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食品级钛白粉的工艺创新研究论文

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  关键词:食品级钛白;制备工艺;工艺创新

  1食品级钛白粉应用前景

食品级钛白粉的工艺创新研究论文

  常规食用二氧化钛是一种较高纯度非包膜处理的锐钛型二氧化钛,在食品医药领域中俗称为白色素,也可以称为食品级钛白粉,或者医药级钛白粉,常作为食品增白剂使用,主要作用是提高食品的光泽度和白度[1]。食品级钛白粉需满足国家标准GB 25577—2010《食品安全国家标准食品添加剂二氧化钛》,是无毒、无味的白色粉末,有时候为了方便分散,也制成液体状,常在糖果包衣、果冻、口香糖、固体饮料、含乳饮料、膨化食品、蜜饯、果酱、沙拉酱、蛋黄酱、白色巧克力等食品中作为添加剂使用,应用范围广泛,市场前景良好[2]。

  2食品级钛白粉制备工艺探讨

  食品级钛白粉更侧重于重金属元素的去除,不需要为了提高颜料性能转化成金红石晶型和进行包膜处理,需要在二洗使用更先进的洗涤装置。为此需要改变工艺生产锐钛型钛白粉,并尝试从配矿、二洗、砂磨、干燥工序上进行工艺创新,确保生产出的锐钛型钛白粉满足食品级的要求。

  2.1配矿对粗品质量的影响

  钛白粉生产的第一步就是将钛铁矿与浓硫酸进行反应,在实际生产中,往往会将至少两种的矿源进行混配,从而使配矿的元素含量达到工艺要求。根据多年的生产数据表明,当配矿中某种元素含量突然变化,粗品中对应的元素含量也会有相同的变化趋势[3]。

  为了生产食品级钛白粉,粗品中各种重金属离子必须控制在极低的范围,不仅要靠水洗去除钛白粉中的杂质离子,还要从源头上控制所采购矿源中的重金属离子。目前最符合此要求的为肯尼亚矿,各种元素含量相比其他矿源处于低点,再与优选过的攀西矿进行混配,可以得出一个较为适合生产食品级钛白粉的配比。

  2.2偏钛酸二洗设备改造

  热水解得到的偏钛酸悬浮液是一种具有粒状结构的凝胶,在放置过程中会缓慢沉淀下来,偏钛酸颗粒吸附着大量母液,母液成分主要是游离硫酸和硫酸亚铁等可溶性杂质,并含有铁、铬、钒、铜、锰等氧化物的杂质离子。水洗主要是利用偏钛酸的水不溶性和杂质离子的水溶性进行液固分离,从而达到净化目的。

  偏钛酸水洗又分为一洗和二洗,一洗是将水解后的偏钛酸进行初步洗涤,可除去80%的杂质离子,然后进行漂白还原水解过程中产生的三价铁离子,保证不会在后续的二洗中产生氢氧化铁胶体,从而影响产品的白度。二洗是煅烧前最后一道净化工序,为了进一步降低产品中各种重金属元素的含量,对现有洗涤装置进行改造升级,引进最新的膜水洗技术,采用高分子微孔滤膜,并用超纯水进行洗涤,使粗品的重金属元素含量就能达到食品级要求。

  2.3砂磨后浆料直接洗涤

  食品级钛白粉对颗粒分布有很严格的要求,因此煅烧出的粗品需通过粉碎过程生产出符合要求的钛白粉。采用湿式粉碎的砂磨设备对初步粉碎并打浆后的粗品进行二次粉碎,辅以锆珠和分散剂使研磨后的粒径分布均匀。由于产品用于食品行业,不需要额外添加化学试剂进行表面处理,以免引入重金属离子。研磨细度合格后直接进行洗涤,以去除煅烧前引入的盐处理剂、浆液水选的分散剂等。洗涤终点可用在线电导率电极测试杂质离子情况,也可用10%的氯化钡溶液来检定,应不含硫酸根离子。

  2.4喷雾干燥后立即包装

  采用喷雾干燥工艺,使浆料在干燥前先行分散成雾化状态,可防止颗粒在干燥时重新聚集。喷雾干燥利用压缩空气使浆料雾化,一般气压应控制在5~6 kg/cm2以上,使物料分散,效果较好。经喷雾干燥的钛白粉,随干燥塔内负压流动空气带入干燥袋滤器内,随脉冲汽锤振打,粉料通过螺旋进入成品料仓。将成品料仓内钛白粉通过包装机进行全自动包装,保证全程无污染从而得到纯净的食品级钛白粉。食品级钛白粉制备工艺流程如图1所示。

  3食品级钛白粉制备工艺展望

  目前,应用领域以医药、食品、化妆为主的食品级钛白粉在中国的销售量估计在1万t左右,全世界估计在3万~4万t,但与食品级钛白相类似的电子级、化纤级等高纯度的钛白粉在全世界估计在10万t以上的份额[4]。在中国国内自称能生产食品级钛白粉的生产厂家有很多,但基本是一些经销商。他们通过购买部分品质优秀的锐钛产品或换包装贴牌、或添加助剂改头换面就成食品级钛白粉生产企业,但它们基本没有生产资质,没有生产相应的食品钛白生产许可证及经营证书,不能算真正的食品级钛白粉生产企业。生产食品级钛白粉不但需要良好的设备、先进的检测仪器,还需要优良的矿源。据相关分析,国外虽然矿的品味较高,但重金属含量也较高,重金属在钛白生产中很难除去,国外基本无类似的企业生产。高品味、低杂质的攀西矿也仅有攀钢生产,一般钛白粉生产无法找到好的矿源[5]。因此,目前市场情况下,一些生产和销售食品级钛白粉企业具有天时、地利的因素,可以迅速占领国内外市场空白。

  4食品级钛白粉生产工艺创新的必要性

  食品级钛白粉市场需求量巨大,我国年总产量需求也不断增加。随着信息产业的发展,我国钛白粉生产工艺的产品类别逐步转型发展,在优化转型过程中,需要不断增强产品的优势价值,不断提升钛白粉产业的生产工艺水平[6]。根据目前主流产品市场发展趋势,对钛白粉的工艺、市场走势、钛白粉的产品质量水平进行对比分析,按照产业发展规划,调整生产方式,实现钛白粉生产制备工艺的优化升级。从基础的食品级、生物化纤级别、电子医药别、光学洁净级别、纳米信息识别工艺等方式,充分利用企业生产规模建设水平,加快信息转型,按照产业评估的布局要求,注重附加值提升,不断提升钛白粉生产工艺创新转型发展[7]。

  5食品级钛白粉研究方案

  5.1传统工艺缺陷

  钛白粉是一种广泛应用于食品、化妆品、涂料等行业的重要颜料。在传统的工艺流程中,钛白粉的生产主要分为硫酸法和氯化法两种方法。

  硫酸法,主要步骤包括钛矿石浸出、还原、氧化、沉淀、分离和煅烧等。这种方法的优点是生产设备简单,成本相对较低。然而,硫酸法存在一些问题。首先,该方法的反应速率较慢,生产效率低。其次,硫酸法产生的废水中含有大量的硫酸盐,对环境造成污染。此外,硫酸法还存在着产品质量不稳定、产能受限等问题。

  氯化法,主要步骤包括钛矿石氯化、氧化、分离和煅烧等。相比硫酸法,氯化法具有反应速率快、产品质量稳定等优点。然而,氯化法也存在一些问题:首先,该方法涉及氯气的使用,存在安全隐患;其次,氯化法的设备复杂,成本较高;最后,氯化法还存在着产物粒子度分布范围窄、产品颜色偏黄等问题。

  5.2食品级钛白粉创新研究方案

  为了解决传统钛白粉工艺存在的问题,近年来针对食品级钛白粉的工艺进行了创新研究。一方面,研究者通过改进传统的工艺流程,提高了钛白粉的生产效率和产品质量。例如,有研究在硫酸法中引入了超声波辅助技术,加快了反应速率,提高了产品的颜色和光泽。另一方面,研究者还对工艺参数进行了深入研究,发现了一些关键因素对钛白粉的生产具有重要影响。例如,优化温度、pH值、反应时间等参数,可以提高产品的稳定性和一致性。而在这其中食品级钛白粉对重金属含量、杂质含量近乎严苛的要求,需要在现有的金红石型钛白粉的生产工艺基础上做出针对性的改变。然而,通过对传统工艺的创新研究,可以提高钛白粉的生产效率和产品质量,并探索其在食品加工中的应用。未来的研究可以进一步改进工艺流程,优化工艺参数,拓展钛白粉的应用领域。本研究旨在探索适用于工艺创新的实验方法和技术手段,以提高工艺的效率和产品的品质。下面将详细介绍原料选择、反应条件、工艺流程和设备选型等方面的实验方法和技术手段。

  在原料选择方面,需要考虑原料的反应性、可溶性和可获得性等因素。通过对不同原料进行综合评估,选择了具有较高反应活性和可溶性的钛源氯化钛作为原料。同时,还选择了反应剂氯化铵,以提供反应所需的离子。这些原料的选择是基于广泛的文献调研和实验验证的基础上进行的。

  在确定反应条件方面,进行了一系列实验来考察不同反应条件对工艺的影响。首先是反应温度的选择,通过调节反应温度,比较了不同温度下反应产物的合成效率和质量。在实验中,发现180℃的反应温度能够促进反应的进行,并获得较高的产物收率和优质的产品。其次是反应时间的优化,进行了不同反应时间下的实验,以确定最佳的反应时间。经过实验比较,得出了12 h的反应时间,这个时间段内能够达到较好的反应效果。最后是反应剂浓度的选择,通过调节反应剂浓度,比较了不同浓度下反应产物的产率和纯度。在实验中,确定了0.5 mol/L的反应剂浓度,既满足了反应需求,又避免了副反应的发生。

  针对工艺流程,设计了一套合理的工艺流程来实现钛白粉的制备。首先,将一定量的氯化钛和氯化铵溶解在去离子水中,形成反应溶液。然后,将反应溶液转移到加压釜中,并设置合适的温度和时间。在反应结束后,通过快速冷却和离心等步骤来分离钛白粉。最后,将分离得到的钛白粉进行干燥和粉碎处理,得到最终产品。这个工艺流程经过多次优化和实验验证,确保了高效的钛白粉制备。

  在设备选型方面,选择加压釜作为反应设备。加压釜能够提供高温高压的反应环境,满足水热合成的需求。另外,还选用了离心机、真空干燥器和球磨机等设备来进行后续的分离、干燥和粉碎处理。这些设备的选用是基于其稳定性、可操作性和效率等方面的综合考虑。

  总之,本研究采用了一系列实验方法和技术手段,包括原料选择、反应条件、工艺流程和设备选型等方面的详细描述。通过科学合理地选择原料,优化反应条件,设计合理的工艺流程和选用适当的设备,能够实现钛白粉的高效制备,并为工艺的优化和改进提供了有力的支持。

  6结语

  综上所述,食品级钛白粉制备工艺中,参考食品级配比的建设思路和评估标准要求,提出符合食品钛白粉制备优化方法,提高食品制备流程的合规性[8]。通过调整食品级钛白粉制备工艺方式,打破现有的产品产业壁垒,加强钛白粉食品级制备工艺的管理流程,搭建符合工艺评估的价值标准,规范各项食品量级,拓展价值思路,更好地为我国食品产业制备工艺服务。

  参考文献:

  [1]张益都.硫酸法钛白粉生产技术创新[M].北京:化学工业出版社,2010.

  [2]蒋静远.食品级二氧化钛的制备方法:201010282221.4[P].2010-09-15.

  [3]王昭元.一种食品添加剂用钛白粉:201010506688.2[P].2010-10-14.

  [4]宋元航,于喜龙,李党国,等.纸质食品包装材料用钛白粉中砷、铅含量ICP-MS分析法研究[J].中华纸业,2019,40(4):36-39.

  [5]富民钛产业基地成功研制出专用型钛白粉[J].辽宁化工,2017,46(5):486.

  [6]汪撷.三重因素:钛白粉行业风险加大[J].中国石油和化工,2008(5):48-49.

  [7]赵敏.一种用于食品输送带的氯化聚乙烯橡胶复合材料[J].橡胶工业,2014,61(3):183.

  [8]刘明.制备复合改性的钛白粉及其在化妆品素颜霜中的应用[D].广州:广东工业大学,2020.

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