离子交换树脂在制糖工业上的应用

出处：按学科分类—工业技术 轻工业出版社《甜菜制糖工业手册上册》第177页（4668字）

1．脱盐

用H⁺型阳离子交换树脂及OH－型阴离子交换树脂脱盐。糖汁中的盐类(KCl)通过阳离子交换柱时(K⁺离子被置换)：

R^－H⁺+K⁺Cl^－→R^－K⁺+H⁺Cl

再经阴离子交换柱则(Cl－离子被置换)：

R⁺OH^－+H⁺Cl^－→R⁺Cl^－+H₂O

离子交换设备通常是由三组交换柱组成，一组在交换，两组洗涤和再生。每组交换柱可由强酸树脂柱及强(或弱)碱树脂柱组成，亦可由强酸、弱碱、强碱、弱酸四个树脂柱组成(强酸、强碱树脂的再生废液，即可作弱酸、弱碱树脂的再生剂)。糖汁在进入交换柱前，必先经热交换器冷却到20℃以下，以减少转化损失。

当树脂的交换能力接近耗尽，即需进行再生。阳树脂用5%的HCl或H₂SO₄再生，阴树脂用2～4%的NaOH或NH₄OH(弱碱树脂用)再生。

树脂的机械损耗为2～6%；交换当量损失约20%。

采用传统的双床离子交换脱盐法，还存在着：(1)蔗糖转化损失；(2)交换柱周期性地工作洗水稀释糖汁，增加蒸发设备的负担和煤耗；(3)再生剂耗用量大(详见表4－15)；(4)排放大量含酸碱的再生废水等问题。因此目前尚未能在生产上广为应用。

稀汁经离子交换树脂脱盐在国外一甜菜糖厂的生产效果如下(稀汁全部经脱盐处理)：

制造过程糖分总损失降至0．38%(对甜菜)，其中：

废粕 0．20%

滤泥 0．07%

废蜜 0．06%

转化(脱盐过程) 0．01%

未测损失 0．04%

表4－14为稀汁脱盐前后的质量变化。

表4－14 稀汁脱盐前后的质量变化

用酸碱液再生时的再生剂用量见表4－15。

表4－15 再生剂的用量

由于糖汁pH值降得太低，脱盐时一般处理稀汁量约30～50%。

2．软化(脱钙)及糖浆再生软化

用于处理稀汁，将糖汁中的钙盐转变为钠盐，以减少和避免在蒸发罐内形成积垢。

软化糖汁(稀汁脱钙)采用Na⁺型强酸性阳离子交换树脂，其反应为：

2R^－Na⁺+Ca⁺⁺→R－₂Ca⁺⁺2Na⁺

软化装置需两组离子交换柱，其工作周期彼此交错。

进入交换柱的糖汁温度可达85～90℃。

脱钙率约80%，用5～10%NaCl溶液再生。每公斤CaO耗NaCl7公斤(含NaCl99．5%，不溶物不超过0．02%)。树脂用量0．8～1．0米³／100吨甜菜。

当离子交换树脂的交换能力降低时，应周期地用HCl或H₂SO₄再生，再生与洗涤之后，以NaOH溶液处理，用Na⁺置换H⁺。

用上述软化法的主要缺点为：再生需大量食盐和水；产生废水使污水处理复杂化；洗水冲释糖汁；钠较钙、镁造蜜能力大，增加蜜中糖分损失。因此常在利用离子交换树脂处理稀汁进行脱钙同时，再利用离子交换树脂处理二号蜜，以镁离子置换钾钠，详见下一节。

以后试验成功的方法是用糖浆(经软化后的稀汁蒸浓得的糖浆)再生的软化法，即用软化糖浆再生阳离子树脂，以代替用食盐溶液再生，从而避免钠离子进入糖浆。

阳离子树脂软化稀汁时，稀汁中的钙及镁被吸附，而钾钠进入稀汁；利用软化糖浆再生阳离子树脂时，糖浆中的钾钠被吸附而钙镁进入糖浆。因此，再生阳离子树脂后糖浆的含盐量相当于软化前的稀汁。

用糖浆再生还具有不再另用再生剂、几乎无废液、稀汁不再被冲稀等优点。

同用食盐法再生比较，用糖浆再生法的交换量利用率较低，再生时间长，须配备较多的树脂。

最新更有用二号蜜作为再生剂以代替糖浆，采用此法具有进一步改善煮糖效果等优点，但选用的树脂必须能适应交换过程渗透压力变动太大等情况。

3．脱钾钠

稀汁经软化(脱钙)后，如用食盐再生，清汁中钠离子含量增多，如不除去，由于钠离子的造蜜系数较大，将增加废蜜中的糖分损失，这可由下列不同阳离子对蔗糖溶解度影响的顺序中看出：

Mg⁺⁺＜ Ca⁺⁺＜ Li⁺＜ Na⁺＜ K⁺

(0．61) (0．66) (0．73) (0．94) (1．00)

括弧内数据为废蜜中的相对蔗糖浓度，取含钾废蜜为1．00。

从上列顺序中可以看出：以Mg⁺⁺取代Na⁺，K⁺可以减少废蜜中蔗糖的溶解量。在此基础上提出了采用镁离子交换树脂对二号蜜进行脱钾钠的处理。采用带有镁平衡离子的磺基强酸性树脂处理二号蜜，其置换反应如下：

式中 A^－——糖蜜中的阴离子

R——树脂

再生方法系先用水反冲洗，然后用饱和氯化镁溶液再生，其反应式如下：

R－(SO₃⁼)₂－K⁺(或Na⁺)+Mg⁺⁺Cl₂^－

R－(SO₃^－)₂Mg⁺⁺+K⁺－Cl^－+Na⁺+Cl

处理的二号蜜pH＜9，以避免生成Mg(OH)₂沉淀，Bx=68～70%，t=85～90℃。当每小时流量不超过树脂床体积的两倍时，30～50%的Na⁺K⁺被Mg⁺⁺取代。表4－16为二号蜜脱钾钠生产有关数据。

表4－16 二号蜜脱钾钠的有关数据

4．脱色

脱色多用大孔隙Cl^－型阴离子交换树脂，它除了具有离子交换能力外，尚有吸附色素的作用。脱色效率80～90%，用NaCl再生，每使用40～50周期后，交替地用0．5%NaClO和1NHCl洗除有机物和无机物的污染，以恢复其脱色力。

5．转化

用以制取部分或全部转化的液体糖或转化糖浆。

6．脱氨

用以除去渗出用水中的NH₃，以达到渗出用水酸化的目的。

7．离子排斥法

这是一种利用离子交换树脂回收废蜜中糖分的新方法。虽然都采用合成树脂(但类别型号不同)，离子交换法和离子排斥法具有不同的分离原理。离子排斥法是利用某种排斥效应而达到分离目的，用于糖厂是将糖液中游离物质(如色素、钾钠盐等)与非游离物质(如糖分子等)分离。详见第七章第九节。

以上为目前离子交换树脂能应用于制糖工业的七个方面。

表4－17为几种国产离子交换树脂的性能。

表4－17 几种国产离子交换树脂的规格性能

注：*系某设计院测定数据，仅供参考

关于离子交换膜电渗析清净糖汁的问题。

用离子交换树脂清净糖汁，存在耗用再生剂数量大费用高等问题，难于广泛应用，近来研究用离子交换膜电渗析清净糖汁。

电渗析是隔膜分离技术的一种，它利用离子交换膜作为隔膜，在直流电场的作用下，使糖液中的离子定向迁移。而离子交换膜，具有选择透过性，即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只许阴离子透过。当含盐的糖液流经由阴阳膜和隔板交替排列组成的隔室时，在外加直流电场的作用下，阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移功，使汁室中的离子迁离到浓水中，达到糖液脱盐的目的。图4－5为电渗析原理的示意图。

图4－5 电渗析原理示意图

电渗析装置是由离子交换膜、隔板、电极、压紧装置等部件组成。

离子交换膜应具有良好的选择透过性，电阻小，渗水性小，有足够的化学稳定性及机械强度。交换膜性能的好坏，直接影响脱盐效果．

隔板的作用是将阴阳膜分开，是膜间的支承骨架和水流的通道。故隔板应能使水流分布均匀，能在膜而上造成紊流效果。有效面积要大，厚薄均匀并富于弹性易于压紧。

电极应为具备导电性能好、耐腐蚀、有足够机械强度的材料。

电渗析清净糖汁如同超滤、反渗透一样，仍处于研究阶段，目前虽取得较大进展，但仍存在一些问题，如：膜的污染、耐高温膜的制造、经济合理的电渗器结构、膜寿命等，有待进一步研究解决，以便在生产中应用。