水力空化對原糖溶液表面張力的影響

黃永春 吳修超 任仙娥 楊 鋒

（廣西工學院生物與化學工程系，廣西 柳州 545006）

原糖溶液的物理化學性質，如表面張力、黏度和電導率等，對原糖的制煉過程，如澄清、蒸發和結晶等有著重要的影響。目前制糖工藝過程通常通過添加表面活性劑來改變糖液的表面張力。近年來，通過超聲波對糖液作用從而改變其表面張力的研究已有報道［1－3］。超聲波對溶液性質的影響主要源于超聲“空化效應”及由此引發的物理和化學變化。超聲波傳播過程也就是波的膨脹和壓縮的交替過程，在膨脹周期內，超聲波對液體產生負壓效應，施加于液體的負壓使液體斷裂而產生空穴，形成空化核，即在液體中生成充滿氣體的氣泡，這種現象被稱為空化現象。空化出來的氣泡停留時間很短，幾乎是剛剛生成便立刻受到來自相鄰壓縮區的壓力，造成這些氣泡在極短時間內迅速崩潰消失，并在其周圍的極小空間范圍內產生局部高溫（高達5 000K）和局部高壓（可達50MPa），伴隨出現強烈的沖擊波和速度高達100m／s微射流，這些物理條件為水中有機物降解提供了一個極為有利的理化環境［4，5］。

水力空化是空化的一種方式，近年來水力空化強化化工過程的研究日益受到重視。水力空化與超聲空化對過程的強化原理是相同的，區別在于形成空泡的手段上。水力空化是液體通過限流區域時，液體內局部壓強降至飽和蒸汽壓以下，液體內會產生大量的氣泡，這些氣泡在隨著液體流動過程中，遇到壓力增大時會急劇潰滅，瞬間產生高溫、高壓及高時速的微射流［6］，從而產生多種極其復雜的物理、化學效應。研究［7，8］表明，水力空化對過程的強化效果不比超聲空化差，而水力空化的能量利用率明顯高于超聲空化，更具工業化的優勢。

為進一步了解水力空化對原糖溶液物理化學性質的影響，本試驗基于渦流的水力空化對原糖溶液表面張力的影響及其規律，為水力空化在制糖工業中的應用提供基礎和參考依據。

1 材料與方法

1.1 主要設備與材料

1.1.1 主要儀器與設備

全自動表面張力儀：DT－102型，淄博華坤電子儀器有限公司；

光波爐：DKE200－829A 型，中山市國太電器有限公司；

托盤天平：JTP－20型，江蘇常熟衡器廠。

渦流空化裝置：本實驗室自制。如圖1 所示，渦流空化裝置是由一個渦輪、電動機、壓力表、若干閥門和輔助管道等組成。電動機帶動渦輪旋轉，當液體流經旋轉著的渦輪時形成渦流，在渦流中心形成低壓區，當壓強低于液體蒸氣壓時形成空化氣泡，氣泡隨著渦輪的旋轉流出渦輪后，由于壓強突然變大而使氣泡潰滅，從而產生空化效應。

圖1 渦流空化裝置示意圖Figure 1 The abridged general view of swirling cavitation equipment

1.1.2 材料

原糖：二級原糖，廣東東莞市制糖廠有限公司。

1.2 分析方法

原糖溶液表面張力測定：采用全自動表面張力儀測定。根據表面張力下降率，判斷水力空化對原糖溶液的空化效果。

式中：

fr—— 表面張力下降率，%；

f0—— 空化前溶液表面張力，mN／m；

ft—— 空化后溶液表面張力，mN／m。

1.3 試驗方法

1.3.1 初始濃度對原糖溶液表面張力的影響 配置不同濃度（0.10，0.15，0.20，0.25，0.35，0.45g／mL）的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到60 ℃，在0.2 MPa壓力下通過空化裝置循環2min，測定空化前后原糖溶液表面張力的變化。

1.3.2 渦輪出口壓力對原糖溶液表面張力的影響 配置濃度為0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到60 ℃，在不同的壓力（0.1，0.2，0.3，0.4 MPa）下通過空化裝置循環2min，測定空化前后原糖溶液表面張力的變化。

1.3.3 溶液溫度對原糖溶液表面張力的影響 配置濃度為0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到不同溫度（30，40，50，60，70 ℃），在0.2 MPa壓力下通過空化裝置循環2min，測定空化前后原糖溶液表面張力的變化。

1.3.4 空化時間對原糖溶液表面張力的影響 配置濃度為0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加熱溶液到60 ℃，在0.2 MPa壓力下通過空化裝置循環不同的時間（1，2，5，10，20min），測定空化前后原糖溶液的表面張力的變化。

2 結果與討論

2.1 初始濃度對原糖溶液表面張力的影響

由圖2可知，原糖溶液初始濃度對空化后溶液表面張力有明顯的影響。原糖溶液濃度越大，表面張力下降率越高，在相同的空化條件下，當原糖溶液濃度為0.10g／mL 時，表面張力下降率只有4.8%，而當原糖溶液濃度為0.45g／mL時，表面張力下降率可以達到12.4%。表面張力是物質分子間相互作用力的宏觀表現，是分子內聚力的一種反映［4］。在水力空化強大的剪切力和空化作用下，原糖溶液中的組分分子的運動加劇，使其分子間引力減小，宏觀上表面張力降低；此外，空化作用可以降低溶液黏度，使水分子之間以及水分子與溶質間的結合力減小，也即減小了溶液的表面張力。原糖溶液濃度越大，受空化作用影響的溶質分子影響的數量越多，最終分子間引力減小的越明顯，所以表面張力下降率隨原糖溶液濃度的升高而增大。

圖2 原糖溶液初始濃度對表面張力下降率的影響Figure 2 The effect of raw sugar solution initial concentration on the percentage of surface tension decreased

2.2 渦輪出口壓力對原糖溶液表面張力的影響

由圖3可知，原糖溶液表面張力下降率隨著渦輪出口壓力的增加而增大。這是由于出口壓力升高時，一方面使流量下降，單位體積的原溶液獲得的能量提高，空化氣泡含率升高［9］；另一方面，出口壓力在一定范圍內升高，使空化泡潰滅時產生的壓力、溫度升高，增強了空化效應。從圖3中發現，在0.3 MPa和0.4 MPa條件下表面張力下降率幾乎相同，這說明通過增大壓力來提高空化效應是有限度的，即在一定的范圍內，提高壓力有利用空化效應的提高，而當壓力達到某一臨界值后，再通過增大壓力來提高空化效果已不太明顯。這是因為，雖然壓力增大，空化效應增大，但若壓力增大到一定程度，空化泡生長的阻力也增大，空化泡的最大半徑變小，空化泡潰滅時釋放的能量變小，空化效應不再提高，從而表面張力下降率不再增大。

2.3 溶液溫度對原糖溶液表面張力的影響

圖3 壓力對表面張力下降率的影響Figure 3 The effect of pressure on the percentage of surface tension decreased

圖4 溶液溫度對表面張力下降率的影響Figure 4 The effect of solution temperature on the percentage of surface tension decreased

由圖4可知，在渦流空化原糖溶液的反應中，溶液溫度對原糖溶液表面張力下降率影響明顯。在其它條件相同的情況下，當溶液溫度為30 ℃時，空化2min后原糖溶液的表面張力下降了7.5%左右，而隨著溶液溫度的升高，表面張力下降率逐漸下降，當反應溫度為70 ℃時，表面張力下降率僅為5%左右。這是由于溶液溫度越小，溶液本身表面張力越大，水力空化作用對溶液表面張力的降低越明顯。

2.4 空化時間對原糖溶液表面張力的影響

由圖5可知，在渦流空化原糖溶液的反應中，原糖溶液表面張力隨著空化時間的增加而減小。當渦輪空化作用于原糖溶液時會產生強大的剪切力和空化作用（即氣泡的形成、長大、潰滅），在泡外產生沖擊波，使得原糖溶液內能增加，并且破壞膠體粒子的水化層，使親水膠體與水分子的相互作用力減弱。在反應初期，膠體含量較多，膠體粒子水化層被破壞，親水膠體與水分子的相互作用力減弱較明顯，所以空化初期表面張力下降明顯，隨著空化作用時間的延長，大量膠體粒子的水化層被破壞，并且分子的相互作用力已減弱到一定程度，所以溶液表面張力基本不再變化。

3 結論

圖5 空化時間對表面張力的影響Figure 5 The effect of cavitation radiation time on the surface tension

本試驗表明水力空化的作用能夠明顯降低原糖溶液的表面張力，表面張力的下降程度受到原糖溶液濃度以及空化條件，即渦輪出口壓力、溶液溫度、空化作用時間等因素影響。在其它參數不變的情況下：①隨著濃度的升高，表面張力下降率逐漸升高；②隨著出口壓力的增大，表面張力下降率逐漸升高；③隨著溶液溫度的升高表面張力下降率逐漸降低；④隨著空化作用時間的延長，表面張力逐漸降低，并且在空化作用初期，其減小速度較快。

與聲空化相比，水力空化具有裝置設備簡單、能耗相對較低、操作方便、維護費用低廉、易實現規模化等優點，其強化化工過程強方面的研究日趨活躍。

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