Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тенденции развития сахарной промышленности и улучшения качества продукции с использованием неорганических адсорбентов 11
1.1. Современное состояние свеклосахарного комплекса России 11
1.2. Характеристика неорганических адсорбентов, способы модификации и применение в пищевой промышленности 16
1.2.1. Глинистые адсорбенты 16
1.2.2. Цеолиты 22
1.2.3. Силикагель и алюмогель 24
1.3. Применение неорганических сорбентов в сахарной промышленности 33
1.3.1. Очистка диффузионного сока бентонитами 33
1.3.2. Применение цеолитов в сахарном производстве 35
1.3.3. Адсорбция красящих веществ сахарсодержащих растворов палыгорскитом, глауконитом 37
1.3.4. Использование реагентов на основе алюминия для удаления несахаров диффузионного сока и сиропов рафинадного производства 39
Выводы по главе 43
Глава 2. Объекты и методы исследования 45
2.1. Характеристика исходных веществ 45
2.2. Методики экспериментальных исследований 45
2.3. Определение основных свойств сорбентов 50
2.4. Методика калориметрических измерений 53
2.5. Обработка экспериментальных данных 56
Глава 3. Получение сорбента из алюмосодержащего сырья и изучение способов его модификации 61
3.1. Получение оксида алюминия из алюминийсодержащего сырья 61
3.1.1. Синтез неорганического сорбента методом переосаждения.. 65
3.1.2. Изучение влияния термической обработки на сорбционные свойства адсорбентов 67
3.1.3. Изучение влияния модификации алюмосодержащего сырья различными реагентами на эффект обесцвечивания сахарсодержащих растворов 70
3.2. Изучение влияния способа модификации поверхностно- активным веществом 76
3.2.1. Выбор поверхностно-активного вещества для модификации сорбента 77
3.2.2. Выбор концентрации водного раствора поверхностно- активного вещества для модификации алюминийсодержащего сорбента 79
3.2.3. Исследование температурной обработки модифицированного сорбента на его сорбционные свойства 83
3.2.4. Изучение кинетики адсорбции красящих веществ из сахарсодержащих растворов на исследуемых сорбентах 87
3.3. Микрокалориметрический анализ обесцвечивающей способности исследуемых сорбентов 93
3.4. Изучение влияния алюминийсодержащего сорбента, модифицированного поверхностно-активным веществом, на эффект обесцвечивания сока II сатурации и рафинадного сиропа 98
Выводы по главе 102
Глава 4. Применение модифицированного сорбента для очистки сахарсодержащих растворов 104
4.1. Исследование влияния алюминийсодержащего сорбента, вводимого в диффузионный сок на чистоту сока II сатурации 104
4.2. Исследование влияния алюминийсодержащего сорбента, вводимого в преддефекованный сок, на чистоту сока II сатурации 105
4.3. Влияние подготовки алюминийсодержащего сорбента на качество сока II сатурации ПО
4.4. Выбор зоны рН введения на преддефекации алюминийсодержащего сорбента 112
4.5. Изучение влияния массовой доли алюминийсодержащего сорбента, вводимого в преддефекованный сок, на чистоту сока II сатурации 114
4.6. Выбор оптимальных параметров процесса очистки диффузионного сока с введением сорбента на преддефекации 116
4.7. Исследование влияния алюминийсодержащего сорбента, вводимого на преддефекации, на содержание ВМС, коллоидов, белков в соке II сатурации 122
4.8. Оценка качественных показателей очищенных соков при введении на преддефекации алюминийсодержащего сорбента 123
4.9. Оценка потенциальной токсичности сахарсодержащего раствора и сиропа 132
4.10. Оценка экономической эффективности от внедрения способа прогрессивной преддефекации с применением алюминийсодержащего сорбента 135
Выводы по главе 140
Основные выводы и рекомендации промышленности 141
Библиографический список 143
Приложения 162
- Характеристика неорганических адсорбентов, способы модификации и применение в пищевой промышленности
- Изучение влияния модификации алюмосодержащего сырья различными реагентами на эффект обесцвечивания сахарсодержащих растворов
- Изучение влияния алюминийсодержащего сорбента, модифицированного поверхностно-активным веществом, на эффект обесцвечивания сока II сатурации и рафинадного сиропа
- Исследование влияния алюминийсодержащего сорбента, вводимого в преддефекованный сок, на чистоту сока II сатурации
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время перерабатывающий подкомплекс отечественной продукции сахарной промышленности России представлен 93 сахарными заводами, расположенными в 23 сахаропроизводящих регионах.
Мировой рынок сахара предъявляет достаточно жесткие требования к качеству сахара-песка и сахара-рафинада. На протяжении последних 20 лет выход сахара в среднем остается на уровне 12...13 % к массе свёклы. На заводах Российской Федерации потери сахара в производстве составляют 0,9...1,0 % и в мелассе его содержится до 2,1...2,3 %, что значительно хуже показателей европейских сахарных заводов. Одним из основных показателей качества сахара-песка (ГОСТ 21-94) является его цветность - не более 0,8 усл. ед., чистота - 99,75%. Для конкурентоспособности отечественной продукции сахарной промышленности России с производителями Западной и Центральной Европы необходимо уделить особое значение - проблеме снижения цветности и зольности сахара, которые не отвечают мировым стандартам. Цветность сахара обусловлена красящими веществами, образующимися различными путями в зависимости от температуры, рН, концентрации и химического состава несахаров свеклы, продолжительности нагревания и других факторов.
Количество красящих веществ в сахарсодержащих растворах зависят от активности инвертазы в свекле, от содержания редуцирующих веществ в диффузионном соке и от дальнейшего хода производства. При повышенном содержании редуцирующих веществ в диффузионном соке его обычно не удается весь разложить на дефекации и часть попадает в очищенный сок, что приводит к образованию красящих веществ и повышению цветности соков и сиропов. Эти проблемы в основном решают за счет использования извести, а также различных схем очистки. Однако положительного результата не всегда удается достичь из-за значительного изменения количественного и
7 качественного состава несахаров. Цветность сахара можно снизить путем улучшения хранения свеклы, а также применением таких методов как очистка сахарсодержащих растворов неорганическими адсорбентами.
Теорией сорбционных процессов и совершенствования технологии известково-углекислотной очистки сахарсодержащих растворов занимались П.М. Силин, СЕ. Харин, И.Ф. Бугаенко, И. Вашатко, А.Р. Сапронов, М.И. Даишев, Л. Д. Бобровник, В.М. Перелыгин, А. А. Славянский, Ю.И. Сидоренко , В.А. Лосева, Н.М. Подгорнова, В.А. Голыбин и другие ученые.
В качестве неорганических сорбентов в разных отраслях пищевой промышленности, в т.ч. и сахарной промышленности используют активный уголь, силикагель и алюмогель.
Из практики работы сахарных заводов известно, что полностью адсорбировать красящие вещества из растворов на гранулированном активном угле не удается. Недостатками применения порошкообразного угля, обладающего высокой степенью адсорбции, является необходимость усиления фильтрационной станции для отделения следов угля и невозможности его регенерации. Применение силикагеля и алюмогеля в настоящее время дорогостоящий метод. Поэтому необходимы дешевые, доступные и эффективные сорбенты.
К проблемам, требующим дальнейшего анализа, следует отнести и вопросы, связанные с получением не только элективных адсорбентов, но и сорбентов с высокой прочностью зерна и в ряде случаев высокой избирательности адсорбции, что решается разработкой методов получения адсорбентов с заданными свойствами.
Цель и задачи работы. Основной целью работы являлось теоретическое обоснование и разработка высокоэффективных методов очистки сахарсодержащих растворов за счет применения неорганического алюминийсодержащего сорбента. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
исследовать состав алюминийсодержащего сырья (ООО «Воронежский алюминиевый завод);
разработать способ получения сорбента А12Оз из алюминийсодержащего сырья, изучить влияние метода переосаждения и термической обработки на сорбционные свойства сорбента;
- установить влияние способов модификации поверхностно-активными
веществами А1203 на его сорбционные свойства;
- изучить адсорбцию красящих веществ продуктов сахарного
производства на алюминийсодержащих сорбентах;
определить рациональные условия введения алюминийсодержащего сорбента на стадии преддефекации на качественные показатели очищенных соков;
оценить потенциальную токсичность сахарсодержащих растворов с использованием алюминийсодержащего сорбента.
Научная новизна работы.
На основании теоретических и экспериментальных исследований предложен и обоснован новый способ получения оксида алюминия из алюминийсодержащего сырья, полученного при травлении алюминиевой ленты.
Изучено влияние концентрации реагентов, рН и температуры на выход оксида алюминия методом переосаждения.
Изучено влияние параметров процесса модификации
алюминийсодержащего сорбента (выбор модификатора, его концентрации, температурного режима обработки) на эффективность сорбции красящих веществ сахарсодержащих растворов.
Установлена зависимость массовой доли и рН ввода алюминийсодержащего сорбента на стадии прогрессивной преддефекации на показатели качества сока II сатурации (чистоту, цветность, содержание солей кальция).
9
Проведен качественный и количественный анализ
алюминийсодержащего сорбента и сахарсодержащего раствора, очищенного с помощью алюминийсодержащего сорбента на наличие тяжелых металлов.
Получена экспериментально-статистическая модель, описывающая процесс очистки сока II сатурации при введении алюминийсодержащего сорбента в преддефекованный сок.
Практическая значимость работы. По результатам научных исследований для практического использования предложен новый способ применения алюминийсодержащего сорбента для повышения качества очистки сахарсодержащих растворов на стадии прогрессивной предварительной дефекации.
Результаты исследований могут быть использованы при синтезе новых адсорбентов (патент РФ № 2260563), используемых в сахарной промышленности. Стоимость полученного сорбента значительно ниже заводского алюмогеля.
Разработан способ получения модифицированного адсорбента (патент РФ № 2282493). Экспериментальные исследования и анализ работы позволили предложить модифицированный сорбент для повышения качества очистки сахарсодержащих растворов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:
на региональных и отраслевых, всероссийских научно-
практических конференциях: отчетных научных конференциях
Воронежской государственной технологической академии (г. Воронеж, 2002-
2006 гг.); научно-практической конференции аспирантов и соискателей
ВГТА на иностранных языках (Воронеж, 2002 г); Межрегиональной
конференции молодых ученых «Пищевые технологии» (г. Казань, 2004 г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Пищевая
промышленность: интеграция науки, образования и производства» (г. Краснодар, 2005 г.); Всероссийской конференции «Физико-химические
10 процессы в конденсированном состоянии на межфазных границах (ФАГРАН-2006)» (г. Воронеж, 2006 г.).
- на международных научно-практических, научных конференциях:
11-й международной конференции студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г. Казань, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства» (г. Воронеж, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Управление качеством в современной организации» (г. Пенза, 2006 г.); Международной электронной научно-технической конференции «Творческое наследие профессора В.Ф. Прейса» (г. Тула, 2006 г.); VI ежегодной международной научно-практической конференции «Сахар-2006» (г. Москва, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Приоритетные направления развития сахарного производства и их научное обеспечение» (г. Курск, 2006 г.).
Разработанные способы прошли производственную проверку на мини-сахарном заводе ВНИИСС в 2006 г.
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 19 печатных работах, в том числе 2 патента, 7 статей, 10 тезисов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 32 таблицы, 20 рисунков и состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций промышленности, списка литературы (183 наименования, их которых 44 работы зарубежных авторов) и приложения. Приложение к диссертации изложено на 8 страницах.
Характеристика неорганических адсорбентов, способы модификации и применение в пищевой промышленности
Выявление селективных свойств сорбентов по отношению к различным группам красящих веществ, правильное толкование процессов сорбции красящих веществ из растворов имеют важное теоретическое и практическое значение, для разработки рациональных методов сорбционной очистки сахарных растворов.
Значительные успехи достигнуты в науке по развитию теории сорбционных процессов, по получению новых и все более активных адсорбентов и катализаторов, изысканию теоретических основ подбора и методов получения активных адсорбентов, удовлетворяющих требованиям современной техники [21, 4-43, 128-131].
Большой вклад в развитие теории сорбционных внесли Н.А. Шилов, М.М. Дубинин, А.В. Киселев, В.В. Серпинский, Т.Г. Плаченов, И.Е. Неймарк, Г.В. Цицишвили, Н.Г. Таран, Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасевич, Э.А. Арипова., B.C. Комаров, Христюк И.Т. и др.
Промышленности требуются адсорбенты и катализаторы различной пористой структуры и природы поверхности. Тонкопористые адсорбенты применяются для газовой адсорбции ввиду их большой удельной поверхности и высокого адсорбционного потенциала. Крупнопористые адсорбенты применяются для адсорбции из растворов веществ с крупными молекулами, которые не могут проникать в тонкие поры. В качестве твердых поглотителей могут использоваться не только активные угли и ионообменные смолы, но и минеральные адсорбенты: силикагель, алюмосиликагель, бентониты, цеолиты, и др. Минеральные адсорбенты широко используются в пищевой промышленности в качестве фильтрующих средств, осушителей пищевых продуктов, в процессах осветления и стабилизации виноматериалов, фруктово-ягодных соков, пивопродуктов, растительных масел, питьевой и технологической воды и для других целей [137, 141].
Актуальным остается поиск нового, более дешевого и доступного неорганического адсорбента.
Глинистыми адсорбентами принято называть минералы, с разбухающей кристаллической решеткой. К ним относят бентониты разного класса.
Исследование структуры глинистых адсорбентов позволило установить, что основная масса их сложена из небольшого числа минералов, имеющих кристаллическое строение, к их числу относятся монтмориллонит, каолинит, хлорит, гидрослюда, палыгорскит и некоторые другие. Особенностью строения глинистых минералов является то, что в основе их лежит сочетание двух структурных элементов: кремнекислородных тетраэдров и алюминий-(железо-, магний-) кислородных октаэдров. Исследование пористой структуры природных минеральных сорбентов (ПМС), проведенное разными авторами [33,132, 133, 144, 146] с помощью рентгеноскопии, электронной микроскопии, по изотермам адсорбции и др., указывает на существование в природных минералах различных геометрических типов пор. Химический состав ПМС - одна из наиболее важных характеристик. Он дает значительную информацию о характере глинистого адсорбента. По химическому составу ПМС значительно отличаются между собой, что связано с разными геологическими условиями их формирования.
По литературным данным [85], глинистые адсорбенты имеют следующие кристаллохимические формулы: коалинит 2[Al2Si20s](OH)4; гидрослюда: иллит (KAl2)[AlSi3Oio](OH)2 и биотит K(MgFe)3[AlSi3Oio](OH)2; мотмориллонит Alii67Mgo,33[SiOio] (OH)2Na033 (по Россу и Хендриксу).
Бентонитовые глины, имеет высокую дисперсность, и, вследствие этого, большую удельную поверхность. Бентониты по своему минералогическому составу классифицируются на монтмориллонитовые (Na и Са-формы), монтмориллонит-гидрослюдистые, гидрослюдистые, смешанные, монтмориллонит-гидрослюдисто-каолинитовые и смешанослойные. В основе такой классификации лежит принцип определяющего минерала. Определяющим принято считать тот минерал, содержание которого достигает 60 - 90 % общего содержания всех минералов и от которого в основном зависят физико-химические и адсорбционные свойства адсорбента [84, 103]. При определении минерального состава главным является содержание монтмориллонита. Если содержание монтмориллонита ниже 70 %, то заранее можно сказать, что глина будет иметь не очень высокие технологические свойства. Примерный химический состав бентонита, %: А120з-16,55; К2О-0,92; SiO2-52,30; Na20-1,92, TiO2-0,95; Р2О5-0,1; СаО-5,49; MgO-3,03; Fe203-5,2; S-0,36. В промышленной практике бентониты классифицируют по совокупному показателю, учитывающему одновременно минералогический и химический состав и физико-химические свойства. Выделяют при этом три основных типа минеральных сорбентов: бентониты, суббентониты, бентонитоподобные [86].
Общими свойствами бентонитовых глин являются дисперсность, адсорбционная способность, набухаемостъ, связующая способность и другие характеристики. По размерам частиц различают грубодисперсные и высокодисперсные системы. В пищевой промышленности бентониты могут применяться в виде модифицированных адсорбентов (методами обогащения и химической активации щелочью, кислотой, содой). Кислотная модификация природных минеральных сорбентов (ПМС).
Основная задача кислотной модификации — получить лиофильные адсорбенты в отношении смолистых веществ, жирорастворимых пигментов и соединений, вызывающих потемнение продуктов, окисление их, образование коллоидных помутнений, продуктов кислотного гидролиза и др. При кислотной (H2S04 и НС1) модификации ПМС наблюдается растворение значительной части оксидов (CaO, MgO, Na20, FeO, Fe203, AI2O3 и др.), увеличение размера пор, изменение химической природы поверхности, появление Н-формы сорбентов.
Кислотная активация бентонита делает его пригодным для применения в виноделии и для обесцвечивания соков (содержание железа в бентоните не должно превышать 3 %). Одним из наиболее существенных недостатков глин монтмориллонитовои природы является обогащение среды обменными катионами натрия, калия, магния и особенно кальция. Каждый из перечисленных катионов металлов оказывает влияние на качество и устойчивость соков и винодельческой продукции к коллоидным и металлическим помутнениям. Для устранения этих недостатков предложен метод обработки среды минерала олеиновой кислотой [84]. В качестве сорбентов использовали природные формы бентонита, палыгорскита, а также поликомпонентные сорбенты полибент и сенсовин. При обработке полученными адсорбентами среды, наблюдается снижение концентрации железа, меди, кальция, алюминия и цинка. Однако недостатком метода является то, что концентрации натрия и калия не претерпевали существенных изменений.
Изучение влияния модификации алюмосодержащего сырья различными реагентами на эффект обесцвечивания сахарсодержащих растворов
В литературе [137] известны способы получения карбонизированных адсорбентов на основе дисперсных минералов, включающие модифицирование активным углеродом поверхности дисперсных минералов. Процесс проводят при температурах 300-1800 С в отсутствии кислорода воздуха. Для получения карбонизированных адсорбентов используют в качестве неорганической матрицы различные алюмосиликаты, в том числе природные глины, вермикулит, боксит, активные окиси магния и алюминия. Для их карбонизирования применяют сахариды, древесную муку, опилки, крахмал и другие органические материалы. В результате карбонизирования получают адсорбенты, содержащие 2-25 вес. % активного углерода и имеющие удельную поверхность до 120 м2/г [138]. Однако недостатком известных способов является невысокая удельная поверхность получаемых адсорбентов.
Для увеличения активности и удельной поверхности адсорбента известны методы получения карбонизированного адсорбента путем смешивания дисперсного неорганического материала с органическим веществом, термической обработкой полученной смеси и ее активации кислородом воздуха. Свободная доставка кислорода ко всей поверхности приводит к равномерному выгоранию углерода по всему сечению зерна и к увеличению объема пор и их удельной поверхности за счет активации углеродных включений.
Известны способы получения углеродно-минеральных сорбентов методом смешения глины с шламом, с последующей термообработкой отформированной массы путем гидролиза ее в восстановительной атмосфере горения эндотермического газа, что позволит улучшить сорбционные и эксплуатационные характеристики сорбента. Однако этот способ не позволяет утилизировать жидкие отработанные высококонцентрированные отходы гальванического производства.
В литературе описан способ получения адсорбента смешением древесных опилок с жидкими высококонцентрированными отходами гальванических и мелкодисперсной гашеной известью и также органическими полиспиртами [138]. Данный сорбент применяется для очистки органических веществ с целью повторного использования для технологических нужд.
Нами исследованы методы получения и сорбция красящих веществ карбонизированного адсорбента на основе алюминийсодержащего сырья и модификация углеродно-минерального (табл. 3.5) сорбента (с использованием сорбента (С), жома, бентонита, гашеной извести, казеинового клея). На рис. 2 представлен эффект обесцвечивания модельного раствора, полученными адсорбентами.
Получение карбонизированного сорбента, а также его адсорбционные свойства не дали положительного результата. Из литературных источников известно получение смешанных адсорбентов на основе оксида алюминия [92].
Для получения высоких адсорбционных свойств создан адсорбент, состоящий из 95 % (масс.) оксида алюминия и 5 % (масс.) монтмориллонитовой глины. Адсорбент готовят смешением фракций порошка оксида алюминия с размером частиц 0,0145-0,056; 0,056-0,071; 0,071-0,09 и (0,09-0,1) 10" м с набухшим монтмориллонитом. Затем сушат и прокаливают при 800 С в течение 2 ч. Оксид алюминия получают осаждением гидроксида щелочным реагентом из раствора соли алюминия с последующим отделением осадка, промывкой, сушкой и прокаливанием ксерогеля при температуре фазового превращения. В зависимости от фракционного состава получают адсорбент с сорбционной емкостью 3,055-0,155 см3/г и удельной поверхностью 9-32 м2/г.
Недостаток адсорбента известного состава заключается в том, что он обладает низкой удельной поверхностью и малым сорбционным объемом, а способ его получения сложен в исполнении в связи с необходимостью размола оксида алюминия с последующим тонким разделением порошка на фракции и не позволяет улучшить эти характеристики сверх указанных значений.
Для повышения удельной поверхности и сорбционного объема адсорбента нами предложен способ модификации алюминийсодержащего адсорбента сорбентами неорганического происхождения, близкими по составу с AI2O3 - цеолитом и бентонитом, а также известью.
К сорбенту (С) добавляли навески извести, бентонита, цеолита с массовой долей 0,01 %, 0,1 %, 1,0 % к массе сорбента. Массу смачивали водой до однородной консистенции влажностью 40 %. Затем выдерживали в сушильном шкафу при t = 180 С в течение 2 ч и 3 ч при t = 450 С прокаливали в муфельной печи.
Для исследования сорбционной способности модифицированных адсорбентов на сахарсодержащих растворах проводили обесцвечивание модельного сахарсодержащего раствора с цветностью D = 0,580 усл. ед., D/100CB=5,37. Сорбента в количестве 0,5 г добавляли на 50 см3 в модельного раствора и перемешивали в течение 20 мин при температуре 25 С. Затем раствор фильтровали и определяли оптическую плотность, содержание сухих веществ, рН раствора, рассчитывали эффект обесцвечивания. Результаты представлены в таб. 3.6.
Изучение влияния алюминийсодержащего сорбента, модифицированного поверхностно-активным веществом, на эффект обесцвечивания сока II сатурации и рафинадного сиропа
Способ очистки сахарсодержащих растворов с использование неорганических сорбентов имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционной очисткой. Это утверждают исследования, проведенные с соком II сатурации (Ч = 89,3 %, Цв = 10,24 усл. ед.) и рафинадным сиропом (Ч = 98,31 %, Цв = 1,3 усл. ед.). Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что сочетание в схеме неорганического адсорбента позволяет улучшить качество сатурационных соков и рафинадного сиропа. К 50 см3 продукта прибавляли алюмосодержащий сорбент, модифицированный 0,021 % (масс.) раствором ПАВ в количестве 0,5 - 0,25 % к массе раствора, выдерживали в течение 20 мин (для сока II сатурации) и 30 мин (для рафинадного сиропа), отфильтровали и определяли чистоту и цветность. С увеличением количества сорбента, вводимого в сок II сатурации и рафинадный сироп (рис. 10), чистота повышается, а цветность снижается. Рациональным расходом является массовая доля 0,015 % сорбента к массе сока. При введение сорбента более 0,15 %, изменение чистоты и цветности происходит незначительно, т. к содержание несахаров в соке невелико. Время контакта сорбента с сахарсодержащим раствором определяли следующим образом. К 50 см3 продукта прибавляли алюмосодержащий сорбент, модифицированный 0,021 % (масс.) раствором ПАВ в количестве 0,15 % к массе раствора, выдерживали в течение 5-40 мин (для сока II сатурации) и 10-50 мин (для рафинадного сиропа), фильтровали и в фильтрате определяли чистоту и цветность. Результаты исследований представлены на рис. 10, 11. Рациональная продолжительность контакта сахарсодержащего раствора с сорбентом составляет: для сока II сатурации - 20 мин, а для рафинадного сиропа - 30 мин, т. к. в течение этого времени адсорбция несахаров на сорбенте будет максимальной. Различия заключаются в том, что содержание СВ в сиропе больше, чем в соке II сатурации, вязкость выше, поэтому для адсорбции требуется больше времени. На основании анализа существующих методов и практических разработок применения алюминийсодержащих адсорбентов в различных отраслях пищевой промышленности, в т. ч. сахарной для повышения качества очистки установлена возможность применения алюминийсодержащего сорбента, полученного из продукта травления алюмюминиевых сплавов (ООО «Воронежский алюминиевый завод»), на преддефекации. Изучен состав исходного алюминийсодержащего сырья (ООО «Воронежский алюминиевый завод»). Установлено, что не отмытое алюминийсодержащее сырье содержит 98 % (мае.) оксида алюминия и 2 % (мае.) примесей гидроксидов металлов, входящих в состав сплавов. Для использования неорганических адсорбентов в целях обесцвечивания сахарсодержащих растворов впервые проведен синтез оксида алюминия из алюминийсодержащего сырья (ООО «Воронежский алюминиевый завод») методом переосаждения. Определен рациональный режим получения А120з: соотношение алюминийсодержащее сырье - 5 % р-р гидроксид натрия 1:3, обработка серной кислотой с концентрацией 1,0 М при рН=6,8 и температуре 70 С. Экспериментально изучен процесс обесцвечивания сахарсодержащих растворов. Доказано, что наибольший эффект обесцвечивания достигается в случае применения синтезированного А1203. Эффект обесцвечивания составляет С - 53,33 %, С1 - 62,60 %, Al = 70,00 %. Доказано, что сорбционные параметры синтезированного сорбента не уступают заводскому аналогу.
Показана возможность повышения сорбционной способности неорганических адсорбентов методом модификации. Установлено, что добавление фосфорсодержащего ПАВ с концентрацией 0,021 % к массе переосажденного оксида алюминия с дальнейшей термической обработкой сорбента при температуре 450 - 500 С в течении 3 ч увеличивает эффект обесцвечивания модифицированного сорбента до 78,40 %. Установлено, что использование в качестве модификатора фосфорсодержащий ПАВ повышает адсорбционную способность сорбента в 1,7-2,0 раза по сравнению с исходным алюминийсодержащим сорбентом. Впервые экспериментально установлены микрокалориметрическим методом качественные и количественные характеристики алюминийсодержащих сорбентов в процессе обесцвечивания сахарсодержащих растворов. Установлено, что с увеличением размера фракции уменьшается тепловой эффект АН и эффект обесцвечивания сахарсодержащих растворов. Изучена кинетика адсорбции красящих веществ из сахарсодержащих растворов на алюминийсодержащих сорбентах. Предельная сорбция составила для: модифицированного фосфорсодержащим ПАВ алюминийсодержащего сорбента - 1,2 г/г, алюминийсодержащего сорбента отмытого водой -1,0 г/г, активного порошкообразного угля -1,5 г/г.
Исследование влияния алюминийсодержащего сорбента, вводимого в преддефекованный сок, на чистоту сока II сатурации
Из свеклы в диффузионный сок переходят почти вся сахароза и около 4/5 растворимых несахаров. В диффузионном соке содержится много мелких частиц свеклы (мезги), он быстро темнеет на воздухе, пенит ся. Показатели его колеблются в широких пределах: сухие вещества - 13 - 15 %, сахарозы -11-13 %, мезги 2-3 %, рН 5,5-6, 5; чистота 82-89 %. Из такого сока без очистки трудно выделить сахарозу, т.к. несахара замедляют скорость кристаллизации и увеличивают потери сахарозы с мелассой. Одна часть несахаров удерживает в мелассе 1,2 - 1,5 части сахарозы. Чтобы получить высокий выход товарного сахара и низкий выход мелассы, на станции очистки, из диффузионного сока необходимо удалить как можно больше несахаров и довести его до слабощелочной реакции (дефекация и сатурация).
Предварительную дефекацию (рис. 12) проводят для обеспечения коагуляции различных групп высокомолекулярных соединений (ВМС) и веществ коллоидной дисперсности (ВКД) в виде максимально дегидратированного осадка, который под влиянием избытка извести на основной дефекации не подвергался бы десорбции [103]. Критерием для определения оптимума коагуляции и осаждения несахаров на преддефекации являются максимальная скорость осаждения коагулянта, прозрачность и минимальная цветность преддефекованного осадка. В зависимости от качества свеклы и других факторов [101, 109-113, 149, 150] меняется состав несахаров в диффузионном соке, что требует регулярного уточнения оптимального значения рН на преддефекации и внесений изменений в технологический регламент.
Показатели и параметры теплой прогрессивной преддефекации: температура до 62 С, продолжительность 12-15 мин, рН 10,9-11,4, (отсатурированный нефильтрованный сок I сатурации в количестве 100 - 150 % или около 30 % суспензии сока I сатурации или II сатурации) и определение зоны рН (8,0...10,2) введения возврата для создания структуры осадка сока I сатурации, цветность , прозрачность и скорость отстаивания S5 = 2,0-2,5 см/мин [26, 39, 56, 57, 62].
С целью изучения количества вводимого сорбента в преддефекованный сок, и его влияния на качественный показатели сока проведены экспериментальные исследования. Сорбент с разной массовой долей вводили в преддефекованный сок при достижении рНбо=9,5, а дальнейшую очистку проводили по традиционной схеме. Выбор значения рН заключался в том, что при прогрессивном нарастании щелочности в первых секциях преддефекатора Бригель-Мюллера, где сок имеет рНбо=8,0-9,2, коллоиды проходят через метастабильную (неустойчивую) фазу - «стареют» (образуют стабилизированный золь) [79, 92]. Такая фаза предшествует их массовой коагуляции. Затем при введении в сок алюминиисодержащего сорбента коллоидные частицы, прошедшие через метастабильную фазу, легко осаждаются на его поверхности. Результаты анализа сока II сатурации представлены в табл. 4.2.
Сопоставляя экспериментальные данные полученные в п. 4.1 с полученными данными, представленных в табл. 4.2 можно сделать вывод, что наилучшая чистота Ч = 91,03 % сока II сатурации достигается при введении алюминиисодержащего сырья, вводимого в преддефекованный сок массовой долей 0,15 -20 %. Введение сорбента в диффузионный сок, согласно экспериментальным данным, несколько снижает эффективность очистки сока II сатурации.
Таким образом, для дальнейших исследований оптимальной зоной введения сорбента будет является прогрессивная преддефекация. Изучено влияние способа подготовки алюминийсодержащего сорбента на качество сока II сатурации, при введении его на преддефекации.
Исследования проводили с диффузионным соком с Ч = 73,2 %, полученного по традиционной схеме. Для этого были проведены соответствующие эксперименты по трем схемам: 1 - традиционная схема очистки; 2 - схема с отмытым сорбентом; 3 - схема с неотмытым сорбентом. Сорбент готовили следующим образом. Исходный алюмосодержащий сорбент, промывали водой до рН = 7 и высушивали в течение 2 ч при t = 180 С, а затем вводили в сок на стадии преддефекации в интервале значений рН 9,2-9,7. Дальнейшую очистку проводили по традиционной схеме. Анализировали качественные показатели преддефекованного сока и сока II сатурации.
