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钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 摘要 蔗汁的澄清一直是制糖行业的重点和难点，其效果的好坏是蔗糖 产品的质量和产量的主要决定因素，同时澄清工艺的消耗也在整个制 糖工艺中占了很大的i ：t - g y 。目前蔗汁的澄清工艺主要有亚硫酸法、碳 酸法等，这两种清净工艺不仅工艺复杂，设备投资高，c a o 消耗大， c o , 、s o ：和滤泥污染严重，而且产品质量不稳定。本课题利用钢渣作 为蔗汁澄清剂，其具有除浊脱色效率高，工艺流程短，操作简便，设 备投资少，能降低能源消耗，减少环境污染，采用低温澄清副反应少 等优点，主要研究内容有： ( 1 ) 通过正交试验，研究钢渣细度、钢渣用量、处理温度、处 理时间等对脱色率、纯度差、浑浊度、沉降速度等工艺指标的影响程 度及大小顺序，确定了钢渣用于蔗汁澄清的最佳工艺条件为：钢渣细 度1 0 0 目，钢渣用量0 0 3 2 9 m l ，处理温度6 0 ( 2 ，处理时间4m i n 。 在此工艺条件下，脱色率为5 5 7 6 、纯度差为0 5 2 、浑浊度为3 5 m a u 、 沉降时间为1 8 3 m i n 。 ( 2 ) 根据正交试验的初步结果，通过单因素分析，考察了钢渣 细度、钢渣用量、处理时间、处理温度和蔗汁p h 对蔗汁脱色效果的 影响规律，得到了钢渣用于蔗汁脱色的最佳工艺条件为：钢渣细度 1 0 0 目、钢渣用量0 0 2 4 9 m l 、处理温度4 5 ( 2 ，处理时间5 m i n 。在 此工艺条件下，脱色率达7 0 4 7 ，而对铁离子的除去率达4 4 3 。 ( 3 ) 根据正交试验的初步结果，通过单因素分析，考察了钢渣 细度、钢渣用量、处理时间、处理温度和蔗汁p h 对混清汁纯度差的 影响规律，得到了钢渣用于蔗汁除杂的最佳工艺条件为：钢渣细度 1 0 0 目、钢渣用量0 0 1 2 9 m l 、处理温度2 5 ，处理时问0 5 m i n 。 在此工艺条件下，清混汁纯度差达7 3 6 ，清汁电导率下降了10 8 。 ( 4 ) 对钢渣用于甘蔗汁澄清的机理进行了初步探讨。 关键词：钢渣甘蔗汁吸附澄清脱色 h s t u d i e s0 nc l a r i f i c t 1 0 nf o rs u g a r c a n ej u i c e w i t hs t e e ls l a g a b s t r a c t m i x e d j u i c ec l a r i f i c a t i o ni st h em o s td i f f i c u l tp r o c e s s 、稍mt h eh i g h e s tc o s ti n c a n es u g a rm i l l i ti sv i t a lf o rs u g a rm a n u f a c t u r ea n dm o s t l yd e c i d e st h eo u t p u ta n d q u a l 畸o f s u g a rp r o d u c t s t o d a y ，t h em a i np r o c e s s a r cc a r b o n i ca c i dm e t h o da n d s u l f u r o u sa c i dm e t h o di nc a n es u g a rm i l l ，t h e r ea r ew a v yi nq u a l i t yo f s u g a rp r o d u c t s ， a n dc o m p l e xi np r o c e s s ，h i g l li n v e s t m e n ti ne q u i p m e n t ，h i g hc o s ti nc a o ，l l i g h p o l l u t i o nw i t hc o s s o sa n dr e s i d u e t h em i x e ds u g a r c a n e j u i c ew a sc l a r i f i e db yt h e s t e e ls l a gi nt h i sm s e a r c h 1 1 1 ep r o c e s si ss h o r ti np a t h ，e a s yf o ro p e r a t i o n ，l o w i n v e s t m e n ti ne q u i p m e n t , l o wc o s ti ne n e r g y ，l o wb a dr e a c t i o na n df r i e n d l yt o e n t i r o n m e n tw i t hh i i g hr a t i oo f d e c o l o u r i n ga n de l i m i n a t i o ni m p u r i t y t h ef o l l o wi st h e m a i nc o n t e n t si nt h i sr e s e a r c hp a p e r ： ( 1 ) t h ee f f e c t so fs t e e ls l a gg r a n u l a r i t ya n dd o s a g e ，d i s p o s i n gt e m p e r a t u r ea n d t i m eo nt h er e s u l t so f c l a r i f i c a t i o nw e r ed i s c u s s e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，a n dt h e o p t i m u mc o n d i t i o n so f d i s p o s i n gw e r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g ：s t e e ls l a gg r a n u l a r i t y 1 0 0m e s ha n dd o s a g e4 9 ，d i s p o s i n gt e m p e r a t u r e6 0 ( 2a n dt i m e4 r a i n ，a n du n d e r w h i c ht h ed e c o l o u r i n gr a t i oi s5 5 7 6 ，t h ep u r i t yd i f f e r e n c eo f p u r i f i e da n du n p u r i f i e d j u i e ei so 5 2 ，t h ef e c u l e n td e 伊e eo f p u r i f i e d j u i c ei s3 5 m a u ，t h es e d i m e n t a t i o nt i m e o f r e s i d u ei s1 8 3 m i n ( 2 ) mm i x e ds u g a r c a n ej u i c ew e r ed e c o l o u r e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t si n t h el i g h to f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so u t c o m e t h ee f f e c t so f s t e e ls l a gg r a n u l a r i t ya n d d o s a g e ，d i s p o s i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m eo nt h er e s u l t so f d e e o l o u r i n gw e r ed i s c u s s e d ， a n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f d i s p o s i n gw e r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g ：s t e e ls l a g g r a n u l a r i t y1 0 0m e s ha n dd o s a g e3 9 , d i s p o s i n gt e m p e r a t u r e4 5 ca n dt i m e5 m i n t h e b i g g e s t d e c o l o u r i n g r a t e o f s t e e ls l a g i n m i x e ds u g a r c a n e j u i c e i s 7 0 4 7 ，a n d t h e e l i m i n a t i o nr a t i of o rt h ei r o ni o m ci s4 4 3 ( 3 ) mm i x e ds u g a r c a n e j u i c ew e r ec l a r i f i e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t si nt h e l i g h to f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so u t c o m e 1 1 地e f f e c t so f s t e e ls l a gg r a n u l a r i t ya n d d o s a g e ，d i s p o s i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e o ut h er e s u l t so f p u r i t yd i f f e r e n c ew e r e d i s c u s s e d ，a n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f d i s p o s i n gw e r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g ：s t e e l s l a gg r a n u l a r i t y1 0 0m e s ha n dd o s a g e1 5 9 , d i s p o s i n gt e m p e r a t u r e2 5 ca n dt i m e i l i 0 5 i l l i n t h eb i g g e s tp u r i t yd i f f e r e n c eo f p u r i f i e da n du 印嘶f i c d j l l i c ei s7 3 6 ，a n d t h ec o n d u c t a n c ed i f f e r e n c ei s1 0 8 ( 4 ) t h ei n d u c e m e n t so f c l a r i f i c a t i o nf o rs u g a r c a n e j u i c ew i t hs t e e ls l a gw e r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：s t e e ls l a g ；s u g a r c a n ej u i c e ；a d s o r p t i o n ：c l a r i f i c a t i o n ： d e c o l o u r i n g i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名 单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对 本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致 谢。 论文作者签名： 年否月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 玉 年占t 月 广西大学( 岛校教师) 硕士学位论文钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 第一章绪论 以甘蔗为原料生产蔗糖要经过提汁、澄清、蒸发、煮炼等工艺过程。甘蔗经过提汁 后得到混合汁，混合汁除含大量水分( 8 0 8 5 ) 、蔗糖( 9 - 1 8 ) 和少量的还原糖 ( 0 3 3 o ) 外，还含有少量的有机非糖分( 0 5 i o ) 和无机非糖分( o 3 加5 ) 等 杂质。这些杂质主要包括一些无机灰分、胶体物质、含氮物质、无氮有机酸类、色素及 有色非糖分、类脂物、淀粉、酶类等 1 _ 。它们的存在对蔗糖的生产是不利的，必须通 过澄清除杂后7 j 。可进行蒸发和煮炼等操作。蔗汁澄清工艺的效果是蔗糖产品的质量和产 量的最主要影响因素，同时澄清工艺的消耗也在整个制糖工艺中占了很大的比例，因此 蔗汁的澄清工艺一直是制糖行业关注的焦点，也是是制糖行业的难点。目前蔗汁的澄清 工艺主要有石灰法、亚硫酸法、碳酸法等，其它还有磷酸法，以及离子交换法、薄膜分 离法、电渗析与电解法、离子排斥法等新澄清法j ，但这些新方法的应用也必须经过传 统澄清方法澄清后才可取得较好的效果。另外，絮凝剂的开发研究也比较多，一些无机 絮凝剂、高分子絮凝剂、生物絮凝剂等在蔗汁的澄清工艺中得到应用，但由于絮凝剂对 不同性质的蔗汁的絮凝效果不同，操作管理不易，成本较高等因素，絮凝剂并没有在蔗 汁的澄清工艺中完全取代传统的澄清工艺，而只是在传统澄清工艺后作为一种补充，起 到进一步的澄清作用。 1 1 蔗汁澄清工艺简介 ( 1 ) 石灰法 石灰法是用石灰作为主要澄清剂的蔗汁澄清方法i 卜5 1 ，由于石灰价廉，无毒和易于 获得，所以国内至今依然有部分小糖厂采用石灰法生产赤砂糖。国外的糖厂生产糖度在 9 6 以上的粗糖时，一般采用石灰法。石灰法可分为冷汁加灰法和热汁加灰法两种，冷 汁加灰法的优点是工艺简单，蔗糖转化损失少，沉淀物结实，缺点是在冷灰工艺中，有 一种“白念珠菌”的细菌繁殖，它将蔗糖变为右旋糖胶，造成蔗糖的损失，同时影响澄 清：而热汁加灰法的优点是胶体容易凝聚，但是它的缺点是沉淀物不结实，泥量较大。 石灰法虽然工艺简单，操作方便，但是它的脱色效果比不上亚硫酸法和碳酸法，因 此，只有在对糖的色值要求不高的领域，才使用石灰法。 广西大学( 高校教师) 硕士学位论文钢渣往蔗汁澄清中戍用的研究 ( 2 ) 亚硫酸法 亚硫酸法是用石灰和二氧化硫作为澄清剂的蔗汁澄清方法l l - 5 1 。亚硫酸法又分为酸性 亚硫酸法、碱性亚硫酸法、中性亚硫酸法、磷酸亚硫酸法和中间汁亚硫酸法等。但在亚 硫酸诸法中，一般认为酸性亚硫酸法较好，其原因是沉淀颗粒比较结实，沉淀速度较快， 泥汁体积较小，过滤性能较好，缺点是蔗糖容易转化，硫熏设备容易腐蚀。 石灰法只能生产出颜色较深的粗糖，而用亚硫酸法却能制得直接消费的白糖。虽然 采用亚硫酸法比采用碳酸法生产的白糖在洁白度和产糖率等方面都要差，且产品白糖的 颜色会随储藏时间的延长而不断加深，但由于亚硫酸法具有工艺流程较短，设备较少和 澄清剂较省等优点，所以在国内大、中、小型甘蔗糖厂仍被广泛使用。 ( 3 ) 碳酸法 碳酸法是在混合汁中加入过量的石灰，并通入二氧化碳，生成结构疏松而易于过滤 的沉淀物，此沉淀物以碳酸钙为主，并吸附了不少的非糖杂质，从而达到澄清的目的f j 叫。 甘蔗糖厂最初用碳酸法制糖时，是采用一次碳酸法，就是在澄清过程中采用一次加灰饱 充，即将全部石灰加入饱充罐内的混合汁中，通二氧化碳饱充至t p h8 2 8 4 ，随后进行 过滤。这种方法由于澄清过程中只利用了非糖分的一个等电点，即p h8 2 8 4 ，故非糖 分沉淀不完全，清汁钙盐含量较高。为了克服这一缺点，又改进为二次碳酸法，也就是 在澄清过程中分两次饱充，即第一次加灰饱充到终点p h 为l o 5 左右，进行第一次过滤， 滤清汁再进行第二次饱充至1 p h8 2 8 4 ，随即进行第二次过滤，这种方法，由于利用了 一碳和二碳两个凝聚点，除去非糖分较一次碳酸法为多，所得清汁含钙量也较低。这一 方法就是目前甘蔗碳酸法糖厂所采用的方法。 碳酸法的优点是；l 在相同的原料条件下，碳酸法所除去的非糖分较亚硫酸法为多， 糖分收回也较高。2 碳酸法所制成的成品白糖，色值较低，贮存时不易变色。3 碳酸法 制成的白糖中所含的化学杂质要比亚硫酸法的白糖少得多，其中特别是灰分。但碳酸法 流程较复杂，所需设备较多，原材料消耗量也大，滤泥量也大，且由于滤泥呈强碱性而 无法利用，因而需耗用大量土地来堆放，在堆放过程中还会产生恶臭气体污染环境，因 此目前在我国国制糖行业采用碳酸法的企业数量还不多。 我国现有的制糖清净工艺大多采用亚硫酸法和碳酸法。这两种清净工艺不仅工艺复 杂，设备投资高，特别是c a o 消耗量大，需消耗大量能源，c 0 2 和s 0 2 以及滤泥污染严 2 广西大学( 高校教师) 硕士学位论文钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 重。 ( 4 ) 磷酸澄清法 磷酸法【”l 澄清由于加入了比亚硫酸法澄清用量多的磷酸，因而产生了较多的磷酸 钙沉淀，而磷酸钙沉淀的吸附能力比亚硫酸钙沉淀强，但磷酸钙不如亚硫酸钙易沉淀， 若能加入适量的聚丙烯酰胺絮凝剂，效果会更好。适当使用磷酸替代二氧化硫处理蔗汁 的磷酸法，其澄清效率超过了亚硫酸法，接近或达到碳酸法，如p h 值下降小，钙盐含 量少，非褚分除去多，纯度差大，清净效率高，流程和设备简单，污染减少等优点。磷 酸法容易产生较多的沉淀物质，清理设备的时候比较麻烦，而且磷酸的价格高，如果作 为主要澄清剂会增加生产成本，因此其一般作为亚硫酸法和碳酸法的辅助澄清法。 ( 5 ) 离子交换法 离子交换法的特点是不用化学澄清剂，因而可以避免把新的非糖分加到糖汁里面， 从而更有效的提纯糖汁。离子交换法用的是阳离子交换树脂和阴离子交换树脂肛】，虽 然用离子交换树脂脱色和脱盐都能达到较好的效果，但树脂经长时间反复使用后，脱色 效率大为降低，以至用一般的方法不能再生，所以每隔3 0 - - 5 0 周期需处理一次，而且不 同的污染物要用不同的方法处理，操作麻烦，而且其成本比较高。 离子交换纤维作为一种新型离子交换材料1 1 2 4 1 ，是一种很有前途的离子交换材料， 由于它具有几十倍于离子交换树脂的表面积，使其在交换速度和再生方面比离子交换树 脂有较大的优势，目前在制糖工业的应用尚处于研究阶段，其相比于离子交换树脂所具 有的优异性能决定其将会取代离子交换树脂在制糖工艺中的应用。 离子交换法对交换前的甘蔗汁的澄清度有较大的要求，如果其甘蔗汁含有过多的不 溶物，就容易堵塞滤孔而造成处理量降低，而且交换材料的再生性和价格是其投入生产 尚须解决的关键问题，目前离子交换法主要应用在以白糖为原料的精糖的生产上。 ( 6 ) 膜分离法 近年来出现了一类采用半透性薄膜分离溶液的新过滤方法，如超滤法【l f , - - 2 6 ，它是基 于半透膜对于大小不同的粒子( 分子或离子) 具有不同的穿透性。因此，只要选择到一 种合适的半透膜，就可以把某种大小的粒子从溶液中分离出来，而较大的粒子则被留在 广西大学( 商技教师诹士学位论文 钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 溶液中，超滤法提纯糖汁所用的半透膜，能放过水和蔗糖等小分子，但不让色素、蛋白 质和胶体离子通过，其具有工艺流程短、设备简单、耗用化学试剂少等优点，是一种具 有较好发展前途的方法。 膜分离技术应用于甘荩制糖及甜菜制糖的系统研究始于1 9 7 1 年( 丹麦的d d s 公司) ， 初期的研究是应用于对加灰汁的清净处理，但其处理能力太低而不能让人接受。进入上 世纪的8 0 年代之后，新的膜材的出现如聚砜膜，重新唤醒了人们对膜分离的兴趣，膜 技术进入了一个快速发展的时期。 超滤膜的孔径范围一般在1 2 0 n m 之间，可以截留糖液中的胶体和蛋白质等可溶性 的大分子物质。 根据国内的研究报道，混合汁的超滤有显著的脱色除浊的效果，见表1 - 1 1 2 5 1 。 表卜1 不同分子量聚醚砜膜的脱色性能 t a b l e1 - 1d e c o l o u r i n gc a p a b i l i t yo f p e sm e m b r a n ew i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h t 与传统的碳酸法、亚硫酸法相比，超滤所得的超滤汁色值低、清亮度好、c a o 的含 量低，纯度提高2 个单位以上，但膜分离法的生产能力小，膜的清理困难，从而影响了 膜分离法工业应用的大量推广。 ( 7 ) 新型澄清剂 由于传统的亚硫酸法、碳酸法需消耗大量的氧化钙且产生大量泥渣，清汁的钙赫含 量高，浑浊度与色值大等，因此很多新型高效的澄清剂、脱色剂被应用到了蔗汁的澄清 中 2 7 椰l 。 无机聚合物类澄清剂 p s a z 絮凝剂即聚硅酸锌絮凝剂是一种无毒、高效新型高分子絮凝剂 2 s l 。 l d s 0 1 0 0 0 0 m g k g ，属实际无毒级。它具有絮凝沉降快，效果好，应用范围宽等优点， 4 广西大学( 高校教师) 硕七学位论文钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 可作为甘蔗制糖澄清剂、饮用水净水剂、工业废水处理剂。p s a z 絮凝剂用作制糖澄清 剂，对甘蔗混合汁中的无机固体悬浮物及有机胶体、色素等非糖分具有吸附、电荷中和 及桥联絮凝作用。它与目前广泛使用的聚丙烯酰胺( p a m ) 相比，具有使用方便、不用磷 酸，无毒无副作用等优点，克服了p a m 溶解困难、低毒残留的缺点。p s a z 絮凝剂的 开发为制糖工业及其它工业增加了一种新型澄清剂。p f c s ( 聚合氯硫酸铁) 也是一种 很好的絮凝剂，但会在甘蔗汁中残留氯离子【2 9 1 。 ( 3 4 0 9 高离子澄清剂，其具有高价或超高价的离子。兼备电解质的离子效应、电中和 的凝聚作用和高分子本体的架桥絮凝作用，因而可以作为优良的澄清剂口m3 n 。华南理工 大学轻化所研制出新一代高离子澄清剂g 4 0 9 ，它体现出优越的清净、脱色、除臭等多功 能效果，在制糖工业中得到广泛推广应用，取得了显着的经济效益，g 4 0 9 具有与p a c ( 聚氯化铝) 相似的电泳特征，其电中和能力和清净效能都优于p a c ，但也会产生一定 的铝残留，对人的身体有害。另外一些超细粉体也被应用到了甘蔗汁的澄清工艺中【埘。 有机聚合物类澄清剂 a 型脱色澄清剂是一种多元有机聚铝1 3 4 】，既是无机高价阳离子又兼具有机聚合物柔 性链状的高分子本体，以其离子反应，电中和凝聚和架桥絮凝以及后继的吸附、包卷和 网罗等作用，使糖汁中的杂质生成沉淀或浮渣而除去，获得脱色和提高纯度的澄清效果， 从而达到改善提高糖汁的品质，增加糖分收回的目的。它融合有机高离子和聚铝的物化 特性，其链状分子上排列有许多可离解的基团，分子量较大，结构膨大等特点。a 型澄 清剂应用于糖浆中的提净效果比应用于混合汁效果好，应用于混合汁时，不需增加设备 和动力，如应用于糖浆则需增加一套上浮设备。 两性聚丙烯酰胺( a m p h o l y t i cp o l y e l e c t r o l y t e ) 是一种人工合成的水溶性多功能高分子 聚电解质，分子链上同时含有阴、阳离子基团，具有很好的水溶性、很高的分子量和良 好的粘性容量i ”】。由于甘蔗混合汁的p h 值一般为5 ，3 左右，用两性聚丙烯酰胺来处理 混合汁，能充分利用电中和、架桥、吸附、脱水等作用，协同絮凝蔗汁中的胶体粒子或 悬浮微粒，从而提高混合汁的澄清度；除此之外，由于两性聚丙烯酰胺本身还具有吸附 色素和络合金属离子的作用，可以有效除去蔗汁中有色物质和铁离予，可以进一步提高 白沙糖的质量。两性聚丙烯酰胺是目前制糖企业应用最多的一种澄清剂。 有机聚合物类澄清剂在蔗汁中的残留一直是人们比较担心的。 天然产物类澄清剂 广西大学( 高校教师) 硕上学位论文 钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 一1 高效澄清剂嗍。是一种用海洋生物制取的商分子生物制品，是自然界中一种 带正电的生物性纤维素，它的物质结构是在链状的分子上排列有许多可以离解的基团， 基团的一部分或大部分可以在水中电离。它是一种阳离子型的高离子澄清剂。在糖业生 产中起到了吸附、脱色、降低糖膏粘度，增加糖分回收的作用。使用l u 一1 高效澄清剂， 提高了一级白砂糖产率，解决了亚硫酸法产品s 0 2 含量高的难题。同时，降低了辅助材 料硫磺、石灰的使用量，从而达到对亚硫酸法澄清工艺的改善。而且豳一l 高效澄清剂 使用量少，设备要求简单，添加方便，能达到压缩生产成本的目的。 植物纤维对糖液的脱色作用早有研究，1 9 9 6 年，美国的c l a r k e 和r o b e r t s 提出：一些 植物纤维如花生壳、麦杆、谷壳和甘蔗渣等，用二烃基氨烷基( d i a l k y l a m i n o a l k y d 化合物 如- - 7 , 氨乙基氯( d i c t h y l a m i n o c t h y lc h r o r i d c 简称d e a e ) 处理之后，可以用于糖的水溶液的 除色除浊。从实验数据看到，d e a e 蔗渣对清汁有很好的除色效果，除色率达7 5 ， 但材料的消耗偏多，如何提高过程的效率，值得进一步研究1 3 ) - 3 9 1 。 另外，壳聚糖、微生物絮凝剂等在甘蔗糖业中也有应用i 舡引1 。 酶类澄清剂 酶类澄清剂主要是利用酶的高选择活性降解甘蔗汁中的果胶类、酚类等，达到除浊 除色等目的，目前许多国内的甘蔗汁饮料厂已经开始使用效果较好的酶澄清法，其中以 果胶酶一明胶硅溶胶法较好，基本适应于甘蔗汁的澄清，但酶法成本相对较高，只适 用于一些附加值较高的产品的生产使用1 4 2 3 1 。 新型澄清剂的澄清效果较好，但由于价格方面的原因，它们一般不作为主要澄清剂， 而作为辅助澄清剂使用，以进一步改善澄清效果。 另外还有电渗析与电解法、离子排斥法等新澄清法m4 坷：这类新型澄清方法利用蔗 汁中被分离物质的带电特性或电活性等性质来进行澄清脱色处理的，主要是除去灰分和 色素等，而对于不带电的的杂质则无法除去，此方法还有操作困难生产效率低等缺点， 目前还并未在生产实践中应用。 1 2 钢渣的特性与应用 1 2 1 钢渣的特性 钢渣是炼钢过程中产生的一种固体废物，其产量占钢产量的1 5 - 2 0 ，目前，我国 每年的钢渣排放量约2 0 0 0 多万吨，由于钢渣种类多，技术难度大，牵涉面广，处理和利 6 广西大学( 高校教师) 硕士学位论文 钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 用一直未得到实际的开拓和发展，绝大部分钢渣仍弃置江河。堆占农田，造成环境污染 和资源的浪费。 钢渣的种类很多，不同的生产工艺钢渣的种类也不一样，但其理化特性和主要成分 基本相似，主要含有c a o 、m g o 、y f e o 、s i 0 2 、p 2 0 5 、a 2 0 3 、m n o 等，其混合样的化 学成分范围如表2 l 4 6 明。钢渣通常含水在3 8 之间，容重1 3 2 2 2 6 t m 3 ，抗压强 表卜2 钢渣的主要化学成分范围( ) t a b l e1 - 2r a n g eo f s t e e ls l a gi n g r e d i e n t ( ) 度在1 | 5 0 k g m 2 左右。经高温煅烧后的钢渣具有以下特点： ( 1 ) 含有大量的游离氧化钙( f c a o ) ： ( 2 ) 具有微小孔隙和较大的比表面积，因而具有较强的吸附功能 ( 3 ) 具有一定的胶凝特性。 1 2 2 钢渣的应用 目前钢渣的应用主要在以下几方面。 ( 1 ) 冶金炉熔剂 需配加石灰石的高炉，可把钢渣加工处理成1 0 - - 4 0 m m 的粒渣代替。用钢渣代替石 灰石作冶金炉熔剂，既能促进早期化渣，又能调节炉渣的流动性，同时可回收钢渣中的 稀有金属元素f 4 8 一”。 ( 2 ) 筑路与回填料 钢渣抗压强度高，陈化后的钢渣性能稳定，因此现已将大量的钢渣作路基和回填料。 尤其是由于钢渣具有活性。板结成块，用钢渣在沼泽地筑路，更具有其它材料不能代替 的效用【4 ”。 ， 广西大学( 高校教师) 硕士学位论文钢渣在蔗汁澄清中麻用的研究 ( 3 ) 建材生产 鉴于钢渣和矿渣在化学组成上的相似性，钢渣可以代替部分矿渣制造钢渣水泥，把 经过处理的钢渣与高炉水渣、锻烧石膏、水泥熟料及少量激发剂配合球磨，即可生产出 与4 2 5 号普通硅酸盐水泥指标相同的钢渣水泥【4 “。 钢渣含f e o 、c a o 、s i 0 2 等化合物，可作为生产砖、砌块等建材。钢渣砖以粉状钢渣 为主要原料，掺人部分粒状矿渣( 高炉渣，粉煤灰等) 和激发剂( 石灰，石膏粉等) 加水搅 拌后，经轮碾、挤压成型、蒸养制成h 1 1 。 钢渣的铁含量较高，有用钢渣生产微晶玻璃的报道 5 2 , 5 3 1 ，钢渣微晶玻璃成型为板材 可作为建筑装饰贴面，成型管可作为输送硬质物料的管道，钢渣微晶玻璃性能优于一般 工业微晶玻璃，耐磨性比一般铸石高3 5 倍。 ( 4 ) 农业生产 钢渣中含有p 、c a 、s i 等元素，是农作物生长所需成分。发达国家如日本已将钢渣， 矿渣的硅酸质确定为普通肥料。我国南方地区至少有3 0 0 0 万亩水稻田土壤缺硅。钢渣粒 度 f o m ，( 2 ，8 ) ，贝l j 该因 素的影响较显著，若f 钢渣用量 处理时间 处理温度；最佳工艺条件为：钢渣细度1 0 0 目、钢渣用量4 9 、处理温度3 0 ，处理时 间6 m i n 。为了发挥钢渣最佳的脱色能力，本章参照正交试验的初步结果，按钢渣脱色 效果的影响因素主次研究了钢渣对蔗汁的脱色性能。 3 1 材料与方法 3 1 1 原料与试剂 甘蔗混合汁由广西风糖集团有限公司提供； 钢渣由广西柳州钢铁( 集团) 公司提供，为电炉和转炉的混合渣。钢渣在1 0 5 ( 2 烘干至 恒重，磨细之后分别用4 0 目、1 0 0 目、2 0 0 i | 的筛子过筛以获取不同粒径的钢渣，分别装 入磨口瓶备用； 主要试剂见表3 1 ： 表3 - 1 主要试卉3 t a b l e3 - 1m a i nr e a g e n t 3 1 2 试验仪器 主要仪器见表3 - 2 。 广西大学( 高授教师 硕士学位论文 铡渣在蔗汁橙清中戌用的研究 表3 - 2 主要仪器 t a b l e3 - 2m a i na p p a r a t u s 仪器名称型号 生产厂家 光栅分光光度计 7 2 2 s 上海科学精密仪器有限公司 阿贝折光仪 w a y - 2 w 上海物理学仪器厂 数字式自动旋光仪 w z z - 2 s s 上海精密科学仪器有限公司 ph计phs-25上海电磁仪器厂 电热恒温水浴锅 2 5 l l o 上海医疗器械五厂 循环式真空泵 s h z - d i i 巩义市予华仪器有限责任公司 微孔滤膜过滤器0 4 5 m m ，孔径0 4 5 p r o 天津试剂厂 3 1 3 测定方法 蔗汁处理前后的锤度、重力纯度、色值、浑浊度等指标均按文献【6 6 】方法测定，沉 降速度则以1 0 0 m l i t , 汁为考察对象，铡定时将1 0 0 m l 的蔗汁注入1 0 0 m l 的量筒内，记录 下沉淀出2 0 m l 清液所需的时间。 脱色率丝望重堕荽篁垒篁三薹坚彗塑塾上! ! 鱼笪。1 0 0 “。 处理前蔗汁的色值 纯度差= 处理后蔗汁重力纯度一处理前蔗汁重力纯度 3 1 4 试验步骤 ( 1 ) 取样液2 0 0 m l ，按3 1 3 方法测定其锤度、重力纯度、色值、浑浊度等指标。 ( 2 ) 取样液1 2 5 m l 于锥形瓶，在选定的工艺条件下，加入钢渣，放在水浴锅( 恒 定温度) 中摇晃以使钢渣充分吸附，加磷酸调p h 至7 0 ，取出，将样液侄4 入1 0 0 m l 量 筒至刻度，待澄清，记录澄清界面下降2 0 m l 时的时间。测完沉降速度后，将蔗汁搅匀， 用中速定性滤纸过滤，用滤清汁进行指标测定。 3 。2 结果与讨论 3 2 1 钢渣细度对脱色效果的影响 从正交试验的结果可知，1 0 0 目的钢渣脱色效果最好。钢渣粒径太大，钢渣易沉底， 与蔗汁的接触不充分，同时颗粒太大，颗粒星面的毛孔无法发挥作用，只是表面的毛孔 广两大学( 廓投教帅) 顾i 学位论文钢渣n 蔗汁澄清中麻用的研究 起吸附作用，因此脱色效果不好。钢渣太细，脱色效果也不好，可能是由于钢渣在研磨 的过程中，破坏它的表面毛孔结构，损失了部分吸附功能，同时过度磨碎还需要消耗过 多的能源及加快机械磨损，因而钢渣的细度选择1 0 0 目较为合。 3 2 2 铜渣用量对脱色效果的影响 用1 0 0 目的钢渣。在处理温度3 0 c ，处理时间6 m i n 的工艺条件下，钢渣用量分别 为2 5 、3 0 、3 5 、4 0 、5 o g 时，测定脱色率，结果见表3 3 ，钢渣加入量与脱色率的关 系曲线见图3 1 。从图3 1 可知：当钢渣用量小于3g 时，脱色率随钢渣用量显著增大， 当钢渣用量大于3 9 时，脱色率随钢渣用量缓慢增加。这是因为当钢渣用量小于3g 时， 钢渣加入量不足，钢渣对色素的吸附达到饱和，增加钢渣量，吸附量也增加；当钢渣用 量大于3 9 时。钢渣对色素的吸附达到平衡，增加钢渣量，吸附量增加不大。随着钢渣 用量的增加，钢渣吸附蔗糖的量也会增加，同时也增大过滤负担和滤泥量，因而钢渣的 用量选择3 9 较为合适。 图3 - 1 钢渣用量与脱色率的关系曲线 f i g 3 - ie f f e c to f s t e ls l a gd o s a g eo i ld c c o l o u r i n gr a t i o 3 2 3 处理时问对脱色效果的影响 用3 o g1 0 0 目的钢渣，处理温度3 0 c ，处理时间分别为3 5 、4 0 、4 5 、5 0 、5 5 、 勰弘就丝弱孔毖加 葶o州p_e工c州-：o_【ouoo 广两大学( 高校教师) 顾卜学位论文 制渣盘蔗汁澄清中心用的研究 6 0 、6 5 、7 m i n 时。测定脱色率，结果见表3 4 ，处理时间与脱色率的关系曲线见图3 - 2 。 从图3 2 可知：当处理时间小于4 5 m i n 时，脱色率随时自j 的增加而增加，当处理时阃大 于5 5 m i n 时，脱色率随时间的增加而减小，在4 5 5 5 m i n 之间，脱色率变化很小，当 处理时间达到4 5 m i n 时，吸附达到平衡，因而增加处理时闻，脱色率不再增加，但当 处理时间大于5 5 m i n 后，部分吸附不牢的色素会由于搅拌作用而解吸出来，因而脱色 率会下降，随着处理时问的进一步增加，解吸也会达到平衡，脱色率不再下降，从实验 结果看，处理时间选择5 r a i n 脱色率最高。 2 葛 k 詈 暑 号 2 o 33 ，544 555 566 57 d i s p o s i n gt i m e m i n 图3 - 2 处理时间与脱色率的关系曲线 f i g 3 - 2e f f e c to f d i s p o s i n gt i m eo nd e e o l o u r i n gr a t i o 3 2 4 处理温度对脱色效果的影响 用3 ，o g1 0 0 目的钢渣，处理时间5 r a i n ，处理温度分别为2 5 、3 5 、4 0 、4 5 、5 5 、6 0 时，测定脱色率，结果见表3 - 5 ，处理温度与脱色率的关系曲线见图3 3 。从图3 3 可知： 当温度小于3 5 时，脱色效果较差，当温度大于3 5 时，脱色率随温度的升高而增加， 但当温度大于4 5 c 以后，脱色率会随温度的升高而降低。温度升高，色素的电离能力增 强，更容易被吸附，同时温度升高，钢渣中c a o 的溶解速度增加，钢渣带正电荷的表 面形成速度也会加快，吸附能力增强，因而脱色率会增加，但当温度大于4 5 以后，温 度升高，蔗汁中色素的生成速度也会增加，色素的解吸也会加强，因而脱色率会下降。 从实验结果看，4 5 为最合适的处理温度。 铝钉j；卵拈札四卯筋 广西人学( 高校教帅) 顾卜学位论文钢渣在蔗汁澄清中心用的研究 o 董 害 百 昌 2 02 53 0 3 54 04 55 05 56 06 5 d i s p o s i n gt e m p e r a t u r e 图3 3 处理温度与脱色率的关系曲线 f i g 3 - 3e f f e c to f d i s p o s i n gt e m p e r a t u r eo nd e c o l o u r i n gr a t i o 3 2 5 甘蔗汁p h 值对脱色效果的影响 用盐酸和氢氧化钠调节甘蔗汁的p h 值分别至4 、5 、6 、7 ，用3 o g1 0 0 目的钢渣， 处理温度4 5 ，处理时间5 m i n ，测定脱色率，结果见表3 - 6 ，p h 值与脱色率的关系曲线 见图3 - 4 。从图3 - 4 可知：随着p h 值的升高，脱色率有所下降，但下降不大，这是因 为钢渣中含有大量的游离c a o ，具有很强的p h 值调节能力，但p h 值升高，会影响游 离c a o 的溶解，因而吸附能力会有所下降。而甘蔗汁本身的p h 值一般在5 左右，变化 不大，因而可以不考虑甘蔗汁p h 值对脱色效果的影响。 蓦 董 詈 皇 童 3 544 555 566 57 p ho fs u g a r c a n ej u i c e 图3 - 4 甘蔗汁p h 值与脱色率的关系曲线 f i g 3 - 4e f f e c to f p ho nd e c o l o u d n gr a t i o ；2弱蛎们弱 加皓弱钙们弱 广西大学( 高校教师) 碗士学位论文钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 3 2 6 钢渣对甘蔗汁中铁离子的除去效果 铁在蔗糖溶液中的含量直接影响蔗糖溶液的色值，主要原因是甘蔗中含有天然的通 常带有三个环多酚类物质，这些多酚类物质包含儿茶素，儿茶素可以受氧化酶的作用并 与铁形成特有的暗绿色至褐黑色的色素，它是一种络合物( 非芳香族的有机物的铁化合 物为黄到橙色) ，这类络合物相当稳定，而且它的离解常数很低，不易分解，一但形成， 便很难除去。铁的存在会影响蔗糖溶液的色值，直接影响成品糖的质量。因此，在蔗糖 工艺中除去铁非常重要，减少铁的含量可以有效的降低色值。而钢渣打中含有大量的单 质铁和氧化铁，有可能会影响到甘蔗汁中铁的含量，因而考查钢渣对甘蔗汁中铁离子的 除去效果十分必要。 按照所选取的钢渣脱色的最佳工艺条件进行脱色处理后，将清汁委托广西柳州市产 品质量监督检验所依据g b t 5 0 0 9 。9 0 - 2 0 0 3 食品中铁、镁、锰的测定测定其中的铁 含量，具体步骤如下： ( 1 ) 取样液1 2 5 m l 于2 5 0 m l 锥形瓶，加入3 9 1 0 0 目的钢渣，放在4 5 水浴锅中摇 晃5 m i n ，以便钢渣充分吸附，取出，过滤，得到的滤液用容量瓶装好，定为样品l 。 ( 2 ) 取样液2 0 0 m l 于锥形瓶，加入2 9 碱式醋酸铅，用磁力搅拌器搅拌几分钟，过 滤，得到的滤液用容量瓶封装好，定为样品2 。 将样品送至广西柳州市产品质量监督检验所测定它的铁含量。测定结果为：样品1 的铁含量为3 6 2m g k g ，而样品2 的铁含量为6 5 0 m g k g 。 从测定结果可知：经钢渣脱色处理后的甘蔗汁的铁含量比经碱式醋酸铅澄清的甘蔗 汁中的铁含量减少4 4 3 ，说明钢渣的除铁效果是非常好的，它的除铁率可达4 4 3 ，而 钢渣加入到甘蔗汁中后，会使甘蔗汁呈碱性，在碱性状态下，单质铁和铁的氧化物都不 会进入到甘蔗汁中，而甘蔗汁中原有的铁离子及其络合物会与其它色素一样被钢渣吸附 而被除去。 3 2 7 最佳工艺条件下的其它清净性能 用3 0 91 0 0 目的钢渣，处理温度4 5 1 2 ，处理时问5 m i n ，脱色率为7 0 4 7 ，混清汁 纯度差为0 2 3 ，清汁浑浊度为6 9 m a u ，泥渣的沉降时间为2 0 5 r a i n ，其性能指标与目 前主要采用的亚硫酸法、碳酸法基本相当，而操作却亚硫酸法、碳酸法简单。 广西大学( 高校教师) 顿t 学位论文钢渣在蔗汁澄清中应用的研究 3 3 本章小结 为了发挥钢渣最佳的脱色能力，本章参照正交试验的初步结果，按钢渣脱色效果的 影响主次因素顺序，通过单因素分析，考查了钢渣细度、钢渣用量、处理时间、处理温 度和蔗汁p h 对蔗汁脱色效果的影响规律，得到了钢渣用于蔗汁脱色的最佳工艺条件为： 钢渣细度1 0 0 目、钢渣用量3 9 、处理温度4 5 c ，处理时间5 m i n 。在此工艺条件下，脱 色率可达7 0 4 7 ，混清汁纯度差为0 2 3 ，清汁浑浊度为6 9 m a u ，泥渣的沉降时间为 2 0 5 r a i n ，而对铁离子的除去率可达4 4 3 以上。 广西大学( 高校教师) 硕士学位论文钢渣在蔗汁澄清中戍用的研究 第四章钢渣对蔗汁除杂性能的研究 在甘蔗汁的澄清工艺过程中，混清汁的纯度差的大小反映了澄清工艺的除杂