微波干燥糖醇及晶型产品的利弊浅析

  • 作者: 超级管理员
  • 时间: 2014-12-09 15:16:23
  • 点击率: 1599

梁智  雷光鸿  姜毅  罗左青  黄忠华

广西轻工业科学技术研究院南宁市  530031

 

摘要  干燥过程是生产环节中不可缺少的生产工艺,不同的干燥设备会达到不同的干燥效果,要根据物质的特性选择干燥设备,本文对传统干燥与微波干燥方式对晶型产品干燥时的利弊进行了浅析。

关键词  干燥;微波;水分;结晶水;产品

ABSTRACT  Drying is an indispensable part of the production process, different drying devices resulting in different effects, it should be done to select suitable device according to the characteristics of materials to be dried.  This paper gives the pros and cons analysis of conventional drying and microwave drying crystal type.

KEY WORDS  drying; microwave; moisture; crystal water; crystal type; product

 

概述

干燥过程几乎涉及生产与生活的所有环节,广泛应用于生产和生活中。其目的是除去原料、在成品及成品中的少(微)量游离水或溶剂等,以便于加工、使用、贮藏和运输等。常规干燥有:火焰、热风、电热、蒸汽等直接或间接干燥,都是利用热传导的原理,将热量从被加热物外部传入内部,逐步使物体中心温度升高,称之为外部加热。要使中心部位达到所需的温度需要一定的时间,导热性较差的物体所需时间就更长。这些传统的干燥方法时间长、能耗大,处理量小,加热不易均匀,劳动强度大。

微波加热干燥则是通过微波发生器产生微波能(指频率在300MHz300GHz的电磁波,是无线电波的一个有限的频带的简称。即波长在1m不含1m1mm之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的简称),再把该微波能输送到微波加热器中,加热器中的物料受到微波的作用。微波能使物质内部的极性分子极化,并引起分子间的磨擦而产生热量,从而致使物料由内向外通体发热,实现物料干燥[1]

微波干燥的优点

微波干燥具有下列显著优质、高效、节能、环保等特点。

2.1  节能

由于含有水分的物质容易吸收微波而发热,因此除少量的传输损耗外,几乎无其它损耗,故热效率高、节能。它比传统干燥方式(热风,蒸气,电加热等)节能40%以上,比红外加热节能20%以上。

2.2  高效

微波加热与传统加热方式完全不同。它是使被加热物料本身成为发热体,不需要热传导的过程。因此,即使是热传导性较差的物料,也可以在极短的时间内达到加热温度。传统方式需要34天才能干燥的物料,使用微波设备干燥,几十分钟内可以完成。

2.3  加热均匀

无论物体各部位形状如何,微波加热均可使物体表里同时均匀渗透电磁波而产生热能。所以加热均匀性好,不会出现外焦内生的现象。

2.4  安全环保

由于微波能是控制在金属制成的加热室内和波导管中工作,所以微波泄漏极少,没有放射线危害及有害气体排放,不产生余热和粉尘污染,既不污染物料,也不污染环境,可实现安全清洁生产。

2.5  操作简单

由于微波干燥实现了工业化连续生产。只要控制微波功率即可实现立即加热和终止,操作简单,大大改善了劳动条件。

随着科学技术的发展,如生物制品、新型材料(多相复合材料、纳米材料、智能材料和生物医学材料等)、高级陶瓷、新型高级食品和新型药物制品等新产品的出现,传统的干燥技术已不能适应。微波干燥技术和微波干燥器则凸显其优势,并已在轻工业、化工材料工业、食品与农产品加工业等行业得到了广泛应用并表现出了显著的优越性。微波干燥无疑是适应新产品要求的一项新技术。

主要应用领域

微波干燥技术可应用于高水份粘稠性物料的干燥;粉状、颗粒状、片状、条状、板状、小型坯件等物料的干燥;污泥等固体废弃物的干燥、杀菌、消毒;食品、药品、医药原料的干燥、杀菌、消毒;大米、面粉的干燥、杀虫、防霉处理等。现已不局限于干燥范畴,还可应用于加热反应、催化剂的活化再生、茶叶的杀青、提香、高分子材料的固化、发泡材料的热处理等。

虽然微波干燥具有较多优势,但也并不是万能的,它的软肋之一就是干燥晶型物质时要特别注意。晶型物质不仅含有游离水,相当部分还含有结晶水,干燥的目的是去除游离水,而不能去除结晶水;晶型物质有晶形,干燥时有可能造成晶形改变;晶型表面有光泽,干燥条件不对,可能风化,导致表面光泽消失,密度改变等,给终端客户使用带来不利因素。

结晶水又称水合水,在物质晶格中具有固定的位置,起着构造单位的作用,以中性水分子存在,是物质化学组成的一部分,水分子的数量与其他成分之间成简单比例。可见结晶水是结合在化合物中的水分子,它们并不是液态水。干燥时不需要也不能去除。例如:石膏CaSO4·2H2O,就是硫酸钙含有2个结晶水分子;胆矾CuSO4·5H2O,就是硫酸铜含有5个结晶水分子。结晶水由于受到晶格的束缚,结合比较牢固,要使它从物质中脱失就需要比较高的温度(一般为200500或更高)。物质脱水后,结构完全破坏,原子重新改组而形成新的物质。带有结晶水的物质的性质:有些结晶水合物加热时会自行熔化,这种溶质溶解于结晶水所形成的溶液(如Na2S2O3·5H2O的熔化);有些结晶水合物在空气中会逐渐自动失去结晶水,这种过程叫做风化,例如十水合碳酸钠Na2CO3·10H2O = Na2CO3 + 10H2O很多结晶水合物在加热时会逐渐失去水分子,最终转变为无水物,同时也伴随着颜色的转变,例如五水合硫酸铜晶体:CuSO4·5H2O(蓝色)→ CuSO4·3H2O(蓝色) → CuSO4·H2O(蓝色)→ CuSO4(无水硫酸铜,白色);还有很多强酸弱碱盐的结晶水合物在加热时发生水解反应,最终会得到金属氧化物,而不是无水盐。

含有结晶水的晶体,仍然是纯净的化合物,而不是混合物,一旦晶体失去结晶水,即转变为另一种物质,晶体里所含的结晶水一般都不很稳定,加热时,容易失去。许多无机盐类化合物都可以吸收环境中的水或水汽,形成带有结晶水的化合物简称水合物,一种无机盐分子能够与多少个水分子结合成水合物,这些水合物的稳定性如何,主要由其所在环境中水的蒸汽压、温度及无机盐自身的组成结构等因素决定。当无机盐的种类一定,温度一定时,结晶水的数目主要由环境中水的蒸气压所决定。

游离水只存在于物质的表面、内部或裂隙中,不参加晶格,呈水分子状态。游离水在物质中的含量是不固定的。当温度达到100110,游离水就完全从物质中逸出。在真空条件下干燥所需的温度将更低。

3.1  典型的含结晶水的无机物

l  硫酸锌  斜方晶系,ZnSO4·7H2O 为白色晶体,有收敛性,在干燥空气中易风化,能溶于水。主要用作制造锌钡白和其它锌盐的原料,也是人造纤维的重要材料。还用作煤染剂、木材与皮革保存剂、骨胶澄清、医药催吐剂和杀真菌剂,以及用于电镀、浮选矿等。农业上用作微量元素肥料,畜牧业用作饲料添加剂等,包括农用硫酸锌,七水硫酸锌,一水硫酸锌,多元硫酸锌等。

l  硫酸铜  三斜晶系,一水硫酸铜用作杀虫剂,也用于颜料、电镀、制药、新型饲料添加剂。目前饲料生产中普遍用的是五水硫酸铜,但五水硫酸铜因含有5个结晶水,在使用过程中会出现水分含量高、流动性不好、易结块,游离酸高会腐蚀设备和影响维生素的稳定性的问题。与五水硫酸铜对比,一水硫酸铜具有以下优势:水分低,不易结块,流动性较好;粒度较细,易于消化吸收;不含游离酸,对饲料中其它成分不会造成影响。

以上两产品都带有结晶水典型的无机盐,如果用微波干燥产品将极易导致产品风化,不仅晶形不存在,色泽也会改变。

3.2  糖及糖醇

l  葡萄糖  斜方晶系,有一水葡萄糖和无水葡萄糖,通过不同的结晶方式,产品的晶形有αγβ等,不同的晶形特性有微小的不同,在红外光谱图就不完全一致,作为液体使用不会有任何差别,但作为固体制片剂,特别是干法制片,即可察觉到打片所需的力和片剂的硬度有差异。利用微波干燥一水葡萄糖直接生产无水葡萄糖是不可能的,水做为分子结构的一部分,去除了结晶水也就改变了晶型,所得的产品将无晶型。无水葡萄糖必须采用结晶工艺得到后,才可考虑用微波干燥去除游离水得到最终产品。

l  异麦芽酮糖  别称帕拉金糖、异构蔗糖,分子式 C12H22O11·H2O,含有一个结晶水的白色结晶,该物质若用微波干燥,会使产品失去结晶水,晶体的光泽特性不复存在,颗粒感消失,产品不仅外观改变,也不是正常的产品,产品的性质也发生改变。

l  甘露糖醇  斜方晶系[2],有αβδ晶型,显微镜下为针形,用沸腾床干燥器、管式风力干燥器和微波干燥器得到的甘露糖醇,仅从外观看不出多大差别。但结晶的密度有明显的差别,前两者干燥所得物产品的密度约为0.500.65g/cm3,而微波干燥所得产物的密度仅为0.35 g/cm3左右。给使用带来不便,如易扬尘、因静电易结团;溶解时一部分受水表面张力的影响,易漂浮在水面上,增加了溶解的难度;造粒特别是制片时,使粒度或片剂的体积增大,导致包装物无形中变小等。好处就是因粒度、蓬松密度小溶解速度则明显快于其它干燥形式。

微波干燥弊端成因

在干燥晶型物质时,大多情况水分是唯一发生内部迁移的物质,传统干燥的粉体大量颗粒团聚在一起,而微波干燥粉体结构疏松、颗粒度小,这与两种不同干燥机制下的传热、传质及颗粒间的相互作用有关。

传统干燥过程中,热能施加于粉体表面使之加热,形成了粉体(微观上某一粒晶体)内部与表面的温度梯度,方向由内向外,而热流密度矢量的方向由外向内,即在传统干燥过程中由表及里实现传热。 随着粉体表面水分的汽化,在粉体表面和内部形成水分的浓度梯度,方向由外向内,扩散流量密度矢量方向由内向外,粉体内部的水分通过扩散向表面移动并在表面汽化,从而使样品干燥。可见在传统干燥过程中,温度梯度与水分梯度的方向相反,传热和传质方向始终相反。在干燥过程中伴随着液相蒸发产生毛细收缩作用,使得粉体物料的比表面减小,粉末的团聚强度明显提高。

微波加热时,粉体中存在水的部分被加热,即粉体的内部和表面同时被加热,而表面又比较容易散热,所以实际上造成内部温度、蒸汽分压高于表面,方向由内向外,同时由于表面水分的优先汽化,造成了粉体表面与内部之间的水分梯度,方向由内向外,于是温度梯度方向和水分梯度的方向相同,造成了传热和传质方向一致,形成内部压力梯度,促使内部水分剧烈、不停地改变运动方向地突破物质的阻碍逸出,使得水分迅速地扩散到表面挥发掉,除干燥时间大大缩短外,还有二个现象值得注意,粉体在微波干燥过程中,粉体内部的水受热汽化产生大量的水蒸气并受热膨胀,使粉体爆裂成为极其微小的碎片或处于爆裂前的膨胀(膨化)状态,而这些微小的碎片在微波的进一步作用下,其中的水蒸气的继续膨胀而分裂为更小的碎片或膨胀状态;水分在电场作用下,分子形态沿极矩方向拉长,加之由内向外运动中不停地改变运动方向,使得逸出的通道特别大。以上两个过程也可能同时发生,在干燥过程中粉体内部的水分主要以气体形式排除,导致粉体的比表面积无形中加大,最终使粉体的容积重量下降[3]

传统干燥过程中由于毛细收缩使得粉体团聚在一起,而微波干燥过程中,由于存在爆裂机制,使得颗粒之间所受的作用力与传统干燥方式颗粒受力相反,同时内部水分以气体形式排出,减弱了粉体的团聚和团聚强度[4]

实验发现,采用传统干燥方式(100)样品需要数小时才能烘干,而用微波干燥只需要大约10min,微波干燥可以大大减少干燥时间,提高生产效率。传统干燥过程中水的去除主要依赖于表面水的蒸发及内部水扩散到表面蒸发两种方式,在干燥过程中由于伴随着液相蒸发产生毛细收缩,使得粉体物料的比表面减小;而微波干燥过程中不仅存在表面水及内部水扩散到表面的蒸发,还存在“爆裂”机制下的表面积增大,在干燥过程中粉体内部的水分主要以气体形式排除,也有利于缩短干燥时间。另外实验还发现不同形状及厚度的粉体微波干燥所用的时间不同,这是由于电磁波透过介质表面向里传播时,能量不断被吸收转化为热能,波所携带的能量由表向里成指数衰减[3]

讨论

在微波干燥过程中由于粉体中的水分以多种形式迅速汽化,分气压迅速升高,大大缩短了粉体的干燥时间,从而使生产周期缩短。

粉体的微波干燥过程中不仅有“爆裂”机制的存在,还有存在着水分逸出通道被扩大,使微波干燥过程中颗粒间的相互作用与传统干燥相反,得到的是比表面积大的粉体,导致粉体的容重下降、空隙度及硬度的改变,将导致最终产品的参数改变。

微波干燥所得的晶体做结晶的晶种要慎重。

因此在选择微波干燥器干燥晶型物质时,如糖醇产品时要慎重,对含结晶水的物质和对要求容积重量较严的晶体物料,尽量避免选用微波干燥器,一定要选用时应注意调整好工艺参数,如功率、温度、速度等,为确保物料的物理性质不改变,要积极探索微波干燥与其它干燥形式的有效结合,甚至在生产效率上做出让步。

参考文献

1 祝圣远等。微波干燥原理及其应用[J],工业炉。20033月。

2 丁绪淮等。工业结晶[M]。化学工业出版社。北京,1985年。

3 田玉明等。微波干燥对共沉淀法制备纳米粉体特征的影响[J],天津大学学报。20066月。

 

4 赵世霞等。粒状产品的真空和微波干燥技术[J],化工装备技术。20074月。