基于微旋流裝置的大米淀粉吸附亞甲基藍(lán)性能研究

吳 撼俞建峰姜雨婷何詩(shī)元趙 江

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

大米是中國(guó)及東南亞國(guó)家的主要糧食，其主要成分為淀粉。大米產(chǎn)量很大，僅中國(guó)年產(chǎn)量就達(dá)到1.4×108t，可用于加工淀粉及其深加工產(chǎn)品[1]。常見(jiàn)淀粉有好幾種，如玉米淀粉，小麥淀粉和馬鈴薯淀粉，相較于前幾種淀粉，大米淀粉因其特殊的理化特性，常被作為增稠劑、膠凝和填充劑應(yīng)用于各類食品加工和工業(yè)生產(chǎn)中。目前，對(duì)于大米淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)與應(yīng)用的研究已成為眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的課題[2-4]。

淀粉及其衍生物均因具有良好的吸附性，可應(yīng)用于印染污水的處理[5]。目前，對(duì)于印染污水的處理方法主要有物理法(絮凝沉淀法[6]、吸附法[7])、化學(xué)法(電化學(xué)法[8]、氧化法[9])和生物法[10]等。其中，吸附法由于具有高效、簡(jiǎn)便、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為了處理印染廢水的主要手段之一[11]。同時(shí)，相較于其他物質(zhì)，大米淀粉作為一種常見(jiàn)物質(zhì)，具有可再生、無(wú)污染、來(lái)源廣泛、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種較好的吸附劑來(lái)吸附印染污水。張甲奇等[12]研究了大米多孔淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效果，Guo等[13]探討了交聯(lián)多孔淀粉的吸附性能，均取得了較好的效果。

水力旋流器作為一種重要的分離裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、分離效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、環(huán)保等行業(yè)[14]。目前對(duì)于淀粉及其衍生物吸附印染廢水的研究較多，但使用水力旋流器作為試驗(yàn)裝置并探討旋流器參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的研究較少，對(duì)于基于微旋流裝置的大米淀粉吸附亞甲基藍(lán)性能的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究擬采用微旋流器為試驗(yàn)裝置，以大米淀粉為吸附劑對(duì)亞甲基藍(lán)進(jìn)行吸附，通過(guò)單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面分析法對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以期為大米淀粉在印染污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉：含水量6.1%(根據(jù)GB/T 12087—2008測(cè)定)，破碎淀粉含量約為2.5%[15]，安徽省聯(lián)河米業(yè)有限公司；

亞甲基藍(lán)：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

超重力微旋流裝置(圖1)：旋流管直徑8 mm，實(shí)驗(yàn)室自制；

電子精密天平：ARB120型，奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司；

恒溫鼓風(fēng)烘干干燥箱：DHG-9076型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

可見(jiàn)分光光度計(jì)：722型，上海欣茂儀器有限公司；

高速離心機(jī)：TGL-16C型，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1. 物料罐 2. 控制球閥 3. 多相流泵 4. 壓力表 5. 旋流管圖1 微旋流裝置示意圖Figure 1 The schematic of mini-hydrocyclone

1.2 主要試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)樣品的配置與旋流時(shí)間 試驗(yàn)前準(zhǔn)確稱取符合試驗(yàn)條件所需濃度的淀粉與亞甲基藍(lán)，將配置試驗(yàn)樣品的自來(lái)水分為2份，分別將淀粉與亞甲基藍(lán)倒入進(jìn)行配置，防止樣品在未加入到旋流器試驗(yàn)裝置前即發(fā)生吸附。試驗(yàn)時(shí)，將二者同時(shí)倒入微旋流裝置的物料罐中，攪拌使其分散均勻后即可開始試驗(yàn)。因大米淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附較快且為了防止因旋流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致溫度上升對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，故采用單次旋流的方法。

1.2.2 吸附效率的測(cè)定 淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效果可通過(guò)測(cè)量吸附前后亞甲基藍(lán)的濃度變化獲得。通過(guò)分光光度法測(cè)量亞甲基藍(lán)濃度[16]，首先建立亞甲基藍(lán)濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，試驗(yàn)時(shí)對(duì)旋流器的底流和溢流分別進(jìn)行取樣，對(duì)溢流口樣品進(jìn)行離心，取上清液，在分光光度計(jì)中測(cè)量其吸光度，根據(jù)建立的濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，獲得亞甲基藍(lán)的濃度。每次取3組樣品，分別測(cè)量后取平均值作為亞甲基藍(lán)出口濃度。淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

η——亞甲基藍(lán)吸附效率，%；

Co——亞甲基藍(lán)進(jìn)口質(zhì)量濃度，mg/L；

Ct——亞甲基藍(lán)溢流口出口質(zhì)量濃度，mg/L。

1.2.3 分離效率的測(cè)定 總分離效率是反映旋流器性能的重要參數(shù)[17]，總分離效率定義為分離出的顆粒量與進(jìn)入旋流器的顆粒總量之比[18]。

(1) 分流比F測(cè)定：旋流器的分流比通過(guò)裝置的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，而流量則通過(guò)量筒和秒表的配合使用得出，分別計(jì)算出旋流裝置的底流和溢流質(zhì)量流量，按式(2)計(jì)算分流比。

(2)

式中：

F——微旋流裝置分流比，%；

Qu——微旋流裝置的底流質(zhì)量流量，kg/h；

Qo——微旋流裝置的溢流質(zhì)量流量，kg/h。

(2) 底流質(zhì)量濃度測(cè)量：對(duì)每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行3次取樣，取樣后將底流樣品分別放入烘干機(jī)中進(jìn)行烘干處理，測(cè)量烘干前后樣品質(zhì)量，取3組樣品的平均值為最終的底流質(zhì)量濃度，按式(3)計(jì)算底流淀粉質(zhì)量濃度。

(3)

式中：

Cu——底流淀粉質(zhì)量濃度，%；

m0——空烘干器皿的質(zhì)量，g；

m1——樣品與烘干器皿的總質(zhì)量，g；

m2——烘干后樣品與烘干器皿的總質(zhì)量，g。

(3) 總分離效率的測(cè)定：計(jì)算方法見(jiàn)式(4)。

(4)

式中：

E——微旋流裝置的總分離效率，%；

Qu——微旋流裝置的底流質(zhì)量流量，kg/h；

Qi——微旋流裝置的進(jìn)料質(zhì)量流量，kg/h；

Cu——微旋流裝置的底流質(zhì)量濃度，%；

Ci——微旋流裝置的進(jìn)料質(zhì)量濃度，%。

1.2.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 分別以淀粉濃度、分流比和進(jìn)料流量為變量，以吸附效率和分離效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)以確定變量的適宜范圍。

(1) 淀粉濃度：固定分流比35%，進(jìn)料流量1 150 kg/h，設(shè)置淀粉濃度分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.2%。

(2) 分流比：固定淀粉濃度0.6%，進(jìn)料流量1 150 kg/h，設(shè)置分流比分別為10%，20%，30%，40%，50%，60%。

(3) 進(jìn)料流量：固定淀粉濃度0.6%，分流比35%，設(shè)置進(jìn)料流量分別為900，1 000，1 100，1 200，1 300，1 400 kg/h。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 基于單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以大米淀粉濃度、分流比、進(jìn)料流量為自變量，以吸附效率(Y1)和分離效率(Y2)為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，用Design-Expert 8.0.5b軟件設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果確定各項(xiàng)參數(shù)的最佳條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 淀粉濃度對(duì)吸附效率和分離效率的影響 由圖2可知，隨著淀粉濃度的逐漸增加，淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效率不斷提高，最終趨向于平穩(wěn)。可能是淀粉作為吸附劑，其濃度越高，吸附效果越好，當(dāng)?shù)矸蹪舛冗_(dá)到一定程度時(shí)，淀粉的吸附能力達(dá)到飽和，最終趨向穩(wěn)定。隨著淀粉濃度的逐漸增加，淀粉的分離效率呈先增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)矸蹪舛葹?.8%時(shí)，分離效率達(dá)到最高(75.6%)。可能是初始濃度一定程度的增大有利于分離，但隨著淀粉濃度的不斷增大，顆粒間的碰撞產(chǎn)生的能耗也在增加，導(dǎo)致旋流器中流體的離心加速度和切向速度減小，導(dǎo)致分離效率降低，最終超過(guò)旋流器的分離能力。

2.1.2 分流比對(duì)吸附效率和分離效率的影響 由圖3可知，隨著分流比的逐漸增加，吸附效率和分離效率均呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)分流比為21%時(shí)，吸附效率和分離效率均達(dá)到最大值，分別為60.1%和77.6%，隨后開始下降。可能是分流比會(huì)對(duì)旋流器內(nèi)流體的流型產(chǎn)生影響，流型主要反映回流區(qū)的大小與位置。分流比較小時(shí)，一定程度上的增大，會(huì)增大回流區(qū)的范圍，增加顆粒的停留時(shí)間，有利于吸附與分離過(guò)程的進(jìn)行；但是分流比過(guò)大時(shí)，回流區(qū)范圍過(guò)大，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在底流口附近會(huì)引起夾帶，導(dǎo)致吸附效率和分離效率的降低[19]。

圖2 淀粉濃度對(duì)吸附效率和分離效率的影響

圖2 Effect of starch concentration on adsorption efficiency and separation efficiency

圖3 分流比對(duì)吸附效率和分離效率的影響

圖3 Effect of the split radio on adsorption efficiency and separation efficiency

2.1.3 進(jìn)料流量對(duì)吸附效率和分離效率的影響 由圖4可知，隨著進(jìn)料流量的逐漸增加，淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效率呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)料流量為1 099 kg/h時(shí)，吸附效率和分離效率均達(dá)到最高值，分別為58.5%和73.4%。可能是隨著流量的增大，淀粉與亞甲基藍(lán)充分接觸，吸附效率增大，進(jìn)料流量達(dá)到一定程度后，過(guò)大的流量產(chǎn)生流體的震蕩則會(huì)破壞淀粉對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附，吸附效率降低；同時(shí)進(jìn)料流量的增加使得旋流器內(nèi)離心力增大，有利于分離的進(jìn)行，但流量達(dá)到一定程度后，剪切力的增加會(huì)破壞流體的連續(xù)性，使得水滴破碎，導(dǎo)致分離效率降低[20]。

圖4 進(jìn)料流量對(duì)吸附效率和分離效率的影響Figure 4 Effect of the feed flow rate on adsorption efficiency and separation efficiency

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面Box-Benhnken模型，設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平的選取見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及處理結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.2 二次回歸方程和方差分析 對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元二次方程回歸擬合與方差分析，得到的二次回歸方程：

Y1=66.18+3.66A-0.36B+0.050C-0.25AB-0.58AC-0.025BC+0.01A2-1.39B2-0.86C2，

(5)

Y2=76.24-0.19A-0.62B+0.44C-0.050AB-1.18AC-0.15BC+2.91A2-7.68B2-1.26C2。

(6)

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiment

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiments

模型中A對(duì)Y1的影響極顯著(P<0.01)，對(duì)Y2的影響不顯著(P>0.05)，B對(duì)Y1和Y2的影響均顯著(P<0.05)，C對(duì)Y1和Y2的影響均不顯著(P>0.05)；交互項(xiàng)AB和BC對(duì)Y1和Y2的影響均不顯著(P>0.05)，AC對(duì)Y1和Y2的影響均極顯著(P<0.01)；二次項(xiàng)A2對(duì)Y1的影響不顯著(P>0.05)，對(duì)Y2的影響極顯著(P<0.01)，B2和C2對(duì)Y1和Y2的影響均顯著(P<0.01)。

2.2.3 響應(yīng)面交互作用分析 由圖5、8可知，淀粉濃度對(duì)吸附效率影響大于分流比，而分流比對(duì)分離效率影響大于淀粉濃度。二者交互作用響應(yīng)面圖較陡峭，等高線圖趨向于橢圓，說(shuō)明有一定的交互作用，但由方差分析可知交互作用不顯著。由圖6、9可知，淀粉濃度對(duì)吸附效率影響大于進(jìn)料流量，進(jìn)料流量對(duì)分離效率影響大于淀粉濃度。二者交互作用響應(yīng)面圖較陡峭，等高線圖趨向于橢圓，交互作用顯著。由圖7、10可知，分流比對(duì)吸附效率和分離效率影響均大于進(jìn)料流量，二者交互作用等高線圖趨向于橢圓，說(shuō)明有一定的交互作用，但由方差分析可知交互作用不顯著。

表3 回歸模型方差分析?Table 3 Variance analysis of regression model

? **表示差異極顯著，P<0.01；*表示差異顯著，P<0.05。

2.2.4 最佳參數(shù)條件驗(yàn)證 通過(guò)對(duì)吸附效率和分離效率回歸模型進(jìn)行分析，在綜合考慮2個(gè)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際操作情況下得到最佳參數(shù)組合為：淀粉濃度1.0%、分流比19%、進(jìn)料流量1 080 kg/h，該條件下吸附效率為69.2%，分離效率為74.3%。按此工藝參數(shù)進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)得的吸附效率為68.1%，分離效率為73.6%，與預(yù)測(cè)值相差較小，所以所建立模型能夠較好地預(yù)測(cè)吸附效率和分離效率。

圖5 淀粉濃度和分流比對(duì)吸附效率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Figure 5 Response surface and contour plots for the interaction effects of starch concentration and split radio on the adsorption efficiency

圖6 淀粉濃度和進(jìn)料流量對(duì)吸附效率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Figure 6 Response surface and contour plots for the interaction effects of starch concentration and feed flow rate on adsorption efficiency

圖7 分流比和進(jìn)料流量對(duì)吸附效率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Figure 7 Response surface and contour plots for the interaction effects of split ratio and feed flow rate on adsorption efficiency

圖8 淀粉濃度和分流比對(duì)分離效率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Figure 8 Response surface and contour plots for the interaction effects of starch concentration and split ratio on separation efficiency

圖9 淀粉濃度和進(jìn)料流量對(duì)分離效率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Figure 9 Response surface and contour plots for the interaction effects of starch concentration and feed flow rate on separation efficiency

圖10 分流比和進(jìn)料流量對(duì)分離效率交互作用的響應(yīng)面圖和等高線Figure 10 Response surface and contour plots for the interaction effects of split ratio and feed flow rate on separation efficiency

3 結(jié)論

本試驗(yàn)探討了淀粉濃度、分流比和進(jìn)料流量對(duì)淀粉吸附亞甲基藍(lán)過(guò)程中吸附效率和分離效率的影響，并通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)試驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，淀粉濃度對(duì)吸附效率的影響較大，其次為分流比和進(jìn)料流量，而對(duì)分離效率影響較大的是分流比，其次為進(jìn)料流量和淀粉濃度。此外，通過(guò)響應(yīng)面法得知淀粉濃度與進(jìn)料流量之間的交互作用明顯，說(shuō)明旋流器的各個(gè)參數(shù)對(duì)旋流器的性能影響存在交互作用，這為旋流器應(yīng)用于旋流吸附方面研究提供了參考。

影響旋流器性能的參數(shù)較多，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)[21]。本試驗(yàn)僅僅研究了操作參數(shù)和物性參數(shù)的一部分，而忽略了結(jié)構(gòu)參數(shù)和其他因素對(duì)旋流器性能的影響，同時(shí)，淀粉的性質(zhì)如破碎淀粉的含量、試驗(yàn)溫度等，均會(huì)對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響，這些將在接下來(lái)的研究中進(jìn)行探討。