fù)電荷發(fā)生中和作用，所以Zeta的絕對值降低程度較大，并通過架橋和鑲嵌吸附蔗汁中大量的膠體及色素等非糖成分，因此，絮凝效果較好。凝劑加入量為0.008g/L時，Zeta的絕對值隨著氫氧化鈣的加入量先減小后增大，當(dāng)加入量為4g/L左右時達(dá)到最小值，此時，膠粒最容易發(fā)生聚集，絮凝效果好。

2.6 cPAM與氫氧化鈣協(xié)同作用對回溶糖漿的ZETA電位的影響

選用絮凝效果較好的cPAM與氫氧化鈣協(xié)同處理回溶糖漿。由圖11、圖12可知，當(dāng)加入氫氧化鈣的量為3g/L時，Zeta的絕對值隨著絮凝劑的加入量先減小后增大，當(dāng)加入量為0.012g/L時，達(dá)到最小值；當(dāng)絮

2.7 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4～表6所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別以Zeta電位、脫色率、濁度為指標(biāo)對正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差R計算。

通過表4～表6分析可知，以Zeta電位為目標(biāo)，優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件為：氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；以脫色率為目標(biāo)，優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件為：氫氧化鈣，4g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；以濁度為目標(biāo)，優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件為：氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.016g/L?？梢?，以Zeta電位、脫色率、濁度為指標(biāo)，優(yōu)化的最佳工藝條件基本一致，證明以Zeta電位法優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝具有可行性。同時，由于Zeta電位更能反映澄清絮凝過程的本質(zhì)，可為澄清劑、絮凝劑的遴選及確定其最佳用量提供重要的依據(jù)。

3 結(jié)論

回溶糖漿的Zeta電位與赤砂糖回溶糖漿澄清具有密切的聯(lián)系，優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件：a.以Zeta電位為目標(biāo)，氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；b.以脫色率為目標(biāo)，氫氧化鈣，4g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；c.以濁度為目標(biāo)，氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.016g/L。與脫色率和濁度相比，Zeta電位更能揭示澄清過程的本質(zhì)，以Zeta電位法優(yōu)化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝具有可行性。同時Zeta電位法可為澄清劑、絮凝劑的遴選及確定其最佳用量提供重要的依據(jù)。

表4 Zeta電位正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of orthogonal experiment

表5 脫色率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of orthogonal experiment

表6 濁度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of orthogonal experiment

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