利用雞蛋殼資源制備乳酸鈣的工藝研究

蒙君榮

(百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

利用雞蛋殼資源制備乳酸鈣的工藝研究

蒙君榮

(百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

該實(shí)驗(yàn)研究了利用廢棄雞蛋殼作為原料發(fā)生中和反應(yīng)制備乳酸鈣的生產(chǎn)工藝。采用控制變量法，探討了溫度、時(shí)間、乳酸用量、加水量對(duì)反應(yīng)體系生成乳酸鈣的產(chǎn)率及乳酸鈣含量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雞蛋殼在恒溫950℃下灰化125min，稱取雞蛋殼灰分2g加入20mL蒸餾水以及6mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乳酸發(fā)生中和反應(yīng)，獲得最佳工藝條件。產(chǎn)品中乳酸鈣產(chǎn)率為69.8%，乳酸鈣含量為86.4%。

雞蛋殼；乳酸；乳酸鈣；產(chǎn)率

雞蛋中含有極其豐富的維生素、礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)等高營養(yǎng)物質(zhì)，它們對(duì)人體機(jī)制來說都非常重要，是不可缺少的物質(zhì)[1-3]。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國的食品加工行業(yè)的迅速崛起，雞蛋被加工成各種美食，數(shù)以萬計(jì)的雞蛋被消耗的同時(shí)，也留下了數(shù)不勝數(shù)的雞蛋殼。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年扔掉的雞蛋殼多達(dá)400萬噸[4]。雞蛋殼中鈣資源非常豐富，人們大量丟棄的雞蛋殼不僅浪費(fèi)了這種天然鈣源，還會(huì)給環(huán)境帶來極大的污染。乳酸鈣作為鈣源，相對(duì)其他鈣源來說，有很多優(yōu)點(diǎn)。如極易溶于水、無異味、不刺激腸胃、容易被人體吸收、沒有副作用，可以長期食用，因此廣泛應(yīng)用在人們生活中，有著廣大市場(chǎng)份額[5-7]。乳酸鈣除了應(yīng)用于食品領(lǐng)域，還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[8-11]。利用雞蛋殼制備乳酸鈣，不僅開發(fā)了家禽行業(yè)的深加工行業(yè)鏈，提供了就業(yè)崗位，創(chuàng)造了社會(huì)財(cái)富，還解決了廢棄雞蛋殼所帶來的環(huán)境污染問題，使雞蛋殼這種天然鈣資源"變廢為寶"，跳出了環(huán)境單純靠治理的觀念，開辟一條環(huán)境綜合治理，充分利用資源的創(chuàng)新道路。為開發(fā)雞蛋殼資源提供一種有效的、合理的方法，從而進(jìn)一步提高我國雞蛋殼的回收利用率，對(duì)我國走可持續(xù)發(fā)展道路具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

BSA224S型電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；DHG-9030型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；HH-S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇市醫(yī)療儀器廠)； TM-0617型陶瓷纖維馬弗爐(北京盈安美誠科學(xué)儀器有限公司)；SHB-B95型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)。

乳酸(AR)；無水乙醇(AR)；氫氧化鈉(AR)；鈣羧酸指示劑(AR)；乙二胺四乙酸二鈉(AR)。

1.2 原材料

雞蛋殼(學(xué)校食堂收集)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)基本原理

雞蛋殼經(jīng)預(yù)處理除雜后，干燥碾碎成粉末，放入馬弗爐中在950℃下灰化125min得到高成分CaO的雞蛋殼灰分，將雞蛋殼灰分加水制成Ca(OH)2，然后邊攪拌邊加入乳酸，充分中和反應(yīng)后，經(jīng)抽濾、結(jié)晶、抽濾、洗滌、干燥得到乳酸鈣粉末(Ca[CH3CH(OH)COO]2)。主要反應(yīng)式為：

CaCO3→CaO+CO2

CaO+H2O→Ca(OH)2

Ca(OH)2+2CH3CH(OH)COOH→Ca[CH3CH(OH)COO]2+2H2O

1.3.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

雞蛋殼→水洗→除雜→殼膜分離→恒溫干燥→高溫灰化→制成氫氧化鈣→加入乳酸中和→抽濾→靜止結(jié)晶→抽濾→恒溫干燥→乳酸鈣產(chǎn)品

1.3.3 雞蛋殼預(yù)處理

用自來水清洗一下收集來的雞蛋殼，除去粘附在雞蛋殼表面的污垢及雞蛋殼里面殘留的蛋清等雜質(zhì)，再用自來水浸泡雞蛋殼一段時(shí)間，剝掉雞蛋殼膜，得到干凈的雞蛋殼，晾干后用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱干燥，最后用碾缽碾碎得到干燥的雞蛋殼粉末裝瓶備用。

1.3.4 雞蛋殼灰化溫度的選擇

用電子天平稱取5組2 g的雞蛋殼粉末，放入陶瓷纖維馬弗爐中分別在650,750，850，950，1050℃恒溫灰化125 min，然后加入2.5mol/L的HCl溶液20 mL，觀察反應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)比產(chǎn)生的氣泡數(shù)量多少，確定分解情況是否完全，得出最佳灰化溫度。

1.3.5 雞蛋殼灰化時(shí)間的選擇

用電子天平稱取5組2g的雞蛋殼粉，放入陶瓷纖維馬弗爐中，在溫度為950℃下分別灰化85，95 ，105，115，125 min然后加入20mL2.5mol/L的鹽酸，觀察反應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)比產(chǎn)生的氣泡數(shù)量多少，確定分解狀況是否完全，得出最佳灰化時(shí)間。

1.3.6 乳酸用量的選擇

準(zhǔn)備5只編有1、2、3、4、5編號(hào)的100 mL燒杯，用電子天平各稱取2g雞蛋殼灰分。加入20 mL蒸餾水，不斷攪拌，使其充分反應(yīng)得到Ca(OH)2，再分別對(duì)應(yīng)加入4 ,5 ,6 ,7 ,8mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乳酸發(fā)生中和反應(yīng)，并不斷攪拌，充分反應(yīng)后，自然冷卻靜止一段時(shí)間，完全析出乳酸鈣晶體后用抽濾機(jī)抽濾，再恒溫80℃恒溫干燥300min，得到乳酸鈣粉末。用電子天平稱出乳酸鈣產(chǎn)品的質(zhì)量，并測(cè)出產(chǎn)品中乳酸鈣的含量，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出乳酸的最適用量。

1.3.7 水用量的選擇

準(zhǔn)備5只編有1、2、3、4、5編號(hào)的100mL燒杯，用電子天平各稱取2g雞蛋殼灰分，分別對(duì)應(yīng)加入12 ,16 ,20 ,24 ,28 mL的水。并不斷攪拌使其充分反應(yīng)得到Ca(OH)2，再邊攪拌邊加入6mL乳酸，待充分反應(yīng)后，自然冷卻靜止一段時(shí)間，完全析出乳酸鈣晶體后用抽濾機(jī)抽濾，得到的固體再轉(zhuǎn)移到恒溫干燥箱中，恒溫80℃干燥300min，最終得到乳酸鈣粉末。用電子天平稱出乳酸鈣質(zhì)量，并測(cè)出產(chǎn)品中乳酸鈣的含量，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出加水的最適用量。

1.3.8 反應(yīng)溫度的選擇

準(zhǔn)備5只編有1、2、3、4、5編號(hào)的100mL燒杯，用電子天平各稱取2g雞蛋殼灰分，分別加入20mL水制成Ca(OH)2，然后分別在30，45，60，75，90℃的恒溫條件下邊攪拌邊加入6mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乳酸，充分反應(yīng)后自然冷卻，待完全析出乳酸鈣后抽濾，再恒溫80℃干燥300min，得到乳酸鈣產(chǎn)品。用電子天平稱出其質(zhì)量，并測(cè)出產(chǎn)品中乳酸鈣含量。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出乳酸中和反應(yīng)的最適溫度。

1.3.9 結(jié)晶時(shí)間的選擇

準(zhǔn)備5只編有1、2、3、4、5編號(hào)的100mL燒杯，用電子天平各稱取2g雞蛋殼灰分，分別加入20mL水制成Ca(OH)2，在恒溫75℃條件下，邊攪拌邊加入6mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乳酸。充分反應(yīng)后，趁熱抽濾，除去未反應(yīng)的Ca(OH)2和其他雜質(zhì)。將濾液放置室溫下自然冷卻，時(shí)間分別為15 ，30 ，45 ，60 ，75 min。然后抽濾，在恒溫80℃條件下干燥300min，得到乳酸鈣產(chǎn)品。用電子天平稱出產(chǎn)品質(zhì)量，并測(cè)出產(chǎn)品中乳酸鈣含量，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出最佳的結(jié)晶時(shí)間。

1.3.10 干燥時(shí)間的選擇

用電子天平稱取2g雞蛋殼灰分，加入20mL水制成Ca(OH)2，在恒溫75℃下緩慢加入6mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乳酸。充分中和反應(yīng)后，趁熱用抽濾機(jī)抽濾，除掉未反應(yīng)的雜質(zhì)。濾液置于室溫中，自然冷卻結(jié)晶60min后再抽濾。由于乳酸溶于乙醇，而乳酸鈣不溶于乙醇，因此用無水乙醇洗滌多次后得到純度極高的乳酸鈣產(chǎn)品。乳酸鈣水合物在120℃下干燥會(huì)失水變成無水乳酸鈣。因此，把洗滌后高純度的乳酸鈣水合物產(chǎn)品在120℃下分別干燥100 ，150，200，250 ，300 min，得到乳酸鈣粉末。用電子天平稱出各干燥時(shí)間段的產(chǎn)品質(zhì)量，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，確定最適干燥時(shí)間。

1.3.11 平行實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備5只編有1、2、3、4、5編號(hào)的100mL燒杯，各稱取2g雞蛋殼灰分，分別加入20mL水，在恒溫75℃下邊攪拌邊加入6mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的乳酸，充分反應(yīng)后趁熱抽濾除去雜質(zhì)，將濾液置于室溫下自然冷卻結(jié)晶60min，再用抽濾機(jī)抽濾，并用無水乙醇洗滌多次乳酸鈣產(chǎn)品，然后在120℃下恒溫干燥250min，得到白色乳酸鈣粉末。

1.3.12 乳酸鈣鑒別方法

用電子天平稱0.5g產(chǎn)品，加入10mL蒸餾水溶解，滴加硫酸使其顯酸性。加入適量高錳酸鉀溶液，加熱有乙醛氣味產(chǎn)生。重新用電子天平稱取0.5g實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，慢慢滴加草酸銨溶液，即有白色沉淀產(chǎn)生。分離白色沉淀，加入乙酸，白色沉淀不溶解；再加入鹽酸，白色沉淀完全溶解[12]。

1.3.13 乳酸鈣含量的測(cè)定方法

用電子天平稱取產(chǎn)品樣品0.3g，精確到0.002g，先加入0.5mol/L的EDTA二鈉溶液25mL溶解，再加入10%的NaOH溶液5mL和0.1g鈣紅混合指示劑，然后繼續(xù)用0.5mol/L的EDTA二鈉滴定至藍(lán)色即為終點(diǎn)[13]。

乳酸鈣含量(%)=V×C×0.218×100/m

式中：V——EDTA二鈉溶液的用量；C——EDTA溶液的摩爾濃度；m——樣品的質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 雞蛋殼灰化溫度的影響

表1 不同溫度對(duì)雞蛋殼灰化生成CaO的影響

由表1可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)生的氣泡不斷減少，但溫度達(dá)到950℃時(shí)，已沒有氣泡產(chǎn)生。這說明隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，雞蛋殼中的CaCO3不斷減少，分解成CaO，到950℃時(shí)，已完全分解成CaO，溫度繼續(xù)升高對(duì)CaCO3分解作用已無影響，卻消耗電量，浪費(fèi)資源。因此，在灰化125min條件下灰化溫度為950℃，灰化效果達(dá)到最好。

2.2 雞蛋殼灰化時(shí)間的影響

表2 不同灰化時(shí)間對(duì)雞蛋殼灰化生成CaO的影響

由表2可以看出，隨著灰化時(shí)間逐漸增加，反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡不斷減少，當(dāng)灰化時(shí)間達(dá)到115min時(shí)，已沒有氣泡產(chǎn)生了。這說明隨著灰化時(shí)間的延長，雞蛋殼中的CaCO3不斷分解成CaO，當(dāng)灰化時(shí)間到115min時(shí)，CaCO3已完全分解?；一瘯r(shí)間的增加對(duì)灰化效果已無影響，只會(huì)消耗電量，浪費(fèi)資源，更浪費(fèi)金錢。因此，在950℃灰化條件下，選擇灰化115min為宜。

2.3 乳酸用量的影響

表3 乳酸的不同用量對(duì)反應(yīng)體系生成乳酸鈣的影響

由表3可以看出，在其他條件不變情況下，乳酸用量從4mL升到6mL時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量和乳酸鈣含量都在不斷增加，當(dāng)乳酸用量為6mL時(shí)，達(dá)到最大值，分別為7.46g和85.7%。隨著乳酸用量的不斷增多，產(chǎn)品的質(zhì)量和乳酸鈣的含量都在不斷減低。因此，2g雞蛋殼灰分對(duì)應(yīng)最適合乳酸用量為6mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的乳酸。

2.4 加水量的影響

表4 加水量的不同對(duì)反應(yīng)體系生成乳酸鈣的影響

由表4可以看出，在其他條件不變的情況下，水的用量從12mL增加到20mL時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量和乳酸鈣的含量都在增加，當(dāng)水的用量增加到20mL時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量和乳酸的含量都達(dá)到最大值，分別為7.56g和85.9%。水的用量繼續(xù)增加時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量反而減低，這極可能是有部分乳酸鈣溶于水中，跟隨母液一起在抽濾時(shí)流失掉，沒能轉(zhuǎn)化成固體，降低乳酸鈣的產(chǎn)率。因此，2g雞蛋殼灰分的最佳用水量為20mL合適。

2.5 反應(yīng)溫度的影響

表5 不同反應(yīng)溫度對(duì)體系生成乳酸鈣的影響

由表5可以看出，在其他條件不變情況下，反應(yīng)溫度的不斷升高，產(chǎn)品的質(zhì)量也在不斷增多，乳酸鈣的含量也在提高。然而當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到75℃時(shí)，乳酸鈣含量達(dá)到最大值為86.1%，溫度的繼續(xù)升高對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響不大，反而使乳酸鈣含量降低。因此，考慮綜合因素，乳酸的最佳中和反應(yīng)溫度為75℃。

2.6 結(jié)晶時(shí)間的影響

表6 結(jié)晶時(shí)間的不同對(duì)反應(yīng)體系生成乳酸鈣的影響

由表6可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著結(jié)晶時(shí)間的延長，產(chǎn)品的質(zhì)量和乳酸鈣含量都在增加。當(dāng)結(jié)晶時(shí)間達(dá)到60min時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量和乳酸鈣含量均達(dá)到最大值，分別為7.62g和86.3%。結(jié)晶時(shí)間的繼續(xù)增加對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和乳酸鈣含量已經(jīng)沒有影響了。因此，為了節(jié)約時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期，2g雞蛋殼灰分中和反應(yīng)后的結(jié)晶時(shí)間為60min合適。

2.7 干燥時(shí)間的影響

從表7可以看出，干燥時(shí)間的不斷延長，產(chǎn)品質(zhì)量也不斷減少，說明產(chǎn)品中水含量也跟著不斷地減少。當(dāng)干燥時(shí)間達(dá)到250min后，產(chǎn)品質(zhì)量幾乎不再減少，說明產(chǎn)品中水的含量極低，很難再蒸發(fā)掉了。繼續(xù)干燥對(duì)減少產(chǎn)品中的含水量幾乎影響不大，卻大量浪費(fèi)電量。因此，考慮眾多因素，乳酸鈣產(chǎn)品的干燥時(shí)間應(yīng)為250min合適。

表7 干燥時(shí)間的不同對(duì)產(chǎn)品中水的含量的影響

2.8 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

表8 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

從表8可以得出，2g雞蛋殼灰分與乳酸中和反應(yīng)生成的產(chǎn)品平均質(zhì)量為7.68g。而2g雞蛋殼灰分按93%CaO來計(jì)算則理論值為10.23g，因此，乳酸鈣的產(chǎn)率為75.1%，乳酸鈣含量為86.4%。

3 結(jié)論

影響乳酸鈣制備工藝的因素眾多，通過對(duì)雞蛋殼灰分、用水量、乳酸用量、反應(yīng)溫度、結(jié)晶時(shí)間、干燥時(shí)間的考察，對(duì)乳酸鈣的生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)際乳酸鈣的生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

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(本文文獻(xiàn)格式：蒙君榮.利用雞蛋殼資源制備乳酸鈣的工藝研究[J].山東化工，2016，45(24)：15-18.)

The Technology Research for Preparating Calcium Lactate by Using Egg Shell Resource

Meng Junrong

(College of Chemistry&Environmental Engineering,Baise University, Baise 533000，China)

This experiment to study the preparation of calcium lactate using egg shell resource by neutralization reaction process. Using the control variable method, This paper discusses the temperature, time, dosage of lactic acid and water content on the yield of the reaction system to generate calcium lactate and calcium lactate. Experimental results show that the egg shells under the temperature 950 ℃ ashing 125 min, weighing egg shell ash content of 2g 20 mL distilled water and 6 ml of the mass fraction of 85% lactic acid neutralization reaction occurs, get the best process conditions. Products of calcium lactate production rate was 69.8%, calcium lactate content is 86.4%.

egg shell; lactic acid; calcium lactate; yield

2016-11-10

蒙君榮(1989—)，女，廣西南寧人，教師，碩士研究生，研究方向：化學(xué)工藝。

O627

A

1008-021X(2016)24-0015-04