速生桉木屑制备活性炭及在炼糖饱充澄清过程的应用

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澄清工序一直是制糖工艺的核心步骤之一,为了提高产品质量以带来经济效益和社会效益,优化澄清脱色工艺是糖厂及糖业工作者亟待解决的问题。速生桉作为广西盛产的植物品种,用其木屑来制备高效活性炭是资源综合利用的举措。本研究以速生桉木屑为原料,研究了速生桉木屑的热解特性和分析其热解动力学,用CO2活化法制备活性炭,探索制备过程的主要影响因素以得到最优制备条件,进而表征最优条件下速生桉木屑活性炭,随后进行了糖汁吸附脱色实验,绘制吸附脱色等温线,了解速生桉木屑的吸附特性和分析其吸附动力学,最后将速生桉木屑应用在精炼糖饱充澄清过程,旨在探索其过程中吸附剂耦合速生桉木屑活性炭对糖汁质量的影响。主要研究内容如下:(1)利用热重分析仪对速生桉木屑进行实验,分析其热分解过程,研究其热解动力学。研究结果显示,速生桉木屑的热分解过程存在两个明显的热失重阶段,最大分解速率是在300℃~400℃之间,在450℃左右近乎完全热分解。通过不同的热动力学方法,可以得到速生桉木屑的热动力学参数。从Kissinger法、FWO法和KAS法分析结果来看,通过Kissinger法计算得到的活化能明显偏小,相关系数也较低,FWO法、KAS法得出的活化能几乎相同,相关系数高,因此热重分析数据与模型相符。与其他生物质原料相比,速生桉木屑的活化能略偏高,需要相对较高的能量才能使其热解完全。(2)以速生桉木屑为原料进行炭化,采用二氧化碳法进行活化,制备活性炭,通过对炭化温度、活化温度、活化时间和CO2流量等工艺参数的设置来观察活性炭吸附性能的影响。通过正交试验确定最佳的工艺条件,最佳条件为碳化温度500℃,活化温度900℃,活化时间50min,CO2流量150ml/g。对优化后样品的氮气吸附等温线、孔径分布及表面微观结构等进行表征,结果表明活性炭表面生成大量大孔和中孔以及部分微孔,比表面积为1085m2/g,由BJH方法计算得到平均孔径0.509nm,总孔容0.108cm3/g。活性炭表面含氧官能团比较丰富,有机物种类较多。(3)利用制备的速生桉活性炭对糖汁进行脱色实验研究。结果表明,该活性炭具有良好的脱色能力,脱色率接近75%,尤其是少量添加时其脱色率接近市售活性炭,随着添加量的增加,速生桉活性炭的脱色率与市售活性炭脱色率的差距加大。随着加热温度的升高,活性炭的脱色效率从开始的明显提高,到75~80℃以后趋于平衡;吸附温度的最适温度为75~80℃。在低温条件下,时,随着p H值的增加,糖汁脱色率降低明显,就吸附而言,降低p H值有利于吸附脱色。速生桉活性炭对糖汁色素的等温吸附过程,符合于Freundlich等温吸附模型,在p H=7.0和80℃条件下,吸附等温线方程为:q=5.88C1.274。(4)利用制备的活性炭与碳酸饱充结合进行糖汁脱色的实验。研究结果表明,原糖精炼澄清采用碳酸饱充与活性炭耦合脱色工艺是可行的。最佳工艺为,先加灰饱充后添加活性炭脱色,该工艺可发挥碳酸饱充的混凝作用与活性炭对可溶色素的吸附作用,提高整体脱色率,同时过滤速率有所提高。同时,采用碳酸饱充与活性炭耦合脱色工艺,可将两个操作合二为一,缩短流程。在饱充p H值范围内,随着p H值的增加,糖汁纯度首先升高明显,然后趋于平缓;糖汁色值首先明显降低,随后趋于平缓。活性炭添加量的变化对糖汁纯度影响不大,但随着活性炭添加量的增大,糖汁脱色率明显提高,添加量到了1g/L后,脱色率上升趋缓,最适工艺参数为,饱充p H值为8.0,活性炭添加量为1.5g/L。
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