甜水混凝除杂的净化效果

刘昊，康勇，王兵，鲁佳，韩强（天津大学化工学院，天津300072）



研究开发

甜水混凝除杂的净化效果

刘昊，康勇，王兵，鲁佳，韩强
（天津大学化工学院，天津300072）

摘要：甜水是油脂水解制取甘油的粗产物，甜水除杂净化是甘油精制的重要环节。本文提出了混凝净化油脂水解甜水的新工艺，研究了相关因素对除杂净化效果的影响。得出当pH值调节阶段pH值为11.4、搅拌转速大于300r/min、搅拌时间为60min、混凝阶段的混凝剂用量为75mg/L、絮凝剂用量为20mg/L、絮凝转速为100r/min、絮凝时间为 30min时，为最适宜的除杂净化操作条件参数，甜水混凝除杂的效果最佳。研究结果表明：采用该方法得到的净化甜水较传统工艺的皂化当量和浊度更小，沉渣易于分离，混凝过程中不破坏脂肪酸结构，可以回收再用。该方法在甜水除杂净化实际生产中具有较大的应用推广价值。

关键词：甜水；杂质；净化

第一作者：刘昊（1994—），女，硕士研究生。联系人：康勇，教授，博士生导师。E-mail ykang@tju.edu.cn。

甜水是油脂水解生产甘油和脂肪酸的初级产物，含有甘油、油脂、低分子量脂肪酸及其盐、碳氢化合物、氨基酸、蛋白质和色素等有机杂质和少量机械杂质。甘油作为一种重要的化工原料，在日化、食品、医药、涂料、国防以及纺织印染等工业领域有着广泛的应用。由油脂水解生产甘油的基本工艺为:油脂水解获得甜水，甜水除杂净化，再经蒸发浓缩，最后蒸馏脱色。甜水的净化效果在整个工艺过程中对成品甘油的质量有着关键性的影响。

目前净化甜水的方法有4种:石灰乳法，即在甜水中先加入石灰乳将pH值调成碱性，使脂肪酸和蛋白质形成钙皂凝聚去除，再加入碳酸钠或硫酸除去过量石灰；偏铝酸钠法，是向甜水中加入盐酸进行酸化破乳，使油脂和脂肪酸上浮，同时与皂类物质反应生成脂肪酸，将之撇去另行处理，再加入NaAlO2溶液和Na2CO3进行凝聚，过滤除去析出的杂质；氯化铁法，是向甜水中加入氯化铁，与脂肪酸盐反应生成铁皂，进行过滤除去胶体杂质，再加入碱液（氢氧化钠或碳酸钠）与滤液中过量的氯化铁反应生成氢氧化铁沉淀，再次进行过滤；氢氧化钡法，是先向甜水中加入硫酸，使甜水中未水解的油脂和脂肪酸上浮去除，再加入氢氧化钡进行凝聚，最后过滤除去杂质[1]。上述4种方法中，石灰乳法容易使设备管道结垢，影响甜水的蒸发效率；三氯化铁法对酸碱度的变化较敏感，处理效果不易控制，影响生产效率。石灰乳法和氯化铁法都需要进行两次过滤，相对提高了操作成本和产品损耗。偏铝酸盐法的优点在于产生的残渣和沉淀量少，操作费用低，但是大量氯化钠的生成使甜水蒸馏时需要添加一台连续排盐排渣设备，蒸馏时的雾沫夹带也会影响甘油质量。氢氧化钡法得到的成品甘油较其他 3种品质更好，也不易使蒸发器结垢，但是氢氧化钡的价格较高。本文提出的混凝净化甜水新工艺[2]，是通过凝聚和絮凝的方法，即混凝法，使甜水中的油脂、脂肪酸及盐和其他微小悬浮颗粒失稳沉淀形成大的絮团，从而使甜水得以净化。过滤得到的滤渣与原脂类物质性质基本一致，可以回收再用。混凝工艺可以提高原料的利用率，省去了固渣处理的费用，因此具有经济环保的特点。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甜水样品取自江苏某油脂厂的油脂水解工段；氢氧化钠；聚合氯化铝；聚丙烯酰胺；酚酞指示液按GB/T 10729标准配制；氢氧化钠标准溶液及硫酸标准溶液按QB/T 2739—2005配制。电热式恒温水浴锅，天津欧诺仪器仪表有限公司；D-8401WZ型电动搅拌器，天津市华兴科学仪器厂；砂芯抽滤器；恒温电热套；蛇冷及水泵；50mL酸、碱式滴定管；散射式光浊度仪，WGZ-100，上海珊科仪器厂。pH计，PHS-3C，上海精密科学仪器有限公司。

1.2 甜水的物性测定

悬浮物含量按GB 11901—1989测定[3]；油脂含量按CJ/T 51—2004测定[4]。浊度利用浊度仪测定。皂化当量按GB/T 13216—2008标准测定[5]。经测定，甜水原液的初始物性为:外观呈微黄色，极为浑浊，悬浮类物质微细不定形，pH值为5.35，密度为1065kg/m3，悬浮物含量为591.0mg/L，油脂含量为 1125.0mg/L，浊度为 295.5NTU，皂化当量为0.5282mmol/100g。

1.3 实验方法

采用混凝法测定对甜水中杂质的去除效果，考察了pH值调节阶段的碱液用量、搅拌速度和时间以及混凝阶段的甜水温度、凝聚剂用量、絮凝剂用量、絮凝搅拌速度和搅拌时间等因素对甜水除杂净化效果的影响，并获得了甜水混凝除杂净化的适宜操作条件参数。

实验的基本过程是，用量筒量取甜水原液200mL于500mL烧杯中，将烧杯置于一定温度的恒温水浴中，设定一定的搅拌转速，加入一定体积的氢氧化钠溶液并搅拌一定时间后停止。用移液管量取一定体积的凝聚剂聚合氯化铝溶液加入烧杯，然后调整搅拌桨转速至150r/min，搅拌2min。调整转速至一定转速，移液管量取一定体积一定浓度的聚丙烯酰胺溶液加入烧杯，搅拌一定时间。将烧杯取出静 20min，使絮状物质充分沉淀于底部，用注射器取出上层清液 10mL，测定浊度。再抽取上清液150mL用于测定皂化当量。

2 结果与讨论

2.1 pH值调节阶段各操作因素对甜水净化效果的影响

（1）pH值 甜水用氢氧化钠调至碱性环境下，脂肪酸与氢氧化钠反应生成脂肪酸钠，部分油脂受热发生水解反应，生成甘油和脂肪酸钠，水解的越充分净化后的甜水质量越高，衡量净化后甜水油脂含量的参数就是皂化当量，因此皂化当量越小甜水的净化效果越好。铝盐作为凝聚剂时，溶液的 pH值在7～8范围内时，聚合氯化铝水解后以负离子的形态存在，可以用最少的混凝剂用量产生最好的混凝沉降效果[6]。以碱液用量代替pH值主要是为了更便于操作控制。

进行实验时，加入的碱液分别与油脂和脂肪酸进行反应，剩余少量的碱促进聚合氯化铝发挥凝聚效果。图1选取的操作工艺参数为pH值调节阶段搅拌转速 300r/min，搅拌时间 60min；混凝温度30℃，凝聚剂用量75mg/L，絮凝剂用量15mg/L，絮凝转速100r/min，絮凝时间30min。从图1中就可以看出，随着碱液用量增大，混凝后上清液的皂化当量先急剧减小后缓慢减少，说明碱液首先与脂肪酸和细小油脂颗粒发生化学反应，表现为皂化当量的急剧减小；随着碱液用量继续增加，未反应的氢氧化钠使甜水转变为碱性体系，从而使聚合氯化铝发挥的凝聚效果增强，使甜水中杂质被混凝去除，甜水的浊度逐渐减小并在pH值为10.9时达到最低点。随着碱液用量再增加，铝盐因形成沉淀而混凝作用减弱，导致甜水浊度有增大趋势。结合皂化当量和甜水浊度两个指标的变化趋势分析，选择 pH值为11.4较为合适，此时甜水中的杂质能充分与碱反应，剩余碱液又能促进聚合氯化铝发挥凝聚效果。

图1 pH值调节阶段pH值对甜水净化效果的影响

（2）转速 当碱液加入到甜水中时，快速搅拌可以促进氢氧化钠与油脂和脂肪酸充分接触和反应，有利于降低甜水的皂化当量。图2选取的操作工艺参数为pH值调节阶段pH值为8，搅拌时间60min；混凝温度30℃，凝聚剂用量75mg/L，絮凝剂用量 15mg/L，絮凝转速 100r/min，絮凝时间30min。图2中的结果表明，随着搅拌转速的增加，混凝后上清液的浊度和皂化当量均减小，皂化当量在后半部分减小趋势变缓。综合考虑，选择300r/min为适宜的搅拌转速。

图2 pH值调节阶段搅拌转速对甜水净化效果的影响

（3）搅拌时间 延长碱液在甜水中的反应时间，可提高甜水的净化效果。图3选取的操作工艺参数为pH值调节阶段pH值为8，转速300r/min；混凝温度30℃，凝聚剂用量75mg/L，絮凝剂用量15mg/L，絮凝转速100r/min，絮凝时间30min。从图3可以看出，皂化当量和甜水浊度均随反应时间的延长而减小，但增加反应时间会直接降低处理效率。在保证皂化当量满足工艺要求的前提下适当缩短反应时间是合理的。因此，选择pH值调节阶段碱液作用时间为60min较为合适。

图3 pH值调节阶段搅拌时间对甜水净化效果的影响

2.2 混凝阶段各操作因素对甜水净化效果的影响

图4 温度对甜水净化效果的影响

（1）混凝温度 一般情况下，固液两相体系的温度对杂质混凝效果有较大影响。但聚合氯化铝的凝聚效率主要由其结构形态特征决定，而影响这一特征的因素主要有凝聚剂浓度、体系pH值和凝聚时间等，不受凝聚温度影响[7]。因而凝聚温度对甜水净化效果的影响显著弱于其他影响因素。图4选取的操作工艺参数为pH值调节阶段pH值为8，转速300r/min，搅拌时间60min；凝聚剂用量75mg/L，絮凝剂用量15mg/L，絮凝转速100r/min，絮凝时间30min。从图 4中皂化当量和浊度随凝聚温度升高的变化趋势看出，改变凝聚温度对甜水净化效果几乎没有影响。因此，凝聚净化甜水的最佳操作条件对凝聚温度没有具体要求，在生产中可以不用刻意调节甜水的温度。

（2）凝聚剂用量 聚合氯化铝对甜水中杂质的混凝是其水解产物对杂质胶粒进行电中和、脱稳、卷扫、网捕和吸附架桥作用形成大的颗粒聚集体而去除的。增加聚合氯化铝的用量会使混凝作用增强，甜水净化效果更好。图5选取的操作工艺参数为pH值调节阶段pH值为8，转速300r/min，搅拌时间60min；混凝温度30℃，絮凝剂用量15 mg/L，絮凝转速100r/min，絮凝时间30min。从图5可以看出，凝聚剂用量的增加使净化后甜水的皂化当量和浊度有显著的减少。本研究中选择75mg/L为凝聚剂最佳用量，既可以满足皂化当量的要求又能减少药剂成本。如果实际生产中要求进一步提高净化效果，可以适当增加混凝剂用量。

图5 凝聚剂用量对甜水净化效果的影响

（3）絮凝剂用量 聚丙烯酰胺是一种应用广泛的絮凝剂。在本研究中选择阳离子聚丙烯酰胺作为絮凝剂使用。这是因为在经碱液调节和聚合氯化铝混凝的的甜水体系中，阳离子聚丙烯酰胺分子链上的正电荷可以增强聚氯化铝的电中和能力，加快絮体的生长速度；而絮凝剂的“架桥”作用，有利于经聚铝凝聚的杂质聚集体形成大而密实的絮团，加速杂质沉降，增强甜水混凝效果。因此，适当增加絮凝剂用量会使皂化当量和浊度减小。若絮凝剂用量太大反而会使上清液浊度增大[8]。图6选取的操作工艺参数为 pH值调节阶段 pH值为 8，转速300r/min，搅拌时间60min；混凝温度30℃，凝聚剂用量 75mg/L，絮凝转速 100r/min，絮凝时间30min。从图6可以看出，随着絮凝剂浓度的增加，净化后的甜水皂化当量变小，浊度有先减小后增大的过程。因此，选择 20mg/L作为最佳絮凝剂用量。

图6 絮凝剂用量对甜水净化效果的影响

（4）絮凝搅拌转速 合理的搅拌速度可以使絮凝剂的长分子链迅速伸展吸附到杂质颗粒表面产生架桥作用，使杂质絮团更快形成和长大；但是，转速太大会使絮团破碎严重，不利于杂质的有效去除。图7选取的操作工艺参数为pH值调节阶段pH值为8，转速300r/min，搅拌时间60min；混凝温度30℃，凝聚剂用量75mg/L，絮凝剂用量15mg/L，絮凝时间30min。从图7中可以看出，当絮凝搅拌转速在小于150r/min阶段，随着絮凝搅拌转速的增加甜水混凝上清液的浊度和皂化当量变化不明显，而在大于150r/min的转速范围内明显减小，但皂化当量随之增加。在优先保证主要参数皂化当量符合要求的前提下，选择适宜的絮凝搅拌转速为100r/min。

图7 絮凝转速对甜水净化效果的影响

（5）絮凝时间 絮凝时间对甜水净化效果的影响与pH值调节时间对甜水净化的影响原理相同，适当延长时间有利于混凝效果的提高。图8选取的操作工艺参数为pH值调节阶段pH值为8，转速300r/min，搅拌时间60min；混凝温度30℃，凝聚剂用量 75mg/L，絮凝剂用量 15mg/L，絮凝转速100r/min。从图 8中可以看出，皂化当量和浊度随着絮凝时间的延长而降低。同时考虑时间延长对生产效率的影响，选择30min的絮凝时间为最佳操作条件。

图8 絮凝时间对甜水净化效果的影响

3 结 论

采用混凝法对甜水除杂净化效果进行了实验研究。在pH值调节阶段当pH值为11.4、搅拌转速大于300r/min、搅拌时间为60min，混凝阶段的凝聚剂用量为75mg/L、絮凝剂用量为20mg/L、絮凝转速为100r/min、絮凝时间为30min时，甜水混凝除杂的效果最佳。

混凝法在甜水除杂净化实际生产中具有较大的应用推广价值，净化后的甜水较传统工艺浊度更小，过滤更容易，混凝过程中不破坏脂肪酸结构，可以回收再用，避免了固渣废料的产生和处理，提高生产效益。

参 考 文 献

[1] 郭露秋. 甜水净化处理的几种方法与比较[J]. 泸天化科技，2006 （1）:62-63.

[2] 康勇，王兵，刘昊，等. 一种混凝净化油脂水解甜水的方法: 104803510A[P]. 2015-07-29.

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[4] 建设部标准定额研究所. 城市污水水质检验方法标准:CJT 51－2004 [S]. 北京:中国标准出版社，2005:20-22.

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[8] 魏劲英，由庆华. 聚丙烯酰胺在强化混凝中的应用[J]. 科技资讯，2010（23）:221-222.

Impurity removal from sweet water by coagulation/flocculation

LIU Hao，KANG Yong，WANG Bing，LU Jia，HAN Qiang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Sweet water is the primary product of glycerol produced from oil and fat hydrolysis. The purification operation of sweet water is one of the key steps in glycerin refining. A new method of coagulation/flocculation for purification of sweet water was proposed，and the effects of various operation factors was investigated. The results showed that the best operation conditions were pH value of 11.4，time of 60min，and stirring speed over 300r/min during pH adjustment phase and coagulant dosage of 75mg/L，flocculent dosage of 20mg/L，stirring speed of 100r/min and flocculation time of 30min during flocculation phase. Compared with the traditional process，the new purification method can achieve lower saponification equivalent and turbidity of the supernant from the treated sweet water. The flocs sediment could be separated easily and recycled thoroughly. Therefore，this purification method is much valuable for practical impurities removal from sweet water.

Key words:sweet water；impurity；purification

中图分类号：TQ 647

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1509-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.036

收稿日期：2015-10-15；修改稿日期：2015-11-21。