Реагент-сорбент для очищення соків і сиропів цукробурякового виробництва і спосіб його одержання

Дані винаходи відносяться до одержання реагентів і сорбентів і можуть бути використані для очищення соків і сиропів цукробурякового виробництва від колоїдно-дисперсних домішок, що містяться в них. Відомий спосіб одержання мінерального реагенту - оксиду кальцію (СаО) випаленням при температурі 890916°С вапнякових порід (вапняку, крейди, мармуру та ін.), які містять не менш 90% карбонату кальцію (СаСО3) [Н.П. Табунщиков, Производство извести, М., 1974.]. У цукровому виробництві оксид кальцію використовують для коагуляції й осадження колоїдно-дисперсних домішок, що містяться в дифузійних соках, (пектинових, кольорових, білкових речовин, сапоніну, та ін.). Ці процеси протікають у результаті дегідратації часточок гідрофільних полімерних домішок і утворення нерозчинних сполучень з іонами кальцію при підвищенні лужності соку до рН10,7-11,8 (А.Р. Сапронов і ін., "Сахар", М., 1981, с.114). Недоліком способу є трудомісткість одержання оксиду кальцію, що пов'язано з розробкою вапнякових родовищ, доставкою його на завод, обпаленням вапняку, яке супроводжується великими витратами палива на випал. Відомий спосіб одержання оксиду кальцію з фільтраційного осаду цукробурякового виробництва. Спосіб передбачає сушіння і випал при 950-1000°С фільтраційного осаду в атмосфері повітря до повного розкладання СаСО3 [патент США, №3796791, Н. кл. 423-177, МПК С04В1/04, 1974р.]. При цьому досягається повернення у виробництво оксиду кальцію і скорочення за рахунок цього кількості випаленого вапняку. Відомий також спосіб регенерації вапна [а.с. СРСР №971829, МПК С04В1/02, 1982р.], відповідно до якого фільтраційний осад цукробурякового виробництва сушать у сушарці при 100-200°С, а потім випалюють при 9501000°С в присутності кисню повітря. Після цього обпалений осад, що складається з оксиду кальцію активністю 90%, надходить на охолодження в камеру з киплячим шаром і потім - на збереження. Недоліками відомих технічних рішень є низька адсорбційна здатність обпаленого осаду. Відомий також спосіб одержання активованого фільтраційного осаду (далі адсорбенту) цукробурякового виробництва і застосування його для очищення дифузійного соку (а.с. СРСР №932834, МПК С13D3/02, 1980р., прототип), при якому фільтраційний осад цукробурякового виробництва висушують і потім прожарюють у присутності кисню повітря при температурі 400-650°С. Охолоджений порошок являє собою адсорбент, що містить СаСО3, MgCO 3 і вуглець, утворений внаслідок згорання органічних речовин фільтраційного осаду. Недоліком відомого способу й адсорбенту є відсутність в ньому оксиду кальцію, необхідного для повноцінної коагуляції колоїдно-дисперсних домішок дифузійного соку. Ще одним недоліком відомого способу одержання адсорбенту є низька адсорбційна здатність прожареного осаду. Процес термічного розкладу органічних речовин (аміносполучень) проходить при температурах в декілька сот градусів з утворенням проміжних продуктів розпаду, а також конденсацією нових сполучень. Закінчується процес при температурах вище 700°С з виділенням летючих речовин і утворенням вуглецю. Проведений термічний аналіз зволоженого зразка прожареного при 640°С (при умовах способу-прототипу) фільтраційного осаду показує (фіг.1), що з ростом температури (крива 1) відбувається поступове зменшення маси зразка (крива 3). Воно супроводжується екзотермічним ефектом процесу розкладання органічних речовин, що на кривій диференційного термічного аналізу відображено в вигляді розтягнутого тепловиділення (крива 2). Термічне розкладання органічних речовин практично закінчується при 778°С, і з цієї температури інтенсивне зменшення маси зразка супроводжується інтенсивним ендотермічним ефектом. Інтервал температур від 778 до 930°С характеризується дисоціацією СаСО3 на СаО і CO2. Зменшення маси зразка при нагріванні до 778°С свідчить про наявність у поверхневому шарі часток (чи їхні х агрегатів) карбонату кальцію продуктів розпаду і конденсації органічних речовин, що є причиною зниження адсорбційних властивостей одержуваного адсорбенту, тому що при цьому зменшується позитивний заряд (чи навіть міняється на негативний) його поверхні. [Хомичак Л.М. Совершенствование известково-углекислотной очистки сока на основе изучения электроповерхностных свойств карбоната кальция. Автореф. канд. дисс., Киев, 1985г.]. Вуглець, що утворюється при прожарюванні осаду до 650°С, вимагає додаткової активації. На кривій диференційного термічного аналізу (крива 3) в інтервалі 420500°С не зареєстровано теплового ефекту дегідратації гідроксиду кальцію (Са(ОН)2, що є свідченням відсутності оксиду кальцію в адсорбенті. В основу винаходу поставлена задача в адсорбенті для очищення соків і сиропів цукробурякового виробництва і способі його одержання шляхом розширення як складу компонентів, так і операцій способу, надати реакційну спроможність та підвищити сорбційні властивості адсорбенту, одержуваного з фільтраційного осаду цукрового виробництва. Зазначена задача винаходу вирішується тим, що реагент-сорбент для очищення соків та сиропів цукробурякового виробництва, що містить карбонат кальцію та вуглець, відповідно до винаходу, додатково містить оксид кальцію при наступному співвідношенні зазначених компонентів, мас. %: карбонат кальцію 61,0-69,0 оксид кальцію 24,7-35,2 дисперсний вуглець 3,8-6,3 Зазначена задача винаходу вирішується і тим, що в способі одержання реагенту-сорбенту для очищення соків і сиропів цукробурякового виробництва, у якому фільтраційний осад цукробурякового виробництва висушують і потім випалюють, відповідно до винаходу, зазначений фільтраційний осад висушують при температурі 100-200°С, подрібнюють, випалюють без доступу кисню при температурі 850-900°С і одержаний реагент-сорбент охолоджують до температури навколишнього середовища. Винаходи супроводжуються ілюстративними матеріалами, де: на фіг.1 представлена дериватограма зволоженого зразка прожареного фільтраційного осаду при 640°С (при умовах відомого способу-прототипу); на фіг.2 приведена дериватограма зволоженого зразка фільтраційного осаду, випаленого при 900°С; на фіг.3 представлені дані про зміну властивостей реагенту-сорбенту, одержуваного з фільтраційного осаду при випалі в діапазоні температур 400-1000°С; і на фіг.4 зображено залежності коефіцієнта фільтрації та показника концентрації водневих іонів соку від вмісту оксиду кальцію в реагенті-сорбенті. Проведеними дослідженнями встановлено, що при випалі фільтраційного осаду без доступу кисню при 850900°С відбувається розкладання СаСО3 на СаО і СО2, а також органічних речовин (цукрози, кольорових речовин, речовин пектино-білкового комплексу, та ін.) з утворенням летючих компонентів і активного вуглецю в залишку, що підтверджується представленою на фіг.2 дериватограмою зволоженого зразка фільтраційного осаду, обпаленого при 900°С. Видно, що нагрівання зразка до 420°С (крива 1) не викликає зміни його маси (крива 3) і не супроводжується фазовими переходами, крива диференційного термічного аналізу відображає хід базової лінії (крива 2). В області температур 420-500°С реєструється ендотермічний ефект і втрата маси зразка. Це викликано розкладанням гідроксиду кальцію, утвореного в процесі зволоження реагенту-сорбенту. Подальше нагрівання зразка призводить до термічної дисоціації СаСО3 на СаО і СО2, що супроводжується ендотермічним ефектом з максимумом теплопоглинання при 900°С. При нагріванні фільтраційного осаду без доступу кисню термічна дисоціація СаСО3 частинок осаду починається з зовнішньої поверхні і просувається до центру частинок згідно з підйомом температури. Це призводить до зменшення в розмірі частинок карбонату кальцію та відтворення нової поверхні, здатної до активної адсорбції. Таким чином утворюється високодисперсний карбонат кальцію, що має високі адсорбційні властивості. Активний вуглець, як складова частина реагенту-сорбенту, утворений в процесі випалу фільтраційного осаду, підсилює адсорбційні властивості частинок реагенту-сорбенту (кристалів і агрегатів карбонату кальцію). На фіг.3 представлена залежність вмісту в реагенті-сорбенті оксиду кальцію С (крива 1) та величини адсорбції А (крива 2) від температури t термообробки фільтраційного осаду. Видно, що вміст оксиду кальцію в реагенті-сорбенті починає збільшуватися з 750-780°С. При цьому відзначається і різке збільшення адсорбційних властивостей реагенту-сорбенту, визначених по величині адсорбції з водяних розчинів барвних речовин продуктів карамелізації цукрози. При температурі випалу осаду 900°С значення адсорбції досягає своєї межі. Спосіб одержання реагенту-сорбенту з фільтраційного осаду здійснюють таким чином. Фільтраційний осад подають у сушарку де для попередження згоряння органічних речовин, що містяться в осаді, сушіння ведуть при 100-200°С газами, що відходять з випалювальної печі, після чого висушений осад поступає спочатку на подрібнювач, а потім в випалювальну піч. Випал здійснюють без доступу кисню при температурі 850-900°С. Подачу теплоносія здійснюють автономними тангенціально встановленими по периферії печі пальниками. З печі теплоносій надходить у сушарку. Утворений у процесі випалу осаду газ частково подається на пальники. Одержаний реагент-сорбент охолоджують і відправляють на склад готової продукції. Випал осаду здійснюється без доступу кисню, за рахунок конвективного теплообміну, унаслідок чого органічні речовини, що знаходяться в осаді, не згоряють, а піддаються піролізу з утворенням активного дисперсного вуглецю. Процес випалу закінчують, коли в обпаленому осаді вміст СаО досягає значення 24,7-35,2%, визначений хімічним аналізом. Отриманий після випалу реагент-сорбент складається з часточок СаСО3, покритих оксидом кальцію і дисперсним вуглецем при співвідношенні зазначених компонентів, мас. %: карбонат кальцію 61-69 оксид кальцію 24,7-35,2 дисперсний вуглець 3,8-6,3 Основним реагентом, який використовується в цукровій промисловості для коагуляції, осадження і розкладання нецукрів дифузійного соку є оксид кальцію. Внаслідок присутності в соку великої кількості колоїднодисперсних речовин, оброблений розчином гідроксиду кальцію сік не піддається фільтрації. При подальшій обробці лужного соку діоксидом вуглецю (сатурація) колоїдно-дисперсні речовини осаджуються на частинках карбонату кальцію, внаслідок чого при рН11,0-11,5 зменшується в'язкість розчину і утворюються хороші умови для відділення осаду шляхом фільтрації. Адсорбційні властивості одержаного реагенту-сорбенту визначали по ефективності знебарвлення модельних розчинів барвних речовин - продуктів термічної карамелізації цукрози, концентрація яких в розчині складала 5г/л. Приклад 1 Фільтраційний осад цукрового виробництва висушують на сушарці при 100-200°С та подрібнюють на дробарці. Висушений та подрібнений осад випалюють у жарових патронах печі при різних температурах в інтервалі 500-1000°С без доступу кисню. Одержаним реагентом-сорбентом обробляють модельні розчини барвних речовин. Результати дослідження зміни адсорбційних властивостей реагенту-сорбенту в залежності від температури випалу осаду наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Зміна адсорбційних властивостей реагенту-сорбенту в залежності від температури його одержання № досліду Температура випалу, °С 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 490 610 710 760 800 850 975 900 930 Зміна показників розчину барвних речовин Величина адсорбції Ефект концентрація, кольоровість, од. оптичної барвних речовин, знебарвлення, % мг/г г/л густини 5 12800 0 0 4,9 12300 20 3,91 4,85 12200 30 4,69 4,72 11500 56 10,16 4,70 11470 60 10,39 4,58 11300 84 11,72 1,57 3820 760 70,00 1,40 3620 790 71,72 1,10 2600 815 78,13 0,90 2540 838 80,16 10 11 969 1000 0,92 0,97 2630 2720 832 825 79,45 76,75 Як видно з таблиці 1 при випалюванні фільтраційного осаду адсорбційні властивості одержуваного реагентусорбенту зростають з підвищенням температури випалу. Найбільший ефект знебарвлення одержуємо при обробці модельних розчинів барвних речовин осадом випаленим при температурі більше 850°С. Тому оптимальною температурою випалу слід вважати температуру 850-900°С. Приклад 2 Фільтраційний осад цукрового виробництва висушують при 100-200°С та подрібнюють на дробарці. Висушений та подрібнений осад подають у жарові патрони випалювальної печі. В міру проходження осаду крізь патрони температура його збільшується до 850°С, при якій відбувається термічна дисоціація СаСО3. В процесі піролізу органічних речовин утворюються шкідливі легколетучі гази (CO, NO і ін.), їх видаляють через затворний клапан і пальниковий пристрій. Випал ведуть до досягнення концентрації оксиду кальцію в реагенті-сорбенті 24,735,2%. Результати аналізу фільтраційних осадів, різних по вихідному складу, а також отриманих зразків реагентусорбенту приведені в таблиці 2. Таблиця 2 Зміна якісного складу фільтраційного осаду при його випалі у відсутності кисню № зразка 1 2 3 Температура випалу, °С До випалу 850±10 До випалу 875±10 До випалу 900±10 Склад фільтраційного осаду та реагенту-сорбенту, % мас. СаСОз CaO дисперсний вуглець органічні речовини 85,1 14,9 69,0 24,7 6,3 87,2 12,8 66,4 28,2 5,4 90,8 9,2 61,0 35,2 3,8 Як видно з таблиці, у процесі випалу фільтраційного осаду при 850-900°С одержують реагент-сорбент, що містить: 61,0-69,0% СаСО3, 24,7-35,2% CaO і 3,8-6,3% дисперсного вуглецю. При внесенні реагенту-сорбенту в ди фузійний сік у кількості 1,0-1,2% до маси соку відбувається підлужування його до рН11,2-11,5 за рахунок утворення гідроксиду кальцію. Барвні речовини, що містяться в розчині, і інші колоїдно-дисперсні домішки в зазначеному діапазоні рН коагулюють з утворенням агрегатів. Одночасно відбувається адсорбція домішок і їхнє осадження. При цьому утворюється дисперсна система, що характеризується високими седиментаційно-фільтраційними властивостями. Приклад 3 Для визначення можливості використання реагенту-сорбенту, що заявляється, для очищення соків і сиропів цукрового виробництва, одержаний дифузійний сік обробляють при температурі 85°С різною кількістю реагентусорбенту. Для порівняння проводили досліди по очищенню дифузійного соку оксидом кальцію за традиційною схемою з використанням переддефекації, дефекації і 1 сатурації. Визначалися технологічні показники соку 1 сатурації. В таблиці 3 показана зміна седиментаційно-фільтраційних показників (коефіцієнта фільтрації Fк , швидкості осадження твердої фази соку за перші 5 хвилин S5), рН і кольоровості дифузійного соку в результаті його обробки (протягом 2хв. при 85°С) різною кількістю реагенту-сорбенту. Для порівняння представлені значення тих же показників соку після обробки його такою ж кількістю CaO з подальшою обробкою СО2. Як видно з таблиці 3, при обробці дифузійного соку реагентом-сорбентом у кількості 1-1,2% від маси соку одержують переддефекований сік з показниками, що не відрізняється від соків першої сатурації, отриманих традиційним методом, тобто з використанням 2,5-3% СаО і СО2. Залежності, представлені на фіг.4, свідчать, що зміна кількості оксиду кальцію в реагенті-сорбенті супроводжується зміною лужності (рН) переддефекованого соку (крива 2) і величини коефіцієнта фільтрації (Fк ) (крива 1). При оптимальній концентрації СаО в реагенті-сорбенті 24,7-35,2% коефіцієнт фільтрації дифузійного соку має найменше значення 4-5 (фіг.4), а адсорбція барвних речовин максимальна (фіг.3). Таблиця 3 Зміна кольоровості та седиментаційно-фільтраційних властивостей дифузійного соку, обробленого реагентом-сорбентом та оксидом кальцію Кількість реагентусорбенту, % 0 вихідний сік 0,5 0,75 1,0 1,1 При обробці реагентом-сорбентом Кольоровість, рН Fк S5 од. оптичної густини 15600 6,5 591 300 220 160 9,6 10,8 11,2 11,25 10,7 5,6 2,5 2,5 1,8 2,7 3,5 3,5 Кількість СаО, % 0 вихідний сік 0,5 0,75 1,0 1,1 При обробці СаО з наступною сатурацією Кольоровість, рН Fк S5 од. оптичної густини 15600 6,5 900 683 598 560 9,8 10,35 10,5 10,6 37,6 15,8 10,2 9,4 0,25 0,80 1,23 1,35 1,2 1,5 2,0 2,5 143 127 62 33 11,4 11,6 11,8 12,2 2,5 2,7 4,1 3,9 3,6 3,6 3,3 3,5 1,2 1,5 2,0 2,5 2,75 515 403 297 233 210 10,65 10,8 11,2 11,3 11,3 8,5 6,7 3,5 2,7 2,6 1,46 1,97 3,0 3,7 3,5 Забезпечення високих седиментаційно-фільтраційних власти востей переддефекованого соку, при використанні реагенту-сорбенту, дозволяє здійснити попереднє (перед основною дефекацією) відділення скоагульованих колоїдно-дисперсних домішок і за рахунок цього скоротити витрати вапна на очищення соку до 0,7-1,0% СаО до маси буряка, тобто зменшити в 2,-2,5 рази, при цьому чистота очи щених соків другої сатурації збільшується на 0,8-1,25% і відповідно ефективність очищення на 4-6% у порівнянні з традиційним способом очищення. Додатковою перевагою реагенту-сорбенту, що заявляється, є те, що його використання дозволяє максимально скоротити вапняні відходи та зменшити забруднення ними навколишнього середовища. Застосування реагенту-адсорбенту в цукробуряковому виробництві відкриває можливість для розробки безвідхідної технології очищення дифузійного соку.