2022年食品工程原理知识点 .pdf
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1、第八章液体吸附与离子交换液体吸附与离子交换的应用1、吸附主要用在脱臭、脱色、沉淀、澄清和除杂等工艺操作中。2、离子交换常用于水的软化、纯化、产品提纯精制,制品的浓缩分离等。液体吸附吸附操作是指流体与某种固体相接触时,固体能够有选择地将流体中的某些组分凝聚在其表面上 ,从而达到分离的目的。这些有吸附作用的固体称为吸附剂 ,在固体表面上被吸附的物质称为吸附质或吸附物。 在吸附过程 ,气体或液体中的分子、原子或离子传递到吸附剂固体的内外表面,依靠键或微弱的分流动相(气体和液体)与多孔固体颗粒相接触,流动子间力吸着于固体上。解吸是吸附的逆过程。吸附单元操作相中一种或多种组份被吸附于固体颗粒上,这种利用
2、各组分吸附力不同,从而使流动相中组份得以分离或纯化的单元操作。多孔固体颗粒 吸附剂被吸附组份 吸附质吸附原理吸附剂固体之所以能够吸附流体分子,是因为固体表面上的质点处于力场不平衡状态, 固体表面具有过剩的能即表面能,当固体与流体分子接触时,被吸附物质与固体之间由于某种吸附力的作用使固体与流体混合物中的某些组分产生吸附,从而降低了表面能。吸附过程所放出的热量,称为该物质在固体表面的吸附热 。按吸附剂与吸附质之间作用力的不同,可将吸附过程分为物理吸附 和 化学吸附两 类。常见的吸附类型及其主要特点物理吸附化学吸附吸附作用力分子间引力化学键合力选择性较差较高所需活化能低高吸附层单层或多层单层达到平衡
3、所需时间快慢食品工业常用吸附剂活性炭、活性白土、膨润土(天然)分子筛、硅胶、吸附树脂活性炭活性炭具有 非极性表面 ,为 疏水 和亲有机物 的吸附剂。它具有性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大和解吸容易等优点。经过多次循环操作,仍可保持原有的吸附性能。活性炭用于于溶剂回收、烃类气体的分馏、各种油品和糖液的脱色、水的净化等各个方面,也常用作催化剂的载体。活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色,内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。活性炭有一个共同的特性,那就是“ 吸附性 ” 。活性炭产生吸附性的原因就是因为它有发达的孔隙结构,就象我们所见到的海绵
4、一样,在同等重量的条件下,海绵比其他物体能吸收更多的水,原因也是因为它具有发达的孔隙结构。但活性炭的这种孔隙结构是肉眼无法看见的,因为他们只有 110-12mm10-5mm 之间,比一个分子大不了多少。活性炭孔隙发达的程度是难以想象的,若取 1 克活性炭,将里面所有的孔壁都展开成一个平面,这个面积将达到1000 平方米(既比表面积为1000g/m2) !影响活性炭吸附性的主要因素就取决于内部孔隙结构的发达程度。活性碳主要用途用于液相吸附类活性碳?自来水,工业用水,电镀废水,纯净水,饮料,食品,医药用水净化及电子超纯水制备。?蔗糖、木糖、味精、药品、化工产品、食品添加剂的脱色、精制和去杂质纯化过
5、滤?油脂、油品、汽油、柴油的脱色、除杂、除味、酒类及饮料的净化、除臭、除杂?精细化工、医药化工、生物制药过程产品提纯、精制、脱色、过滤。?环保工程废水、生活废水净化、脱色、脱臭、降COD 离子交换基本概念在吸附操作中,极性吸附,如果被吸附离子与吸附剂中的离子进行交换,则称离子交换过程。离子交换过程实际上是特殊吸附过程。与吸附不同的是,离子交换是化学过程。离子交换剂吸附剂 离子交换剂。阳离子交换剂 提供阳离子阴离子交换剂 提供阴离子分类(1)阳离子交换剂和阴离子交换剂(强、弱)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页(2)
6、无机交换剂 沸石 为代表有机交换剂 碳质 磺化煤合成 离子交换树脂离子交换树脂是一种带活性集团的不溶性高分子化合物,由两部分组成。离子交换本体和活性基团离子交换本体(R) 由高分子化合物和交联剂组成共聚体。交联剂使高分子化合物形成不溶网状结构。活性基团是网状结构上的官能团,其上带有可游离的离子,称“ 反离子 ” 。如: R-SO3H H+ , (反离子) R-SO-3 (大分子带电基团)(1)阳离子交换树脂此类活性基团一般呈酸性,反离子为阳离子。可与液相中阳离子发生交换。分强酸型和弱酸型。强酸型:磺酸基-SO3H,为代表,特点,性能稳定,在酸碱和中性介质中工作R-SO3H 弱酸型:以羧酸基 C
7、OOH ,或酚基 - -OH 为代表。特点,在水中电解力较低,交换速度慢,适应中性碱性。优点是官能团多,交换容量大。(2)阴离子交换树脂此类活性基团一般呈碱性,反离子为阴离子。可与液相中阴离子发生交换。强碱型:以季胺基 N(CH3 )3,为代表。特点,性能稳定,在酸碱和中性介质中工作。弱碱型:以带伯胺 NH2 、仲胺 =NH ,为代表。特点,优点是官能团多,交换容量大。在水中电解力较低,交换速度慢,。适应中性和酸性介质工作。离子交换树脂分类根据官能团分:阳离子交换树脂阴离子交换树脂根据物理结构分:凝胶类大孔类第九章浸出和萃取固液称浸出或浸取;液 液称萃取 ;浸出体系是由三种组分组成,即溶质A,
8、溶剂 S 和惰性固体B。三角形相图一般用等腰直角三角形相图表示三种组分组成。三顶点分别表示三种纯组分,三角形边上任一点表示一个二元混合物,三角形内某一点则代表一个三元混合物。读图法 :例 M 点,做三边平行线FG、HI 与 JK。BF(或 SG)代表 A 的组成, AH (或 BI )代表 S的组成,AJ (或 SK)代表B 的组成,三元混合物组成;xA= BF=0.30 ;xB= AJ=0.40 ; xS= AH=0.30 3 种组分之和等于1,xA + xB + xS= 1.00 影响浸出速率的因素固液接触表面积固液接触表面积与浸出速率成正比。(切片压碎)溶质浓度差固体表层与外层溶液之间的
9、溶质浓度差,也与浸出速度呈正比。逆流法较并流法浸出效率高。温度较高温度可提高溶质的扩散速度,也能降低溶液的粘度,对浸出有利。溶剂流速流速大而且呈湍流流动状态时,其浸出速率较大。溶剂的条件浸出的目的是溶离,因此溶剂的选择对浸出有很大影响,应考虑;安全性及化学稳定性:无毒,不易分解,不发生化学反应。溶解选择性:溶剂对所选溶质应有高溶解度。溶剂的物理性质:如密度、表面张力、其他等。溶剂回收的难易:一般回收溶剂要用蒸馏法,其过程消耗操作费用最多。经济指标:1.3 浸出操作的流程(单级、多级、逆流多级图) 常采用三种基本流程即:简单接触法、多级接触法和连续微分逆流接触法。(1)简单接触法指分批式 单级
10、接触法,使溶剂添加到装有物料的浸取器中,经过搅拌浸出,使浸出液与浸剩物加以分离后,重复另一次同样操作。(2)多级接触法数组简单接触法浸出装置依序排列,工作时每组称为一级,其效率大于同量溶液一次浸出的原理。(3)逆流多级接触法将数个浸出装置串联,物料F 由第一级进入,浸剩物作为第二级的物料L1,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页依次类推。 溶剂则从第n 级进入, 第 n 级所获浸出液作为第n-1 级的溶剂, 依次逆向而上,其物料与溶剂互为逆向。(4)连续微分逆流接触法指在浸出装置内,物料与溶剂互成逆向连续接触的浸出操
11、作。萃取: 也称溶剂萃取,常指“ 液-液” 萃取,是分离液体混合物的一种重要单元操作。在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂,形成液-液两相,利用各组分在所选溶剂中溶解度的差异而达到分离目的。应用: 直接用于食品工业较少,主要用于提取与其他物质混杂在一起的少量挥发性较小的物质。萃取可在低温下进行,故特别适用于热敏性物料的提取,如维生素、生物碱或色素的提取,油脂的精炼等。萃取操作过程通常由三部分组成:萃取的液体混合物与溶剂充分混合,溶质溶于溶剂中。萃取结束后,将过程中形成的萃取相和萃余相借助分离器将其分开。萃取相经溶剂回收器,以回收溶剂,使之循环使用。液液相平衡关系“ 液-液” 萃取,被萃取
12、的物质从一相转移到另一相中,属于传质过程,有表示;萃取剂 即是溶剂,用S 表示。 溶质 即提取物,用A 表示。 原溶剂 即是原液体混合物中的溶剂,用B表示。 萃取相 用 E 表示。 萃余相 用 R 表示。 料液物 用 F 表示液-液相平衡关系在三角形相图上的表示组分三元物系即溶质A、原溶剂 B、萃取剂S。分为以下三种情况: A 可完全溶解于B 和 S 中,但 B 与 S 完全不互溶; A 可完全溶解于B 和 S 中,但 B 与 S 则部分互溶; A、B 可完全互溶,但B,S和 A,S 为两对部分互溶的组分。第一种情况少见,第三种情况麻烦,应当避免,第二种情况广泛,讨论之。溶解度曲线和联结线溶解
13、度曲线萃取三角形三元物系,在LGJH D L 围成的范围内称两相区,其内任意点反映两个不同组成相。曲线LC D F G 。 H J 称溶解度曲线 。溶解度曲线通过实验测定,可查联结线在两相区内任意点M 是混合物,是两个互不相溶的液相,其组成分别为R 和 E,连接 RME直线称联结线。溶解度曲线的建立在实验条件下,在实验瓶内,一定量的B 中逐渐滴加S,不断摇震使其溶解, 因 B 与 S 部分互溶,故滴加到一定数量后,混合液开始发生混浊,既出现了溶剂相。即 S 在 B 中的饱和溶解度。 在图中记L 点 。类似方法记J 点。在实验瓶内, 加入恰当的B 与 S, 使代表混合物的点如“ C”等,位于LJ
14、 之间,经过一段时间后,溶质A 溶出,逐渐加入A 成为三元物系,故组成点沿AC 线变化。若加入A 的量恰好使混合液由两相变为均一相,相应点记为C 。C 为混溶点。如此改变B,S 组成,得一系列点,连接点成曲线,即为该三元物溶解度曲线。三角形内分两个区域,两相区(曲线以内)和单相区(曲线以外)。当平衡时,如三元物系的组成点在两相区内时,该物系就存在两个液相。联结线两点通常称称共轭相 ,其组成的两点位于溶解度曲线上,如连 RE 点为一对 共轭相 ,萃取操作只能在两相区内。同一物系联结线倾斜方向相同。混合物的和点和差点E 和 R 的量,可从三角形相图中求取:设内任一点M 表示混合液的总组成,M 称和
15、点 ,而 E和 R 则称 差点 。E、M、R 在一条直线上,E 和 R 的质量比:超临界流体萃取精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页超临界流体萃取是以 超临界状态下的流体作为溶剂,利用该状态下的流体所具有的高渗透能 力和高溶解能力 萃取分离混合物的过程。应用超临界二氧化碳萃取咖啡因,啤酒呈味剂,香料中精油等。我国现引进十余套超临界流体萃取设备。如宁夏的 “ 银广夏 ” 等。超临界流体萃取的原理和特性3.1.1 超临界流体的基本性质超临界流体概念(表 9-2) 物质都有临界状态,在此状态下,气液界面消失,体系性质均一,
16、不再分为气体和液体,对应此时称临界温度(TC)和临界压力(PC) ,在状态时,向该状态气体加压,气体不会液化,只是密度增大,具有类似液态性质,同时还保留气体性能,这种状态称为超临界流体。超临界流体基本性质通常为低分子化合物。如烷、烯、醇等密度、粘度和扩散系数是超临界流体的基本性质,超临界流体的。密度接近于液体;粘度接近于气体;扩散系数介于气体和液体之间,比液体大100 倍左右。超临界流体优点超临界流体具有与液体溶剂相近的溶解能力;超 临界流体的传质速率将远大于其处于液态下的溶剂速率且能够很快的达到萃取平衡。超临界 CO2 流体的基本性质右图为纯CO2 的压力、密度和温度关系图。读图 :A-Tp
17、 线表示 CO2 气-固平衡的升华曲线。B-Tp 线表示 CO2 液-固平衡熔融曲线。Tp-Cp 线表示 CO2 气-液平衡蒸汽压曲线。Cp 为气 -液 -固三相共存的三相点。临界点:沿气-液饱和曲线增加压力和温度则达到临界点Cp。物质在此状态下,气液界面消失,体系性质均一,不再分为气体和液体, 相对应温度和压力称临界温度和临界压力。物质通常有其固定的临界点。如 CO2 :临界点 Tp31.06C ,Pc7.39MPa。超临界状态:当体系处于高于临界温度和临界压力时,称超临界状态。此状态即非气体,也非液体,普遍称其为流体状态,所以分离过程称超临界流体萃取。CO2 流体密度CO2 临界温度接近室
18、温,临界压力比较适中,临界密度 (448kg/m3 )最高。因流体的溶解能力一般随密度增加而增加,故CO2 最适合。CO2 流体密度变化规律:在超临界区域,CO2 流体密度可以在很宽的范围内变化,从150-900kg/m3 。在临界点附近,压力或温度的微小变化,可以大幅度改变流体的密度。超临界流体萃取的缺点最大弱点就是溶解量比较小,需要增加溶剂的循环次数才能得到足够的萃取量。所以增加超临界流体对溶质的溶解度,是实际应用的关键。超临界流体萃取技术的应用前景超临界流体萃取技术优点较低温度操作;能稳定地处理对温度敏感物质;产品不含残留溶剂;通过调节温度和压力溶剂的溶解度可得到改变,可选择地分离非挥发
19、物;溶剂回收简单, 无毒无害, 无污染;具有杀菌保鲜作用;二氧化碳不燃烧,安全可靠。第十章膜分离膜的适用范围微滤0.110 m:细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤0.005 0.1 m:蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤0.00050.005 m:低聚糖、染料、多价离子精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页反渗透 0.0001 0.001 m:电解质、大于100Da 的有机溶质水小于100Da 的有机溶质膜分离是利用具有一定选择透过性的过滤介质,依靠其两侧存在的能量差作为推动力,利用混合物中各组分在过滤介质中迁移速率的不
20、同来实现物质的分离和纯化的单元操作。根据推动力本质的不同,具体分4 类:以静压力差为推动力的过程。以蒸汽分压差为动力的过程。以浓度差为推动力的过程。以电位差为推动力的过程。1.2.1 以静压力差为推动力的过程有:微滤( MF) 、超微( UF) 、纳滤( NF) 、反渗透( RO) 。(1)微滤 (MF)利用孔径0.0210m 的多孔来过滤含有微粒的溶液,将微粒从溶液中除去。适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物等。(2)超微 (UF)利用孔径 0.001 0.02m 的超滤膜来过滤含有大分子物质或微细粒子的溶液。适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质,如蛋白、多糖、抗生素等。(3)纳滤(NF)是介
21、于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术。膜具有纳米孔径和对不同价态的阴离子存在 Donnan 效应, 可让溶液中低价离子透过而截流高价离子和数百分子量的有机小分子。食品工业中应用于果汁浓缩、乳糖分离等方面。(4)反渗透 (RO)利用反渗透膜对溶剂的选择性,对溶液施加压力、克服溶剂的渗透压,使溶剂反渗透膜而从溶液中分离出来。应用方面如,海水脱盐、超纯水、从发酵液中分离乙醇、丁醇和丙醇等。1.2.2 以蒸汽分压差为推动力的过程有两种情况,膜蒸馏(MD )和渗透蒸发(PV) 。(1)膜蒸馏利用一张疏水性的微孔膜把温度不同的冷热两股溶液分隔开,由于膜两侧存在一定的温度差,可使热侧的水透过膜进入冷侧。传质过
22、程 :水分子在热侧膜表面处蒸发形成水蒸气;水蒸气透过膜的微孔从膜表面的热侧扩散到冷侧;传递到冷侧膜表面的水蒸气重新冷凝成水。膜蒸馏的主要优点是可以在极高的浓度下进行。现应用于高纯水、溶液脱水和挥发性有机溶液的分离。(2)渗透蒸发渗透蒸发分离机理分为三部分,被分离物质在膜表面上被有选择地吸附并溶解;以扩散的形式在膜内渗透;在膜的另一侧,由于低压汽化脱附而与膜分开。1.2.3 以浓度为推动力的过程(渗析)是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧,从而得到分离的过程。主要应用血液(人工肾)的解毒等。1.2.4 以电位差为推动力的过程(电渗析)是基于离子交换膜对阴阳离
23、子的选择性,在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的。反渗透的基本原理渗透是由于化学位梯度的存在而引起的自发扩散现象。反渗透的浓差极化现象2.3.1 浓差极化现象由于反渗透膜具选择性,允许溶剂通过,这样在膜高压侧表面上的溶质逐渐积累,当其浓度增大到超过溶液主体中溶质时,就形成了膜表面与溶液主体的浓度梯度,引起溶质从膜表面向溶液主体扩散,称浓差极化现象。2.3.2 浓差极化对反渗透操作的影响膜表面溶质浓度增大,使表面溶质渗透通量增多,导致分离效率降低。膜表面溶质浓度增大,使表面溶质渗透压增透过快的组分透过慢的组推膜浓差极化精选学习资料 - - - - - - -
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