（制糖工程专业论文）蔗渣活性炭的制备及在糖液脱色中的应用研究.pdf

fi l u l l111 i l li i ii il ui ii l y 17 3 8 2 9 3 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 关知识产权属于广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已近发表过的研 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： 3 0 0 0 m 2 g 活 性炭f 4 6 1 。 1 6 2 气体活化法 气体活化法主要是以工艺为两部分炭化和活化【4 刀。主要是原料先经通入水蒸气、二 氧化碳等气体活化最后经过在6 0 0 1 2 0 0 ，进行炭化的方法生产制得。其中炭化部分主 要是将原料加热除去其中的挥发成分，制得用于进一步活化的的谈话材料，炭化主要分 三个阶段4 0 0 下的一次分解、4 0 0 - 7 0 0 的氧键断裂反应、7 0 0 1 0 0 0 的脱氧反应等， 这样材料里的链状分子或者芳香族分子就获得缩合苯环平面分子而形成网状结构碳化 物【4 8 】。活化部分主要是在约9 0 0 下氧化气体下活化。活化第一阶段除去被吸附质并使 被堵塞的细孔开放；进一步活化是使原来的细孔和通路进一步扩大，形成发达的微孔结 构组织【4 9 】。 1 6 3 微波加热蒸汽活化法 该法是将具有一定的的粒度和一定比重的植物有机物经过加水后微波加热形成显 9 囊渣活性炭的制萱p 及其在糖液脱色中的应用研究 著性的多孔结构，然后用炭化和蒸汽活化的一种的新的制造方法【5 0 j 。具体工艺过程为： 先将材料经过预处理通入水蒸气充分搅拌，由于毛细现象植物纤维原料的各纤维间的微 孔中存在着游离水分，从而使得纤维湿润膨胀f 5 l 】。这些游离水分为电解质在微波辐射下 急剧蒸发形成蒸汽压使原料从内部向外压出。这样的急剧作用使纤维空间扩大，干燥后 形成多空型结构，内比表面积进一步扩大。最后经过连续干蒸馏直至炭化完毕，一直能 很好的保持这样的多孔结构【5 2 5 4 1 。 1 6 4 药品活化和气体活化的配合使用 气体活化法和药品活化法的配合使用来生产活性炭【5 5 1 。其过程为对受过药品活化处 理的炭，再经进一步的蒸汽活化这样的综合使用能产生特殊的细孔分布的产品，并使幅 度很广的细孔数增加【5 6 1 。其中国外的苯佐尔邦牌活性炭就是这类活性炭的代表。连续炭 化活化法用比较简单的流动加热炉连续进行炭化和限制氧化活化的活性炭生产方法，并 且操作省工、产品质量由于活性炭原料的广泛性，同时，同一材质也因地理环境、自 然条件的不同而不同，有时成分差异很大，如同一种制备方法，使活性炭的质量以及材 料的最大利用率受到很大的限制【5 7 1 。因此，今后活性炭的制备将会在传统的制备基础上 朝着多样化、新颖性、针对性方向发展下去。 1 7 本课题的研究内容及意义 1 7 1 课题研究的内容 本文以甘蔗渣为原料制备活性炭用于糖厂糖液的脱色，通过试验寻找制备用于糖液 脱色的活性炭的较优的工艺条件，为提高糖液脱色做进一步研究，同时提高蔗渣的综合 利用价值，产生更大的效益。 主要研究内容如下： ( 1 ) 甘蔗渣的预处理，用一定条件的活化剂对蔗渣进行浸渍处理，用以制备活性炭做 准备。 ( 2 ) 以糖液脱色率和活性炭产率为考察指标，对影响制备活性炭的各个工艺条件进行 单因素探索，最后用正交试验用于选择最佳条件。 ( 3 ) 选择最佳活性炭后讨论其在不同工艺条件下的脱色情况，以确定蔗渣活性炭脱色 的条件范围，然后用响应面法优化脱色条件。 1 0 蔗渣活性炭的制叠r 及其在糖液脱色中的应用研究 ( 4 ) 通过对活性炭脱色清汁的吸附动力学、等温线研究和热力学的分析来探讨活性炭 脱色清汁的吸附原理，最后通过电子扫描电镜来观察活性炭表面结构。 1 7 2 选题的研究意义 目前糖厂将蔗渣9 0 作为燃料用于燃烧，所以甘蔗渣的综合利用已成为糖厂紧迫的 课题，应寻找合适的途径综合利用甘蔗渣，使其产生更大的效益。所以大力发展新的、 可再生性资源已成为走可持续发展道路的重要条件之一【8 】。 色值和外观白度是影响白糖质量的一项重要指标。多年以来，制糖工作者为生产更 洁白的白糖进行了大量的研究工作。将糖品脱色是一个重要而艰巨的任务，为此，糖厂 每年使用大量的石灰和硫磺，花费巨大的费用，并产生大量的废料【5 引。美国糖业研究所 前所长克拉克( m a c l a r k e ) 博士指出：原糖中的色素含量只不过是原糖的o 1 - 0 3 ， 但在脱色方面花费的资金约为糖成本的三分之一【4 0 】。 目前糖厂中大多数是采用亚硫酸法生产白砂糖，而亚硫酸法生产出来的白砂糖目前 主要问题就是清净效果不够好，粗糖浆质量较差，致使结晶出来的自砂糖质量不理想， 档次较低，竞争力不强，难以适应中高档饮料、食品、制药等行业对糖的要求 4 5 , 5 8 1 。 随着人们生活水平的不断提高，人们对糖品的质量要求也越来越高，该课题就是直 接利用糖厂本身资源作为原料，相对其它原料而言，操作成本低，既能有效提高糖的质 量，又解决了甘蔗渣的利用问题，为蔗渣在甘蔗糖厂内部综合利用开辟新的途径，有望 广泛应用于糖厂。 糖用碱式醋酸铅( 分析纯) 硅藻土( 助滤剂) n a c l ( 分析纯) n a o h ( 分析纯) 甲基橙 硝酸( 分析纯) 乙醇( 9 5 ) 硫代硫酸钠 碘化钾 2 1 3 主要设备和仪器 微波炉 烘干箱 h h $ 2 1 6 型水浴锅 4 。c 冰箱 1 2 广州新港化工有限公司 上海国药集团化学试剂有限公司 上海国药集团化学试剂有限公司 上海国药集团化学试剂有限公司 广东汕头市西陇化工厂有限公司 广东汕头市西陇化工厂有限公司 广东汕头市西陇化工厂有限公司 力德士化工有限公司 力德士化工有限公司 l gw p 6 5 0 ( m s - 19 0 7 3 ) 上海精宏试验设备有限公司 国华电器有限公司 容声b c d 2 1 0 w 蔗渣活性炭的制畚及其在糖液脱色中的应用研究 2 0 冰柜 3 - 3 4 0 0 n 型扫描电镜 7 8 h w - 1 型磁力搅拌器 w a y - 2 s 型数字阿贝折光仪 w z z - 2 s s 型数字式自动旋光仪 s h b i i i t 型循环水式多用真空泵 s h b f l i t 滤膜过滤器 紫外分光光度计u v - 4 8 0 2 型 p h s 3 c 型酸度计 抽滤瓶 电热恒温鼓风干燥箱d h g 914 a 电子天平j a l0 0 3 n 移液管、各容量烧杯 漏斗 马弗炉r j m 一2 8 一l o 索氏抽提器 2 2 实验分析方法 2 2 1 蔗渣主要成分测定 海尔集团 h i t a c h ie d a x 江苏国华仪器厂 上海精密科学仪器厂 上海精密科学仪器厂 郑州长城科工贸易有限公司 郑州长城科工贸易有限公司 上海尤尼柯有限公司 金坛市科兴仪器厂 郑州玻璃仪器厂 上海精宏试验设备有限公司 上海精密科学仪器有限公司 郑州玻璃仪器厂 郑州玻璃仪器厂 沈阳市电炉厂 郑州玻璃仪器厂 2 2 1 1 蔗渣中纤维素含量的测定 准确称取甘蔗渣1 0 0 0 0 9 于2 5 0 m l 三角瓶中，加入2 5 m l 硝酸乙醇混合液( 用一干 燥量筒取1 0 0 m l 浓硝酸，比重1 4 2 ，另一干燥量筒取4 0 0 m l 9 5 的乙醇，将硝酸加入 乙醇中不断搅拌，防止爆炸，加完冷却后，倒入棕色试剂瓶中，现配现用) ，置沸水浴 中加热回流1 h 。加热过程中摇动三角瓶，直至甘蔗渣变白为止。用1 0 5 恒重的古氏坩 埚过滤，以1 0 m l 硝酸乙醇溶液洗涤残渣及三角瓶，然后用7 0 c 蒸馏水洗涤直至滤液对 甲基橙不呈酸性反应，1 0 5 c 烘干至恒重，记录重量( g 1 ) 。将该坩埚至于马弗炉中5 0 0 - 5 5 0 。c 灼烧o 5 h ，再在1 0 5 c 下烘干至恒重( g 3 ) ，记录重量【5 9 1 。 纤维素含量= 虿( g 5 i - 可g 而3 ) 面x 1 0 0 1 0 0 式2 1 蔗渣活性炭的制j 及其在期 亏炙脱色中的应用研究 g i ：恒重后古氏坩埚连同残渣的重量，g ； g 2 ：样品甘蔗渣的重量，g ； g 3 ：灼烧后古氏坩埚连同灰分的重量，g ； w ：样品中甘蔗渣的含水量，。 2 2 1 2 甘蔗渣中半纤维素含量的测定 采用d d u f f a u 蒸馏法，具体操作：准确称取1 0 0 0 0 9 甘蔗渣样品，加入2 0 0 9 n a c l ， 再加入1 0 0 m l1 2 盐酸溶液，装上冷凝管并放上小漏斗，小漏斗中装入一定量的1 2 盐酸溶液，加热使内容物沸腾，控制温度使蒸馏速度控制在3 0 m l m i n 一，此后每蒸馏 出3 0 m l 的馏出液，即从小漏斗中加入3 0 m l l 2 盐酸溶液于烧杯中，至蒸馏出3 0 m l 馏出液，用乙酸苯胺检验糠醛至蒸馏完全，将馏出液用1 2 盐酸溶液定容至5 0 0 m l 。用 量筒取出1 0 0 m l 馏出液于2 5 0 m l 三角瓶中，吸取1 3 m l n a b r k b r 0 3 混合物加入三角瓶 中，盖紧瓶塞，于2 0 2 5 避光静置l h ，到时间后，加入5 m l l 0 溶液，盖紧瓶塞 后，摇匀，于暗处静置1 0 m i n 。用0 0 5 m o l l 1 硫代硫酸钠滴定析出的碘量，用淀粉做 指示剂，同时用1 0 0 m l l 2 盐酸溶液做空白实验【6 0 1 。 糠醛) = 生絮等罴等塑1 0 式2-200g 0 0w1 ( 1 一) 半纤维素含量= 糠醛含量1 3 8 式2 3 v i ：空白消耗硫代硫酸钠体积，m l ； v 2 ：样品消耗硫代硫酸钠体积，m l ； c ：硫代硫酸钠的当量浓度，m o l l - io g ：样品重量，g ； w ：样品水分含量，； 0 0 2 4 ：l m l 硫代硫酸钠溶液相当的糠醛量； 1 3 8 ：糠醛换算为半纤维素时的理论换算系数。 2 2 1 3 甘蔗渣中木质素含量的测定 准确取甘蔗渣样品1 0 0 0 0 9 ，用定性滤纸包好后，放入索氏提取器中，加入醇苯混 合液( 乙醇：苯= l ：1v v ) 1 0 0 m l 于水浴上抽提6 8h ，取出滤纸包风干，并用洁净毛刷 将包中试样刷入5 0 0 m l 干燥烧杯中，加入1 0 m l 煮沸的蒸馏水，1 0 r a i n 后将烧杯放置于 1 4 蔗渣活性炭的制畚及其在翱 芘脱色中的应用研究 冷水中，搅拌，加入2 5 m l8 6 硫酸溶液，1 8 2 2 ( 2 水浴中保持4 h ，时时搅拌，溶解完 毕后，并在搅拌状态下加入2 5 0 m l 蒸馏水，加热至沸腾，沸水浴中静置1 h ，浸入冷水 浴1 5 r n i n ，用预先恒重的古氏坩埚抽提，用7 0 蒸馏水洗涤至洗液用1 0 b a c l 2 溶液测 试不出现浑浊为至，吸干滤液，取下坩埚，用蒸馏水将外部吹洗干净，移入烘箱，1 0 5 烘干至恒重，记录重量( g 1 ) 。将该坩埚移入马弗炉中，5 0 0 5 5 0 灼烧0 5 h ，再在 1 0 5 c 烘干至恒重，记录重量( g 3 ) 【6 。 木质素含量= 垒g 然0 0 1 。 式2 4 ，( 1 一形) 。 g 1 ：恒重后坩埚连同残渣的重量，g 。 g 2 ：样品甘蔗渣的重量，g ； g 3 ：灼烧后坩埚连同灰分的重量，go w ：样品中甘蔗渣的含水量，。 2 2 1 4 水分的测定 准确称取已经粉碎好的蔗渣1 0 0 0 0 9 于已称重的带盖称量瓶中，置于1 0 5 ( 2 烘箱中 烘至恒重，按下式进行水分计算： 水分：鲨髦煞乒堕1 0 0 讽件里 式2 5 2 2 1 5 灰分的测定 准确称取已经粉碎好的蔗渣2 0 0 0 0 9 置于己灼烧至恒重的坩埚中，放在6 0 0 c t i 拘 - b 弗炉中灰化，待全部灰化变白后，取出置干燥器中冷却后称重，按下式计算灰分含量： 灰分= 丝焉产川。 船6 2 2 2 样品处理 2 2 2 1 甘蔗渣处理 甘蔗渣：从南宁糖业集团明阳糖厂取甘蔗渣回来后过4 目筛，装袋存于干燥处备 用。 1 5 囊渣活性炭的制畚及其在糖液脱色中的 2 2 2 2 糖液处理 糖浆和清汁：从南宁糖业集团明阳糖厂取回后分瓶存于2 0 c 冰柜备用。 2 2 3 糖液各指标测定及脱色率计算 2 2 3 1 糖液色值的测定 将糖浆稀释4 倍，然后测定其锤度，再稀释成约5 0 b x 的样液用稀h c l 或稀n a o h 液调节p h 至7 0 4 0 2 ；然后加入1 2 硅藻土( 对糖液干固物汁) 。用玻璃棒搅拌均匀， 在装好慢速定性滤纸的玻璃漏斗上过滤，弃去最初滤液，收集滤液后，待测。 取清汁先不必稀释，直接测定其锤度再稀释至5o b x 样液用稀h c l 或稀n a o h 液调 节p h 至7 0 4 - 0 2 ，测定其折光锤度及温度，留下一部分( 作测定过滤前糖液光密度作 用) ，其余的倾入已铺好o 4 5u m 孔径的微孔滤膜的过滤器中，在真空下抽滤，弃去最初 滤液后，收集滤液待测。 取上述待测样液，用折光计测定其锤度，然后用比色皿装盛过滤液前后样液， 在分光光度计上，用5 6 0 n m 波长分别测定光密度，同时用蒸馏水校准零点，比色皿厚度 应选择在仪器透光率2 0 8 0 之间。 糖液色值 i u 5 6 0 - - e ，5 6 0 10 0 0 式2 - 7 d c d 一在5 6 0 n m 波长测得样液的光密度； 卜比色皿厚度( 厘米) ； r 样液干固物浓度( g m l ) ； u s 6 0 r 在5 6 0 h m 波长测得的国际糖色值 2 2 3 2 糖液简纯度的计算 根据不同样品，用制糖统一分析方法规定的稀释法处理，配成样液备用。 测定样液观测锤度( b f i x ) 及温度( t ) 。 样液的澄清，倾取样品约1 0 0 m l 于干净2 5 0 m l 锥瓶内，加入适量碱性醋酸铅粉 ( 以少量而又收到澄清效果者为宜) ，摇匀后过滤，滤液应清晰透明，否则可在原滤纸 上反复过滤，以最初滤液洗涤盛器倾去后，收集滤液，装入观测管，用自动旋光仪观察 旋光度读数。 a ：样液转光度( ) = 观测旋光度转光度因素式2 8 】6 蔗渣活性炭的制鲁及其在糖液脱色中的屋乙用研究 啪纯度( ) = 攀l o 。 船9 幸查转光度( 蔗糖分) 因数检索表得 。 2 2 3 3 糖液重力纯度的计算 根据不同样品，用制糖统一分析方法规定的稀释法处理，配成样液备用。 测定样液的锤度( b r i x ) 及温度( t ) 。 倾取样液约2 0 0 m l 于锤形瓶中，a n * 碱性醋酸铅粉2 o g ，迅速摇匀，过滤。弃 去最初滤出的1 0 1 5 m l 滤液，并以此冲洗盛器。等集合滤液超过l o o m l ，方可吸取滤 液进行测定，观测旋光度读数。 以吸管吸取两份5 0 m l 滤液，分别移入两个1 0 0 m l 容量瓶中。其中一瓶加入1 0 m l n a c l ( 2 3 1 5 9 l ) 溶液，然后加水至刻度，摇匀，如发现浑浊则过滤；滤液用l o o m m 观测管观测其转光度读数，得出直接转光度尸，并记录读数时的温度；在另一瓶中加入 2 0 m l 水，再加入1 0 m l 的2 4 8 5o b x 的h c l ，插入温度计在水中准确加热至6 0 c ，并在 此温度保持l o m i n ( 在前3 m i n 内应不断摇荡) ，取出浸入冷水中，迅速冷却至接近读取 直接旋光度时的温度。以洗瓶喷少量水，将附着温度计上的糖液洗入瓶内，取出温度计， 加水至刻度充分摇匀，如发现浑浊则过滤。用l o o m m 观测管观测其旋光度读数，得出 转化转光度p ，并用温度计测出其温度。 口旷瓦面面面( p - i p ) 面xl o j 0 丽 式2 1 0 一口蕞糖2 - - - = ：瓦2 1 3 2 5 6 + o 0 7 9 4 ( g 一1 3 ) 一0 5 3 ( f 一2 0 ) 重力纯度= 警1 0 。 越1 1 式中：尸- 一直接转光度4 ； 尸一转化旋光度4 ； 旷每1 0 0 m l 转化糖液内所含干固物重； ( g = 辈相应视密度) 13 2 5 6 - 克莱杰除数： o 0 7 9 4 干固物浓度不等于去规定量时，对旋光影响校正数。 1 7 蔗渣活性炭的制鲁及其在疆悖炙脱色中的应乙用研究 2 2 3 4 脱色率的计算 测定脱色前糖液历和脱色后糖液e ，5 印，计算其色值姒和彤5 卯，并按照2 2 3 1 方法计算脱色率。 脱色率：型竺二丝：竺1 0 0 式2 1 2 i u 姗 2 2 3 5 活性炭产率的计算 称取蔗渣8 0 0 9 ，放入重量为w l 的烧杯中后，经炭化后再称取炭化后的烧杯和炭重 量w 立，计算活性炭产率。 活性炭产率= 等1 0 0 式2 - 1 3 2 2 4 蔗渣活化时间的确定 称取8 0 0 9 前面2 2 2 1 准备的蔗渣，浸渍于8 o 的2 0 0 m l 磷酸溶液中，分别按1 2 h ， 2 4 h ，3 6 h 等不同时间进行浸渍。浸渍后用滤袋滤干，盛于瓷坩埚，上盖后然后于6 5 0 w 微波功率下处理lo m i n ，接着拿出冷却至室温后浸入热水，然后浸入冷水中脱酸至p h 7 左右后，将炭化后的炭放入烧杯中，最后放入烘干箱，以1 2 0 ，烘干8h 后取出冷却， 研磨至2 0 0 目存放。按o 3 比例分别向糖液中加入活性炭，在7 5 水浴锅中间隔摇匀 3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计算脱色率和活性炭产率，最后综合考虑确 定活化时间，为后续试验做铺垫。 2 2 5 活性炭制备工艺条件的选择 制备蔗渣活性炭的工艺流程： 匝匦圃 土 圆一圈一圆一圈固一圆 2 2 5 1 制备活性炭过程中活化剂的选择 2 2 5 1 1 最适活化剂磷酸浓度的确定 分别称取8 0 0 9 前面2 2 2 1 准备的蔗渣，浸渍于1 0 、8 0 、1 5 0 、2 2 o 、2 9 o 1 8 蔗渣活性发的制j p 及其在糖液脱邑中的应用研究 的2 0 0 m l 磷酸溶液中，按2 2 4 中确定的时间进行浸渍，浸渍后用滤袋滤干，盛于瓷坩 埚，上盖后然后于6 5 0 w 微波功率下处理1 0 m i n ，接着拿出冷却至室温后浸入热水，然 后浸入冷水中脱酸至p h 7 左右后，将炭化后的炭放入烧杯中，最后放入烘干箱，以1 2 0 ，烘干8 h 后取出冷却，研磨至2 0 0 目存放。按o 3 比例分别向糖液中加入活性炭， 在7 5 水浴锅中间隔搅拌摇匀3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计算脱色率和 活性炭产率，最后综合考虑确定活化剂磷酸的浓度，为后续试验做铺垫。 2 2 5 1 2 最适添加剂硫酸浓度的确定 分别称取8 0 0 9 前面2 2 2 1 准备的蔗渣，浸渍于2 2 5 1 1 中所确定的合适磷酸浓度 和分别含0 0 、2 0 、4 0 、6 0 、8 0 h 2 s 0 4 的2 0 0 m l 混合溶液中，按2 2 4 中确 定的时间进行浸渍，浸渍后用滤袋滤干，盛于瓷坩埚，上盖后然后于6 5 0 w 微波功率下 处理1 0 m i n ，接着拿出冷却至室温后浸入热水，然后浸入冷水中脱酸至p h 7 左右后，将 炭化后的炭放入烧杯中，最后放入烘干箱，以1 2 0 ，烘干8h 后取出冷却，研磨至2 0 0 目存放。按0 3 比例分别向糖液中加入活性炭，在7 5 水浴锅中间隔搅拌摇匀3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计算脱色率和活性炭产率，最后综合考虑确定添加 剂硫酸的浓度，为后续试验做铺垫。 2 2 5 1 3 最适添加剂盐酸浓度的确定 分别称取8 0 0 9 前面2 2 2 1 准备的蔗渣，浸渍于2 2 5 1 1 中所确定的合适磷酸浓度、 2 2 5 1 2 中所确定的合适硫酸浓度和分别含0 0 、1 5 、3 、4 5 、6 0 h c l 的2 0 0 m l 混合溶液中，按2 2 4 中确定的时间进行浸渍，浸渍后用滤袋滤干，盛于瓷坩埚，上盖 后然后于6 5 0 w 微波功率下处理1 0 m i n ，接着拿出冷却至室温后浸入热水，然后浸入冷 水中脱酸至p h 7 左右后，将炭化后的炭放入烧杯中，最后放入烘干箱，以1 2 0 ，烘干 8h 后取出冷却，研磨至2 0 0 目存放。按o 3 比例分别向糖液中加入活性炭，在7 5 水 浴锅中间隔摇匀3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 - 3 5 中的方法计算脱色率和活性炭产率， 最后综合考虑确定添加剂盐酸的浓度，为后续试验做铺垫。 2 2 5 2 蔗渣炭化微波功率的确定 分别称取8 0 0 9 前面2 2 2 1 准备的蔗渣，浸渍于2 2 5 1 1 确定的合适磷酸浓度、 2 2 5 1 2 确定的合适硫酸浓度、2 2 5 1 3 确定的合适盐酸浓度2 0 0 m l 混合溶液中，按2 2 4 中确定的时间进行浸渍，浸渍后用滤袋滤干，盛于瓷坩埚，上盖后然分别于后于7 5 0 w 、 7 0 0 w 、6 5 0 w 、6 0 0 w 、5 5 0 w 微波功率下处理1 0 m i n ，接着拿出冷却至室温后浸入热水， 1 9 蔗渣活性炭的制备及其在囊| 孛良脱色中的应用研究 然后浸入冷水中脱酸至p h 7 左右后，将炭化后的炭分别放入对应烧杯中，最后放入烘干 箱，以1 2 0 ，烘干8h 后取出冷却，研磨至2 0 0 目存放。按0 3 比例分别向糖液中加 入活性炭，在7 5 水浴锅中间隔搅拌摇匀3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计 算脱色率和活性炭产率，最后综合确定适合炭化微波功率，为后续试验做铺垫。 2 2 5 3 蔗渣微波处理时间的确定 分别称取8 0 0 9 前面2 2 2 1 准备的蔗渣，浸渍于2 2 5 1 1 确定的合适磷酸浓度、 2 2 5 1 2 确定的合适硫酸浓度、2 2 5 1 3 确定的合适盐酸浓度的2 0 0 m l 混合溶液中，按 2 2 4 中确定的时间进行浸渍，浸渍后用滤袋滤干，盛于瓷坩埚，上盖后放于2 2 5 2 确 定的微波功率下分别处理5 m i n 、1 0 m i n 、1 5 m i n 、2 0 m i n 、2 5 m i n 后，然后拿出冷却至室 温后浸入热水，然后浸入冷水中脱酸至p h 7 左右后，将炭化后的炭分别放入对应烧杯中， 最后放入烘干箱，以1 2 0 。c ，烘干8h 后取出冷却，研磨至2 0 0 目存放。按0 3 比例分 别向糖液中加入活性炭，在7 5 。c 水浴锅中间隔搅拌摇匀3 0 m i n 后，取出按照2 2 3 4 和 2 2 3 5 中的方法计算脱色率和活性炭产率，最后综合确定适合炭化微波处理时间，为后 续试验做铺垫。 2 2 5 4 活性炭制备条件正交设计优化 根据实验经验和文献研究，确定磷酸含量、硫酸含量、微波功率、微波时间是影响 试验效果的可能因素，为了以最少试验考察试验效果，采用正交试验【6 2 1 。 因素与水平的选择： 试验目的：研究蔗渣活性炭的最佳工艺条件； 因素与水平：四因素三水平； 试验指标：脱色率和活性炭产率。 采用磷酸含量、硫酸含量、微波功率、微波处理时间作为四个因素，分别以磷酸含量8 o ， 1 5 0 ，2 2 o ：硫酸含量3 0 ，2 0 ，1 o ；微波功率5 5 0 w ，6 0 0 w ，6 5 0 w ；处理时 间5 m i n ，1 0 m i n ，1 5 m i n 作为三水平，选择正交表b ( 3 4 ) 【6 3 】，见表2 1 ： 表2 - 1 因素与水平的选择 t a b l e2 1t h ec h o i c eo ff a c t o r sa n dl e v e l s 因素 2 0 囊 渣活性炭的制薯p 及其在翱 孝戈脱色中的应用研究 实验安排 对表2 1 ，利用正交设计助手设计正交试验。试验安排见表2 2 。每个试验重复1 次， 每次试验测量3 次，最后取平均数。最后采用2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计算脱色率和 活性炭产率，最终用以确定最佳工艺条件。 表2 - 2 正交设计试验计划表 t a b l e2 - 2o r t h o g o n a ld e s i g ns c h e d u l e 注：a 奔酸含量；b 硫酸含量；c 微波功率；d 处理时间 2 2 6 蔗渣活性炭的脱色条件选择优化 2 2 6 1 活性炭量对糖液脱色的影响 取样液，按照2 2 3 2 的实验安排计算糖液初始简纯度。然后根据2 2 5 4 中得出的 优化活性炭，按糖汁重量的0 1 、o 3 、o 5 、o 7 、o 9 的比例分别向糖液中加入 活性炭，在7 5 水浴锅中间隔搅拌摇匀加热3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法 计算脱色率，按照2 2 3 2 的方法计算脱色后简纯度，以确定最佳的加炭量，为后续试验 做准备。 2 2 6 2 温度对糖液脱色的影响 取样液的按照2 2 3 2 的实验安排计算糖液初始简纯度。根据2 2 5 4 中得出的优化 活性炭，按2 2 6 1 中确定的比例分别向糖液中加入活性炭，分别在4 5 、5 5 、6 5 、 7 5 、8 5 的水浴锅中间隔搅拌摇匀加热3 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计 算脱色率，按照2 2 3 2 的方法计算脱色后简纯度，以确定最佳的脱色温度，为后续试验 做准备。 2 2 6 3 活性炭脱色时间的影响 取样液的按照2 2 3 2 的实验安排计算糖液初始简纯度。根据2 2 5 4 中得出的优化 2 1 蔗渣活性炭的制畚及其。在糖液脱色中的应用研究 活性炭，按2 2 6 1 中确定的比例分别向糖液中加入活性炭，在2 2 6 2 中确定温度的水 浴锅中间隔搅拌摇匀加热1 5 m i n 、3 0 m i n 、4 0 m i n 、5 0 m i n 、6 0 m i n 后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计算脱色率，按照2 2 3 2 的方法计算脱色后简纯度，以确定最佳的脱色时间， 为后续试验做准备。 2 2 7 糖液脱色中最佳脱色率的确定 根据试验和文献知活性炭在糖液脱色中的影响因素活性炭添加量、脱色温度、脱色 时间对脱色率影响因素较大，为了对活性炭脱色情况进行优化，采用响应面设计试验【6 4 1 。 2 2 7 1 响应面优化实验设计 因素和水平的选择 因素和水平：采用三因素三水平； 试验指标：糖液脱色率。 以活性炭添加量、脱色温度、脱色时间作为三个因素，分别以活性炭添加量2 o ，4 0 ， 6 o ：脱色温度6 5 c 、7 5 、8 5 ；脱色时间2 5 m i n 、4 0 m i n 、5 5 m i n 作为三水平，见 表2 3 ： 表2 - 3 因素与水平的选择 t a b l e2 3t h ec h o i c eo ff a c t o r sa n dl e v e l s 试验安排 对表2 3 ，用响应面设计软件d e s i g n e x p e r t7 1 6 进行b o x - b e h n k e n 中心组合设计 响应面试验【6 5 , 6 6 】。试验安排见表2 4 。每个实验重复一次，每次实验测量3 次，取平均 值。最后算出脱色率和简纯度，确定最佳脱色条件： 广西大掌硕士掌位论文蔗渣活性炭的制畚及其在糖藏脱色中的应用研究 表2 - 4b o x - b e h n k e n 实验设计表 t a b l e2 - 4d e s i g nt a b l eo fb o x - b e h n k e n 试验顺序实验组 ab c 11 0 22 5 7 5 2 70 6 2 57 5 3 90 2 5 57 5 41 70 6 5 57 5 580 2 4 06 5 61 30 6 4 0 6 5 740 24 0 8 5 820 6 4 08 5 91 00 4 2 5 6 5 l o30 4 5 56 5 1 11 6 0 42 5 8 5 1 21 50 45 5 8 5 1 31 10 4 4 07 5 1 41 20 4 4 0 7 5 1 550 4 4 0 7 5 1 660 44 0 7 5 1 71 40 4 4 07 5 2 2 7 2 响应面优化验证试验【6 7 】 取样液的按照2 2 3 2 的实验安排计算糖液初始简纯度。根据2 2 7 1 中得出的响应 面优化条件，分别向糖液中加入活性炭，在确定温度的水浴锅中间隔摇匀，加热一定时 间后，按照2 2 3 4 和2 2 3 5 中的方法计算脱色率，按照2 2 3 2 和2 2 3 3 的方法计算脱 色率，然后简纯度和重力纯度。每组实验进行3 次平行试验，最后取平均值与预测值比 较分析回归方程的拟合度，分析实验数据的可靠性。 囊 渣活性炭的制畚及其在糖液脱色中的应用研究 3 1 蔗渣中各成分含量 第三章结果与分析 3 1 1 蔗渣中纤维素、半纤维素、木质素的含量 根据2 2 1 1 、2 2 1 2 、2 2 1 3 中方法得到样品中的纤维素、半纤维素、木质素含量 见表3 1 。 表3 - 1 原料蔗渣中的主要成分 t a b l e3 - 1m a i nc o m p o n e n t so fb a g a s s e 蔗渣成分含量( ) 纤维素 半纤维素 木质素 3 4 7 2 1 3 1 8 9 3 1 2 蔗渣中水分和灰分的含量 根据2 2 1 4 、2 2 1 5 中的方法测得蔗渣样品中的水分和灰分含量见表3 - 2 。 表3 - 2 原料蔗渣中的水分和灰分 t l b l e3 2m o i s t u r ea n da s h 蔗渣成分含量( ) 灰分 水分 8 1 6 8 3 2 活性炭制备工艺条件的确定与分析 3 2 1 蔗渣活化时间的确定 根据实2 2 4 中的实验方法测得脱色率和活性炭产率用以确定活化时间，见图3 1 ， 结果如下： 2 4 蔗渣活性炭的制鲁及其在粳悖炙脱色中的应用研究 2 02 53 03 54 0 t i m e ( h o u r ) 8 0 7 0 6 0 5 0s 口 u 4 0 3 0 2 0 图3 1 蔗渣活化时间对产率和脱色率的影响 f i g 3 - 1t h ei n f l u e n c eo fa c t i v a t i o nt i m et ot h ec a r b o ny i e l da n dt h ed e e o l o r i z a t i o no fs u g a rs o l u t i o n 由图3 1 可知道，蔗渣在经过不同时间的浸渍后对活性炭的产率有一定的影响，同 时对糖液的脱色也有微弱的影响。由图可知随着浸渍时间的增加，糖液脱色率有所增长， 但很微弱。同然而活性炭产率随浸渍时间的增加，开始有很大的增长后来基本保持不变。 根据图3 1 结果综合考虑，应选取浸渍时间为2 4 小时作为后续试验条件。 3 2 2 最适浸渍液的用量确定 3 2 2 1 最适磷酸用量确定 根据试验2 2 5 1 1 安排，计算活性炭脱色率和产率，用于确定生产活性炭的磷酸最 适量，见图3 2 和图3 3 结果： 由图3 2 和图3 3 可知道活化剂磷酸对生产活性炭产率的影响是随着磷酸含量的增 加，活性炭产率开始平稳增长，当达到一定量时却急剧下降。可能由于磷酸的增加炭化 过程更容易，但当磷酸过量时使得炭化程度过火，最终使得活性炭产率过低。 如 加 如 柏 如 加 琴v譬暑co翟罱一点ouap r i 其中图3 2 中可知糖浆的脱色率随着磷酸含量在1 之9 的范围内增加而增加，其 中在1 1 5 的范围内增长率很快，但当活化剂达到一定量1 5 以上时糖浆的脱色率增 长速度逐渐放缓。 从图3 3 可知清汁脱色率随着磷酸含量在l o o , - 2 9 的范围内效果都比较明显，其中 在l o o - 8 范围内脱色率增长比较快，但在磷酸浓度8 0 o - - 1 5 范围内脱色率稳中略有上 升，当1 5 以上时，清汁脱色率却有小幅度的下降。 由于蔗渣浸渍在活化剂磷酸当中一定的时间后，磷酸对蔗渣中纤维素进行活化改变 其结构，使得活性炭具有较发达的微孔结构经过炭化后使其具有吸附性，当磷酸量增加 时对蔗渣活化程度较高，活性炭的微孔结构就越发达，但当磷酸量增加到一定的程度后 对蔗渣的活化达到最大化。所以在图3 2 中可以看出糖浆的脱色效果开始变化很明显， 而在后来糖浆的脱色变化就不是很明显了。而在图3 3 中清汁的脱色效果开始效果也很 明显，但在后面却有所降低，清汁与糖浆的脱色规律有所不同，主要原因可能是由于两 者中色素的成分有所差异才造成的。最后综合考虑用于糖浆脱色的活性炭的磷酸含量应 选择1 5 ，而用于制备清汁脱色的活性炭的磷酸含量应选择8 ，作为实验基础进行进 一步实验。 3 2 2 2 最适硫酸用量确定 根据2 2 5 1 2 的实验安排，计算活性炭产率和糖液脱色率，用于确定添加剂硫酸的 最适添加量，具体见图3 - 4 和图3 5 所示： 蔗渣活性炭的制萱 及其在翱 戈脱色中的应用研究 为 6 5 5 5 善” # 4 5 棚 ，5 拍 为 6 5 5 5 g5 0 墨4 5 柏 3 5 3 0 0 1 234，678，ol z】，o， s m f u f i c - d dc o u s i n 惭 s u l f u r i c - c i dc o m e t 图3 - 4 硫酸量对产率和糖浆脱色率的影响图3 5 硫酸量对产率和清汁脱色率的影响 f i g 3 - 4t h ei n f l u e n c eo fs u l f u r i ca c i d0 1 1t h ey i e l d f i g 3 - 5t h ei n f l u e n c eo f s u l f u r i ca c i do nt h ey i e l d a n dt h ed e c o l o r i z a t i o no f s y r u p a n dt h ed e c o l o r i z a t i o no f c l e a r j u i c e 由图3 - 4 和图3 5 可知道添加剂硫酸对生产活性炭产率的影响是随着硫酸含量 o 0 之0 的增加，活性炭产率快速增长，在2 0 时达到最大值，当在硫酸2 0 8 0 时活性炭产率却又快速下降。从图可以看出添加剂硫酸对活性炭产率的影响比较明显， 可能由于硫酸本身具有一定的炭化作用，在少量硫酸量时炭化率逐渐增加，当硫酸量超 过一定时炭化程度过高，造成产率下降。 由图3 4 和图3 5 知道糖液脱色率是随着硫酸量0 o 8 0 的增加总体是先增长后 下降。但不管是糖浆还是清汁其中，在硫酸量2 o 时脱色率都达到了最大值，再经过 综合考虑活性炭产率，我们应选择活化剂2 o 作为后续实验基础。 3 2 2 3 最适盐酸用量确定 根据2 2 5 1 3 的实验安排，计算活性炭产率和脱色率用以确定制备活性炭中盐酸的 量，具体见图3 - 6 和图3 7 所示： 为 6 s 6 0 5 5 5 0 鑫4 s 口 墨4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 0l23s6 h y d r o c h l o r i c c i dc o n t m t f ) 图3 - 6 盐酸量对产率和糖浆脱色率的影响 f i g 3 - 6t h e i n f l u e n c eo f h y d r o c h l o r i ca c i do n t h ey i e l da n dt h ed e c o l o r i z a t i o no fs y r u p 2 7 5 0 墓4 5 1 墨4 0 3 5 3 0 2 5 0l 23456 h y d r o c h l o r i ca c i dc o n l m l 图3 7 盐酸量对产率和清汁脱色率的影响 f i g 3 - 7t h ei n f l u e n c eo f h y d r o c h l o r i ca c i do nt h e y i e l da n dt h ed e c o l o r i z a t i o no fc l e a rj u i c e ，：i等一jo s目百ip ；e为砧”柚如 g拿夸jog薯i-o8暑 ”竹柏砧砷钻如柏” 邑蕾jo gil!jo暑善 酷驺如蛄柏”如嚣 蔗渣活性炭的制j p 及其在糖液脱色中的应用研究 图3 - 6 和图3 7 可知，随着盐酸含量的增加活性炭产率并没有很大的变化，所以说 盐酸对活性炭的产率影响非常小，基本可以忽略。但从两图可以得知随着盐酸的增加生 产的活性炭在糖浆脱色和清汁脱色方面都越来越低，所以盐酸对脱色有反作用。综合考 虑盐酸对活性炭产率和对糖液脱色的影响，我们可知道盐酸作为添加剂不能用于活性炭 的生产上。 3 2 3 最适微波功率的确定 根据2 2 5 2 安排的实验，计算活性炭产率及糖液的脱色率，用以确定生产活性炭时 的最佳微波功率，具体见图3 8 和图3 - 9 所示： 由图3 8 和图3 - 9 得知，活性炭的产率随着微波功率的不同变化先增长后减少，在 微波功率为6 0 0 w - 6 5 0 w 时，活性炭产率达到较大值，在开始随微波功率增大，活性 炭产率也随着上升，但当功率在超过6 5 0 w 时可能由于微波功率过大，温度高，造成蔗 渣炭化过度，使得活性炭产率过低，所以微波功率对活性炭的产率有很显著的影响。 加 o ，o g | 4 0 3 2 0 m i c r o w a v el w e r ( w ) 图3 - 8 微波功率对产率和糖浆脱色率的影响 f i g 3 8t h ei n f l u e n c eo fm i c r o w a v ep o w e ro n t h ey i e l da n dt h ed e c o l o r i z a t i o no fs y r u p 7 0 5 0 窭 i 柏 3 0 2 0 啪7 0 07 m t c t o w l v cp o w e rf w ) 图3 - 9 微波功率对产率和清汁脱色率的影响 f i g 3 - 9t h ei n f l u e n c eo fm i c r o w a v ep o w e ro nt h e y i e l da n dt h ed e c o l o r i z a t i o no f c l e a r j u i c e 从脱色率方面看，图3 8 得知活性炭对糖浆的脱色在6 0 0 w 时达到最大，图3 - 9 得 知活性炭对清汁的脱色在5 5 0 w 时最大。但活性炭高产率在6 0 0 w - - 6 5 0 w 时才能产生， 所以在选择用于糖浆脱色的活性炭的生产中应选择6 0 0 w ；而清汁虽然在5 5 0 w 时具有 相对较高的脱色率，但在在此功率下活性炭过于低下，不适合生产实际要求，而在6 0 0 w 时虽然脱色效果稍稍有所下降，但此时的活性炭产率却很高，所以综合考虑清汁脱色方 面的活性炭也选择6 0 0 w 作为后续实验基础。 c8羔-量口jo苫_口ap 加舒砷”如柏如加 邑*jo-o!葺置io善 酗如”如柏 蔗渣活性炭的制畚及其在糖液脱色中的重乙用研究 3 2 4 最适炭化时间的确定 根据2 2 5 3 中的试验安排，计算活性炭产率和糖液的脱色率，用于确定生产活性炭 所需的最佳炭化时间，如图3 1 0 和图3 1 l 所示： 由图3 1 0 和图3 1 1 得知，活性炭的产率随着微波炭化时间的加快速增长，到一定 的时间后活性炭谈产率却快速降低，由活性炭产率图可得知炭化时间在活性炭产率上影 响很明显，在炭化时间为1 5 m i n 时活性炭产率达到最大值，在少于或长于1 5 m i n 时活性 炭产率都远远偏低，可能是由于炭化时间过短时炭化不够完全，而在炭化时间过长造成 过度炭化都使得活性炭产量偏低，但要选取多长的炭化时间，还要根据对应时间的脱色 率综合考虑。 6 0 5 0 鑫 | 柚 3 0 2 0 51 01 52 02 5 p r o c e s s i n gt i m e ( r a i n ) 图3 1 0 炭化时间对产率和糖浆脱色率的影响 f i g 3 - 10t h e