Способы улучшения состава воды

Если вода не удовлетворяет технологическим требованиям для производства пива и безалкогольных напитков, то в зависимости от ее состава применяют следующие способы водоподготовки: термический, ионообменный, обратноосмотический, электродиализный. Кроме того, при подготовке воды, предназначенной для производства пива, используют декарбонизацию известью, нейтрализацию бикарбонатов, а для производства безалкогольных напитков - отстаивание и коагуляцию, фильтрование, а также известково-содовый способ.

Отстаивание и коагуляция. Если вода содержит суспендированные неорганические и органические вещества, то перед последующей обработкой ее отстаивают в течение 6-12 ч. Под действием силы тяжести взвешенные частицы осаждаются. По закону Стокса скорость осаждения взвешенной частицы (V, м/с)

где:

р₁ и р₂ плотность частиц и жидкой среды, кг/м³,

d - диаметр частицы, м,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

μ - динамический коэффициент вязкости жидкой среды, Па•с.

Осветление воды проводится в отстойниках периодического и непрерывного действия. В тех случаях, когда примеси, например гуминовые вещества, кремниевая кислота, ее соли и др., находятся в коллоидном состоянии, то при добавлении соответствующего химического соединения происходят коагуляция коллоидных частиц и осаждение образующихся хлопьев. В качестве коагулянтов используют сульфаты алюминия Al₂(SO₄)₃-18H₂O, сульфаты железа Fe₂(SO₄)₃-7H₂O или FeSO₄-9H₂O в сочетании с гашеной известью.

При растворении в воде сульфат алюминия подвергается гидролизу:

Al₂(SO₄)₃ = 2Al³⁺ + 3SO₄^2-

2А1³⁺ + 6Н₂О = 2А1(ОН)₃ + 6Н⁺

Малорастворимый гидроксид алюминия представляет собой положительно заряженные частицы с большей активной поверхностью, которые адсорбируют частицы примесей с отрицательным зарядом и осаждаются. Образующиеся крупные агрегаты при осаждении захватывают другие взвешенные вещества, способствуя тем самым осветлению воды.

Ионы водорода, освободившиеся по приведенному уравнению, реагируют с ионами гидрокарбоната, образуя воду и диоксид углерода. Серная кислота, появляющаяся при гидролизе сульфата алюминия, разлагает бикарбонаты и получаются сульфат, вода и диоксид углерода. Таким образом, при коагуляции часть временной жесткости (0,7-1 мг-экв/дм³) переходит в постоянную жесткость. Гидроксид алюминия при pH менее 4 имеет вид мелких хлопьев, выше 4 - крупных хлопьев. Оптимальные условия pH 7,5-7,8, а при pH более 8 образуется уже не гидроксид, а алюминат и осветление воды не происходит. Расход сульфата алюминия 20-200 г на 1 т воды.

Использование в качестве коагулянта сульфата железа ускоряет процесс осветления, особенно при pH 8,2-8,5. Дозу коагулянта определяют в лаборатории, она колеблется от 50 до 180 г на тонну воды. Оборудование для очистки воды этим способом включает реактор для растворения коагулянта, оборудованный мешалкой или системой перфорированных труб для подачи сжатого воздуха, дозатор, смеситель и отстойник.

Раствор коагулянта примерно 5%-ной концентрации после тщательного перемешивания в реакторе через дозатор подают в смеситель, смешивают с осветляемой водой, а затем в течение 6-8 ч выдерживают в отстойнике, где происходит коагуляция и осаждение взвесей.

Фильтрование воды. Для удаления взвешенных частиц воду фильтруют на песочных и угольно-песочных фильтрах. Керамические фильтры и фильтр-прессы используют в основном для биологической очистки.

Песочный фильтр (рис. 9) представляет собой стальной цилиндрический сосуд 3, внутри которого укреплена решетка 4 с отверстиями диаметром 1 мм. На решетку уложен слой мелкого гравия (5-7 см), слой крупного песка (5-10 см) и слой мелкого песка (около 40 см). Песок предварительно тщательно отмывают от глины.

Воду подают в фильтр через распределительную головку 2, она проходит сверху вниз через слой песка, фильтруется и отводится по патрубку 5. К. патрубку 1 прикреплен воздушник для удаления воздуха при заполнении фильтра водой. Для обеспечения притока воды под постоянным давлением воду на фильтр подают из водонапорного сборника.

Угольно-песочные фильтры используют для очистки воды с неприятным запахом, повышенными содержанием хлора и цветностью. Фильтрующие материалы представлены четырьмя слоями (в см): гравий 10, песок 35-40, активный уголь 15, гравий 10. Слои один от другого отделяют коррозионностойкими сетками.

Угольные колонки применяют с той же целью для очистки воды.

Обезжелезивание воды. Соединения железа удаляют из воды аэрированием, коагулированном, известкованием, катионированием. Наиболее эффективным способом является хлорирование воды.

На рис. 10 изображена установка для обработки воды хлорной известью. Установка состоит из резервуара 3, в который вставлен резервуар 5 меньшего размера. Раствор хлорной извести подают из мерного бачка 4, а воду - через штуцер 2. Смесь 1 интенсивно перемешивают мешалкой, и через трубу 7 вода поступает в резервуар 5. Через барботер 9 из пористого материала в трубу 7 нагнетают сжатый воздух для лучшего перемешивания и аэрирования воды.

Обработанная вода проходит через слой гравия или кольца Рашига (короткие обрезки труб) и отводится через дренажное устройство 8. Шлам из резервуара 3 спускают через штуцер 10. Установку промывают обратным током воды, отводя ее через штуцер 6.

Также можно обезжелезивать воду фильтрованием ее через песочный фильтр, в котором песок предварительно модифицируют. Модификация песка заключается в нанесении на поверхность песка пленки из гидроксида железа и диоксида марганца. Для этого кварцевый песок обрабатывают 1%-ным раствором сульфата железа (II) в течение 2-3 ч. Затем сливают раствор сульфата железа и на 4-5 ч заливают песок 0,5%-ным раствором перманганата калия. Затем песок отмывают водой до прозрачной промывной воды.

Для умягчения воды используют следующие способы водоподготовки.

Термический способ. Жесткую воду подвергают умягчению нагреванием. При температуре кипения происходит разложение гидрокарбонатов с образованием почти нерастворимых в холодной воде карбонатов и выделением диоксида углерода:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + СО₂ + Н₂О.

Наиболее полно реакция протекает при быстром удалении СО₂, что наблюдается при кипячении воды с применением перемешивания и продувания воздухом.

Гидрокарбонат магния значительно медленнее и не полностью распадается с образованием карбоната магния, растворимость которого повышается при охлаждении воды. Для удаления карбоната магния рекомендуют горячее фильтрование. При продолжительном кипячении карбонат магния гидролизуется с образованием малорастворимого гидроксида магния:

MgCО₃ + Н₂О = Mg(OH)₂ + СО₂.

Этот способ даст положительный эффект в случае превышения содержания в воде ионов кальция и магния над гидрокарбонат-ионами. Эффект умягчения и расход пара зависят от состава воды.

Декарбонатация известью. Обработку воды проводят гидроксидом кальция, который получают из свежеобожженной извести после ее гашения

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂.

Гидроксид кальция при обычных температурах (без нагревания) реагирует с солями временной жесткости и диоксидом углерода:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О,

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₃ = 2СаСО₃ + 2Н₂0.

Образующийся при взаимодействии гидрокарбоната магния монокарбонат является легкорастворимой солью, и только последующая его реакция с гидроксидом кальция позволяет получить труднорастворимые соединения СаСО₃ и Mg(OH)₂.

Mg(HCО₃)₂ + 2Ca(OH)₂ = 2СаСО₃ + Mg(OH)₂ + 2Н₂О.

Следовательно, более полное удаление гидрокарбоната магния требует двойной дозы извести, поэтому данный способ эффективен для обработки воды с высокой кальциевой и низкой магниевой жесткостью.

Для определения расхода извести необходимо знать величину временной жесткости, содержание в воде магниевых солей в пересчете на оксид магния (MgOH) и СО₂, а в известковой воде - количество активного оксида кальция (СаО), определяемого титрованием.

Преимущество способа заключаются в том, что он прост в исполнении и дешев, а к недостаткам можно отнести неполное устранение временной, главным образом магниевой, жесткости и, как следствие, повышение pH, а также точность дозирования извести, поскольку избыток ее сильно повышает щелочность воды.

Насыщенный раствор извести готовят в отдельном сборнике. В 1 дм³ готового раствора при температуре 20°С должно содержаться 1,25 г СаО. В сборник-смеситель набирают воду, добавляют раствор извести, затем смесь оставляют в покое примерно на 24 ч для осаждения взвесей, которые увлекают в осадок большую часть органических веществ и микроорганизмов. Повышенное количество органических веществ затрудняет осаждение. Образование осадка ускоряется при нагревании, интенсивном перемешивании, добавлении небольшого количества сульфата алюминия или осадка от предшествующего умягчения.

Декарбонизацию воды можно проводить в два этапа: на первом добавляют расчетное количество известковой воды, на втором - ее избыток для осаждения карбоната кальция и части магния. Затем воду фильтруют и направляют в запасной бак.

Известково-содовый способ. Для устранения постоянной жесткости воды ее обрабатывают кальцинированной содой (карбонатом натрия), а временной жесткости - известью. Соли постоянной жесткости - сульфаты, хлориды кальция и магния реагируют с карбонатом натрия

CaSO₄ + Na₂CO₃ = СаСО₃ + Na₂SO₄

MgSO₄ + Nа₂CО₃ = MgCО₃ + Na₂SO₄

Аналогичные реакции протекают между содой и хлоридами кальция и магния.

Карбонат магния взаимодействует с известью по уравнению

MgCО₃ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Mg(OH)₂.

Остаточная жесткость умягченной воды составляет 0,7-0,9 ммоль/ дм³ или 1,4-1,8 мг-экв/дм³ из-за частичной растворимости СаСО₃ и Mg(OH)₂

Если обозначить временную жесткость воды через Н_р моль/ дм³, постоянную - через Н_р, моль/дм³, а через G₃ - содержание магниевых солей в пересчете на оксид магния, мг/дм³, то требуемое количество извести G₁ и соды G₂ (мг/дм³) можно вычислить по уравнениям:

G₁ = 57,2 Н_р + 1,4G₃

G₂= 57,2 Н_р • 1,89

Где

1,4 - коэффициент для пересчета MgO на СаО,

1,89 - коэффициент для пересчета Na₂CО₃ на СаО.

Установки для умягчения воды включают запасные резервуары для воды, сборники-смесители, отстойники, фильтры и сборники. Сборники-смесители и отстойники имеют коническое дно с задвижкой для удаления осадка и снабжены мешалками.

Вначале сборник-смеситель наполняют до половины водой, добавляют требуемое количество раствора извести концентрацией 1,3 г/дм³, а через 15-20 мин- 6%-ный раствор соды, затем остальную воду и тщательно перемешивают. Воду спускают в отстойник и оставляют в покое на 6 ч для формирования осадка. Осветленную воду пропускают через песочный фильтр и направляют в сборник.

Ионообменный способ. При этом способе для умягчения воды используют высокоэффективные синтетические ионообменные смолы, которые представляют собой высокополимерные, нерастворимые в воде органические вещества - гранулы полимерной смолы размером 0,5-2 мм, обладающие способностью поглощать из раствора ионы растворенных веществ и отдавать в раствор эквивалентное количество своих ионов. Они состоят из трехмерной пространственной сетки (матрицы), содержащей ионогенные группы. В воде активные группы ионитов диссоциируют на неподвижные, связанные с матрицей ионы и подвижные противоионы.

В зависимости от знака заряда противоиона иониты подразделяются на катиониты, аниониты и амфолиты. В катеонитах обменивающимся ионом является катион, в анионитах - анион, в амфолитах - ионы обоих знаков зарядов.

Катиониты применяют в основном для умягчения воды и удаления других катионов, которые содержатся в небольших количествах, а анионитами удаляют из воды кислоты и кислотные остатки. Для умягчения воды используют Н- и Na - катиониты, в которых катионы натрия и водорода обмениваются на катионы кальция и магния солей жесткости. При Н-катионировании происходят следующие реакции:

2[Кат]Н + Са(НСО₃)₂ = [Кат] ₂Са + 2СО₂ + 2Н₂О,

2[Кат]Н + СаСl₂ = [Кат]₂Са + 2НСl,

2[Кат]Н + CaSO₄ = [Кат]₂Са + H₂SO₄

Аналогично протекают реакции с солями магния. В результате Н-катионирования соли карбонатной жесткости разрушаются. При этом выделяется свободный диоксид углерода, а вместо солей некарбонатной жесткости образуются соответствующие анионам кислоты и повышается кислотность умягченной воды.

При умягчении Na-катионированием в воде будут накапливаться гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды натрия. Вследствие образования бикарбонатов натрий возрастет щелочность воды.

Качество ионитов, применяемых в пищевой промышленности, помимо отсутствия токсичности, определяется химической и термической стойкостью, механической прочностью, высокой обменной емкостью, быстрым установлением сорбционного равновесия, способностью к достаточно полной регенерации.

В бродильных производствах используют следующие катиониты: КУ-1, КУ-2, КУ-2-8, КУ-2-8чс. Катионитовый фильтр (рис. 11) представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд 2 с нижним и верхним сферическими днищами. Сосуд на 2/3 высоты заполнен катионитом. Внизу на бетонную подушку 4 уложено дренажное устройство 3 для отвода умягченной воды. Во избежание уноса мелких частиц катеонита на дренажное устройство насыпан слой кварцевого песка (0,5-0,7 м) с размером зерен 1-2 мм. Вода на умягчение подается в фильтр сверху через устройство 1. При прохождении через слой катеонита в воде протекают обменные реакции умягчения. После истощения Na-катионит регенерируют 5-10%-ным раствором хлорида натрия, а Н-катионит - 1-1,5%-ной серной или 5-6%-ной соляной кислотами.

В безалкогольном производстве используют параллельное и последовательное Na-катионитовое и Н-катионитовое умягчение. В пивоваренном производстве из-за недостатка ионов кальция в умягченной воде предусматривают либо добавление в затор гипса, либо воду пропускают через Са-катионит.

Разработаны схемы параллельного и последовательного водород-кальций-катионирования. В схеме последовательного использования катионитов (рис. 12) вода умягчается в водород-катаонитовом фильтре 1, смешивается в потоке с исходной водой для нейтрализации кислот, проходит через декарбонизатор 2 для удаления СО₂, затем через промежуточный сборник 3, насосом 4 подается на кальций-катионитовый фильтр 5 и поступает в сборник обработанной воды 6. Этот способ водоподготовки позволяет снизить щелочность воды и обогатить ее ионами кальция.

Ионообменный способ целесообразно использовать при содержании солей в воде до 1,5 г/дм³, а при концентрации 1,5-10 г/дм⁵ экономически оправдан электродиализный способ.

Электродиализный способ. Электродиализ представляет собой перенос ионов через ионитовые мембраны под действием приложенного к ним электрического поля. Ионитовые мембраны изготавливают из смеси измельченного ионита и связующего материала (полиэтилена, полистирола).

Ионитовые мембраны из-за наличия в них ионогенных групп являются электрохимически активными и обладают ионной селективностью. Ионогенные группы основного характера позволяют рассматривать мембрану как неподвижный поликатион, диффузный слой которого насыщен подвижными анионами. Такая мембрана анионопроницаемая. И наоборот, если группы кислотного характера, то мембрана представляет собой полианион и является катионопроницаемой. В электродиализном аппарате катионитовые и анионитовые мембраны чередуются, образуя обессоливающие (дилюатные) и концентрирующие (рассольные) камеры.

На предприятиях по производству пива и безалкогольных напитков преимущественно используют электродиализную обработку воды, технологическая схема которой изображена на рис. 13.

Вода, подлежащая обработке, поступает на фильтр предварительной очистки 1. Из него отфильтрованная вода четырьмя параллельными потоками через ротаметры 3 подается в электродиализный аппарат 4 фильтрпрессного типа с горизонтальным расположением рабочих камер, Сверху и снизу аппарат ограничен прижимными плитами, за ними расположены распределительные плиты (для распределения рабочих и промывных потоков). Аппарат имеет два электрода, между которыми размещены электродные камеры для промывки электродов, камеры опреснения и концентрирования, разделенные в чередующейся последовательности анионитовыми и катионитовыми мембранами.

Вода из одного ротаметра поступает на промывку верхней электродной камеры, из другого - нижней. В двух потоках идут обессоливание и концентрирование воды, причем ее химический состав зависит от напряжения электротока и давления питающей воды. Опресненная и техническая вода через вентили 5 направляется в сборники 6 и 7.

При повышении давления воды сверх заданных пределов электроконтактный манометр 2, связанный с системой блокировки, отключает электропитание аппарата и насоса.

Этот способ водоподготовки применяют для обработки воды с содержанием солей более 1,5 г/дм³. Он позволяет снизить щелочность воды в 2-3 раза, жесткость в 2,5-3 раза, pH на 0,5-1,5 и удалить нежелательные примеси.