Технология подготовки бутилированной воды Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 628.16

Технология подготовки бутилированной воды

И. В. Тимощук, канд. техн. наук;

Т. А. Краснова, д-р техн. наук, проф.; Т. А. Туманова, асп. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Вода — ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Общеизвестна ее необходимость для бытовых потребностей человека, жизнедеятельности растений и животных. Ежегодный расход воды на земном шаре составляет 3300-3500 км3.

С каждым годом природные ресурсы все интенсивнее используются для нужд человечества. Особенно это касается водных ресурсов, так как ни одна отрасль хозяйства не может развиваться без воды. Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют ученых всех стран мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

Качество воды систем централизованного и нецентрализованного водоснабжения фактически во всех регионах России вызывает серьезные опасения специалистов, медиков и экологов. Кемеровская область — это крупный территориально-производственный комплекс РФ. Большое количество металлургических, химических предприятий, шахт, карьеров, расположенных на ее территории, служит источником интенсивного загрязнения главной водной артерии области — реки Томь. Поэтому в Кузбассе для водоподготовки также используют и подземные воды.

Мы разработали адсорбционную технологию доочистки воды, подготовленной с применением озонирования, которая внедрена в цехе производства экологически чистой бутилированной питьевой воды, позволяющая обеспечить решение важной задачи — снабжение населения Кузбасса качественной питьевой водой.

В подземном источнике водоснабжения цеха бутилированной воды содержатся фенолы и природные органические вещества, которые при озонировании трансформируются в формальде-

Ключевые слова: фенол; формальдегид; адсорбционная технология; бутилированная вода

гид. Находясь в воде в концентрациях, превышающих ПДК, формальдегид и фенол оказывают аллергенное, токсическое, мутагенное и канцерогенное действие на организм человека [1]. Следовательно, такая вода не может быть использована в производстве пищевых продуктов и для питьевых целей.

К ведущему и наиболее перспективному направлению в технологии извлечения небольших количеств органических веществ из водных растворов относят сорбционный способ с использованием активных углей (АУ).

Для создания адсорбционной технологии очистки природных вод от органических соединений необходимо провести комплексное исследование процесса адсорбции углеродными сор-

бентами, включающее изучение равновесия, кинетики и динамики адсорбционного процесса. Объектами исследования были промышленные активные угли марок АГ-3 (производитель ОАО «Сорбент», г. Пермь), кокосовый активный уголь КсАУ производства ЕигосагЬ (Англия) и сорбент АБГ (буроугольный полукокс), отличающиеся природой, способом получения, пористой структурой и величиной удельной поверхности.

Исследование равновесия адсорбции фенола и формальдегида на АУ проводилось из растворов индивидуальных компонентов и из смеси в соотношении 1 : 5.

Один из основных критериев оценки адсорбционных свойств исследуемых сорбентов — изотермы адсорбции. Для аналитического описания изотерм адсорбции использовали уравнения Фрейндлиха и Дубинина-Радушкеви-ча. Изотермы адсорбции, рассчитанные по уравнениям, хорошо согласуются с полученными экспериментально, и свидетельствуют о возможности применения данных уравнений для расчета равновесных параметров адсорбции в системе АУ — вода — фенол — формальдегид. Рассчитаны основные адсорбционные параметры, необходимые для инженерных расчетов.

Изотермы адсорбции изучаемых органических веществ АУ имеют L-форму, что по классификации Гиль-са предполагает физическую природу адсорбции, обусловленную действием

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

7 68

4 9 2 10

Рис. 1. Расчетные и экспериментальные выходные кривые динамики

адсорбции смеси АУ АГ-3 фенола (1 — V = 1 м/ч, Н = 0,5 м; 2 — V=5 м/ч, Н = 1 м; 3 — V=5 м/ч, Н=0,5 м; 4 — V = 8 м/ч, Н=0,5 м; 5 — V=8 м/ч, Н = 1 м) и формальдегида (6 — V=8 м/ч, Н = 1 м; 7 — V=8 м/ч, Н=0,5 м; 8 — V=5 м/ч, Н = 1 м; 9 — V=5 м/ч, Н=2 м; 10 — V = 1 м/ч, Н = 1 м)

Таблица 1

Скорость потока Высота слоя загрузки для углей различных марок, м

очищаемой воды, КсАУ АГ-3 АБГ

м/ч 0,5 1 2 0,5 1 2 0,5 1 2

8 5 1 0,7 мес 1,2 мес 6,0 мес 3 мес 1 год 4,8 мес 1,6 лет 2 года 8 лет 0,6 мес 2,4 мес 9 мес 0,9 мес 4 мес 1,3 года 5 мес 1,7 года 6 лет 0,4 мес 1,8 мес 0,7 мес 2,8 мес 3,6 мес 1,2 года 7 мес 11,6 мес 4,8 года

5•2009

5

3

1

0

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

70 000

t. ч

32

Таблица 2

Скорость потока очищаемой воды на углях различных марок, м/ч

Высота слоя загрузки активного угля, м 8 КсАУ 5 1 8 АГ-3 5 1 8 АБГ 5 1

0,5 1 3000 м3 13 300 м3 3200 м3 13 400 м3 4800 м3 37400 м3 880 м3 7000 м3 1250 м3 8800 м3 2000 м3 30 500 м3 900 м3 7100 м3 1350 м3 7500 м3 1700 м3 9200 м3

2 50 000 м3 59 000 м3 64800 м3 38 500 м3 39 800 м3 187 400 м3 31 800 м3 32 200 м3 40 500 м3

Ван-дер-Ваальсовых сил. Рассчитанные величины теплоты адсорбции (11,28— 22,24 кДж) и результаты исследований ИК-спектроскопии подтверждают предположение о физической природе взаимодействия фенола и формальдегида с поверхностью изученных углеродных сорбентов. Рассчитанные значения характеристической энергии находятся в пределах 13,57-15,90 кДж/моль, что свидетельствует о развитой микро-и мезопористой структуре адсорбента. Полученные значения предельного адсорбционного объема W, которые составляют 0,338-1,231 ммоль/дм3, позволяют предположить адсорбцию в микро- и мезопорах.

На основании полученных результатов установлено влияние на величину адсорбции фенола и формальдегида природы сорбента, способа получения, пористой структуры, величины удельной поверхности.

Комплексная оценка адсорбционных характеристик исследованных углеродных сорбентов в статических условиях позволила расположить по эффективности их извлечения фенола и формальдегида в ряд КсАУ>АГ-3>АБГ. По совокупности показателей (адсорбционная способность, прочность, стоимость

2 1

7

ТГ

6

~ТГ

Рис. 2. Технологическая линия

производства бутилированной воды: 1 — скважина водозабора; 2 — озонатор; 3,31 — фильтр с кварцевым песком; 4,41; 5, 51 — фильтры с активным углем; 6 — УФ; 7 — розлив

и т.д.) для реализации в производстве можно предварительно рекомендовать уголь АГ-3.

По данным кинетических исследований установлено, что лимитирующей стадией процесса извлечения малых концентраций органических веществ из воды (фенола, формальдегида) является внешний массоперенос. Рассчитаны коэффициенты внешнего массопе-реноса, необходимые для инженерных расчетов.

Для решения вопроса оптимизации режимов работы и параметров промышленной установки процесса адсорбции было использовано математическое моделирование на основе уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции в области малых концентраций [2] фенола и формальдегида неподвижным слоем АУ АГ-3, АБГ, КсАУ с применением ранее полученных экспериментальных данных по равновесию и кинетике.

Рассчитаны выходные кривые для адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов на всех исследуемых углях. Экспериментально подтверждена возможность использования математического моделирования для процесса извлечения формальдегида и фенола из воды на АУ АГ-3. На рис. 1 представлены экспериментальные и теоретические выходные кривые адсорбции формальдегида и фенола АУ АГ-3, совпадение которых говорит о том, что используемое уравнение практически полностью описывает экспериментальные выходные кривые и подтверждает правомерность предложенного подхода к моделированию адсорбции.

Определены основные параметры динамики адсорбции: длина рабочего действия, длина неиспользованного слоя, коэффициент защитного действия, которые позволили определить продолжительность работы колонны, количество очищаемой воды в зависимости от скорости пропускания, высоты неподвижного слоя и размеров колонны [3]. Продолжительность работы колонны для исследуемых сорбентов при различных скоростях потока

(1; 5; 8 м/ч) и высоте неподвижного слоя (0,5; 1 и 2 м) представлена в табл. 1. Количество очищаемой воды до проскока формальдегида и фенола в фильтрате представлено в табл. 2.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования сорбционной очистки для извлечения формальдегида и фенола из воды АУ при совместном присутствии. На основании теоретических и экспериментальных исследований процесса адсорбции разработана технология, которая внедрена в производстве экологически чистой бутилированной питьевой воды. В существующую технологическую схему производства бутилированной воды дополнительно включено два последовательно соединенных фильтра диаметром и высотой слоя загрузки 1 м, заполненных активным углем марки АГ-3 (рис. 2). Вода, добываемая из скважины 1, подвергается первичному обеззараживанию — озонированию 2. Затем для удаления механических примесей вода пропускается через фильтр, заполненный кварцевым песком 3 или 31). Органические вещества — фенол и формальдегид, присутствующие в исходной воде либо образующиеся в процессе озонирования, удаляются с помощью фильтров, заполненных неподвижным слоем сорбента АГ-3 4; 5 или 41; 51. Затем вода проходит вторичное обеззараживание 6 — воздействие ультрафиолетом — и поступает на розлив 7 в бутыли вместимостью 20 л.

Вода, очищенная по предлагаемой технологии, может быть использована для производства высококачественных продуктов на предприятиях пищевой промышленности (молочной, пивобез-алкогольной, консервной и др.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Грушко. Я. Н. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах. Справ. — Л., 1982.

2. Ларин А. В. Изв. АН СССР. 1987. Сер. хим. № 10. С. 2333-2335.

3. Когановский А М., Клименко Н. А., Левченко Т. М. Адсорбция органических веществ из воды. — Л.: Химия, 1990.

5 • 2009

4

4

5

5

33