陶瓷膜超濾凈化石灰法制糖清汁

李 文，朱瓌之，漆 虹，曲睿晶，謝彩鋒,，雷福厚,，李 凱,4

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530008；3.南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所，江蘇 南京 210009；4.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530004）

目前，國(guó)際上通用的原糖生產(chǎn)方法主要是石灰法[1]，其具體工藝路線：甘蔗混合汁經(jīng)篩濾后，加入石灰乳調(diào)節(jié)其pH值至7.8～8.3（有些糖廠會(huì)輔助加入一定量的磷酸及聚丙烯酰胺以提高甘蔗汁的澄清效果），隨后將糖汁加熱至104～105 ℃；加熱后的甘蔗汁進(jìn)入沉降池進(jìn)行沉降，澄清汁即可從沉降池的上層排出；澄清汁經(jīng)蒸發(fā)濃縮及煮糖結(jié)晶后即可得到原糖。石灰法制糖澄清過程簡(jiǎn)單，蔗糖轉(zhuǎn)化損失少，操作管理也較方便，但是其處理甘蔗汁的澄清效率低，所得清汁澄清度較低，所以石灰法只適合用于原糖（粗糖）的生產(chǎn)[2]。原糖需要再經(jīng)過進(jìn)一步回溶、澄清、脫色及重結(jié)晶之后才能生產(chǎn)出精制糖。因此，在不過多增加成本的前提下，如能通過綠色過程強(qiáng)化技術(shù)的措施提高石灰法制糖澄清工藝的清凈效果對(duì)提高原糖質(zhì)量有著重要意義[3]。

隨著社會(huì)發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，膜過濾這一高效、環(huán)保的物理分離技術(shù)引起了從事制糖人士的廣泛關(guān)注[4-10]?；谀し蛛x（膜過濾）技術(shù)在水處理、發(fā)酵、食品、醫(yī)藥、化工等眾多領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，使得其具有引發(fā)未來糖業(yè)革命的潛能[11-15]。相比于有機(jī)聚合膜，無機(jī)膜具有耐高溫（甘蔗汁含有豐富的糖類化合物、氮源、碳源、無機(jī)鹽等，且濃度適中，較適合微生物生長(zhǎng)，極易染菌變質(zhì)，適合在高溫的條件下處理）、通量大、使用壽命長(zhǎng)、耐污染、易再生、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因而更適合甘蔗汁的過濾澄清。無機(jī)膜主要包含陶瓷膜和不銹鋼膜兩種，它們都具備優(yōu)越的性能，但是在相同條件下不銹鋼膜的造價(jià)是陶瓷膜的3～5 倍[16]。因此，陶瓷膜是應(yīng)用于制糖行業(yè)最有前途的膜之一，有可能代表著未來膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中研究和應(yīng)用的方向[17]。

為進(jìn)一步提高石灰法制糖清汁的品質(zhì)，研究采用孔徑為0.04 μm的陶瓷超濾膜處理從石灰法制糖沉降池出來的清汁，考察膜過濾過程滲透通量的大小及其對(duì)甘蔗汁的澄清效果，并采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、X-射線能譜儀（energydispersive X-ray spectrometry，EDX）及傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)TIR）研究陶瓷膜過濾甘蔗汁時(shí)膜污染的形成以及膜污染物的成分，從而開發(fā)有效可行的膜清洗方案再生污染膜的性能。本研究對(duì)促進(jìn)傳統(tǒng)石灰法制糖工藝的升級(jí)換代有著重要意義，使得到的高品質(zhì)原糖不僅可以作為一種可食用的原生態(tài)糖銷售，而且回溶生產(chǎn)精制糖時(shí)，還可以去除或簡(jiǎn)化回溶糖漿的澄清工藝流程、節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 材料

石灰法制糖清汁（甘蔗汁）由廣西某原糖廠提供。從沉降池出來的清汁經(jīng)過孔徑為100 目的不銹鋼篩網(wǎng)過濾之后即可用作膜過濾的原料液。陶瓷超濾膜由南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所提供，膜孔徑為0.04 μm，膜通道數(shù)為19，通道直徑為4 mm，膜管外徑為30 mm，膜管長(zhǎng)度為1 016 mm。

1.2 儀器與設(shè)備

1.2.1 膜過濾設(shè)備

陶瓷膜過濾設(shè)備由江蘇久吾高科技股份有限公司提供，其原理如圖1所示。將沉降池出來的清汁加入到原料液罐中，經(jīng)泵的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入到陶瓷膜組件，并獲得過濾所需的膜面流速及壓力。在壓力的驅(qū)動(dòng)下，甘蔗汁徑向透過膜獲得澄清。滲透液收集至清液罐中，截留液（濃縮液）返回到原料液罐。實(shí)驗(yàn)過程中，不斷往原料液罐中補(bǔ)充甘蔗汁，以保持整個(gè)膜過濾系統(tǒng)中甘蔗汁的體積恒定50 L不變，考察膜滲透通量隨時(shí)間的變化。過濾溫度可通過原料液罐的水浴夾層鍋控制，當(dāng)過濾溫度超過90 ℃時(shí)，需采用糖廠的乏汽（一效蒸發(fā)罐的加熱蒸汽）控制。

圖1 陶瓷膜實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram showing the ceramic membrane ultrafiltration

1.2.2 檢測(cè)分析儀器

S-3400N型SEM 日本Hitachi公司；PV8200型EDX荷蘭Philips公司；Xianou-12N型冷凍干燥機(jī) 南京先歐儀器制造有限公司；SBC-12型離子濺射儀 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司；WZZ-2SS型旋光儀、722N型分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；PHS-3C型酸度計(jì) 上海電科學(xué)儀器股份有限公司；Nicolet iS 50型FTIR 美國(guó)Thermo Fisher Scientif i c公司。

1.3 方法

1.3.1 膜清洗

陶瓷膜過濾甘蔗汁時(shí)，當(dāng)膜滲透通量低于100 L/（m2·h）時(shí)，便停機(jī)排料進(jìn)行膜清洗。膜清洗的方法為：1）先采用工業(yè)凈水沖洗膜4～5 遍，以去除膜過濾系統(tǒng)中殘留的甘蔗汁；2）采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% NaOH和0.5% NaClO混合溶液清洗膜60 min（90 ℃），將清洗液排除，用工業(yè)凈水將膜系統(tǒng)漂洗至中性；3）用0.5% HNO3溶液沖洗膜15 min，將清洗液排出，用工業(yè)凈水將系統(tǒng)漂洗至中性。實(shí)驗(yàn)前測(cè)定新膜的純水通量，每一清洗階段結(jié)束后，在相同的條件下測(cè)定陶瓷膜的純水通量。膜滲透通量的恢復(fù)采用通量恢復(fù)率衡量[5]，其計(jì)算見式（1）：

式中：FRR為通量恢復(fù)率/%；Jc為清洗膜的純水通量/（L/（m2·h·bar））；Jn為新膜的純水通量/（L/（m2·h·bar））。

膜清洗的具體方法包括清洗劑用量、清洗溫度、清洗時(shí)間、清洗方式（如NaOH-NaClO溶液混合清洗）及清洗劑使用順序（先堿洗再進(jìn)行酸洗）通過試錯(cuò)法實(shí)驗(yàn)獲得。

1.3.2 SEM及EDX分析

陶瓷膜（新膜、污染膜和清洗膜）的微觀形貌采用SEM進(jìn)行分析觀測(cè)，化學(xué)成分采用EDX進(jìn)行分析。制備樣品時(shí)將膜管在中間進(jìn)行脆斷并破碎，獲取中間通道的膜表面樣品，采用冷凍干燥機(jī)干燥后，再采用離子濺射儀對(duì)樣品進(jìn)行噴金后采用SEM進(jìn)行測(cè)定[18-19]。

1.3.3 陶瓷膜表面污染物FTIR分析

將陶瓷膜（污染膜）表面污染物輕輕刮取下來，采用冷凍干燥機(jī)干燥后，再采用FTIR對(duì)其官能團(tuán)組成進(jìn)行分析。

1.3.4 甘蔗汁理化指標(biāo)的測(cè)定

1.3.4.1 甘蔗汁錘度的測(cè)定

錘度是指糖品中含干固物（固體可溶解的物質(zhì)）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是衡量糖汁中可溶性物質(zhì)含量的重要指標(biāo)。甘蔗汁的錘度采用比重法進(jìn)行測(cè)定[20]。

1.3.4.2 甘蔗汁轉(zhuǎn)光度及簡(jiǎn)純度的測(cè)定

甘蔗汁轉(zhuǎn)光度（也稱糖度）表示甘蔗汁中蔗糖含量，采用一次旋光法測(cè)量[21]。簡(jiǎn)純度是指糖品干固形物中所含糖分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其計(jì)算見公式（2）：

式中：AP為樣品簡(jiǎn)純度/%；Pol為樣品轉(zhuǎn)光度/%；Brix為樣品錘度/%。

1.3.4.3 甘蔗汁色值的測(cè)定

測(cè)定糖品色值的常用方法有ICUMSA（International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis）方法4（420 nm波長(zhǎng)）和ICUMSA方法2（560 nm波長(zhǎng)）2 種。ICUMSA方法4適用于淺色制品（如白砂糖）色值的測(cè)定，ICUMSA方法2適用于在制品和深色制品色值的測(cè)定。甘蔗汁的色值采用ICUMSA方法2進(jìn)行測(cè)定[21]。

1.3.4.4 甘蔗汁pH值的測(cè)定

甘蔗汁的pH值采用酸度計(jì)直接進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4.5 甘蔗汁澄清度的測(cè)定

采用分光光度計(jì)在560 nm波長(zhǎng)處測(cè)量甘蔗汁的吸光度（E0），將甘蔗汁經(jīng)過孔徑為0.45 μm微孔膜過濾后再次測(cè)量甘蔗汁的吸光度（E1），甘蔗汁澄清度（T）的計(jì)算見式（3）：

1.4 圖像及數(shù)據(jù)處理

陶瓷膜實(shí)驗(yàn)裝置原理圖采用Auto CAD 2007軟件進(jìn)行繪制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖片采用Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行繪制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，所得結(jié)果采用表示，數(shù)據(jù)顯著性差異檢驗(yàn)采用單因素方差分析并用LSD法（最小顯著差異法）進(jìn)行比較，P＜0.05，表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜滲透通量

圖2 陶瓷膜超濾甘蔗汁通量隨時(shí)間的變化Fig.2 Temporal variation of flux during ceramic membrane ultrafiltration of sugarcane juice

在跨膜壓差0.45～0.50 MPa、膜面流速4.0～4.5 m/s及過濾溫度75～97 ℃的條件下（考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程有來料品質(zhì)不穩(wěn)定、控制參數(shù)存在波動(dòng)的情況，為模擬實(shí)際生產(chǎn)考察陶瓷膜分離裝備抵抗波動(dòng)的能力，考察通量時(shí)未嚴(yán)格控制陶瓷膜過濾過程的操作參數(shù)，只需控制在合理范圍內(nèi)即可），考察陶瓷膜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行通量的衰減情況，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，陶瓷膜過濾甘蔗汁（石灰法清汁）能獲得較大的膜滲透通量，過濾30 h后，陶瓷膜的滲透通量從350.6 L/（m2·h）衰減至160.2 L/（m2·h），平均通量為177.8 L/（m2·h），能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求[5,16]。在過濾的初始階段，膜滲透通量衰減迅速是因?yàn)榇藭r(shí)膜相對(duì)潔凈，污染物易在膜表面迅速累積形成濾餅層也易進(jìn)入膜層內(nèi)部被網(wǎng)絡(luò)所致，當(dāng)過濾2～6 h后，污染物逐步在膜表面形成穩(wěn)定的濾餅層，同時(shí)也進(jìn)一步阻止污染物進(jìn)入膜層內(nèi)部，膜滲透通量便開始緩慢衰減[22-25]。在過濾過程膜滲透通量出現(xiàn)上下跳動(dòng)是因?yàn)槟み^濾的溫度、跨膜壓差及膜面流速出現(xiàn)波動(dòng)所致。

2.2 澄清效果

分離膜對(duì)原料液的澄清（篩分）效果是衡量膜過濾過程的另一重要因素。膜過濾過程的體積濃縮倍數(shù)定義為任一時(shí)刻加入膜系統(tǒng)中的原料液與膜系統(tǒng)中截留液的體積比。陶瓷膜超濾甘蔗汁過程中，體積濃縮倍數(shù)每上升1 倍，取加入膜分離系統(tǒng)的原料液（石灰法清汁）及滲透液測(cè)量各主要理化指標(biāo)，所得最終結(jié)果的平均值見表1。從表1可以看出，石灰法清汁經(jīng)陶瓷超濾膜處理后品質(zhì)得到進(jìn)一步提升，簡(jiǎn)純度可提高2.01 個(gè)單位，色值去除率為20.20%，澄清度從79.18%提升至99.98%，并且過濾前后甘蔗汁中的轉(zhuǎn)光度無顯著差異，表明陶瓷膜不會(huì)截留甘蔗汁中的蔗糖分子或?qū)φ崽欠肿拥慕亓袈蕵O低。陶瓷膜過濾為物理分離過程，因而過濾前后甘蔗汁的pH值也不會(huì)發(fā)生顯著變化。甘蔗汁純度的提高可有效提高制糖生產(chǎn)過程的煮煉收回率和產(chǎn)糖率，色素的去除可降低最終成品糖的色值，而澄清度的提高不僅利于后續(xù)蒸發(fā)濃縮及煮糖結(jié)晶過程的進(jìn)行（減少傳熱設(shè)備積垢的產(chǎn)生、降低黏度、提高傳熱效率及節(jié)約能耗等），也可提高成品糖的品質(zhì)。

表1 甘蔗汁經(jīng)陶瓷膜過濾前后各理化指標(biāo)的變化Table1 Physicochemical characteristics of sugarcane juice before and after ceramic membrane ultrafiltration

2.3 污染膜表面微觀結(jié)構(gòu)與膜表面成分分析

從圖2可知，雖然陶瓷膜已經(jīng)在適合的操作條件下運(yùn)行，但是由于膜污染的存在，導(dǎo)致陶瓷膜過濾甘蔗汁的滲透通量不斷衰減。膜污染是膜分離技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中不可避免的關(guān)鍵問題，通過降低膜過濾的滲透通量，從而影響膜過濾的效率和降低膜成套系統(tǒng)的處理量。而解決這一問題的有效途徑是對(duì)膜污染的形成及污染物的理化特性作科學(xué)詳盡的研究，并以此開發(fā)一種有效可行的膜清洗及再生的方法，以恢復(fù)膜的性能。

從圖3a可以看出，新陶瓷膜表面是由許多微粒通過任意堆積的方式燒結(jié)而成，通過EDX進(jìn)一步分析可知這些微粒的化學(xué)成分為Al2O3，微粒之間會(huì)形成許多細(xì)小的孔隙，即為陶瓷膜的膜孔。但是，從圖3b可知，污染膜表面已經(jīng)被一層濾餅層（污染層）覆蓋，幾乎觀察不到膜孔的存在。對(duì)比圖3b與圖3c可以看出，污染膜被清洗后表面的污染層已經(jīng)被去除，清洗膜表面已基本恢復(fù)原來的形貌，但是清洗膜表面仍有較少量的污染物殘留。

圖3 陶瓷膜表面SEM圖（×5 000）Fig.3 SEM micrographs showing the surface of new, fouled and cleaned ceramic membranes ( × 5 000)

表2 污染膜及清洗膜表面EDX分析結(jié)果Table2 EDX data of fouled and cleaned membranes

從表2可以看出，膜表面污染物主要是由C、N及O三種元素組成，這3 種元素占總元素質(zhì)量的86.51%，表明膜表面污染物主要為有機(jī)物。N元素的存在表明膜表面污染物中可能含有蛋白質(zhì)。同時(shí)，還有少量的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca及Fe元素沉積（網(wǎng)絡(luò)）在膜的表面，這些無機(jī)成分均是來源于甘蔗汁[5,8]。這些無機(jī)成分中，一部分無機(jī)物可通過與加入甘蔗汁的石灰乳（氫氧化鈣）反應(yīng)生成沉淀物，或是與一些大分子物質(zhì)絡(luò)合而被截留在膜的表面，還有部分無機(jī)物會(huì)以離子狀態(tài)（帶正電）被吸附在膜表面（膜表面Al2O3呈負(fù)電性）。清洗膜表面的化學(xué)成分主要是Al和O元素，為膜的制造材料Al2O3，同時(shí)還含有少量的C元素，表明清洗膜表面有少量的有機(jī)物殘留，此外清洗膜表面還殘留較少量的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca及Fe元素。清洗膜表面殘留少量的污染物是不可避免的，但是這些污染物含量都較低，對(duì)膜性能（通量）的恢復(fù)無顯著影響，該清洗方法能恢復(fù)膜的通量。

為更進(jìn)一步分析膜污染物的成分，將膜表面的污染物輕輕刮下，冷凍干燥后進(jìn)行FTIR分析，所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，膜污染物在3 430 cm－1處有一個(gè)較寬的吸收峰，為羥基中的O—H鍵伸縮振動(dòng)[5]。波數(shù)為2 850 cm－1和2 917 cm－1處的雙峰分別是—CH3和—CH2—中的C—H鍵的對(duì)稱性彎曲振動(dòng)，這主要是來源于甘蔗汁中含有碳鏈的有機(jī)物質(zhì)，表明有有機(jī)污染物沉積在陶瓷膜的表面[26]。波數(shù)分別為1 637、1 540 cm－1處的兩個(gè)吸收峰分別來源于氨基酸中的C—N—H鍵及H—N—H鍵伸縮振動(dòng)，是蛋白質(zhì)的特征吸收峰[26]，表明膜表面污染物中有蛋白質(zhì)的存在，這也與EDX的檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。波數(shù)為1 255 cm－1（C—O伸縮振動(dòng)）和1 457 cm－1（甲基或乙基伸縮振動(dòng)）處的吸收峰為多糖和酯類物質(zhì)的特征吸收峰[5]。波數(shù)為1 747 cm－1及916 cm－1處的吸收峰分別是酯基或羧基中的C=O鍵伸縮振動(dòng)和O—H鍵彎曲振動(dòng)[5]。波數(shù)為1 033 cm－1（C—O伸縮振動(dòng)）和3 430 cm－1（O—H伸縮振動(dòng)）處的吸收峰為蔗糖或酚類物質(zhì)的特征吸收峰[5,18-19,26-29]。波數(shù)為1 033 cm－1（C—O伸縮振動(dòng)）的吸收峰也有可能是來源于甘蔗汁中的類多糖物質(zhì)[5,18-19,26-29]。波數(shù)為800 cm－1處的吸收峰可能是來源于甘蔗汁中帶有苯環(huán)的有機(jī)物[18,26-29]。波數(shù)在700～400 cm－1的吸收峰主要是來源于污染物中的無機(jī)成分或膜制造材料（刮取膜表面污染物時(shí)無法避免會(huì)刮落少量膜表面材料）[18]。因此，F(xiàn)TIR分析結(jié)果表明膜污染物主要是包含多糖、蛋白質(zhì)、酯類及酚類等物質(zhì)，甚至蔗糖分子也有可能引起膜污染。

圖4 污染膜表面刮下的污染物FTIR圖Fig.4 FTIR spectrum of foulants scraped from the fouled membrane surface

2.4 膜清洗效果分析

2.4.1 清洗方法效果分析

從研究膜污染的形成可知，膜污染物的主要成分為有機(jī)物（如多糖、蛋白質(zhì)、酯類及酚類等物質(zhì)），同時(shí)還含有少量的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca及Fe等無機(jī)物。NaOH（強(qiáng)堿）和NaClO（強(qiáng)氧化劑）溶液可去除多糖、蛋白質(zhì)、酯類、酚類、淀粉、葡聚糖以及懸浮雜質(zhì)等污染物[5,30-32]。NaOH可使膜表面的沉積物松動(dòng)、乳化和分散，以達(dá)到清洗的目的。NaClO可氧化分解膜表面的凝膠層，使膜表面的凝膠層脫落，被料液帶走，從而達(dá)到清洗的目的。因此，將NaOH溶液和NaClO溶液混合清洗膜，可增強(qiáng)清洗效率，縮短清洗時(shí)間，節(jié)省能耗。HNO3溶液對(duì)去除Ca、Mg、Al、Fe等金屬離子生成的沉淀物效果顯著。由于金屬離子產(chǎn)生的沉淀物主要附著在緊貼膜面及膜孔的內(nèi)表面，而多糖、蛋白質(zhì)、酯類、酚類、淀粉、葡聚糖以及懸浮雜質(zhì)等污染物主要覆蓋在金屬沉淀物的表面[5]。因此，先用NaOH-NaClO混合溶液清洗膜時(shí)，除去膜表面多糖、蛋白質(zhì)、酯類、酚類、淀粉、葡聚糖以及懸浮雜質(zhì)等污染物。再用酸清洗時(shí)，有利于HNO3與金屬沉淀物充分接觸并反應(yīng)，清洗效果較好。如果先用酸清洗，酸與金屬沉淀物接觸不充分，清洗效果相對(duì)較差[5]。所以，膜清洗時(shí)應(yīng)采用先堿洗后酸洗的方式。

陶瓷膜過濾甘蔗汁時(shí)會(huì)在膜的表面形成一層污染層（圖3），因此膜清洗時(shí)需在高膜面流速（5.0～6.0 m/s）及低跨膜壓差（0.1～0.2 MPa）下進(jìn)行，以保證清洗劑能較好地將膜表面沖刷干凈。膜清洗時(shí)在全循環(huán)的操作模式下進(jìn)行，即截留液和滲透液均返回原料液罐中。在陶瓷膜化學(xué)清洗階段（采用NaOH-NaClO混合溶液以及HNO3溶液清洗），每次清洗劑的用量（體積）只需達(dá)到膜設(shè)備能正常運(yùn)行的死體積即可，而該膜設(shè)備能正常運(yùn)行的死體積為15 L，因而每次清洗膜需要加入清洗劑的體積為15 L。而在膜清洗的第1階段，即采用工業(yè)凈水將膜系統(tǒng)中殘余的甘蔗汁沖洗干凈時(shí)，為減少?zèng)_洗次數(shù)、縮短清洗時(shí)間，每次加入膜系統(tǒng)中工業(yè)凈水體積為30 L。從圖5可以看出，NaOH和NaClO混合溶液對(duì)膜通量的恢復(fù)效果明顯，而采用工業(yè)凈水沖洗及HNO3溶液清洗對(duì)膜通量的恢復(fù)貢獻(xiàn)要小得多。這也從側(cè)面反映了膜污染物的主要成分為有機(jī)物。各清洗階段完成后，膜通量恢復(fù)率高達(dá)98.6%，表明本研究建立的膜清洗方法可有效再生污染膜的性能。

圖5 清洗劑對(duì)污染陶瓷膜通量恢復(fù)率的影響Fig.5 Effects of cleaning agents on the flux recovery rate of the fouled ceramic membrane

2.4.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

有效可行的膜清洗方法，不僅能較好地恢復(fù)污染膜的性能（通量），更重要的是要具有良好的再現(xiàn)性。圖6是同一支膜管在過濾甘蔗汁時(shí)重復(fù)污染并清洗后通量的恢復(fù)情況，在考察陶瓷膜清洗方法重復(fù)性時(shí)，共進(jìn)行21 輪實(shí)驗(yàn)，污染膜通量恢復(fù)率為95.5%～100.3%，平均通量恢復(fù)率為97.3%，表明本研究建立的膜清洗方法具有良好的重復(fù)性，適合工業(yè)化應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)通量恢復(fù)率大于100%的情況主要是由于實(shí)驗(yàn)誤差所致。

圖6 陶瓷膜化學(xué)清洗重復(fù)性的考察Fig.6 Repeatability of the chemical cleaning of fouled ceramic membrane

3 結(jié) 論

以孔徑為0.04 μm的陶瓷超濾膜處理石灰法制糖的甘蔗澄清汁，在跨膜壓差為0.45～0.50 MPa、膜面流速為4.0～4.5 m/s及過濾溫度為75～97 ℃的條件下過濾甘蔗汁30 h，膜滲透通量從350.6 L/（m2·h）衰減至160.2 L/（m2·h），平均通量為177.8 L/（m2·h），能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

甘蔗汁經(jīng)陶瓷膜過濾后品質(zhì)被進(jìn)一步提升，簡(jiǎn)純度可提高2.01 個(gè)單位，色素去除率為20.20%，澄清度從79.18%提升至99.98%，并且過濾前后甘蔗汁中的轉(zhuǎn)光度無顯著差異，表明陶瓷膜不會(huì)截留甘蔗汁中的蔗糖分子或?qū)φ崽欠肿拥慕亓袈蕵O低。

研究膜污染形成發(fā)現(xiàn)，陶瓷膜過濾甘蔗汁會(huì)在膜表面形成一層污染層，膜污染物的主要成分為有機(jī)物（如多糖、蛋白質(zhì)、酯類及酚類等物質(zhì)），同時(shí)還含有少量的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca及Fe等無機(jī)成分。

污染膜依次采用工業(yè)凈水、1% NaOH-0.5% NaClO混合溶液、0.5% HNO3溶液清洗，膜通量恢復(fù)率均高于95.5%，重復(fù)性較好，是一種有效的膜清洗方法。