VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Целью II сатурации является перевод оставшихся после I сатурации свободных гидроксидов кальция, калия и натрия в углекислые соли, а также выведение в осадок кальция, связанного с органическими кислотами и комплексами. Неполное удаление из сока кальциевых солей приводит к интенсификации образования накипи на поверхности теплообмена выпарных аппаратов и к увеличению содержания сахарозы в мелассе.

Задачей II сатурации является снижение щелочности сока и содержания в нем солей кальция. В процессе сатурации содержание солей кальция в соке поддерживается минимальным, чему соответствует определенное значение рН (оптимальная щелочность), которое зависит от состава оставшихся в соке несахаров.

Согласно типовой схеме очистки сока II сатурацию ведут до оптимальной щелочности, при которой теоретически в растворе должно оставаться не более 0,001% СаО, но фактически его содержание в десятки раз больше. При проведении II сатурации не обеспечивается полного удаления кальциевых солей, поэтому с учетом повышения качества очищенного сока и готовой продукции целесообразным является применение дополнительных способов и методов очистки производственных сахарсодержащих растворов.

На II сатурации при пропускании углекислого газа через сок происходит образование СаСО₃, формирование его частиц и осаждение, снижение щелочности сока. После осаждения гидроксида кальция угольная кислота действует на КОН и NaOH, превращая их в карбонаты. При этом титруемая щелочность продолжает снижаться. В результате реакции образовавшегося К₂СО₃ с солями кальция различных кислот происходит осаждение карбоната кальция. Эта реакция имеет важное значение для II сатурации, так как способствует снижению в соке концентрации растворимых солей кальция, что и является главной ее целью [1].

В известково-углекислотной очистке диффузионного сока важнейшую роль играет адсорбция несахаров частицами осадка карбоната кальция, образующегося непосредственно в процессе карбонизации очищаемого известкованного сахарсодержащего раствора. Явление адсорбции обусловливается физико-химическими свойствами поверхности осадка и, в первую очередь, его электрокинетическими свойствами, характеризуемыми -потенциалом [2].

Дальнейшее повышение эффективности существующей известково-углекислотной очистки диффузионного сока возможно лишь на основе углубленного исследования электрокинетических свойств частиц карбоната кальция.

Поскольку формирование поверхностного заряда частиц осадка карбоната кальция связано с концентрацией зарядообразующих ионов кальция или карбоната, необходимым является исследование изменения этой величины в процессе карбонизации очищаемых сахарсодержащих растворов. Непосредственное измерение поверхностного заряда частиц суспензии достаточно сложно и зависит от многих факторов. О характере его изменения можно судить по величине электрокинетического потенциала ЭКП [3].

После адсорбционной очистки на первой стадии карбонизации в процессе I сатурации в очищаемом соке остается заметное количество различных растворенных несахаров: солей щелочных металлов, высокомолекулярных соединений, молекул красящих веществ и др.

Для повышения качества очищенного сока, снижения содержания солей кальция и его цветности нами проведены исследования по изучению влияния фильтроперлита с определенной дисперсностью частиц, вводимого на завершающей стадии очистки диффузионного сока.

С помощью цифровой камеры-окуляра для микроскопа DCM300 и программы ScopePhoto нами получены фотографии структуры частиц фильтроперлита (рис. 1).

Рис. 1. Структура частиц фильтроперлита

На рис. 1 видно, что частицы фильтроперлита представляет собой мелкозернистую полидисперсную структуру, состоящую из ломаных гранул неправильной геометрической формы, поэтому его можно использовать для фильтрования крупных взвесей. С помощью микроскопирования установлен размер и содержание частиц исходного фильтроперлита, который составил для частиц менее 2 мкм – 63%, 2 – 6 мкм – 33%, 6 – 10 мкм – 4%.

Была проведена серия исследований в лабораторных условиях по выявлению оптимальной точки введения в очищаемый сок частиц фильтроперлита. Положительные результаты по качеству сока получены при введении частиц фильтроперлита в фильтрованный сок I сатурации после его обработки гидроксидом кальция. Частицы фильтроперлита вводили в очищаемый сок без предварительной обработки и после его активирования.

Для определения величины ЭКП частиц фильтроперлита использовали оперативный метод определения заряда суспензий, основанный на явлении суспензионного эффекта [4].

На начальном этапе эксперименты проводили на модельных водных растворах, содержащих 12 % сахарозы, с предварительным добавлением в них перед известковой обработкой 0,1 % редуцирующих веществ (РВ) (эквимолекулярная смесь х.ч. глюкозы и фруктозы) к массе раствора. Добавление РВ обусловлено тем, что при их щелочно-термическом разложении образуются различные красящие вещества, органические кислоты, образующие соли с катионом кальция. Эти две группы несахаров в значительной степени влияют на качество очищенного сока. Проводили завершающий этап типовой очистки, включая горячую дефекацию и II сатурацию при рН 9,3 – 9,5, после чего модельные растворы фильтровали, определяли их оптическую плотность и величины ЭКП карбонатных суспензий. В пробу №1 добавляли фильтроперлит без активации, в пробу №2 – с его предварительной активацией, проба №3 - без добавления фильтроперлита (контрольный опыт). Результаты исследований представлены в табл.1.

Таблица 1

Показатели модельного сахарного раствора после

II сатурации

Показатели	Фильтроперлит без активации	Активированный фильтроперлит	Контроль
	№1	№2	№3
ЭКП суспензии, мВ	25	57	11
Оптическая плотность (D)	0,264	0,225	0,290

Добавляемые в известкованный модельный сахарный раствор частицы активированного фильтроперлита, имеющие высокий положительный ЭКП, являются одновременно центрами кристаллизации структуры осадка карбоната кальция и адсорбентом отрицательно заряженных макромолекул высокомолекулярных несахаров, красящих веществ, кальциевых солей различных кислот. В результате ввода активированных частиц фильтроперлита ожидаемым является повышение однородности осадка карбоната кальция, увеличение его поверхностной активности, что позволит повысить качество очищенного сока.

ЭКП активированного фильтроперлита имеет значительную положительную величину (более 100 мВ), поэтому даже после эффективной адсорбции несахаров модельного раствора его значение остается высоким, что свидетельствует о существенной остаточной адсорбционной активности поверхности частиц осадка.

Для определения оптимального количества активированного фильтроперлита, вводимого в раствор перед II сатурацией, была проведена серия опытов. В пробы модельного раствора добавляли частицы активированного фильтроперлита в количестве 0,015 – 0,050 % к массе раствора, проводили очистку по типовой схеме, после карбонизации растворы фильтровали и анализировали.

Анализ полученных данных (табл.2) показывает, что оптимальным является ввод фильтроперлита в количестве 0,033 ± 0,010 % к массе раствора. При таком расходе формируются частицы осадка карбоната кальция с высоким положительным зарядом, на котором адсорбируются отрицательно заряженные макромолекулы ВМС, а также фрагменты белковых веществ, соли кальция и красящие вещества, образовавшиеся в результате щелочно-термического разложения РВ. Подтверждением является минимальная величина оптической плотности модельного раствора после его карбонизации.

Таблица 2

Показатели очищенного модельного сахарного раствора

в зависимости от расхода фильтроперлита

Показатели	Расход фильтроперлита			Контроль
	0,015	0,033	0,050
ЭКП суспензии, мВ	43	55	39	11
Оптическая плотность (D)	0,257	0,208	0,245	0,288

Объяснением полученного результата с учетом дисперсности структуры осадка может быть следующее. При расходе фильтроперлита менее 0,015 % в процессе карбонизации гидроксида кальция образуются более крупные частицы осадка СаСО₃ с малой активной поверхностью адсорбции. При вводе фильтроперлита более 0,05 % структура образующегося осадка будет полидисперсной. Таким образом, частицы осадка карбоната кальция, образующиеся при расходе фильтроперлита в количестве 0,033 ± 0,010 % к массе сока, имеют максимальную площадь адсорбционной поверхности, что способствует более полному удалению несахаров и снижению величины оптической плотности растворов.

В результате исследования установлена оптимальная продолжительность пребывания фильтроперлита в составе известкованного модельного раствора перед карбонизацией в интервале 1 – 3 мин (табл. 3). При последующей карбонизации формируется более однородный осадок, наблюдается снижение растворимых солей кальция и оптической плотности раствора вследствие активной адсорбции несахаров. Кратковременное перемешивание способствует увеличению числа контактов различных несахаров с образующимися положительно заряженными частицами осадка, протеканию процессов гетерокоагуляции и образованию флокул ВМС, а также адсорбции растворимых солей кальция и красящих веществ. Увеличение длительности контакта в режиме перемешивания рабочей среды более 3 минут отрицательно влияет на процессы гетерокоагуляции и осаждения, поскольку возможна частичная деструкция образовавшегося коагулята несахаров [5].

Таблица 3

Показатели очищенного модельного сахарного раствора

в зависимости от времени контакта фильтроперлита

Показатели	Время контакта, мин
	1	3	5	10
ЭКП суспензии, мВ	52	50	43	38
Оптическая плотность (D)	0,212	0,215	0,233	0,251
Соли Са, % СаО	0,041	0,043	0,046	0,049

Целью известково-углекислотной очистки диффузионного сока является максимальное удаление несахаров, получение очищенного сока с нормативной термоустойчивостью и получение суспензий сатурационных соков с необходимыми седиментационными и фильтрационными показателями [6].

В процессе фильтрования сатурационных соков частицы мути задерживаются, в основном, поверхностными и электрокинетическими силами микрокристаллов карбоната кальция.

При оценке качества фильтруемых соков кроме показателей фильтрата (цветность, мутность), немаловажным фактором, определяющим скорость фильтрования и состав фильтрата, являются свойства слоя фильтрующего осадка (сжимаемость и пористость, степень дисперсности частиц карбоната кальция, влияющих на скорость осаждения твердой фазы и величину фильтрационного коэффициента.

На втором этапе работы нами исследовано влияния дисперсности и электрокинетического потенциала частиц осадка карбоната кальция на процесс фильтрования очищаемого сока после его карбонизации до определенной величины рН.

Проводили типовую очистку фильтрованного сока I сатурации, включая его горячую известковую обработку перед II сатурацией (температура 85 ^оС, продолжительность 5 мин, расход известкового молока эквивалентен вводу 0,5 % СаО), II сатурацию при рН 9,3 – 9,5. В полученном соке II сатурации определяли величины ЭКП карбонатных суспензий и скорость фильтрования сока на лабораторной установке при избыточном давлении 0,2 МПа [7]. Для управляемого процесса формирования кристаллоструктуры частиц карбоната кальция, полученных в процессе обработки известкованного сока диоксидом углерода, в качестве кристаллической основы в сок вводили различные количества активированного фильтроперлита.

В пробы сока № 1 – 3 вводили фильтроперлита от 0,015 до 0,05% к массе продукта, проба №4 - без добавления фильтроперлита (контрольный опыт). Результаты исследований представлены в таблице 4.

Таблица 4

Показатели сока II сатурации в зависимости от расхода фильтроперлита

Показатели	Расход фильтроперлита			Контроль
	0,015	0,033	0,050
	№1	№2	№3	№4
ЭКП суспензии, мВ	6	4	4	7
Скорость фильтрования, см3/с	0,68	0,61	0,51	0,46

Из данных, приведенных в таблице 4, видно заметное увеличение скорости фильтрования сока II сатурации при расходе фильтроперлита 0,015 – 0,033% (на 33 – 47 % отн.) в сравнение с контролем, что подтверждает положительные результаты на модельных сахарных растворах.

Микроструктура образовавшихся в процессе карбонизации сока частиц осадка карбоната кальция представлена на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Структура частиц осадка карбоната кальция: а) с введением фильтроперлита; б) без фильтроперлита

Предварительное активирование суспензии фильтроперлита перед вводом в очищаемый сок повышает концентрацию ионов кальция в жидкой фазе рабочей среды, приводит к росту положительного заряда образовавшихся частиц осадка карбоната кальция, в результате возрастает его адсорбционная способность. Введение суспензии активированного фильтроперлита перед II сатурацией позволяет значительно улучшить фильтрационные показатели сока, более полно удалить несахара диффузионного сока и повысить эффект очистки. При вводе фильтроперлита в исследованном интервале расходов формируется более однородная структура частиц осадка карбоната кальция.

В суспензии сока II сатурации, полученной без применения фильтроперлита, наблюдается полидисперсный состав частиц карбоната: менее 2 мкм – 65%, 2 – 4 мкм – 25%, 5 мкм и более – 10%. При вводе активированного фильтроперлита, средний размер частиц осадка карбоната составил 2 – 4 мкм – 88%, 5 мкм и более – 12%.

Снижение ξ-потенциала частиц карбоната кальция при предварительном вводе фильтроперлита свидетельствует о более полной адсорбции отрицательно заряженных несахаров на поверхности частиц осадка, что способствует повышению качества очищаемого сока [8].

Исследовано влияние ввода активированного фильтроперлита в очищаемый сок на эффективность адсорбции красящих веществ и солей кальция в процессе II сатурации (табл. 5).

Таблица 5

Влияние расхода фильтроперлита на показатели сока II сатурации

Показатели	Расход фильтроперлита			Контроль
	0,015	0,033	0,050
	№1	№2	№3	№4
Оптическая плотность (D)	0,152	0,154	0,160	0,187
Соли Са, % СаО	0,031	0,030	0,031	0,043

Установлено, что введение в известкованный сок перед II сатурацией активированного фильтроперлита в количестве от 0,015 до 0,05% способствует снижению оптической плотности очищенного сока на 14 – 18% содержания солей кальция на 23 – 30% в сравнении с контролем.

В выполненном исследовании установлено положительное влияние использования в качестве кристаллической «затравки» для формирования более однородной структуры микрокристаллов карбоната кальция при карбонизации очищаемого сока предварительно подготовленных частиц суспензии фильтроперлита с положительно заряженной поверхностью. Показано улучшение фильтрационных показателей карбонизированного сока и повышение адсорбционной способности частиц карбоната кальция по отношению к несахарам свекловичного сока. Осадок, имея развитую поверхность с высоким положительным зарядом, больше удерживает отрицательно заряженных ВМС и других несахаров, сохраняя проницаемую пористую структуру фильтрующего слоя в процессе последующего фильтрования очищенного сока при повышенном давлении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сапронов, А. Р. Технология сахарного производства [Текст] / А. Р. Сапронов. – М.: Колос, 1999. – 495 с.

2. Хомичак, Л.М. Электрохимические характеристики осадка карбоната кальция при сатурировании [Текст] / Л.М. Хомичак, Р.С. Решетова, М.И. Даишев // Известия вузов. Пищевая технология. – 1985. №1. – С. 31 – 33.

3. Бобровник, Л.Д. Исследование адсорбционно-обменных процессов на осадке СаСО₃ в свеклосахарном производстве [Текст] / Л.Д. Бобровник, А.Р. Сапронов, В.В. Семененко, Ю.В. Аникеев // Сахарная промышленность. – 1972. - № 8. – С. 14 – 18.

4. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Ю.Г. Фролов - М.: Химия, 1988. – 464 с.: ил.

5. Олянская, С. П. Химические реагенты на завершающей стадии очистки диффузионного сока [Текст] / С. П. Олянская, В. В. Цырульникова // Сахар. – 2010. - № 4. – С. 54 – 59.

6. Голыбин, В.А. Повышение эффективности использования гидроксида кальция для очистки диффузионного сока [Текст] / В.А. Голыбин, В.А. Федорук, А.А. Ткачев // Вестник ВГУИТ. – 2012.- № 2. – С. 158 – 161.

7. Силин, П.М. Химический контроль свеклосахарного производства [Текст] / П.М. Силин, Н.П. Силина. – М.: Изд. Пищ. пром-ть, 1977. – 240 с.

8. Голыбин, В.А. Эффективность завершающей стадии очистки диффузионного сока [Текст] / В.А. Голыбин, Ю.И. Зелепукин, В.А. Федорук, А.А. Ткачев // Сахар. – 2012. - № 9. – С. 30 – 33.

Код для цитирования: Скопировать