【摘要】：甘蔗糖蜜是甘蔗制糖行業(yè)的主要副產(chǎn)物,含有豐富的蔗糖、還原糖、色素和無機鹽,目前主要作為底物生產(chǎn)酒精和酵母,但會產(chǎn)生大量富含色素和無機鹽的廢水。在以甘蔗榨汁為原料的膜法綠色制糖工藝中試成功后,本課題組提出了以糖蜜為原料的膜法綠色制糖工藝---利用膜分離技術從糖蜜中分離得到白砂糖、色素和還原糖。糖蜜的澄清和脫色處理是整個工藝的重點,決定了白砂糖質(zhì)量和產(chǎn)量。因此,本文主要聚焦在糖蜜的膜澄清和脫色階段,研究了膜污染機理、分離機制和膜污染控制,為新工藝的開發(fā)和優(yōu)化提供理論支持。首先,評價了 5種商品化聚醚砜超濾膜的糖蜜澄清效果,發(fā)現(xiàn)UH050超濾膜最適合糖蜜的澄清操作,不僅可以將懸浮物、果膠等物質(zhì)完全去除,而且蔗糖截留率最低、膜污染最小。為了更好地控制澄清階段的膜污染,通過分別關聯(lián)透過通量與平均跨膜壓力、平均膜污染速率和單位能耗的方法測定了不同稀釋倍數(shù)下的臨界通量,建立了稀釋-濃縮模式下的臨界通量測定新方法。根據(jù)臨界通量值和不可逆污染的大小,推斷出糖蜜的最佳稀釋倍數(shù)是8倍,臨界通量值為26-32 L/(m2.h),在臨界通量下運行可以有效地控制膜污染。最后,通過聚多巴胺涂敷和后續(xù)接枝聚合物的膜改性方法,改變聚醚砜超濾膜的親水性和荷電性,探究膜污染的機理。研究發(fā)現(xiàn),在臨界通量下運行,膜面修飾對膜污染的影響較小,但當運行通量大于臨界通量時,膜面的親水性和荷電性對膜污染的影響顯著。氧化海藻酸鈉改性會使膜荷負電性增多,與糖蜜中的主要污染物(荷負電)之間產(chǎn)生更強的靜電排斥作用,從而US100膜的臨界通量增大了14.3%,其總污染阻力因操作通量的不同而降低了29.1%-64.9%。然后,評價了 11種商品化超濾膜和納濾膜的糖蜜脫色效果,發(fā)現(xiàn)UP005超濾膜和NF5納濾膜適合對糖蜜進行脫色操作,色素截留率都超過85%。但是二者截留機理卻不相同,UP005膜是因為膜污染產(chǎn)生縮孔效應而實現(xiàn)色素的高截留,而NF5膜是依靠其自身的致密分離層。系統(tǒng)研究了糖蜜各組分對脫色膜截留和污染行為的影響,發(fā)現(xiàn)還原糖對蔗糖截留的影響可以忽略,無機鹽會爭奪膜表面的水化層,導致膜孔溶脹,從而降低對蔗糖的截留。色素等污染物則會抵消無機鹽誘發(fā)的膜孔溶脹效應,從而提高對蔗糖的截留。最后,通過分析操作參數(shù)對膜污染和蔗糖截留的影響,發(fā)現(xiàn)高溫和低通量會降低蔗糖的截留,高溫和高通量會降低加劇膜污染,攪拌速度對蔗糖截留的影響較小(60 ℃),但會減輕膜污染。UP005聚醚砜膜的耐高溫和耐化學清洗穩(wěn)定性較強,但是其膜污染嚴重影響其長期運行穩(wěn)定性,因此需要對UP005膜進行縮孔和親水化改性,在實現(xiàn)色素高截留率的同時降低膜污染。通過靜態(tài)吸附和過濾操作研究了UP005的膜污染組成,發(fā)現(xiàn)疏水吸附是其發(fā)生嚴重膜污染的主要原因。利用多巴胺輔助膜改性技術對超濾膜進行膜面和孔內(nèi)修飾,發(fā)現(xiàn)這些膜改性技術盡管可以降低靜態(tài)吸附時的不可逆污染,但卻只能部分緩解過濾操作時的孔內(nèi)污染,這主要是由于改性小分子本體存在疏水位點、親水大分子難以進入深層膜孔修飾孔壁、超親水礦化層不穩(wěn)定等原因造成。因此對糖蜜脫色膜的改性,不僅要增加膜的親水性和荷負電性,更重要的是對膜孔進行縮孔處理和提高改性層的穩(wěn)定性,避免孔內(nèi)吸附污染的產(chǎn)生,使其可以依靠修飾后的膜孔實現(xiàn)色素和蔗糖的有效分離。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ028.8;TS249.3
【圖文】：

膜分離技術是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在某種推動力的作用下，使原料逡逑液中部分物質(zhì)穿過膜，部分物質(zhì)被截留，從而實現(xiàn)目標分子分離、提純和富集的逡逑目的（如圖１．２）。逡逑Ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑Ｐｅｒｍｅａｔｅ逡逑圖１．２膜分離過程示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑１．２．１膜分離技術的特點及分類逡逑與其他傳統(tǒng)的分離技術（如過濾、蒸餾、萃取、吸附分離等）相比，膜分離逡逑技術具有以下優(yōu)點：逡逑（１）

■邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＼邋Ｐｅｒｍｅａｔｅ逡逑圖１．４濃差極化示意Ｐ２２〗逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｆｉｌｅ逡逑在膜過濾過程中，由于選擇透過性，膜兩側(cè)會出現(xiàn)溶質(zhì)濃度差，從而在膜兩逡逑側(cè)產(chǎn)生了滲透壓差。膜通量越大，濃度差越大，滲透壓差也越大。膜過濾操作必逡逑須克服滲透壓差進行，因此其有效推動力為跨膜壓差減去滲透壓差。膜通量與推逡逑動力關系如下：逡逑Ｊｖ邋＝邋Ｌｐ邋？邋（ＡＴＭＰ邋－邋Ａｎｂ）邋＝邋—Ｐ￣Ａｎｂ邐．．．邋（１．４）逡逑Ｆ邐Ｈ邋Ｒｔ逡逑式中ＡＩＩｂ是膜兩側(cè)的滲透壓差，Ｒｔ是過濾料液時的總阻力。逡逑７逡逑

溶液逡逑ＡＴＭＰ逡逑圖１．３操作通量與跨膜壓差的關系逡逑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‘‘邐Ｃｋ逡逑ｙ逡逑＼邐Ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｌａｙｅｒ逡逑■邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＼邋Ｐｅｒｍｅａｔｅ逡逑圖１．４濃差極化示意Ｐ２２〗逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｆｉｌｅ逡逑在膜過濾過程中，由于選擇透過性，膜兩側(cè)會出現(xiàn)溶質(zhì)濃度差，從而在膜兩逡逑側(cè)產(chǎn)生了滲透壓差。膜通量越大，濃度差越大，滲透壓差也越大。膜過濾操作必逡逑須克服滲透壓差進行，因此其有效推動力為跨膜壓差減去滲透壓差。膜通量與推逡逑動力關系如下：逡逑Ｊｖ邋＝邋Ｌｐ邋？邋（ＡＴＭＰ邋－邋Ａｎｂ）邋＝邋—Ｐ￣Ａｎｂ邐．．．邋（１．４）逡逑Ｆ邐Ｈ邋Ｒｔ逡逑式中ＡＩＩｂ是膜兩側(cè)的滲透壓差，Ｒｔ是過濾料液時的總阻力。逡逑７逡逑

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本文編號：2801897