離子交換纖維的應用研究（二）

謝軍年，黃健泉

（廣西大圓糖機設備有限公司，廣西 南寧 530022）

8 關鍵技術難題

目前，離子交換纖維脫色工藝存在的技術問題及難點有：纖維容易泄漏、離子交換纖維裝填的均勻性、離子交換纖維易污染及再生廢液的處理。

9 針對關鍵技術難題采用的技術措施

9.1 解決纖維的泄漏問題

在每節(jié)交換纖維中的上下各安裝一塊80目的不銹鋼網，內襯一塊120目的不銹鋼網，在所有出口處內襯一塊100目的不銹鋼篩網，每節(jié)柱子安裝時保證平穩(wěn)。

9.2 解決交換柱的均勻性問題

首先纖維的安裝采用濕態(tài)裝填，裝填時壓平壓緊，裝填密度為（102g/ml），入汁時采用自下而上的方式，保證物料在交換柱呈滯留狀態(tài)運行。

表4 脫色后清汁質量指標

表5 精制糖理化指標

9.3 解決纖維的污染問題

糖汁中的泥、蔗渣等物質會附在纖維表層上，使纖維結塊，交換前必須將泥、蔗渣等固體物質除去，因此在交換前進行曲篩過濾，在本次試驗中我們采用的措施是在泵頭加一層120目的不銹鋼網。對纖維造成主要污染的物質膠體，在清汁經過離子交換柱時會附在纖維的表層上以阻礙色素的交換及再生，解決的措施主要是進行深度預處理，清汁先經過1μm袋式過濾器，再經過纖維過濾器。

9.4 再生廢液處理問題

再生廢液主要包括兩部分：一部分是陰離子交換柱排出的廢液，一部分是陽離子交換纖維排出的廢液。

對廢液的處理，下面分別論述。

第一部分：陰離子交換柱排出的廢液。

由于陰離子交換纖維使用鈣鹽進行再生，因此可以在流程中重復使用。廢液分為三部分，第一部分色素含量少，氯離子含量高，可回流對纖維進行預再生；第二部分色素含量大，總量約占1/3，可回流到主流程形成鈣沉淀將色素沉淀排出；最后一部分色素含量少，也可以對纖維進行預處理。因此陰離子交換纖維的再生每次只需要補充全耗量的1/3即可，最終陰離子交換柱無廢液排出。所排部分含大量色素，可提煉成色素作為著色劑，做到回收利用，清潔生產。

第二部分：陽離子交換柱排出的廢液。

陽離子交換纖維是使用鈉鹽進行再生，再生廢液中氯離子的含量高，因此完全可以用來對陰離子進行再生，即排出的再生廢液用來對陰離子進行再生。

10 產品達到的技術經濟指標

脫色后清汁最終要達到的質量指標如表4所示。

精制糖的理化指標應滿足GB317-2018要求，如表5所示。

10.1 小試試驗結果

脫色率測定方法：

10.2 離子交換纖維對亞法糖汁的脫色試驗

試驗選取亞硫酸法糖廠的清凈汁和澄清汁進行靜態(tài)脫色對比試驗，試驗結果見圖3、圖4。從圖3、圖4可以看出，離子交換纖維對澄清汁的脫色率明顯高于清凈汁。清凈汁是經過澄清汁與濾清汁混合而成，清凈汁比澄清汁含有更多的懸浮物，懸浮物易覆蓋在纖維的表面，而離子交換過程是在表面進行，懸浮物阻止了離子交換和吸附脫色過程，使得其對清凈汁的脫色效能下降。因此，利用離子交換纖維對糖汁進行脫色，應盡量避免懸浮物特別是膠體的污染。

圖3 靜態(tài)脫色效果圖

表6 不同再生劑對纖維再生效果的影響

表7 再生劑濃度對再生效果的影響

表8 脫色清汁性能指標

表9 運行周期中陽離子交換纖維交換容量的變化

表10 離子交換纖維疲勞試驗結果

表11 中試清汁各項質量指標變化

11 離子交換纖維再生試驗結果

11.1 氯化鈣濃度：5%，氯化鈉濃度：5%

通過試驗可以看出，相同質量濃度的氯化鈣的再生效果明顯優(yōu)于氯化鈉的再生效果。試驗結果見表6。

11.2 不同濃度的氯化鈣再生試驗

隨著濃度的升高，再生效果越來越好，洗出的色素顏色越來越深?？紤]到再生成本，實際應用中取氯化鈣的濃度為3～5%。試驗結果見表7。

圖4 澄清汁的動態(tài)脫色效能圖

12 小生產中試結果

結合中試方案，性能指標測試結果見表8。此數據為廣西產品質量監(jiān)督檢驗院檢測數據。

從表9中可以看出，陽離子交換纖維在運行周期中再生后交換容量略有下降，但再生率均保持在90%以上，這說明再生率穩(wěn)定。

從疲勞試驗結果看（如表10所示），陰離子交換纖維在使用310次以后交換容量下降7.3%，這說明陰離子交換纖維的使用壽命大于310次。同時陽離子交換纖維在使用400次以后交換容量和出廠時交換容量相當，無明顯下降，陽離子交換纖維使用壽命大于400次。這說明離子交換纖維用于處理甘蔗糖廠清汁完全可使用2個榨季。

從表11中可以看出，清汁依次經過第一節(jié)柱、第二節(jié)柱、第三節(jié)柱后質量穩(wěn)定，色值依次降低。清汁從第三節(jié)排出后，色值依次升高，到180IU時即處理量為2m3時即飽和，色值迅速下降。

目前離子交換技術在制糖行業(yè)已應用到煉糖生產當中，但還未應用到甘蔗糖廠中。在甘蔗糖廠的應用中離子交換纖維與傳統(tǒng)的離子交換樹脂相比具有得天獨厚的優(yōu)勢，見表12。

表12 纖維處理糖汁工藝與其他工藝對比

13 實際達到的技術經濟指標

13.1 成本核算（以小型生產線投入計算）

離子交換纖維共20千克，售價按500元/千克計算，總計：10000元。使用壽命按1000次計算，則每次的成本為10元。

再生時每次使用氯化鈣40千克，共再生2次，可重復利用，按30%用量核算，此項成本為60元。

每個周期耗電3度，按0.3元/度計算，總計0.9元。

設備折舊和維修費用攤銷為5元。

以上總計：75.9元。

13.2 噸糖成本

小型生產線每次至少產糖1.2噸，則噸糖成本為63.25元。

13.3 效益分析

由于不用二次結晶，每噸精制糖生產成本節(jié)省汽耗約160元［1］。

這樣每噸的收益為160-63.25=96.75元。

人工及管理成本未計算，糖廠噸糖直接效益增加96元。

本工藝是在半灰半硫工藝基礎上做的，如果計算此部分成本，效益更加可觀。

使用本工藝后將不必停機洗罐，這也為糖廠間接增加了效益。

因此本工藝效益相當可觀。

14 離子交換纖維技術的特點及存在問題

國內外對甘蔗糖廠糖汁澄清汁工藝進行大量的研究，本工藝具有如下特點。

第一，離子交換纖維對色素的去除效果不是暫時抑制，而是從根本上去除生色基。

第二，離子交換纖維對清汁的脫色效果相當明顯，脫色清汁上乘、穩(wěn)定。

第三，再生容易，再生時間短。使用鈣鹽再生，不會形成污染。

第四，離子交換纖維交換速度快，能滿足糖廠大規(guī)模生產需求。離子交換纖維交換容量大，可以滿足脫除糖汁中大量而高濃度色素的需求。

第五，可為糖廠增加效益96元/噸糖。

第六，再生廢液可回收再生。

第七，離子交換纖維使用壽命長，可使用2個榨季以上，能滿足糖廠榨季要求。

第八，對清汁的適應性強，能滿足糖廠生產波動的需求。

糖汁脫色一直以來都是困擾制糖科學家的一個技術難題，廣大學者都在試圖找到一種高效而廉價的脫色方法，而離子交換纖維正是這樣一種理想的載體。

離子交換纖維試驗存在的問題如下。

一是交換時阻力大，停留時間長。

纖維本身的結構決定了其阻力系數大，如設備高度越高，阻力越大，這無疑中將增加糖汁在交換柱中的停留時間。從脫色工藝效果看，停留時間越長脫色效果越好，但停留時間長對糖汁蔗糖分還原糖分影響越大，因此兩者必須找到一個合適的平衡點。

二是自動控制問題。本次全部采用手動控制，所以試驗穩(wěn)定性不夠，有時出現偏差，需設計一套全自動控制系統(tǒng)。

15 結論及今后打算

第一，根據小試及中試的試驗結果和實際情況，確定生產試驗的工藝流程和工藝條件，可以穩(wěn)定的處理甘蔗糖廠清汁，為實現一步法制做精制糖創(chuàng)造了條件。

第二，所確定的工藝設備簡單、性能可靠，具有一定靈活性，能滿足工藝要求。

第三，已確定的工藝技術條件和工藝設備可以長期穩(wěn)定的生產，清汁的性能指標達到了生產要求的質量檢驗標準。

第四，在穩(wěn)定試驗生產過程中，根據實際消耗進行了初步的經濟核算，噸糖效益增加96元，如能進一步采用技術措施并加強管理，其效益更加可觀。

第五，要集中精力解決技術問題，制作大規(guī)模設備以滿足糖廠生產要求。新工藝的研制成功，將帶來制糖業(yè)的一次技術進步，糖廠可以從以下幾個方面獲得良好的經濟效益。

一是提高糖廠產品的品質

通過本工藝所生產的清汁色值（150IU以下），完全可以用于生產精制糖，而我國大多數糖廠只能生產優(yōu)級糖和一級糖，不能生產精制糖。通過該工藝后實現甘蔗糖廠一步法生產精制糖可以整體提升制糖行業(yè)產品品質，增強我國制糖業(yè)在國際上的競爭力，同時必將帶來良好的經濟效益。

二是節(jié)約能源

糖業(yè)是耗能大戶，目前我國將節(jié)能提到重要的位置，隨著人們生活水平的提高，精制糖生產數量將會迅速增加。本工藝把甘蔗直產精制糖變?yōu)榭赡埽沟镁铺巧a工藝流程得到簡化，傳統(tǒng)制糖工藝需回溶煮成原糖（所耗蒸氣約18～20%對蔗比）。據估算，單就這一步年產100萬噸精制糖就可以節(jié)約260萬噸煤，約值1.8億元，這無疑為節(jié)能生產特別是為糖廠節(jié)約成本提供一個良好的平臺。

三是提升制糖行業(yè)的技術水平

甘蔗制糖業(yè)是我區(qū)的支柱產業(yè)，行業(yè)的穩(wěn)定將影響到社會穩(wěn)定。離子交換纖維處理甘蔗糖廠清汁新工藝的研發(fā)成功是制糖行業(yè)技術水平的一個進步，對提升整個制糖技術水平具有重大的作用，有利于提高我國制糖業(yè)在國際上的市場競爭力。

四是為糖廠提供多樣化經營

本工藝的研究成功，不但可實現一步法生產精制糖，企業(yè)根據市場變化可生產精制糖，優(yōu)級糖及一級糖，為糖廠提供產品多樣化經營。