（制糖工程专业论文）磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究.pdf

磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 摘要 本文将磁场强化手段和膜分离技术相结合，探索膜分离技术在制 糖工艺研究应用的新方法，通过磁场作用改变天然糖液的流体特性， 提高膜通量，减少膜污染，以利于更有效的提净纯化糖汁，研究的主 要内容和结果如下： 1 、不同微滤膜管过滤磁化甘蔗混合汁的阻力分布 对陶瓷微滤膜分离磁化甘蔗混合汁的比阻进行研究，得到影响膜 分离过程的不同孔径膜管的主要阻力形式，即：影响0 1 0 9 m 膜管主要 阻力形式是堵塞阻力，影响0 2 0 9 m 膜管主要阻力形式是浓差极化阻 力，影响0 4 5 i _ t m 膜管主要阻力形式是吸附阻力和浓差极化阻力。根据 影响膜分离通量的不同阻力形式，可以选择合适的操作条件，同时对 膜管的选型提供理论支持。 2 、甘蔗混合汁磁化条件的确定 电磁铁操作条件为：磁场强度0 3 0 t 、流速1 3 0 m s 循环磁化4 0 m i n ； 永磁铁操作条件为：磁场强度0 3 0 0 3 2 t 、流速1 3 0 m s 循环磁化 4 0 m i n ；在该条件下，磁化作用较明显，表面张力最大变化为 8 1 0 x1 0 一n m ，粘度最大变化为o 3 6 m p a s ，电导率最大变化为 0 0 8 m s c m 。 3 、磁化混合汁微滤膜澄清效果分析 研究了磁化混合汁微滤澄清效果，结果表明：磁化作用可以提高 膜分离清汁的纯度，提高1 左右，可以除去9 9 以上的混浊度，但 脱色率小于3 0 。 4 、磁化微滤膜分离过程和相关传质模型的探讨 围绕微滤过程膜面质量传递、料液浓度和膜通量变化等几方面的 问题，较深入地分析了膜面层或凝胶层吸附作用对膜通量的影响，以 流体力学和传递过程原理构建了磁化微滤过程的传质方程式，得到了 实验条件下的经验公式。 5 、磁化微滤过程进行仿真、求解，建立其应用的控制模型 运用布金汉的7 定理对甘蔗混合汁的磁化微滤过程进行仿真，根 据无因次群设计实验参数的组合对仿真模型进行求解，建立磁化微滤 工艺在实际应用的控制模型。控制模型的复测精度和应用精度的测定 结果表明，该控制模型精度较高，从而为磁化微滤过程的控制提供简 便而又有效的途径和手段。 关键词：甘蔗混合汁磁场强化陶瓷微滤膜澄清膜通量 u p r e l i m i n a r ys t u d y o ft h em a g 卜刀巳t i z e s m i c r o f i l t r a t i o n ( m m f ) t e c h n o l o g y t oc i 。a ri f yc a n em e dj u i c e a bs t r a c t t h i sa r t i c l ei n t e g r a t e dt h em a g n e t i z a t i o nm e t h o dw i t hm e m b r a n e f i l t r a t i o n t e c h n o l o g y t h en e wm e t h o dw a ss t u d i e do fm e m b r a n e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi nt h es u g a ri n d u s t r y t h r o u g hc h a n g e dt h ef l u i d c h a r a c t e r i s t i c so ft h en a t u r a ls u g a rj u i c eb yt h em a g n e t i cf i e l d ，i tw o u l d e n h a n c et h em e m b r a n ef l u x ，r e d u c et h em e m b r a n ef o u l i n g ，a n dm o r e e f f e c t i v ep u r i f i c a t i o no ft h es u g a rj u i c e p r i m a r yr e s e a r c hs u b je c t sa n d r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sb e l o w ： 1 、t h er e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o ni nt h em a g n e t i z e dc a n em i x e d j u i c eo f t h ed i f f e r e n tm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ef i l t e rt u b e s t h es p e c i f i cr e s i s t a n c ew a ss t u d i e do ft h em a g n e t i z e dc a n em i x e d j u i c eb yc e r a m i cm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t i o n t h ef o r mo fm a i n r e s i s t a n c eh a sb e e nd e t e r m i n e di nt h em e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s so ft h e d i f f e r e n tp o r es i z em e m b r a n e f o rt h em a g n e t i z e dc a n em i x e dj u i c e ，t h a t i i i i st h e p o r eb l o c k i n g r e s i s t a n c eo fo 10 9 mm e m b r a n e t u b e ，t h e c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c eo f0 2 0 1 a mm e m b r a n et u b e ，a n dt h e c o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o n a n d a d s o r p t i o n r e s i s t a n c eo f 0 4 5 9 m m e m b r a n et u b e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf o r m so fr e s i s t a n c ei nt h e m e m b r a n es e p a r a t i o nf l u x ，w ec a l ls e l e c tt h ea p p r o p r i a t eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，a n dp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r t a tt h es e l e c t i o no ft h e m e m b r a n et u b e 2 、d e t e r m i n e dc o n d i t i o n so ft h em a g n e t i z a t i o no ft h em i x e d j u i c e e l e c t r o m a g n e to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：m a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y , 0 3 0 t ；l i q u i d f l o wr a t e ，1 3 0 m s ；m a g n e t i z a t i o nc y c l et i m e ， 4 0 m i n o p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rt h ep e r m a n e n tm a g n e t ：m a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y , 0 3 0 0 3 2 t ；l i q u i d f l o w r a t e ，1 3 0 m s ；m a g n e t i z a t i o nc y c l e t i m e ，4 0 m i n s o ，t h em a g n e t i z a t i o ne f f e c t sw e r ev i s i b l e t h eg r e a t e s t c h a n g eo ft h em i x e dj u i c es u r f a c et e n s i o nw a s8 10 x l0 一n m ，t h ev i s c o s i t y w a s0 3 6 m p a 。s ，a n dt h ec o n d u c t u v i t yw a s0 0 8 m s c m 3 、p u r i f i c a t i o ne f f e c t so fm fo nt h em a g n e t i z a t i o nm i x e dj u i c e p u r i f i c a t i o ne f f e c t so fm fw e r es t u d i e do nt h em a g n e t i z a t i o nm i x e d j u i c e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a g n e t i z a t i o n c a ni n c r e a s et h ep u r i t yo fc a n e m i x e dj u i c eb ym ei tc o u l di n c r e a s et h ep u r i t ya b o u t1 m e a n w h i l e ，i t c a nr e m o v et h et u r b i d i t ym o r et h a n9 9 i nm i x e dj u i c e h o w e v e r , t h e d e c o l o r i z a t i o nr a t el e s st h a n3 0 4 、t h em m fm e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h e i v m e c h a n i c sm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d m e m b r a n em a s s t r a n s f e r , l i q u i d c o n c e n t r a t i o na n dc h a n g e si n m e m b r a n ef l u xw e r ef o c a l p o i n t s f o rt h em e c h a n i c sr e s e a r c ho f m i c r o f i l t r a t i o n t h ei m p a c to fm e m b r a n eo rg e ll a y e ra d s o r p t i o no nt h e m e m b r a n ef l u xh a sp r o f o u n d l yb e e ns t u d i e dt od e r i v em o d e l so fm a s s t r a n s f e rb a s e do nt h eh y d r o d y n a m i c sa n dp r i n c i p l e so ft r a n s m i s s i o n i n a d d i t i o n ，t h ee m p i r i c a lf o r m u l ah a sb e e ne s t a b l i s h e du n d e re x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s 5 、t h em m fm e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e da n d d e d u c e d ，ac o n t r o lm o d e lo fm m f w a se s t a b l i s h e d t h e7 rt h e o r e mo fb u c k i n g h a mw a sa d o p t e dt os i m u l a t et h ep r o c e s s o fm i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n es e p a r a t i o no nt h em a g n e t i z e ds u g a r c a n e m i x e d j u i c e t h ec o n t r o lm o d e lf o rm i c r o - f i l t r a t i o nw a s d e r i v e df r o mt h e s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nd a t ao fe x p e r i m e n t s ，a c c o r d i n gt ot h e c o m b i n a t i o no fn o n d i m e n s i o n a lg r o u p s t h er e s u l t so fa c c u r a c i e sf o r r e p e t i t i o n m e a s u r e m e n ta n da p p l i c a t i o nm e a s u r e m e n ts h o wt h a tt h e c o n t r o lm o d e li sah i g h e ra c c u r a c y s o ，i tc a nb eu s e da sa ne a s ya n d e f f e c t i v em e a n st oc o n t r o lt h em m fm e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：s u g a r c a n em i x e dj u i c e ；m a g n e t i c f i e l d - i n t e n s i f i e d ； c e r a m i cm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ；c l a r i f i c a t i o n ；m e m b r a n ef l u x v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 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。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：冀扩份移 沙i 引邮b 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： 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； 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) 一拗眵翩躲p 细p c f f b 月嘛 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 1 1课题背景 第一章绪论 我国是世界上用甘蔗制糖最早的国家之一，已有2 0 0 0 多年的历史。当前，根 据制糖工艺的不同，甘蔗制糖可分为亚硫酸法和碳酸法工艺，其产品均按国家标 准生产，碳酸法工艺生产的白砂糖由于保质期较长，质量较好，可以满足高品质 食品要求，但相对亚硫酸法工艺生产的白砂糖价格较高，且因滤坭污染问题，未 能普遍采用，目前国内多数糖厂采用亚硫酸法工艺( 以下简称亚法) 【l 】。但亚法生 产的耕地白糖质量稍差，且在生产过程中使用的s 0 2 助剂，造成产品中一定量的 s 0 2 或亚硫酸根残留，影响食品安全。所以，亚法这一种传统的方法，必须进行 改革，以适应发展需要t 2 1 。 2 0 0 8 年，国内食品行业产品质量安全出现了一些问题，国家质检总局不断加 大力度，开展一系列活动进行食品质量整顿，作为食品工业重要原料的制糖业， 其产品品质要求也越来越严，相信对制糖工业相关工艺过程会有更高要求，加之 原材料和劳动成本等的不断增加，制糖工业成长压力愈来愈大。因此，探索清洁、 高效的制糖生产工艺和技术势在必行。 随着人们对优质产品的不断追求，对传统分离纯化手段提出了挑战，现代工 业的发展，急需更为先进和过程优化的分离方法，这些需求大大促进了分离理论 及新技术的研究【3 】。现在世界各国对环境问题非常关注，都在积极寻求绿色化学 ( 环境友好化学) 与技术，并将其作为当今国际工业化学的发展方向，作为- f - j 具 有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科，将现有生产技术路线中的“先污 染、后治理”，改变为“从源头上根除污染”的思路上来【4 】。传统制糖行业，因能 耗较高、工艺过程存在诸多问题，急需进行生产工艺的改进。 膜分离技术( m e m b r a n e ss e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ) 是- - f - j 新兴高效的分离提纯 技术，从上世纪5 0 年代后期开展研究以来，很快地就由实验室阶段发展到工业化 应用。近年来，各种膜分离技术发展很快，已在各个学科领域发挥着愈来愈大的 作用。膜分离技术作为一项简单、快速、高效、选择性好、经济节能的新技术， 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清廿蔗混合汁的初步研究 已广泛应用于水处理、湿法冶金、生物化工、医药工业、食品工业以及环境保护 等许多方面【5 】，并引起各行各业的高度重视和深入研究。为此，许多国家建立了 与膜分离技术开发密切相关的政府管理机构并从战略高度加强了投资：欧洲共同 体将膜技术列为9 个优先发展的课题之一，仅水处理一项每年就投资3 亿欧元；美 国一些大公司( m o n s a n t o ，d o w ，d u p o n t ，a l l i e d 等) 已对膜分离技术的开发计划 做出了相应的调整，增加了力度，加快了步伐；在国际膜会议上，科学家们多次 对膜分离技术在2 1 世纪的多数工业技术改造中所扮演的战略角色进行了讨论【6 】。 我国非常重视新技术的发展和应用，“膜工程技术”被国家发展计划委员会科 学技术部编入“当前优先发展的高技术产业化重点领域指南年度版”【7 1 ，经过几十 年科研工作和相关公司的协作努力，我国膜分离技术取得长足进步，在相关领域 研究和应用中逐步向发达国家靠拢。 然而膜分离技术应用除了设备成本高以外，在膜分离过程中还存在膜污染和 膜通量有限等实际问题，各国研究人员通过多种强化手段和方法改善膜过滤性能 和抗污能力，目前改善膜通量预防膜污染的强化手段主要有以下几种，原料液处 理1 8 , 9 、膜改性 1 0 - 1 3 j 、附加场强化f 刀和优化膜器结构和操作条件 1 5 - 2 1 1 等。研究 表明：原料液的处理可以提高膜的通量，减少膜的污染；膜的改性可以改善滤膜 与料液的吸附和扩散性能，可以有效地抑制料液对膜的污染，并可对截留液进行 调控，以得到更纯的分离目的；通过外加物理场和膜器结构及操作过程的强化， 具有不引入其它化学试剂，仅通过改变流体物料本身的物化性质和流动状态及操 作条件，能有效提高膜分离效率，防止膜污染，抑制浓差极化等作用，近年来受 到广泛关注。 目前，膜技术在制糖领域的研究主要集中在微滤和超滤两种类型，以及和其 它类型的膜应用技术的耦合；研究处理的对象非常广泛，在制糖领域主要有混合 汁和炼糖过程的原糖的回溶糖浆，此外还涉及到许多其它的不同物料：如清汁、 混清汁、各段糖蜜、甜菜粕的脱水汁等【2 2 1 。超滤膜对色素截留率和清净效果均 较好，但是在传统制糖工艺中添加超滤工艺，无疑使工艺变的复杂、成本提高， 并产生膜清洗废水等一系列问题，而超滤膜直接处理甘蔗混合汁膜通量较低，且 膜衰减较快【6 】；但是陶瓷微滤膜分离混合清汁研究表明【2 3 1 ，其通量较高、易清洗， 且相比有机膜，陶瓷膜具有对热、p h 、有机溶剂等耐受性强，清洗方便，相比 2 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 金属膜价格便宜。因此，本文选择陶瓷微滤膜结合物理磁场强化，直接澄清分离 糖厂预灰前混合汁，研究外加磁场作用对影响膜分离过程的相关理化参数的变化 关系，并以甘蔗混合汁的粘度、表面张力、电导率和p n 值的变化为指标，分析 磁化处理作用效果，以及对膜通量、膜的分离效率和膜污染的防治等的影响研究， 以期通过磁场的强化，改善微滤膜的分离性能，探讨甘蔗制糖混合汁微滤膜分离 的可行性。 1 2 膜分离技术在制糖领域研究现状与发展 从1 8 6 4 年t r a u b e 成功研制成人类历史上第一片人造膜亚铁氰化铜膜 以来，人们对于膜分离工业化的应用研究就没有中断过，到了2 0 世纪中后期 迅速崛起，成为一门新的高效分离技术。顾名思义，膜分离是利用特殊制造的、 具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种 分离新方法f 2 4 1 。大部分膜分离过程是最节能的分离方法，水资源再生、低品位 原材料的回收和再利用、环境工程中的污水和废气处理、食品药品中功效成分的 分离纯化等，都与膜分离技术密切相关，膜分离技术已被国际上公认为2 0 世纪末 至2 l 世纪中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术，是世界 各国研究的热点【7 】。 制糖澄清工艺主要是一系列的分离和提纯过程，为此要加入一定量的澄清 剂、脱色剂，促使分离过程的顺利完成。使用这种高污染、高能耗、低品质的化 学方法早已倍感现代社会的压力。随着科学技术的不断进步，膜过滤这种物理分 离技术引起了制糖行业的广泛关注，它在水处理、食品和生物等领域里的优秀表 现，使人们有理由相信“它具有引发未来糖业革命的潜能”【2 2 1 。有人预测维持了整 整一个世纪的传统碳酸法和亚硫酸法即将走向消亡，取而代之的可能是高效、环 保、低能耗的膜过滤技术【2 5 】。 近4 0 年来，尤其是最近2 0 年来，国外著名的膜设备厂商和研发机构如k o c h 、 p c i 、g r a v e r 、a m a l g a m a t e d 、a p p l e x i o n 等纷纷参与了膜过滤用于制糖业的研究 与开发，他们与制糖业的研究人员携手进行了实验室研究、生产规模试验以及大 生产应用研究。一时间，膜过滤取代传统澄清手段成了制糖业的热门话题，其研 究成果和结论也相当令人鼓舞【2 5 1 。但是由于膜设备成本高、单位过滤通量小和 广西大学硕士学位论文 磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 难以接受的使用寿命，对用于流通量有限和价值低廉的物料来说仍然缺乏商业动 机，所以膜技术在制糖行业至今未能找到一个平衡点，但是前人的工作给我们留 下了宝贵的经验财富，相信随着科技的不断进步，膜技术在制糖领域会有更大、 更快的发展。 f l o r e n c el u t i n 等【2 6 】综述了淀粉糖和蔗糖工业中改善工艺操作的新技术，其中 错流微滤膜分离技术虽然设备成本高于传统装置，但是操作成本和维修费用低于 传统工艺两倍左右，且得到的清汁质量较好。 n p e r r o t 等【2 7 1 运用模糊数学和神经网络技术对甘蔗原糖错流微滤过程进行优 化控制分析，他们通过遗传算法的结果和以前的结果相比在成本控制上起到明显 作用，并且其分析精度较高，指出该控制器可以运用于食品工业的微滤过程。 a n d r e ah i n k o v a 等【2 8 】分析了各种膜微滤、超滤、纳滤和反渗透膜在 制糖领域中研究情况，处理物料从压榨用水、糖液脱色和微滤以及超滤膜分离废 水中回收盐类物质到各工段的澄清处理。指出在高能耗的制糖工业应用膜分离的 优势，同时又有不足，原料液的粘度和渗透压的影响，容积式泵对料液的影响等 等。他们进一步研究分析了原糖汁的微滤、超滤和纳滤膜分离，结果表明，膜分 离糖汁在脱色、除浊方面操作性能较好。 v j e g a t h e e s a n 等 2 9 】采用o 1 0 t m 、o 0 5 岬和0 0 2 1 m a 陶瓷膜管，对甘蔗预灰汁和 简单澄清汁进行了不同操作条件和堵塞机理研究，其中0 1 0 t m 膜管随压力的增 大，最初的和实验条件下平均的膜通量提高1 l 以上，比较好的堵塞机理是浓差 极化和膜孔堵塞模型；o 0 5 i t m 膜管的通量在实验条件下好于另两根膜管，其和 0 0 2 1 x m 膜管用滤饼堵塞模型分析比较好：三根膜管处理糖汁得到质量较好的清 汁，且清洗后膜通量均可得到恢复。 m h a m a c h i 等【3 0 】采用2 0 n m 、5 k 和l k d a 陶瓷超滤膜管进行了甘蔗糖液脱色研 究，三种膜的脱色率最高只有5 8 6 7 ，对于4 6 0 b x 的糖液稳定膜通量为2 9 l h m 2 ， 如果要得到高质量白砂糖，还需进一步脱色处理。 美国制糖专家周重吉博士的研究表明【3 l 】：使用超滤膜的s a t i 艺可生产高质 量的食用级成品糖，大量节约投资和操作成本，具有很好的生产应用价值。 膜分离技术在混合汁的微滤 3 2 】、超滤澄清甜菜渗出汁【3 3 3 4 1 、超滤膜分离处理 原糖浆、回溶糖浆、液体糖和转化糖浆等的清净脱色，都获得实验条件下的良好 4 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 结果，通过多级膜分离处理能得到色值、纯度都很理想的产品，超滤级联分离技 术也受到制糖业研究人员的青睐。 此外，许多科研人员在制糖膜分离技术对工艺过程的优化【3 5 阄、废蜜处理【3 7 1 、 糖汁纯化【3 趴、生产精制糖剽3 明和处理废蜜酒精废液删等方面进行了较丰富的研 究，取得较好的研究结果。 1 3 磁化技术简介及其研究进展 磁化处理技术，就是利用磁场对流经其中的液态物质作用，使其物理化学性 质发生一些改变，用以产生较为有利的作用效果。磁现象是一种普遍存在的物理 现象，磁性存在于一切物质之中，并于物质的物理、化学性质密切联系，现代科 学已经证实，合适的磁场能使物质内能发生变化，导致其微观结构和性质发生一 定程度的改变，在宏观上就表现出所谓的磁化效应【4 1 1 。 现代磁学的发展已经从实验观测和理论研究证明，由于组成物质的原子、分 子或分子基团存在着各自不同大小和方向的磁矩，必然会受到外界磁场的影响发 生不同程度的磁化，用相对磁导率( 岫来描述不同磁介质磁化后对原外加磁场的 影响，将磁介质大体上分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。通常，顺磁性、抗磁 性物质的相对磁化率很小，它们要达到磁化强度饱和需要很大的外加磁感强度； 而铁磁性在磁场较弱条件下，也能达到磁化强度的饱和【4 2 】。 在可持续发展大背景下，作为环保、低耗、经济的磁化技术受到越来越多的 关注，随着人们对磁特性认识的不断深入，磁技术在工业、农业、医学、环境保 护、生物工程等领域已有广泛应用【4 3 1 。 1 3 1 磁化技术在生物工程、医学中的应用 生物磁化工程属实用的生命科学，是应用磁学、生物磁学、医学( 包括中医) 、 物理化学等综合为一体的- - i u 高新技术，具有广阔的研究、开发前景m 】。 经过众多的科研工作人员的努力，已经探明磁化技术在中药药效发挥【4 5 闱、 增强细胞抗性【4 7 4 9 】、促进细胞生长【5 0 】等方面具有正效应，为医学和生物工程技 术的进一步发展，拓宽了思路。 李国栋【5 1 】综述了生物磁学研究和应用进展，在生物磁学和生物磁性、磁学 5 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 生物效应、生物磁技术、生物磁法研究、生物磁应用五个方面做了较为全面的介 绍。其涵盖了生命科学、医学、物理分析等学科的相关内容，报道了国内外的研 究现状和进展，为我国生物磁学的进一步开展，提供了有力参考。 1 3 2 磁化技术在环境工程中的应用 废水处理问题是当今工业领域面临的一个棘手的问题，磁种絮凝一磁分离技 术嗍作为一种分离速度快、效率高的分离技术，其对工业废水【5 3 州、城市污水【5 5 】 和污水中活性污泥处理1 5 6 , 5 刀的研究表明，该技术相对于传统分离方法，可以减少 药剂使用量、提高分离效率、成本较低、有害物质去除率高等优点，另外磁化还 有一定杀菌作用【5 引。 随着永磁技术的发展，在单位面积内可以获得较高的场强，并且可以做到强 度调控，其价格相比电磁场低廉许多倍，所以更多的研究人员开展高梯度磁分离 技术的研究。王龙贵【别和黄自力【删等研究了磁种混凝剂预处理，高梯度磁分离 技术处理含磷废水，获得了较好的研究结果。 1 3 3 磁化技术在农牧业中的应用 磁化技术在农牧业中应用更加广泛，目前国内外已在多数作物的种植中进行 了磁化水应用实验【6 1 1 ，在农业上许多试验表明：磁化水可以促进植物新陈代谢， 提高光合效率【6 2 1 ，增强代谢酶的活性 6 3 】，从而提高产量和改善品质f 删，但是大 多是对磁化效果的分析和研究，而对于磁化增产生物正效应机理研究的不多。 张立红【6 5 】报道了磁化水灌溉促进作物增产的机理，采用分子动力学模拟方 法对其作用机理进行了模拟研究，结果表明，在优化磁场作用下，水的表面张力 系数和粘滞系数降低、扩散系数增大，使水的渗透性和扩散能力增强同时水体系 中自由的单体水分子和二聚体水分子增加，使之更容易进人作物细胞内，从而促 进细胞的新陈代谢，增强细胞活力，利于植株的光合作用和对营养物质的吸收， 促进作物生长发育，实验的番茄产量有1 0 左右的增产。 王治华【删等综述了生物磁化技术在畜牧业上的应用，对生物磁化技术的研 究方法、磁效应对生物体的作用原理及效果等做了简要论述，可以看出生物磁化 技术在畜牧业上的应用研究范围，涉及到畜、禽、水产品、蜜蜂以及家蚕的饲养 6 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 等各个方面，提出了今后畜牧业领域生物磁化技术的四个研究方向和重点，包括 研究范围、研究方法、研究深度和专用磁化设备的开发。 1 3 4 磁化技术在其他方面的应用研究 磁化技术作为安全、环境友好和费用低廉的强化手段，研究者不断的扩展它 的应用领域。 郑必胜【6 7 1 等人在糖蜜酒精废水中投加磁种强化，经混凝后用高梯度磁分离 技术有效地分离。处理后废水的浊度、色度和c o d 都大大降低。他们系统地研 究了这一新方法应用于处理糖蜜酒精废水以及磁种再生的全过程，探讨了磁种的 活性、处理效果及其影响因素。 另外，磁化技术在生物有效成分提取上，可以提高浸出率、减少药剂使用， 同时保护其生物活性【6 3 , 6 9 1 ；在化工行业，可用来加快化学反应速度，提高生产率 7 0 , 7 1 1 ；在水泥、混凝土拌合上可以明显降低初凝时间，增强砂浆的抗压强度【7 2 刁4 1 ； 在工业用水上，磁化水处理不但可以防垢，而且可以除垢和防腐蚀，明显减少锅 炉清洗次数，大大延长了锅炉使用寿命【7 5 。7 8 1 ；磁化水能提高甜菜糖渗出率【7 9 】。 磁化技术现已广泛应用于社会发展的多个领域，具有广阔的发展前景。 1 3 5 磁化作用的理论研究 磁化处理受多种因素影响，给物质理化性质影响研究带来很大困难，但国内 外许多学者的经过不懈努力，积累了不少宝贵的试验数据和实际经验，同时也对 其机理提出了一些具有合理成分和科学价值的理论解释【4 l 】： ( 1 ) 磁场能改变水的电荷分布和晶体结构，水被极化后磁场对水分子的洛仑 兹力加强，导致水结构的第二水化层被挤而脱落，呈单分子水弥散于水系中，这 样使废液中的固体颗粒脱离水分子的束缚，逐渐沉下来，因此可用于强化沉淀另 外从结晶角度磁处理可使结晶的临界半径减小，易形成微晶，降低了自然沉降速 度，这样形成的悬浮“胶体”随着水流很容易被带走，因而磁化可防垢、防蜡等。 ( 2 ) 碳氢化合物在磁场中易从自旋单纯态( s 态) 跃到自旋三纯态( t ) 态，而t - s 跃迁被禁阻，从而使液体中处于t 态的分子数增多，导致分子问氢键发生一定程 度的断裂，缔合分子团发生不同程度的解体，从而改变溶液的性质，如粘度、表 7 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 面张力、溶解度等，而化学变化主要取决于化学粒子的电子自旋状态。磁场正是 通过影响电子的自旋状态，从而影响溶液的性质和化学反应的进行。 ( 3 ) 磁场将引起液体分子的内共振并诱发电偶极矩作用，使分子内部的键合 发生变化或破裂，改变了分子构型，造成液体物理性质的变化磁场的作用有利于 在液体的带电粒子周围形成双电层结构，使溶液的稳定性增加。 ( 4 ) 磁场引起液体相变，由无序态变到有序态，由对称结构变为不对称结构， 由网孔结构变为层状结构。 ( 5 ) 磁场能在液体中引起附加磁矩，从而产生附加磁场和附加能量，这些附 加量的综合作用，使抗磁性液体的内聚力减少，分子势垒降低，引起物理性质的 变化，如表面张力减小，黏度变化( 一般黏度下降，但浓溶液的黏度可能上升) ， 扩散系数增加，溶解度增大，渗透压提高等，从而有可能加速萃取和离子交换过 程。 ( 6 ) 对于分子结构和磁性均为各向异性的液态抗磁性物质如碳酸钙类垢，磁 场能够使其分子由“无序”流动转变为“有序”流动，从而产生各种有益的效应，但 对于非各向异性物质如硫酸钙类垢，则无此作用。 1 4 磁化膜分离耦合技术的研究进展 磁化膜分离技术目前有两种形式，流体磁化和磁性膜管研究。磁性膜管具有 可以进行目标物截留调控，防止膜污染裂化等作用【8 0 , 8 1 】，目前对于制作、测试和 分析工作已有不少报划8 2 , 8 3 】。流体物理场强化则是用于分离澄清的重要研究方 法，但是国内外研究磁场强化膜分离过程的相关研究还很少。 朱安娜【8 4 】等研究了磁场对静态纳滤过程的膜通量及c a c 0 3 结晶的影响，未磁 化溶液的膜通量随滤出液体积呈现单调递减趋势；但处理磁化溶液时，随滤出液 的体积的增加，膜通量先下降后上升，然后又下降，且平均膜通量比未磁化溶液 的高，表明磁化预处理可以改善纳滤膜的部分操作性能。 王亚卿t 8 5 , 8 6 】等用截留相对分子量1 0 ，0 0 0 d a 揪( p e s 1 0 ) ，对磁化土霉素发 酵液进行膜分离实验研究，发现外加磁场有助于提高膜通量和发酵液中蛋白截 留率，增加土霉素的透过率。 刘景霞【8 1 7 】等综述了国内外磁化水处理技术的研究现状及磁化膜分离技术在 广西大学硕士学位论文 磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 水处理中的应用研究情况，探讨了其可能性机理，分析了磁化技术现阶段存在问 题和未来研究注意方面。 黄征青【8 8 】等对模拟的矿泉水溶液通过正交磁场强化和超滤膜循环处理，考 察了磁化对原水、透过液、浓缩液的p h 值、电导率和c a 2 + 浓度的变化影响。试验 结果表明，磁化与超滤协同处理在一定程度上能减少和延缓碳酸钙沉淀的生成。 另外其还研究了超滤对磁化的碳酸氢钙水溶液的电导率及产生沉淀的温度的影 响，利用扫描电镜分析了超滤膜截留的微粒成分【8 9 1 。 马丽霞【卿等将磁化和纳滤技术相结合，对城市污水进行处理，提出了磁场 对纳滤膜分离性能的影响假说；通过相关实验研究及其结果分析，得出磁化对纳 滤膜分离过程具有防垢、除垢的作用，进而可减缓纳滤膜的污染趋势，延长膜的 使用寿命。 王振川【9 1 】等运用磁场强化膜分离技术对板框过滤后的林可霉索发酵液进行 提纯和浓缩。研究结果表明，磁化作用对改善浓差极化和防止膜污染效果显著， 能明显提高超滤膜、纳滤膜膜通量和蛋白去除率，并可以减少后续溶剂使用量， 提高萃取效率和林可霉素得率。 杜鹃【4 1 】进行了磁场对膜分离影响的研究，结果表明：磁场处理后的海水可 以提高纳滤膜膜通量，减小膜的衰减速率；处理后的发酵液同样可以提高膜通量， 增大蛋白质和c o d 去除率。 由于用磁处理强化膜分离的相关研究较少，但是相关理论和实验，证明了磁 场对膜分离影响的正效应，可以改善膜的分离性能，是一种节能降耗的好方法。 1 5 本课题研究目的和主要内容 目前国内外对食品安全非常关注，传统白砂糖生产中使用的澄清剂、脱色剂 由于单体残留等原因对产品质量造成一定的不良影响，影响糖食品安全。本课题 研究目的是通过膜分离与磁场强化技术的结合，选择p h 、热耐受性、除浊性和 膜通量恢复性较好的陶瓷微滤膜，对滤网处理的甘蔗糖厂预灰前混合汁直接进行 微滤处理，探讨磁化膜分离技术澄清混合汁的效果及运行规律，为膜分离技术在 制糖行业的应用提供理论及实践上的依据。 本研究课题的主要内容有： 9 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 1 ) 糖厂混合汁粒度分布测定，以及混合汁微滤膜分离过程比阻的研究； 2 ) 研究磁化前后混合汁粘度、纯度、电导灰分和表面张力的变化，通过调 节磁场的强度、磁化时间和料液流速，了解相关参数的变化情况，初步判断磁场 作用效果； 3 _ ) 设计膜分离操作工艺，研究膜分离前后，磁化或未磁化料液在色值、浊 度和透过液纯度上的变化，对膜分离的效果做出评价； 4 ) 通过传质机理进行分析，推导传质方程，并结合实验获得经验公式；通 过因次分析，推导出适用于混合汁澄清的控制模型，并对其用以指导微滤膜在糖 厂原料汁澄清中的实验工作； 5 ) 筛选适用于实验过程的膜污染预防和再生方法。 l o 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 第二章磁化作用机理及磁化微滤技术特点分析 2 1 磁场对物质性能的影响分析 从目前的研究分析来看，外加磁场尚不能影响到物质分子、原子结构的改变， 其作用在于影响了分子的排列取向，从而引起了溶液中分子的重排，分子的重排 又受到了位阻的影响，在此双重作用下溶液中分子和分子之间的引力发生改变， 位能发生改变，物质的宏观性能发生一定的变化1 4 1 1 ，研究发现，磁场对水结构 及内能有一定的影响 9 2 1 。 对水分子做进一步分析可知，水分子是一种按四面体分布的电荷体系，氢原 子属于抗磁性，氧原子属于顺磁性的。抗磁性元素受到外磁场作用时，感生的附 加磁场与外磁场方向相反。而顺磁性元素受到外磁场作用时，感生的附加磁场与 外磁场方向相同，所以水分子在受到外磁场作用时，氧原子和两个氢原子所产生 的磁场方向相反，结果两个氢原子与氧原子相邻产生了同性相斥的作用，使氧和 氢之间的结合键距离变长，引起分子间的重排。混合汁溶液中含有大量结构和磁 性均为各向异性的分子，由于结构的各向异性，外加磁场也会引起它们的取向排 列，所以磁化具有一定的强化效果。 2 1 1 磁场强化影响作用理论分析 众所周知，所有由原子、分子组成的物质都具有磁性。原子周围的电子绕核 运动及电子本身的自旋而形成电流，这种环形电流对外会产生磁场，其磁场可用 磁偶极子来描述，偶极子磁矩或分子磁矩为【9 3 】： m = i s n ( 2 1 ) 式中：m 一偶极子磁矩 i _ 电流大小( a ) s 环形面积( 1 n 2 ) n _ 一面法向单位矢量 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 显然，物质在无外加磁场时，各分子的固有磁矩杂乱无章，因而物体中分子 磁矩矢量和为零。但当有外加磁场时这些分子磁矩必然要受到外加磁场的作用， 即发生磁化，磁化电流产生的磁场又反过来影响着物质的进一步磁化，不同的物 质所受到的磁化情况不同。在外加磁场的作用下，各分子磁矩或多或少地转到磁 感应强度的方向，磁化强度b 不再为零，因此在外加磁场存在的条件下物质的性 能将和无外加磁场的性能有所不同，现有的实验结果也表明，磁化处理后物质性 质发生了一定程度的变化。 2 1 2 溶液体系内能和外加磁场的关系 根据研究分析，分子间相互作用的模型有l e n n a r d j o n e s 位能( 简称l j 位能) 、 k i h a r a 位能等模型，对于水分子间的l - j 位能模型，二个水分子之间的相互作用势 见式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) t 9 2 】 v = 1 6 9 3 6 k ( o r r ) 2 一( o r ) 6 】( 2 - 2 ) 式中，矿一分子间作用势 仃一有效参数，0 2 7 9 n m k 一玻尔兹曼常数 ，一二水分子的中心距离( 所) 外加磁场条件下水分子i 和水分子j 的磁矩间相互作用势见式( 2 4 ) ： = 丽g o m ix m y - 3 唑警型】 ( 2 - 4 ) 式中，- # b a n 磁场两分子间作用势 m 一单个分子的感应磁矩。 当有磁场曰作用时，单个水分子的感应磁矩可表示为： m = x b ( n , o ) ( 2 5 ) 式中，m 一外加磁场单个水分子的感应磁距 b 一平均磁感应强度( t ) 1 2 广西大学硕士学位论文磁化微滤技术澄清甘蔗混合汁的初步研究 x 一水的摩尔磁化率 n a 一阿伏加德罗常数 u o