膜分离技术在糖蜜澄清和脱色中的应用基础研究

发布时间：2020-08-23 18:57

【摘要】：甘蔗糖蜜是甘蔗制糖行业的主要副产物,含有丰富的蔗糖、还原糖、色素和无机盐,目前主要作为底物生产酒精和酵母,但会产生大量富含色素和无机盐的废水。在以甘蔗榨汁为原料的膜法绿色制糖工艺中试成功后,本课题组提出了以糖蜜为原料的膜法绿色制糖工艺---利用膜分离技术从糖蜜中分离得到白砂糖、色素和还原糖。糖蜜的澄清和脱色处理是整个工艺的重点,决定了白砂糖质量和产量。因此,本文主要聚焦在糖蜜的膜澄清和脱色阶段,研究了膜污染机理、分离机制和膜污染控制,为新工艺的开发和优化提供理论支持。首先,评价了 5种商品化聚醚砜超滤膜的糖蜜澄清效果,发现UH050超滤膜最适合糖蜜的澄清操作,不仅可以将悬浮物、果胶等物质完全去除,而且蔗糖截留率最低、膜污染最小。为了更好地控制澄清阶段的膜污染,通过分别关联透过通量与平均跨膜压力、平均膜污染速率和单位能耗的方法测定了不同稀释倍数下的临界通量,建立了稀释-浓缩模式下的临界通量测定新方法。根据临界通量值和不可逆污染的大小,推断出糖蜜的最佳稀释倍数是8倍,临界通量值为26-32 L/(m2.h),在临界通量下运行可以有效地控制膜污染。最后,通过聚多巴胺涂敷和后续接枝聚合物的膜改性方法,改变聚醚砜超滤膜的亲水性和荷电性,探究膜污染的机理。研究发现,在临界通量下运行,膜面修饰对膜污染的影响较小,但当运行通量大于临界通量时,膜面的亲水性和荷电性对膜污染的影响显著。氧化海藻酸钠改性会使膜荷负电性增多,与糖蜜中的主要污染物(荷负电)之间产生更强的静电排斥作用,从而US100膜的临界通量增大了14.3%,其总污染阻力因操作通量的不同而降低了29.1%-64.9%。然后,评价了 11种商品化超滤膜和纳滤膜的糖蜜脱色效果,发现UP005超滤膜和NF5纳滤膜适合对糖蜜进行脱色操作,色素截留率都超过85%。但是二者截留机理却不相同,UP005膜是因为膜污染产生缩孔效应而实现色素的高截留,而NF5膜是依靠其自身的致密分离层。系统研究了糖蜜各组分对脱色膜截留和污染行为的影响,发现还原糖对蔗糖截留的影响可以忽略,无机盐会争夺膜表面的水化层,导致膜孔溶胀,从而降低对蔗糖的截留。色素等污染物则会抵消无机盐诱发的膜孔溶胀效应,从而提高对蔗糖的截留。最后,通过分析操作参数对膜污染和蔗糖截留的影响,发现高温和低通量会降低蔗糖的截留,高温和高通量会降低加剧膜污染,搅拌速度对蔗糖截留的影响较小(60 ℃),但会减轻膜污染。UP005聚醚砜膜的耐高温和耐化学清洗稳定性较强,但是其膜污染严重影响其长期运行稳定性,因此需要对UP005膜进行缩孔和亲水化改性,在实现色素高截留率的同时降低膜污染。通过静态吸附和过滤操作研究了UP005的膜污染组成,发现疏水吸附是其发生严重膜污染的主要原因。利用多巴胺辅助膜改性技术对超滤膜进行膜面和孔内修饰,发现这些膜改性技术尽管可以降低静态吸附时的不可逆污染,但却只能部分缓解过滤操作时的孔内污染,这主要是由于改性小分子本体存在疏水位点、亲水大分子难以进入深层膜孔修饰孔壁、超亲水矿化层不稳定等原因造成。因此对糖蜜脱色膜的改性,不仅要增加膜的亲水性和荷负电性,更重要的是对膜孔进行缩孔处理和提高改性层的稳定性,避免孔内吸附污染的产生,使其可以依靠修饰后的膜孔实现色素和蔗糖的有效分离。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ028.8;TS249.3
【图文】：

示意图,膜分离过程,示意图

膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，在某种推动力的作用下，使原料逡逑液中部分物质穿过膜，部分物质被截留，从而实现目标分子分离、提纯和富集的逡逑目的（如图１．２）。逡逑Ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑Ｐｅｒｍｅａｔｅ逡逑图１．２膜分离过程示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑１．２．１膜分离技术的特点及分类逡逑与其他传统的分离技术（如过滤、蒸馏、萃取、吸附分离等）相比，膜分离逡逑技术具有以下优点：逡逑（１）

跨膜压,通量,膜过滤,膜通量

■邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＼邋Ｐｅｒｍｅａｔｅ逡逑图１．４浓差极化示意Ｐ２２〗逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｆｉｌｅ逡逑在膜过滤过程中，由于选择透过性，膜两侧会出现溶质浓度差，从而在膜两逡逑侧产生了渗透压差。膜通量越大，浓度差越大，渗透压差也越大。膜过滤操作必逡逑须克服渗透压差进行，因此其有效推动力为跨膜压差减去渗透压差。膜通量与推逡逑动力关系如下：逡逑Ｊｖ邋＝邋Ｌｐ邋？邋（ＡＴＭＰ邋－邋Ａｎｂ）邋＝邋—Ｐ￣Ａｎｂ逦．．．邋（１．４）逡逑Ｆ逦Ｈ邋Ｒｔ逡逑式中ＡＩＩｂ是膜两侧的渗透压差，Ｒｔ是过滤料液时的总阻力。逡逑７逡逑

浓差极化,跨膜压

溶液逡逑ＡＴＭＰ逡逑图１．３操作通量与跨膜压差的关系逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｐｅｒｍｅａｔｅ邋ｆｌｕｘ邋ａｎｄ邋ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ逡逑Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ邋ｆｌｏｗ逡逑Ｂａｃｋ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ逡逑‘‘逦Ｃｋ逡逑ｙ逡逑＼逦Ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｌａｙｅｒ逡逑■邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＼邋Ｐｅｒｍｅａｔｅ逡逑图１．４浓差极化示意Ｐ２２〗逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｆｉｌｅ逡逑在膜过滤过程中，由于选择透过性，膜两侧会出现溶质浓度差，从而在膜两逡逑侧产生了渗透压差。膜通量越大，浓度差越大，渗透压差也越大。膜过滤操作必逡逑须克服渗透压差进行，因此其有效推动力为跨膜压差减去渗透压差。膜通量与推逡逑动力关系如下：逡逑Ｊｖ邋＝邋Ｌｐ邋？邋（ＡＴＭＰ邋－邋Ａｎｂ）邋＝邋—Ｐ￣Ａｎｂ逦．．．邋（１．４）逡逑Ｆ逦Ｈ邋Ｒｔ逡逑式中ＡＩＩｂ是膜两侧的渗透压差，Ｒｔ是过滤料液时的总阻力。逡逑７逡逑

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