CC BY
49
УдК 628.1
очистка
и кондиционирование воды для производства напитков
И. В. Тимощук, канд. техн. наук, доцент; Т. А. Краснова, д-р техн. наук, проф.;
А. Г. Семенов, канд. техн. наук, доцент; Н. А. Сартина, аспирант Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Ключевые слова: вода; органические и минеральные вещества; адсорбция; электродиализ.
Kew words: water; organic and mineral material; adsorption; electro dialysis.
Вода — основное сырье для производства безалкогольных напитков. От ее состава в значительной степени зависит качество выпускаемой продукции:прозрачность, вкус и стойкость напитков, поэтому значение органолептических свойств воды велико.
К воде, применяемой для производства безалкогольных напитков, предъявляются более высокие, чем к питьевой воде, требования, установленные «Технологической инструкцией по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков» (ТИ-10-5031536-73-90), основные из которых приведены в табл. 1. Для данного вида производства лучше всего подходит мягкая вода с общей жесткостью не более 4,0 ммоль/дм3. Вода с жесткостью более 4,0 ммоль/дм3 требует умягчения, так как соли временной жесткости (бикарбонаты кальция и магния) связывают лимонную кислоту, добавляемую в напитки, что вызывает сверхнормативный ее расход на создание необходимой кислотности, ухудшает коллоидную стойкость и вкус. Кроме
Таблица 1
Показатель Значение
Жесткость общая, 0Ж, не более 0,7
Щелочность, мг-экв/дм3, не более 1
Железо, мг/дм3 0,1
Кремний, мг/дм3 2,0
Сульфаты, мг/дм3 100-150
Примечание. Сухой остаток 500 мг/дм3, рН 6,0-6,5; содержание хлороформа 60 мкг/дм3; содержание фенола 0,001 мг/дм3; содержание хлорфенола 0,001 мг/дм3.
того, в результате взаимодействия солей кальция и магния с пектиновыми, дубильными и полифеноль-ными веществами плодово-ягодных соков образуются нерастворимые соединения, изменяющие внешний вид напитков. Причем эти процессы протекают медленно, и последствия их иногда обнаруживаются лишь в готовой продукции. Лимонная кислота — дорогостоящий компонент и непроизводительный ее расход нежелателен.
Вода, применяемая в пивобезал-когольной промышленности, должна содержать минимальные количества силикатов, так как их присут-
ствие снижает прозрачность напитков и приводит к взаимодействию со стеклом бутылок.
В поверхностных водах повсеместно присутствуют фенол и гумусовые соединения. В процессе подготовки питьевой воды в зависимости от технологии обеззараживания они трансформируются в хлорфенолы, хлороформ, формальдегид. Эти вещества обладают аллергенным, токсическим, мутагенным и канцерогенным действием на организм человека и, следовательно, снижают качество воды. Кроме того, учитывая их химические свойства, возможны реакции взаимодействия с компонентами настоев, красителей и т. п. Поэтому перед умягчением необходимо удалять органические вещества. При низком содержании примесей для этой цели наиболее перспективна адсорбция.
С целью разработки технологии очистки воды от органических соединений проведены комплексные исследования адсорбции фенола, хлор-фенола, хлороформа, формальдегида, включающие изучение равновесия, кинетики, динамики адсорбции на активных углях, отличающихся природой сырья, способом получения, физико-химическими характеристиками (АГ-3, АГ-ОВ-1, СКД-515, БАУ). Для расчета основных адсорбционных параметров исполь-
Таблица 2
Марка сорбента Параметры, рассчитанные по уравнению Дубинина — Родушкевича
а , max' ммоль/г кДж/ммоль W, дм3/кг а, max' ммоль/г кДж/ммоль W, дм3/кг
Формальдегид Фенол
АГ-ОВ-1 21,0 15,9 0,56 3,5 14,8 0,31
СКД-515 19,1 13,6 0,51 2,8 11,55 0,275
АГ-3 20,1 14,7 0,54 2,7 15,2 0,25
БАУ 15,6 11,3 0,42
Хлороформ п-Хлорфенол
АГ-ОВ-1 6,5 10,1 0,1892 14,5 9,0 0,50
СКД-515 7,2 10,1 0,2475 14,2 14,2 0,44
АГ-3 6,8 10,0 0,1129 16,1 9,5 0,51
БАУ 8,0 10,4 0,3218 19,2 9,2 0,68
Таблица 3
Сорбтив Коэффициенты внешнего массопереноса (|п, с - ') для углей
АГ-3 СКД-515 АГ-ОВ-1 БАУ
Хлороформ Формальдегид 0,9837 0,652 1,0034 0,2270 0,9986 0,1723 0,6265 0,089
Фенол 0,0012 0,0036 0,0048 —
Хлорфенол 0,0681 0,1110 0,0606 0,0507
3^2010
22
зованы теории мономолекулярнои адсорбции (уравнения ФреИндлиха и Лэнгмюра), теория объемного заполнения микропор (ТОЗМ) и теория полимолекулярной адсорбции (БЭТ) [1]. Уравнение Дубинина — Радуш-кевича (ТОЗМ) удовлетворительно описывает процесс сорбции на исследованных активных углях всех органических веществ в широком концентрационном диапазоне. Однако в отдельных случаях можно использовать и другие уравнения. Рассчитанные значения адсорбционных параметров для исследованных углей приведены в табл. 2.
По данным кинетических исследований установлено, что лимитирующей стадией процесса извлечения малых концентраций органических веществ из воды (фенола, формальдегида, хлорфенола и хлороформа) является внешний массо-перенос [2]. Рассчитаны коэффициенты внешнего массопереноса, необходимые для инженерных расчетов (табл. 3).
На основании полученных данных с учетом стоимости угля и транспортировки, механической прочности для практического использования выбран уголь АГ-3, который достаточно эффективно удаляет из воды приоритетные загрязнения.
Для оптимизации параметров колонны и режима очистки проведено математическое моделирование, базирующееся на фундаментальном уравнении динамики адсорбции с использованием адсорбционных констант Дубинина — Радушкевича и кинетических данных.
По результатам исследований разработана технология адсорбционной очистки воды от фенола, хлор-фенола, формальдегида и хлороформа, позволяющая получать воду высокого качества, соответствующую по содержанию органических соединений СанПиН 2.1.4.1116-02.
Для снижения солей жесткости и солесодержания в целом применяли электродиализную очистку. Экспериментальные исследования проводили в девятикамерном электродиализаторе с применением мембран МК-40 и МА-40, которые имели размер 220x220 мм. Мембраны были разделены сепараторами лабиринтного типа толщиной 0,8 мм, изготовленными из винипласта. Ширина канала в каждом сепа-
раторе составляла 8 мм, длина — 3,4 м. Гидравлическое соединение камер — последовательное. Электродные камеры имели независимое питание, были объединены на входе и выходе, и через них циркулировала водопроводная вода. Аппарат работал в потенциостатическом режиме. В процессе исследования в исходной и очищенной воде определяли солесодержание, концентрацию ионов кальция, магния, железа, сульфатов, силикатов, щелочность. Использовали стандартные методики согласно [3].
Изучено влияние напряжения на электродах аппарата, исходного солесодержания воды, производительности установки на эффективность деминерализации.
Опыты по определению влияния напряжения постоянного тока на эффективность очистки проводили при температуре 19±3 °С, расходе по рабочим трактам — 3 л/ч. Исследована работа электродиализатора при напряжении на электродах аппарата 4,5; 9,0; 13,5; 18 В, т.е. 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 В на рабочую камеру. Аппараты, выпускаемые промышленностью, позволяют работать при напряжении до 3 В на рабочую камеру.
Полученные результаты (рис. 1 и табл. 4) показывают, что в целом повышение напряжения на электродах аппарата интенсифицирует процесс массопереноса, в связи с чем степень обессоливания растет, что согласуется с существующими представлениями о механизме массопереноса при электродиализе. Несколько отличается поведение силикат-иона — вначале с повышением напряжения степень обессоливания растет, затем начинает снижаться. Такая закономерность может быть связана с тем, что в пределах напряжения 9-13,5 В достигается и затем оказывается превышенной предельная плотность тока. При этом возрастает перенос гидроксид-ионов, образующихся вследствие поляризации у мембраны. В связи с появлением конкурирующего потока ионов, обладающих большой подвижностью, уменьшается поток силикат-ионов через мембрану и, следовательно, степень обессоливания. Другим фактором, снижающим эффективность очистки по силикат-иону, может быть снижение рН воды
на отдающей стороне анионитовой мембраны, как результат поляризации и связывания силикат-ионов в кремниевую кислоту.
Наиболее высокие значения силы тока независимо от напряжения отмечены в начальный период процесса. По мере протекания процесса электродиализной очистки воды сила тока уменьшается, причем при более высоких значениях рабочего напряжения сила тока во времени падает быстрее.
Результаты многолетнего контроля качества питьевой воды г. Кемерово показывают, что количественный состав компонентов зависит от времени года и качества пред-очистки.
В связи с этим исследовали влияние содержания компонентов на эффективность электродиализной очистки. Опыт проводили при напряжении на электродах аппарата 18 В. Температура исходной воды 19±3 °С. Расход воды по трактам 3 л/ч.
Анализ качества исходной воды (рис. 2) показал, что солесодержа-ние воды системы хозяйственно-питьевого водоснабжения невысокое (в зависимости от сезона меняется от 180 до 260 мг/дм3), при этом количественный состав компонентов по сезонам различается. При проведении электродиализа сила тока в системе растет с увеличением солесодержания и должна обеспечивать более высокую степень очистки. Однако независимо от солесодержания степени очистки воды достаточно близки — 66,9; 67,6 и 65,7. Это обусловлено различным количественным составом компонентов и их подвижностью. Влияние компонентного состава на эффективность обессоливания представлена в табл. 5. Так, сравнение эффективности деминерализации воды с самым высоким и самым низким солесодержанием (разница в 1,5 раза) позволяет отметить, что в первом случае вода характеризуется более высокой общей щелочностью (в 1,53 раза), жесткостью (в 1,2 раза), концентрацией сульфатов (в 1,2 раза). Данные ионы обладают невысокой подвижностью. Кроме того, их удаление замедляется в результате переноса через мембрану конкурирующих Н+-ионов, образующихся при концентрационной поляризации мем-
3^2010
23
Таблица 4
Напряжение на электродах аппарата, В Показатели качества исходной и обессоленной воды
Жесткость общая, ммоль/дм3 Щелочность, мг/дм3 Сульфаты, мг/дм3 Кремний, мг/дм3 Железо общее, мг/дм3
Исходная вода 2,960 3,070 10,213 2,652 0,194
4,5 2,122 2,033 3,225 0,862 0,152
9,0 1,372 1,478 3,081 0,557 0,121
13,5 1,133 1,030 2,922 0,803 0,098
18,0 0,700 0,901 1,118 0,942 0,090
Таблица 5
Режим работы установки Показатели качества исходной и обессоленной воды
Жесткость общая, ммоль/дм3 Общая щелочность, ммоль/дм3 Сульфаты, мг/дм3 Кремний, мг/дм3 Железо общее, мг/дм3
Исходная вода 3,130 3,183 5,600 1,823 0,165
1,020 0,973 0,509 0,616 0,085
Исходная вода 2,473 3,070 5,300 1,884 0,184
0,700 0,900 0,559 0,803 0,092
Исходная вода 2,634 2,060 4,800 2,652 0,198
0,685 0,710 0,720 1,225 0,098
Таблица 6
Показатели Вода обессоленная Вода исходная
Жесткость, ммоль/дм3 0,42500 3,1560
Щелочность, ммоль/дм3 0,97500 1,9980
Железо, мг/дм3 0,00175 0,4170
Сульфаты, мг/дм3 0,20650 7,2452
Кремний, мг 0,718 2,453
бран. Эти факторы обусловливают снижение степени очистки.
При изучении влияния производительности аппарата в диапазоне 1-10 л/ч при напряжении 18 и 27 В, температуре 19±3 °С было установлено, что снижение производительности позволяет получать более высокую степень очистки. Так, снижение производительности установки в 4 раза приводит
к увеличению степени обессоли-вания в 2,5 раза. Это объясняется увеличением времени пребывания раствора в электродиализаторе, что обеспечивает более полное удаление ионов из воды.
Заметного изменения рН обессоленной воды не наблюдается. Стационарное состояние в системе независимо от производительности установки достигается в течение первых 10 мин проведения процесса, на что указывает неизменное значение силы тока, проходящего через электродиализатор. Следовательно, через 10 мин после начала процесса качественный и количественный состав дилюата стабилизируется.
Результаты обессоливания воды при напряжении на электродах ап-
парата 18 В и производительности 1 л/ч (1/3 номинальной нагрузки в пересчете на промышленную установку) приведены в табл. 6.
При повышенном содержании в воде силикат-иона целесообразно заменить мембраны МА-40 на изо-пористые мембраны МА-41И, изготовленные на основе сильноосновного анионита. Проведенные ранее исследования показали, что замена мембран увеличивает степень очистки от силикат-иона более чем в 5 раз и обеспечивает удаление силикатов на 80-90 %.
Анализ экспериментальных данных показывает, что путем варьирования режимных параметров можно получать воду, соответствующую существующим требованиям при любом исходном солесодержа-нии.
Проведенные исследования позволили разработать комплексную технологию очистки воды от органических и минеральных веществ, обеспечивающую получение качественной воды для производства безалкогольных напитков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко И. Г., Рода Т. М. Адсорбция органических веществ из воды. — Л.: Химия, 1990.
2. Федоткин И. М., Когановский А. М., Рода И. Г., Марутовский Р. М. Об определении коэффициента внешнего массообме-на при адсорбции из растворов//Журн. физ. химии. 1974. Т. 48. № 2. С. 473-475.
3. Государственный контроль качества воды. — М.: ИПК Издательства стандартов, 2003. &
3-2010
24
