从胶体的双电层结构可知，当胶体形成双电层 的结构后就会稳定，同时由于反离子的扩散态分布， 使整个胶团水化。扩散部分的反离子层越厚，水化 膜就越厚，Zeta 电位也就越大，胶体随之而越趋于 稳定。当Zeta 电位等于零时，呈等电状态。此时， 可动层消失，水化膜最薄，胶粒最易于聚沉。经实 验测定，多数的胶体的临界电位值大都在25～30 mV 之间。当Zeta 电位大于临界电位时，胶体则呈 稳定状态^[1]。

制糖是广西的支柱产业，全区甘蔗面积、总产 量和产糖量位居全国第一，蔗糖产量占全国60%以 上。由于亚硫酸法具有工艺流程和设备简单、澄清 剂用量少等优点，所以95%以上的甘蔗糖厂都采用 此法生产白砂糖^{[2, 3]}。但是，受其工艺条件的影响， 亚硫酸法生产出的白砂糖质量往往不够理想，如白 砂糖色值、胶体、Ca²⁺、SO₃^2-离子残留量偏高，清 汁纯度不高等。因此，优化、改进和控制亚硫酸法 制糖工艺，对提高澄清效果和白砂糖产品质量以及 促进制糖工业的科技进步具有重要的意义。亚硫酸 法主要通过2 个途径实现糖汁的澄清脱色：一是在 蔗汁中加入石灰乳与通入的二氧化硫气体反应生成 亚硫酸钙沉淀，吸附糖浆中的大多数色素等杂质， 钙离子与蔗汁中的蛋白质等胶体在受热的情况下结 合凝聚，从而被新生成的亚硫酸钙粒子吸附而沉淀 除去；二是亚硫酸与蔗汁中的多种不饱和有机化合 物产生加成反应，使双键消失或数量减少，使其颜 色变浅^{[4, 5, 6, 7, 8]}。在制糖工业中对亚硫酸法絮凝澄清机理 的研究还比较少。目前Zeta 电位理论已经广泛应用 于废水絮凝处理、高岭土絮凝处理、菌类悬浮液絮 凝处理，而在制糖工业中Zeta 电位理论的应用也开 始被人们关注^{[9, 10, 11, 12]}。亚硫酸法絮凝澄清过程中Zeta 电位的变化规律的研究，可为控制、优化和改进亚 硫酸法制糖工艺提供理论依据。

基于Zeta 电位理论，本文考察了亚硫酸法甘蔗 混合汁絮凝澄清脱色过程中Zeta 电位的变化情况， 试图从甘蔗混合汁中颗粒表面电荷的变化规律，揭 示亚硫酸法制糖工艺絮凝澄清过程的本质，为利用 Zeta 电位优化和控制亚硫酸法制糖工艺提供依据。 结果表明：甘蔗混合汁从预灰到硫熏中和再到絮凝 沉降，甘蔗汁Zeta 电位的绝对值均在逐渐减小，颗 粒之间的排斥力不断减弱，分散体系稳定性变差， 最后发生聚沉和絮凝现象^[13]。

甘蔗，产地广西；氢氧化钙，汕头市西陇化工 有限公司，AR；盐酸，西陇化工股份有限公司，AR； 氢氧化钠，广东光华化学厂有限公司，AR；亚硫酸， 浓度6%，广州化学试剂厂，AR；阳离子聚丙烯酰 胺(c-PAM)，相对分子质量为8×10⁶，工业级；阴离 子聚丙烯酰胺(a-PAM)，相对分子质量为8×10⁶，工 业级。

甘蔗混合汁的制取：取适量甘蔗，3次压榨，压 榨过程中加入适量水，一般用量为甘蔗量的15%～ 25%。

阳离子聚丙烯酰胺的配制：准确称量1 g阳离子 聚丙烯酸胺，将其溶解于蒸馏水中，用磁力搅拌器 缓慢搅拌至完全溶解，最后稀释定容至1000 mL容量 瓶中，制得1 g/L的阳离子聚丙烯酰胺溶液。

阴离子聚丙烯酰胺的配制：准确称量1 g阴离子 聚丙烯酰胺，将其溶解于蒸馏水中，用磁力搅拌器 缓慢搅拌至完全溶解，最后稀释定容至1000 mL容量 瓶中，制得1 g/L的阴离子聚丙烯酰胺溶液。

Nano ZS90型纳米粒度及Zeta电位分析仪，英国 马尔文仪器公司；JJ500型电子天平，东莞市新阳仪 器设备有限公司；pHS-25型pH计，上海雷磁仪器厂； 恒温磁力搅拌器，上海硕光电子科技有限公司；微 孔膜过滤器，天津市津腾实验设备有限公司； QJH-160型甘蔗压汁机，上海双碟厨具有限公司大溪 分公司。

工艺流程示意图见图1。

图1(Figure 1)

图1 工艺流程示意图

取甘蔗混合汁100 mL于250 mL烧杯中，在恒温 磁力搅拌器中搅拌。首先预灰，保持20 min，加亚 硫酸溶液及石灰进行硫熏中和，至pH=7为止，反应 25 min，随后迅速加入絮凝剂，缓慢搅拌2 min，静 置30 min，最后取絮凝澄清液。后图中各种物质加 入量表示每100 mL甘蔗混合汁加入的量。

用去离子水调节澄清实验中待测液电导率<50 mS/cm，取出待测液导入电位仪的样品池中，测试 温度为25℃，用Zeta电位分析仪测定其Zeta电位值，取3次平行样测定结果的平均值。

从图2～图4可以看出，甘蔗混合汁、阴离子聚 丙烯酰胺Zeta电位均为负值，其中甘蔗混合汁约为 -10.1 mV，阴离子聚丙烯酰胺电位在-30.0 mV左右， 阳离子聚丙烯酰胺的电位约为+17.0 mV。

图2(Figure 2)

图2 糖汁Zeta 电位

图3(Figure 3)

图3 阳离子聚丙烯酰胺Zeta 电位

图4(Figure 4)

图4 阴离子聚丙烯酰胺Zeta 电位

H₂SO₃对甘蔗混合汁的Zeta电位的影响如图5。 从图5可知，当H₂SO₃溶液加入量小于4 mL时，甘蔗 混合汁的Zeta的绝对值随加入量增大迅速减小；当 大于4 mL时，Zeta的绝对值变大；当H₂SO₃加入量等 于4 mL时，Zeta电位的绝对值为3，达到最小值。另 一方面，随着亚硫酸溶液的加入，甘蔗汁pH值在不 断减小。由前面实验研究可知，Zeta电位值受SO₃^2- 和pH值2个因素的影响^[14]，当亚硫酸溶液用量小于4 mL时，Zeta电位值主要受酸度即H⁺的影响，因此， Zeta电位的绝对值随亚硫酸溶液用量的增加而降 低；当亚硫酸溶液用量大于4 mL时，Zeta电位的绝 对值则主要受SO₃^2-影响，因此，Zeta电位的绝对值 随亚硫酸溶液用量的增加而增大。当亚硫酸溶液用 量为4 mL时，Zeta的绝对值达到最小值。

图5(Figure 5)

图5 Zeta 电位、pH 与亚硫酸用量的关系

磷酸对甘蔗混合汁的Zeta 电位的影响如图6。 从图6 可知，当磷酸溶液加入量小于0.03 mL 时， 甘蔗混合汁的Zeta 电位的绝对值随加入量增大迅速 减小；当大于0.03 mL 时，Zeta 电位的绝对值缓慢 减小；当磷酸加入量等于0.21 mL 时，Zeta 电位的 绝对值为1，达到最小值；当大于0.21 mL 时，Zeta 电位的绝对值又开始出现增大的趋势。同时，随着 磷酸的加入，pH 值在不断减小。与亚硫酸类似，当 磷酸加入量小于0.21 mL 时，此时的Zeta 电位值主 要受酸度即H⁺的影响；当磷酸加入量大于0.21 mL 时，Zeta 电位值则主要受PO₄^3- 的影响。当亚硫酸溶液用量为0.21 mL 时，Zeta 的绝对值达到最小值。

图6(Figure 6)

图6 Zeta 电位、pH 与磷酸的关系

氢氧化钙对甘蔗混合汁的Zeta电位的影响包括 Ca²⁺和pH值2个方面的因素。Ca²⁺降低甘蔗混合汁中 的胶体粒子的带电量，同时压缩扩散层降低斥力势， 使Zeta的绝对值减小；OH^-影响溶液pH，Ca(OH)2量 过大，pH过大，使溶液负电荷过多，Zeta的绝对值 升高。从图7可知，当氢氧化钙加入量小于0.2 g时， 甘蔗混合汁的Zeta的绝对值随加入量增大迅速减 小；在氢氧化钙加入量为0.2～0.35 g时，Zeta的绝对 值则缓慢减小；当大于0.35 g时，Zeta的绝对值开始 有增大的趋势；当氢氧化钙加入量等于0.35 g时， Zeta电位的绝对值为3，达到最小值。同时，随着氢 氧化钙的加入，pH值在不断增大，当氢氧化钙加入 量小于0.35 g时，此时的Zeta电位值主要受钙离子即 Ca²⁺的影响；当氢氧化钙加入量大于0.35 g时，Zeta 电位值则主要受OH^-的影响。当氢氧化钙用量为0.35 g时，Zeta的绝对值达到最小值。

图7(Figure 7)

图7 Zeta 电位、pH 与氢氧化钙的关系

本文模拟亚硫酸法澄清工艺的硫熏中和过程， 即在甘蔗混合汁中加入石灰和亚硫酸溶液。在该过 程中，主要考察了亚硫酸的用量对混合汁Zeta 电位 的影响，实验结果如图8。由图8 可以看出，在硫 熏中和过程中，当H₂SO₃ 溶液加入量小于5 mL 时， Zeta 电位的绝对值随亚硫酸溶液用量的增加而减 小；当H₂SO₃ 溶液加入量等于5 mL 时，Zeta 电位 的绝对值为4.0 mV，达到最小值；当继续增加H₂SO₃ 溶液的用量时，Zeta 电位的绝对值开始增大，即表 面电荷增多。由图7 可知，H₂SO₃ 对糖汁Zeta 电位 的影响因素包含SO₃^2-和pH 值2 个因素，随着亚硫 酸的加入，亚硫酸与已加过灰的甘蔗混合汁中的氢 氧化钙发生中和反应，氢离子和氢氧根离子发生中 和生成水，钙离子和亚硫酸根离子发生电中和并结 合成亚硫酸钙，由于氢氧化钙中的OH^-影响溶液pH， 使溶液负电荷过多，因此，与亚硫酸等摩尔反应后， 混合汁的Zeta 电位值增大，即Zeta 电位的绝对值变 小，混合汁中氢氧化钙与亚硫酸全部反应生成了亚 硫酸钙时，Zeta 值的绝对值达到最小值约4.0。当继 续增加亚硫酸用量致H₂SO₃ 过量，H⁺和SO₃^2-浓度均 增大，但由于SO₃^2-更易与亚硫酸钙颗粒表面的钙离 子结合，因此，导致Zeta 绝对值增大，呈更高负电 性。

图8(Figure 8)

图8 亚硫酸澄清工艺中Zeta 电位与亚硫酸的用量的关系

在絮凝过程中主要考察了絮凝剂加入量对混合 汁Zeta 电位的影响，实验结果如图9。由图9 可以 看出，在絮凝过程中，当絮凝剂加入量小于0.5 mL 时，Zeta 电位的绝对值随絮凝剂的增加而减小；当 絮凝剂加入量在0.5～0.7 mL 时，Zeta 电位的绝对 值达到最小值；当继续增加絮凝剂的用量时，Zeta 电位的绝对值则开始增大。由图2～图4 可知，阳 离子聚丙烯酰胺（c-PAM）带正电荷，而甘蔗混合 汁和阴离子聚丙烯酰胺带的是负电荷（a-PAM）。絮 凝剂主要通过电性中和、架桥以及网捕扫卷等方式 完成絮凝，从而实现对甘蔗汁中胶体粒子、高分子 色素等非糖分的分离^{[10, 11, 12]}。当絮凝剂添加过量时， 胶粒表面被絮凝剂分子所饱和，胶粒表面已无吸附 空位而使絮凝剂失去架桥作用，同时表面电荷也随 之增加，导致Zeta 绝对值增大，呈更高负电性。由 于a-PAM 带负电，不能同带负电的甘蔗汁中胶体粒 子发生电中和作用，因此，主要的机理是镶嵌和架 桥作用，所以絮凝效果较差；c-PAM 可以电离出正 电荷，能与甘蔗汁中胶体粒子的负电荷发生中和作 用，所以Zeta 的绝对值降低程度较大，并通过架桥 和镶嵌吸附蔗汁中大量的胶体及色素等非糖成分， 因此，絮凝效果较好。

图9(Figure 9)

图9 Zeta 电位与絮凝剂的关系

从图10 可以看出，甘蔗混合汁在预灰过程中的 Zeta 电位绝对值从10.10 mV 减小为8.34 mV；硫熏 中和过程中，Zeta 电位的绝对值显著减小为3.90 mV；絮凝过程中的Zeta 电位的绝对值继续在缓慢 减小到最小值3.20 mV。整个澄清过程中混合汁的Zeta 电位绝对值不断减小，预灰过程中变化较小， 硫熏中和过程中混合汁的Zeta 电位绝对值迅速减 小，絮凝过程中的Zeta 电位绝对值缓慢减小到最小 值。

图10(Figure 10)

图10 甘蔗汁、预灰、硫熏、絮凝过程中的Zeta 电位

本文基于Zeta 电位理论，考察了亚法工艺中甘 蔗混合汁的Zeta 电位变化情况，其结果如下：

（1）甘蔗混合汁、阴离子聚丙烯酰胺的Zeta 电位均为负值，阳离子聚丙烯酰胺的Zeta 电位为正 值。其中混合汁Zeta 电位约为-10.1 mV，阴离子聚 丙烯酰胺的Zeta 电位在-30.0 mV 左右，阳离子聚丙 烯酰胺的Zeta 电位约为+17.0 mV。

（2）加灰过程中，随加灰量的增加，混合汁 Zeta 电位的绝对值迅速减小；硫熏中和过程中，随 硫熏强度的增大，Zeta 电位的绝对值降低的幅度增 大；硫熏中和汁随着絮凝剂的加入，Zeta 电位的绝 对值继续缓慢减小到最小值。

（3）混合汁从加灰到硫熏中和再到絮凝沉降， 整个过程Zeta 电位的绝对值在不断减小，颗粒之间 的排斥力不断减弱，分散体系的稳定性变差，最后 发生聚沉和絮凝现象。

（4）在亚硫酸法澄清工艺中，氢氧化钙、亚硫酸等澄清剂加入到甘蔗混合汁中，主要通过酸碱中 和、亚硫酸钙颗粒的形成实现正负电荷的中和，从 而进一步降低Zeta 电位值的绝对值。与Zeta 电位为 负值的阴离子絮凝剂相比，Zeta 电位为正值的阳离 子絮凝剂可使硫熏中和汁的Zeta 电位的绝对值降低 更多，絮凝澄清的效果更好。 本文的结果表明，Zeta 电位对甘蔗混合汁絮凝 澄清的效果具有重要的影响，Zeta 电位能较好地揭 示絮凝澄清过程的本质，有望通过监测和调控絮凝 过程中Zeta 电位值，实现对亚硫酸法工艺的优化和 控制。