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 Сгокса скорость осаж­дения взвешенной частицы (V, м/с)

где: р! и р₂ плотность частиц и жидкой среды, кг/м³; d — диаметр частицы, м; g - ускорение свободного падения, м/с²; ц - динамичес­кий коэффициент вязкости жидкой среды, Па-с.

Осветление воды проводится в отстойниках периодического и не­прерывного действия. В тех случаях, когда примеси, например гумино-вые 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 A1₂(SO₄}₃-18H₂O, сульфаты железа Fe_;(SO₄)₃-7H₂O или FeSO₄-9H₂O в сочетании с гашеной известью.

При растворении в воде сульфат алюминия подвергается гидролизу:

AL(SO,). = 2А1³* + 3SO*-2АР+ + 6Н₂0 = 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 рН менее 4 имеет вид мелких хлопьев, выше 4 — крупных хлопьев. Оптимальные условия рН 7,5—7,8, а при рН 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 рН 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.

• ill! 1 НИ

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 фильт­
ры используют для очистки
воды с неприятным запахом,
повышенными содержанием
хлора и цветностью. Фильтру­
ющие материалы представле­
ны четырьмя слоями (в см):
Рис. 9. Песочный фильтр гравий 10, песок 35-40, ак-

тивный уголь 15, гравий 10. Слои один от другого отделяют коррозионное -тойкими сетками. Угольные колонки при­меняют с той же целью для очистки воды. Обезжелезнвание воды. Соединения железа удаля­ют из воды аэрированием, коагулированном, извест­кованием, катионировани-ем. Наиболее эффективным способом является хлори­рование воды. На рис. 10 изображена установка для обработки воды хлорной известью. Ус-

Рис. 10. Установка для обработки воды хлорной известью

тановка 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 Раши-га (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 водопод-готовки.

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(НС0₃)₂ = СаС0₃ + СО, + 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 гидролшуется с образованием малораство­римого гидроксида магния:

MgC0₃ + Н₂0 = Mg(OH)₂ + С0₂.

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:

СО, + Са(ОН), = СаСО, + Н₂О; Са(НС0₃)₂ + Са(ОН)₃ = 2СаСО, + 2Н₂О.

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

Mg(HC0₃)₂ + 2Са(ОН)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 СО,, 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 рН, 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

CaSO, + NajCO = CaCO, + Na,SO₄,

MgSO, + N^CO, = MgC0₃ + N0,50,.

Аналогичные реакции протекают между содой и хлоридами каль­ция и магния.

Карбонат магния взаимодействует с известью по уравнению

MgC0₃ + Са(ОН)₂ = СаС0₃ + Mg(OH}₂.

Остаточная жесткость умягченной воды составляет 0,7—0,9 ммолъ/ дм³ или 1,4-1,8 мг-экв/дм³ из-за частичной растворимости СаСО₃ и

Если обозначить временную жесткость воды через Н₍, моль/ дм³; постоянную - через Н_р, моль/дм¹, а через G₃ — содержание магниевых солей в пересчете на оксид магния, мг/дм³, то требуе­мое количество извести G, и соды G₂ (мг/дм³) можно вычислить по уравнениям:

G =57,2Н + 1,4G₃, G₂= 57,2 Н_р • 1,89,

где 1,4 - коэффициент для пересчета MgO на СаО; 1,89 - коэффи­циент для пересчета Na₂CO₃ 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 противояона иониты подразделя­ются на катиониты, аниониты и амфолиты. В катеонитах обмениваю-

щимся 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 — катеониты, 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), = [Кат]₂Са + 2СО, + 2Н,О; 2[Кат]Н + CaCL = [Кат],Са + 2НС1; 2[Кат]Н + CaSO, = [Кат]₂Са + H₂SO₄.

Аналогично протекают реакции с солями магния. В результате Н-катионирования соли карбонатной жесткости разрушаются. При этом выделяется свободныйдиоксид 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 натрия 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 Рис. 11. Катионитовый фильтр умягчение подается в фильтр

Обработанная вода |

Рис.12. Технологическая схема последовательного водарод-кальций- катионироваяия воды

сверху через устрой­ство 1. При прохожде­нии через слой катио-нита в воде протека­ют обменные реакции умягчения. После исто­щения Na-катионит регенерируют 5-10%-ным раствором хлори­да натрия, а Н-катио-нит — 1-1,5%-ной серной или 5-6%-ной соляной кислотами.

В безалкогольном производстве исполь-

зуют параллельное и последовательное Na-катионитовое и Н-кати-онитовое 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-катионитовом филь­тре I, 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/дм³ 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 катио-нопроницаемой. В электродиализном аппарате катионитовые и ани-онитовые мембраны чередуются, образуя обессоливающие (дилю-атные) и концентрирующие (рассольные) камеры.

Рис. 13. Технологическая схема электродиализной обработки воды

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 фильтрп-рессного 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, рН на 0,5—1,5 и удалить нежелательные примеси.