食品工程原理 知识点.docx

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食品工程原理知识点

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1×10-12mm—10-5mm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

v分类

（1）阳离子交换剂和阴离子交换剂（强、弱）

（2）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

①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。

②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。

①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

②弱酸型：

以羧酸基–COOH，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。

①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。

②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，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=0.303种组分之和等于1，xA+xB+xS=1.00

○影响浸出速率的因素

①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）

②溶质浓度差固体表层与外层溶液之间的溶质浓度差，也与浸出速度呈正比。

逆流法较并流法浸出效率高。

③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。

④溶剂流速流速大而且呈湍流流动状态时，其浸出速率较大。

⑤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；

⑥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。

⑦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。

⑧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，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：

①萃取的液体混合物与溶剂充分混合，溶质溶于溶剂中。

②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。

③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

○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，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。