水力空化对原糖溶液表面张力的影响

黄永春 吴修超 任仙娥 杨 锋

（广西工学院生物与化学工程系，广西 柳州 545006）

原糖溶液的物理化学性质，如表面张力、黏度和电导率等，对原糖的制炼过程，如澄清、蒸发和结晶等有着重要的影响。目前制糖工艺过程通常通过添加表面活性剂来改变糖液的表面张力。近年来，通过超声波对糖液作用从而改变其表面张力的研究已有报道［1－3］。超声波对溶液性质的影响主要源于超声“空化效应”及由此引发的物理和化学变化。超声波传播过程也就是波的膨胀和压缩的交替过程，在膨胀周期内，超声波对液体产生负压效应，施加于液体的负压使液体断裂而产生空穴，形成空化核，即在液体中生成充满气体的气泡，这种现象被称为空化现象。空化出来的气泡停留时间很短，几乎是刚刚生成便立刻受到来自相邻压缩区的压力，造成这些气泡在极短时间内迅速崩溃消失，并在其周围的极小空间范围内产生局部高温（高达5 000K）和局部高压（可达50MPa），伴随出现强烈的冲击波和速度高达100m／s微射流，这些物理条件为水中有机物降解提供了一个极为有利的理化环境［4，5］。

水力空化是空化的一种方式，近年来水力空化强化化工过程的研究日益受到重视。水力空化与超声空化对过程的强化原理是相同的，区别在于形成空泡的手段上。水力空化是液体通过限流区域时，液体内局部压强降至饱和蒸汽压以下，液体内会产生大量的气泡，这些气泡在随着液体流动过程中，遇到压力增大时会急剧溃灭，瞬间产生高温、高压及高时速的微射流［6］，从而产生多种极其复杂的物理、化学效应。研究［7，8］表明，水力空化对过程的强化效果不比超声空化差，而水力空化的能量利用率明显高于超声空化，更具工业化的优势。

为进一步了解水力空化对原糖溶液物理化学性质的影响，本试验基于涡流的水力空化对原糖溶液表面张力的影响及其规律，为水力空化在制糖工业中的应用提供基础和参考依据。

1 材料与方法

1.1 主要设备与材料

1.1.1 主要仪器与设备

全自动表面张力仪：DT－102型，淄博华坤电子仪器有限公司；

光波炉：DKE200－829A 型，中山市国太电器有限公司；

托盘天平：JTP－20型，江苏常熟衡器厂。

涡流空化装置：本实验室自制。如图1 所示，涡流空化装置是由一个涡轮、电动机、压力表、若干阀门和辅助管道等组成。电动机带动涡轮旋转，当液体流经旋转着的涡轮时形成涡流，在涡流中心形成低压区，当压强低于液体蒸气压时形成空化气泡，气泡随着涡轮的旋转流出涡轮后，由于压强突然变大而使气泡溃灭，从而产生空化效应。

图1 涡流空化装置示意图Figure 1 The abridged general view of swirling cavitation equipment

1.1.2 材料

原糖：二级原糖，广东东莞市制糖厂有限公司。

1.2 分析方法

原糖溶液表面张力测定：采用全自动表面张力仪测定。根据表面张力下降率，判断水力空化对原糖溶液的空化效果。

式中：

fr—— 表面张力下降率，%；

f0—— 空化前溶液表面张力，mN／m；

ft—— 空化后溶液表面张力，mN／m。

1.3 试验方法

1.3.1 初始浓度对原糖溶液表面张力的影响 配置不同浓度（0.10，0.15，0.20，0.25，0.35，0.45g／mL）的原糖溶液3.5L，水浴加热溶液到60 ℃，在0.2 MPa压力下通过空化装置循环2min，测定空化前后原糖溶液表面张力的变化。

1.3.2 涡轮出口压力对原糖溶液表面张力的影响 配置浓度为0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加热溶液到60 ℃，在不同的压力（0.1，0.2，0.3，0.4 MPa）下通过空化装置循环2min，测定空化前后原糖溶液表面张力的变化。

1.3.3 溶液温度对原糖溶液表面张力的影响 配置浓度为0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加热溶液到不同温度（30，40，50，60，70 ℃），在0.2 MPa压力下通过空化装置循环2min，测定空化前后原糖溶液表面张力的变化。

1.3.4 空化时间对原糖溶液表面张力的影响 配置浓度为0.15g／mL的原糖溶液3.5L，水浴加热溶液到60 ℃，在0.2 MPa压力下通过空化装置循环不同的时间（1，2，5，10，20min），测定空化前后原糖溶液的表面张力的变化。

2 结果与讨论

2.1 初始浓度对原糖溶液表面张力的影响

由图2可知，原糖溶液初始浓度对空化后溶液表面张力有明显的影响。原糖溶液浓度越大，表面张力下降率越高，在相同的空化条件下，当原糖溶液浓度为0.10g／mL 时，表面张力下降率只有4.8%，而当原糖溶液浓度为0.45g／mL时，表面张力下降率可以达到12.4%。表面张力是物质分子间相互作用力的宏观表现，是分子内聚力的一种反映［4］。在水力空化强大的剪切力和空化作用下，原糖溶液中的组分分子的运动加剧，使其分子间引力减小，宏观上表面张力降低；此外，空化作用可以降低溶液黏度，使水分子之间以及水分子与溶质间的结合力减小，也即减小了溶液的表面张力。原糖溶液浓度越大，受空化作用影响的溶质分子影响的数量越多，最终分子间引力减小的越明显，所以表面张力下降率随原糖溶液浓度的升高而增大。

图2 原糖溶液初始浓度对表面张力下降率的影响Figure 2 The effect of raw sugar solution initial concentration on the percentage of surface tension decreased

2.2 涡轮出口压力对原糖溶液表面张力的影响

由图3可知，原糖溶液表面张力下降率随着涡轮出口压力的增加而增大。这是由于出口压力升高时，一方面使流量下降，单位体积的原溶液获得的能量提高，空化气泡含率升高［9］；另一方面，出口压力在一定范围内升高，使空化泡溃灭时产生的压力、温度升高，增强了空化效应。从图3中发现，在0.3 MPa和0.4 MPa条件下表面张力下降率几乎相同，这说明通过增大压力来提高空化效应是有限度的，即在一定的范围内，提高压力有利用空化效应的提高，而当压力达到某一临界值后，再通过增大压力来提高空化效果已不太明显。这是因为，虽然压力增大，空化效应增大，但若压力增大到一定程度，空化泡生长的阻力也增大，空化泡的最大半径变小，空化泡溃灭时释放的能量变小，空化效应不再提高，从而表面张力下降率不再增大。

2.3 溶液温度对原糖溶液表面张力的影响

图3 压力对表面张力下降率的影响Figure 3 The effect of pressure on the percentage of surface tension decreased

图4 溶液温度对表面张力下降率的影响Figure 4 The effect of solution temperature on the percentage of surface tension decreased

由图4可知，在涡流空化原糖溶液的反应中，溶液温度对原糖溶液表面张力下降率影响明显。在其它条件相同的情况下，当溶液温度为30 ℃时，空化2min后原糖溶液的表面张力下降了7.5%左右，而随着溶液温度的升高，表面张力下降率逐渐下降，当反应温度为70 ℃时，表面张力下降率仅为5%左右。这是由于溶液温度越小，溶液本身表面张力越大，水力空化作用对溶液表面张力的降低越明显。

2.4 空化时间对原糖溶液表面张力的影响

由图5可知，在涡流空化原糖溶液的反应中，原糖溶液表面张力随着空化时间的增加而减小。当涡轮空化作用于原糖溶液时会产生强大的剪切力和空化作用（即气泡的形成、长大、溃灭），在泡外产生冲击波，使得原糖溶液内能增加，并且破坏胶体粒子的水化层，使亲水胶体与水分子的相互作用力减弱。在反应初期，胶体含量较多，胶体粒子水化层被破坏，亲水胶体与水分子的相互作用力减弱较明显，所以空化初期表面张力下降明显，随着空化作用时间的延长，大量胶体粒子的水化层被破坏，并且分子的相互作用力已减弱到一定程度，所以溶液表面张力基本不再变化。

3 结论

图5 空化时间对表面张力的影响Figure 5 The effect of cavitation radiation time on the surface tension

本试验表明水力空化的作用能够明显降低原糖溶液的表面张力，表面张力的下降程度受到原糖溶液浓度以及空化条件，即涡轮出口压力、溶液温度、空化作用时间等因素影响。在其它参数不变的情况下：①随着浓度的升高，表面张力下降率逐渐升高；②随着出口压力的增大，表面张力下降率逐渐升高；③随着溶液温度的升高表面张力下降率逐渐降低；④随着空化作用时间的延长，表面张力逐渐降低，并且在空化作用初期，其减小速度较快。

与声空化相比，水力空化具有装置设备简单、能耗相对较低、操作方便、维护费用低廉、易实现规模化等优点，其强化化工过程强方面的研究日趋活跃。

1 薛娟琴，吴川眉.超声波对溶液性质的影响［J］.金属世界，2008（1）：25～28.

2 丘泰球，李琳，郭祀远，等.功率超声对溶液性质的影响［J］.应用声学，2003，22（1）：26～30.

3 赵小进，黄永春，杨锋，等.超声波对亚硫酸钙晶粒形成及其形态的影响［J］.声学技术，2010，29（6）：595～599.

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5 李国良，王西奎，王金刚，等.空化降解水中有机污染物的研究进展［J］.济南大学学报，2007，21（1）：34～37.

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