Научное обоснование и прикладные аспекты формирования качества и обеспечения безопасности восстановленных продуктов предприятий молочной отрасли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, доктор наук Горелкина Алена Константиновна

• Горелкина Алена Константиновна
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Горелкина Алена Константиновна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Аналитический обзор проблемы обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов

1.1 . Проблема обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов

1.2. Подходы к обеспечению качества и безопасности восстановленных продуктов

1.3. Целесообразность использования сухого молочного сырья для производства пищевых продуктов

1.4. Водоподготовка

1.5. Пути снижения содержания приоритетных загрязнителей 55 Глава 2. Организация эксперимента, объекты и методы исследований

2.1. Обоснование направлений исследования, организация эксперимента

2.2 . Характеристика объектов исследования 89 2.3. Методы проведения исследований

Глава 3. Обоснование целесообразности обеспечения качества воды в технологии восстановленных молочных продуктов

3.1. Рабочая концепция формирования качества молочных продуктов, произведенных на основе сухого молочного сырья

3.2. Обоснование целесообразности обеспечения качества воды

3.3. Исследование влияния галогенорганических соединений питьевой воды на восстановление сухого молочного сырья

3.4. Исследование влияния галогенорганических соединений в питьевой воде на показатели качества восстановленных сывороточных продуктов

Глава 4. Разработка и практическое применение технологии доочистки воды системы хозяйственно-питьевого водоснабжения

4.1. Исследование способов снижения приоритетных загрязнителей воды централизованных систем хозяйственно -питьевого водоснабжения

4.2. Изучение влияния типа дезинфектанта на уровень образования галогенорганических соединений

4.3. Разработка теоретических основ адсорбционной доочистки воды от органических контаминантов

4.4. Аппаратурное оформление адсорбционной доочистки воды системы хозяйственно-питьевого водоснабжения

Глава 5. Разработка технологии производства восстановленных молочных продуктов на базе адсорбционной доочистки воды, как фактора формирования качества и безопасности

Глава 6. Практическая реализация предлагаемой технологии адсорбционной доочистки воды в производстве восстановленных молочных продуктов

6.1. Товароведная оценка фруктово-сывороточных напитков, произведенных по усовершенствованной технологии

6.2. Внедрение принципов ХАССП на предприятии для производства восстановленных продуктов 293 ВЫВОДЫ 308 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 311 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 312 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обоснование и прикладные аспекты формирования качества и обеспечения безопасности восстановленных продуктов предприятий молочной отрасли»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Стратегия повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года (далее - Стратегия) утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 29 июня 2016 года и ориентирована на обеспечение полноценного питания, профилактику заболеваний, увеличение продолжительности и повышение качества жизни населения, стимулирование развития производства и обращения на рынке пищевой продукции надлежащего качества [292, 293].

Существующая в РФ ситуация на рынке молочного сырья определяется сезонным всплеском производства сырья в летний период. Одной из возможностей, позволяющей решить вопросы по обеспечению предприятий сырьём для производства молочной продукции равномерно, без сезонных сбоев, в течение года является применение сухого молочного сырья (сухое молоко, сухая молочная сыворотка и др.) взамен натуральному сырью. Восстановленные и рекомбинированные молочные продукты позволяют обеспечить равномерно в течение года население молочной продукцией, входящей во все протоколы сбалансированного и здорового питания.

В производстве восстановленных молочных продуктов используются значительные объемы воды из распределительной сети централизованного водоснабжения, следовательно, содержащиеся в ней контаминанты оказывают влияние на формирование качества восстановленных продуктов.

Высокий уровень загрязнения в настоящее время сохраняется для всех аква-экосистем. Источники водоснабжения, в качестве которых выступают как поверхностные, так и подземные водные экосистемы содержат различные загрязняющие компоненты, происхождение которых имеет естественную и антропогенную природу. Регистрируемые ксенобиотики включают неорганические и органические соединения. Среди органических соединений, к примеру, в источниках водоснабжения постоянно фиксируют фенол и гумусовые вещества.

Водоподготовительные мероприятия направлены на очистку воды с целью соответствия ее качества СанПиНу, в который включена, в том числе, и группа показателей микробиологического и паразитологического плана, для обеспечения данных показателей на соответствующем уровне предусмотрена стадия обеззараживания, на данной стадии вода обрабатывается реагентом-дезинфектантом. Водоподготовительные станции, работающие с реализацией классической схемы, в качестве реагента-дезенфиктанта применяют хлор-содержащие соединения. Это приводит к образованию ряда продуктов, относящихся к галогенорганической группе: хлороформ, трихлорэтилен, дихлорэтан и другие. В воде присутствие таких соединений в концентрациях, даже незначительно выше ПДК, оказывает отрицательное воздействие на живые организмы, при различном проявлении.

Применение в пищевой отрасли на технологические нужды воды, содержащей галогенорганические соединения, даже в концентрациях близких к ПДК, может отрицательно повлиять на качество и безопасность продуктов, так как присутствующие в воде соединения могут взаимодействовать с основными компонентами сырья, в процессе производства.

Появляется необходимость устранения влияния контаминантов, периодически регистрируемых в воде.

Рассматривая всевозможные методы очистки воды с невысокой концентрацией соединений такого рода, нужно отметить, что они, как правило, экономически и энергетически невыгодны, длительны, процесс очистки их требует использования значительных количеств реагентов; и еще один негативный параметр - это образование вторичных загрязнений.

К возможным вариантам решения обозначенной проблемы снижения влияния галогенорганических загрязнителей на качество продуктов, можно отнести внедрение альтернативного реагента-дезинфектанта в процессе водоподготовки или адсорбционное извлечение, как один из этапов водоподготовительного процесса.

В связи с этим, научный интерес представляет разработка и совершенствование методов и технологий, позволяющих улучшить чистоту используемой воды как сырья и, в конечном счёте, повысить качество готового продукта. Актуальной остается роль, отводимая изучению потребительских свойств и товароведных характеристик полученных продуктов.

Степень разработанности темы исследования. Обозначенная проблема в различные годы исследовалась российскими и зарубежными учеными: З.С. Зобковой, А.Г. Храмцовым, В.Д. Харитоновым, И.А. Радаевой, Ф.А. Вышемирским, Л.А. Остроумовым, А.Р. Галстян, Н.А. Тихомировой, Л.А. Забодаловой, Т.И. Ивановой, М.А. Николаевой, G. Trystram, R. Chand, М. Mullan, Е. Bauernfeind и др.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в научно-экспериментальном обосновании и практической реализации подходов к формированию качественных характеристик и безопасности восстановленных молочных продуктов на базе исследования влияния приоритетных контаминантов сырья - воды системы централизованного водоснабжения на качественные показатели и безопасность пищевых продуктов, комплексного изучения процесса доочистки воды и внедрения в технологическую схему производства восстановленной продукции.

Определен ряд задач позволяющих реализовать поставленную цель:

• изучить влияние приоритетных органических контаминантов, периодически присутствующих в воде, на комплекс показателей качества восстановленных молочных продуктов (пищевая ценность, безопасность, физико-химические, органолептические свойства), в том числе сывороточных напитков с плодово-ягодными наполнителями;

• исследовать качество воды, подготовленной с использованием жидкого хлора и гипохлорита натрия, в течение года;

• на основе комплексного исследования (статики, кинетики и динамики) процесса адсорбции установить закономерности, особенности и механизм адсорбционного извлечения исследуемых органических веществ из водных

растворов углеродными сорбентами, отличающимися природой сырья, технологией получения и физико-химическими характеристиками. Предложить метод оптимизации параметров и режимов работы сорбционной установки с использованием адсорбционных констант Дубинина-Радушкевича и кинетических параметров;

• разработать метод регенерации отработанных сорбентов, который обеспечит ресурсосбережение за счет многократного использования сорбентов в адсорбционных циклах без снижения их поглощающей способности;

• на основе экспериментальных результатов и теоретических обоснований разработать адсорбционную технологию снижения уровня контаминации воды, используемую в производстве восстановленных молочных продуктов;

• разработать технологический регламент производства восстановленных молочных продуктов на базе предложенной технологии доочистки воды системы централизованного водоснабжения от загрязнителей по критериям и системе оценок процесса адсорбции из водных сред сорбентами различной природы.

Научная концепция. В основу диссертационной работы положена рабочая концепция формирования качества восстановленных молочных продуктов, предусматривающая систематизацию теоретических и экспериментальных исследований рецептурных компонентов, технологических параметров производства и других факторов для комплексного подхода к усовершенствованию технологии производства восстановленных молочных продуктов на базе адсорбционного извлечения органических контаминантов, используя закономерности и механизм массопереноса, оптимальные режимы сорбционной очистки.

Научная новизна работы. Установлено влияние контаминантов воды системы централизованного водоснабжения на состав и свойства восстановленных молочных продуктов. Доказано химическое взаимодействие ксенобиотиков с компонентами молочного сырья, снижающее качество восстановленных продуктов.

Установлено снижение количества витаминов и биологически активных веществ в плодово-ягодных наполнителях, используемых в производстве напитков, приготовленных с применением воды, содержащей токсичные контаминанты.

Предложены подходы снижения уровня загрязнения галогенорганическими контаминантами воды: замена дезинфектанта (хлора на гипохлорит натрия), рекомендации по его использованию для практического применения; и адсорбционные методы для реализации на предприятиях молочной отрасли.

На основе комплексного исследования адсорбционных процессов разработана технология доочистки воды от канцерогенных контаминантов, позволяющая обеспечить качество и безопасность.

Усовершенствована технология производства восстановленных молочных продуктов на базе предложенного подхода снижения контаминантного влияния на качество и безопасность продуктов. Аппаратурно-технологическое оформление производства предусматривает отечественное оборудование.

Проведенная оценка потребительских свойств и товароведных характеристик по комплексу показателей качества (пищевая ценность, безопасность, физико-химические, органолептические свойства) напитков на основе восстановленного молочного сырья, в том числе с плодово-ягодными наполнителями, произведенных по усовершенствованной технологии очистки воды показала повышение исследуемых характеристик в сравнении с традиционной технологией производства восстановленных молочных продуктов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические и экспериментальные исследования по снижению уровня загрязнения галогенорганическими контаминантами воды как фактора, формирующего качественные характеристики и безопасность пищевых продуктов, определили теоретическую значимость работы.

Практическая значимость:

Предложен способ оптимизации технологических режимов адсорбционного процесса очистки воды с применением математического моделирования и

подтверждением его адекватности. Разработана технология адсорбционной доочистки воды централизованной системы хозяйственно-питьевого водоснабжения с рекомендациями по ее использованию на технологические нужды для предприятий молочной промышленности, а также с целью соответствия санитарно-гигиенических показателей воды требованиям нормативной документации ГОСТ Р 51232-98 и СанПиН 2.1.4.1074-01.

Предложена рабочая концепция формирования качества восстановленных молочных продуктов.

Разработаны и утверждены технические условия на выпуск различных видов напитков на основе восстановленных молочных ингредиентов, использующих доочищенную питьевую воду: ТУ 10.51.11-248-020683309-2017 «Молоко восстановленное с использованием доочищенной воды (АУ СКД-515)»; ТУ 10.51.55-263-02068309-2018 «Фруктово-сывороточные напитки на основе восстановленной молочной сыворотки с использованием доочищенной воды (АУ АГ-ОВ-1), «Напиток Банановый»», ТУ 10.51.55-270-02068309-2020 «Фруктово-сывороточные напитки на основе восстановленной молочной сыворотки: «Ягодный микс»; «Банановый», «Цитрусовый», «Тархун», «Дыня», «Вишня -Черешня», «Облепиха»».

Предложено аппаратурное оформление технологических линий производства жидких молочных продуктов из восстановленного сухого сырья.

Проведены производственные испытания предложенной технологии доочистки воды и внедрены в производство технологии сывороточных напитков на ОАО «Золотая Сова» (г. Кемерово), выработаны опытные партии фруктово -сывороточного напитка с банановой сокосодержащей основой в размере 1т на НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово), произведена производственная выработка фруктово-сывороточного напитка и внедрена в производство на предприятиях ООО «Бавария» и ООО «Молочный Край» (г. Кемерово).

Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по направлениям: «Продукты питания из растительного сырья»,

«Продукты питания животного происхождения», «Технология продукции и организация общественного питания» в ФГБОУ ВО «КемГУ».

Методология и методы исследования. В основу диссертационной работы положена методология, интегрирующая подходы к формированию качественных характеристик продуктов питания с использованием рецептурных компонентов, перспективных технологий и других факторов (Н.И. Донченко, Т.И. Иванова, М.А. Николаева). Основные методы, используемые для анализа в работе: хроматографические, термогравиметрические, физико-химические

(потенциометрия, спектроскопия в широком интервале спектра), порометрия, а также стандартные методы для исследования различных показателей, характеризующих качество молока и молочных продуктов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Влияние основных галогенорганических контаминантов, образующихся на стадии хлорирования при водоподготовке, на кинетику восстановления сухого молоко-сырья и качественные показатели восстановленных молочных продуктов.

2. Химизм взаимодействия контаминантов воды с компонентами сухого молочного сырья и рецептурными компонентами восстановленных сывороточных напитков.

3. Пути снижения влияния контаминантов воды на качество восстановленных молочных продуктов на этапе водоподготовки и восстановления сухого молочного сырья, основанные на адсорбционной технологии. Критерии оптимизации процесса доочистки на основе математической модели и способы регенерации отработанных сорбентов.

4. Усовершенствованная технология производства восстановленных молочных продуктов путем снижения контаминантного влияния галогенорганических соединений.

5. Оценка показателей, характеризующих качество и безопасность готовых молочных продуктов, произведенных из сухого молочного сырья по предложенной технологии, включающей этап доочистки воды.

Степень достоверности и апробация результатов. Приводимые в диссертации положения основаны на фундаментальных основах физической, органической и неорганической химии. Достоверность и обоснованность экспериментальных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением фундаментальных уравнений, описывающих сорбционные процессы, использованием современных методов анализа и аттестованных метрологической службой измерительных приборов, статистической обработкой данных и результатами промышленных испытаний.

Материалы диссертации докладывались и обсуждены на Международных конференциях, конгрессах и форумах, в т.ч. на XI Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды» (Новочеркасск, 2018), XIII International scientific and practical Conference «Cutting-edge science - 2018» (England, 2018), XIV International scientific and practical conference «Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci - 2018» (Przemysl, Poland, 2018), XIII International scientific and practical Conference «News of science and education» (Sheffield, England, 2018), XIV Mezinarodm vedecko - prakticka konference «Veda a vznik -2018» (Praha, Cesko, 2018), XV International scientific and practical conference «Science and сivilization - 2019» (Sheffield, England, 2019), «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», (Санкт-Петербург 2019), «Динамика и современная наука-2019» (София, 2019), «Пищевые инновации и биотехнологии -2020» (Кемерово, 2020).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 50 работ: 1 монография, 25 статей, в том числе: 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 11 статей в международных изданиях, входящих в наукометрические базы данных Web of Science и Scopus (QII), 1 монография, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, включающих обзор литературы, результаты собственных исследований, выводов, списка использованных литературных источников (362 наименования) и приложений. Основной текст изложен на 340 страницах. Диссертация содержит 58 таблиц и 144 рисунка.

Глава 1. Аналитический обзор проблемы обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов

1.1. Проблема обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов

Важную роль в обеспечении здоровья человека играет качество и безопасность пищевых продуктов. С точки зрения продовольственной безопасности население должно получать продукцию надлежащего качества, структура питания должна быть оптимальной, что и обеспечит здоровье различным слоям населения. [26,184].

Статистические данные о заболеваемости населения в России позволяют фиксировать значительный прирост количества заболеваний связанных с нарушением работы сердечно-сосудистой системы, ожирения и диабета, онкологических заболеваний и болезней, обусловленных переутомлением, неблагоприятным состоянием окружающей среды и влиянием ряда других негативных факторов, среди которых и сниженное качество питания. Это определяет актуальность обеспечения, в том числе токсикологической безопасности продуктов питания, а также снижение заболеваний с помощью продуктов, имеющих функциональное направление, которые, в свою очередь, плодотворно могут повлиять на процессы связанные с пищеварением, что отразиться и на сопротивляемости организма к факторам неблагоприятно сказывающимся на многих физиологических процессах в организме человека [27, 24, 17, 84, 137, 211, 234].

Проблема питания и здоровье населения страны является важной государственной задачей. Решение этой проблемы возможно только на государственном уровне, в связи с чем, разработан и утвержден ряд важных государственных документов с выделением соответствующего финансирования [286, 292, 294, 295], которые направлены на поддержку научно-технологического (инновационного) развития и обеспечения продовольственной безопасности, что предусматривает повышение качества пищевой продукции.

Новшества в производстве продуктов питания определяются инновациями, связанными с проведением различных исследований и интегрированием их с помощью инженерии в производственный процесс. В.А. Панфилов, рассматривая перспективы решения этой проблемы, считает, что изучение условий дальнейшего развития инновационных процессов и технологических решений в пищевой промышленности, связаны с тесным взаимодействием науки и технологий. На современном этапе развития общества реализация продуктов такого взаимодействия является актуальной проблемой, требующей установления закономерностей и тенденций в данном направлении [125].

В силу своей сложности современные пищевые технологии нуждаются в обосновании различного плана взаимодействий на всех стадиях процесса производства и их учета с целью обеспечения качества продукции в сложной технологической системе, а современные технологии производства пищевых продуктов все практически без исключения можно считать таковыми. Главным звеном, по мнению А.П. Дубинской и A.M. Кочкарева является следующая система: «технологическое воздействие - биологический объект», так как именно здесь формируется качество продукции. В исследованиях В.В. Митина указывается, что технологическая система производства пищевых продуктов - это внутреннее и внешнее взаимодействие, связь между элементами, в которой возможно взаимодействие энергии, вещества и информации. Наряду с другими важнейшими проблемами, решаемыми в производственном процессе, остается экологизация, которая в ряде случаев определяет успешность процессов интенсификации производства. Экологизация пищевых производств и проблемы, связанные с ней, имеют ряд взаимосвязанных аспектов, которые выделяет Л.Л. Лисенкова [102], один из которых - обеспечение выпуска высококачественной, безопасной продукции и производства. Как показывают результаты исследований Д.Б. Думаревского, экологическая безопасность продукции на выпуске напрямую определяется чистотой сырья, экологичностью технологии.

Это обуславливает проблему, решение которой направлено на выявление взаимодействий между перерабатываемым сырьем, производимым продуктом и

окружающей средой и положено в основу приоритетных направлений развития науки (критических технологий Федерального уровня).

1.2. Подходы к обеспечению качества и безопасности восстановленных продуктов

Деятельность в области обеспечения высоких качественных показателей продукции связана с изучением продуктов, используемых в качестве сырья на предмет изменения их характеристических показателей в процессе переработки, формирование их свойств в зависимости от потребительских предпочтений и принятия решений в выборе производственной стратегии. Существующие концепции предусматривают различные уровни оценки соответствия продукции в том числе: соответствие как стандарту, так и фактическим требованиям рынка и скрытым потребностям.

Для этого необходимо качество определять как приоритет при производстве продукции с самого начала производственного цикла (Barker 1985, Akao 1990, Хайзер, Клодинг 1992, Л.П. Сулливан 1992, Брагин 2003, О.А. Холоша 2006). Существенное практическое и научное значение имеет метод, позволяющий выделять различные структурные группы, объединяющие качественные характеристики, который называют развертыванием функции качества (Quality function Deployment - QFD), - это системный способ, позволяющий отражать потребительские предпочтения через выявление функций и операций производственной деятельности предприятия по обеспечению высокого качества на каждой стадии технологического процесса выработки продукции, которое гарантировало бы соответствие ожиданиям потребителя (Akao, Yoji 1990, Mizuno 1994). Систематизируя качество с первоначального этапа производственного цикла продукции в соответствии со стандартами по качеству и безопасности, удается избежать корректировки параметров продукта после его появления на рынке.

Российскими и зарубежными учеными активно изучаются подходы и возможность повышения качества и безопасности продуктов, полученных восстановлением сухого сырья, так как помимо стандартных технологических факторов, определяющих качество и безопасность продукта, необходимо учитывать и процесс восстановления сухого сырья.

Вопросам восстановления сухого молочного сырья (СМС) посвящено большое количество исследований: А. Г. Гэлстян, В.К. Семипятый в своих трудах ставят основную цель - развитие теории и практики технологии восстановления сухого молочного сырья, обуславливая вопрос совершенствования процесса восстановления как один из приоритетных в формировании качества продуктов, произведенных на основе СМС. «Восстановление сухого молоко-сырья это -химическая реакция, с которой реагенты находятся в различном агрегатном состоянии с дальнейшим переходом в раствор [99, 101, 205] вещества, находящегося в твердом агрегатном состоянии.

Гетерогенные реакции протекают в несколько стадий, а для таких агентов как сухие молочные продукты количество стадий определяется многокомпонентностью их состава. Приводя последовательность стадий, отметим следующие: растворение молочного сахара и минеральных веществ, гомогенизация белка и жира, удаление воздуха. Это в полной мере относится и к процессу восстановления любого СМС».

О.Н. Красуля, Я.А. Артемова в своих работах приводят важность решения проблемы качества воды в пищевой промышленности, в том числе и молочной отрасли, и приводят исследования по повышению качества молочных напитков на основе регулирования свойств воды. Вышеупомянутые специалисты изучали влияние сонохимических воздействий на качество воды, используемой при производстве восстановленных молочных напитков. «На основании результатов проведенных комплексных исследований установлено, что при сонохимической обработке воды происходит изменение ее физико-химических структурно-динамических и микробиологических характеристик: разрушается ее структура,

увеличивается растворяющая и экстрагирующая способности, улучшаются показатели безопасности» [4, 226].

И.Ю. Потороко, Н.В. Попова также занимаются регулированием качества воды, используя ультразвуковую кавитацию с целью повышения качества восстановленных продуктов переработки молока, а также применяя ультразвуковое возбуждение с целью интенсификации производства в молочной отрасли [131 - 134].

Исследования, в настоящее время детально описывающие и механизмы процесса восстановления, и его режимы, и машинно-аппаратное обеспечение, кроме всего отмечают, что важным является влияние и компонентов воды, используемой для восстановления. Влияние контаминантов воды на качество восстановления сухого молочного сырья и обеспечение стабильности получаемой системы до настоящего времени изучено недостаточно.

1.3. Целесообразность использования сухого молочного сырья для производства пищевых продуктов

Рынок молочного сырья в России зависит от импорта товарного молока, что определяет ситуацию, связанную с формированием дефицита и снижением качества ряда продуктов молочной отрасли. Для выхода из сложившейся ситуации, связанной с сырьевым обеспечением вполне может служить разработка и внедрение технологий по производству восстановленных молочных продуктов на основе сухого молоко-сырья (сухое молоко, сухая молочная сыворотка и др.) взамен натуральному сырью.

Формирование качественных характеристик восстановленных систем, их соответствие натуральным продуктам и биологическая безопасность представляет интерес с точки зрения наукообразия этой проблемы.

1.3.1. Значение молока в питании населения. Состав молока. Качество молока и молочных продуктов

Организм человека для нормального функционирования всех органов и систем нуждается в сбалансированном поступлении питательных веществ: белков, жиров, углеводов, минеральных микроэлементов и необходимого количества воды, источником которых являются компоненты пищевого рациона. Высокая пищевая ценность, сбалансированное соотношение всех необходимых питательных веществ, характерны для молочных продуктов, также важным является легкоперевариваемая форма упомянутых компонентов пищи.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Горелкина Алена Константиновна, 2021 год

•и -

ж

Рп

к Г с

— 1п

Р

V

С

-1

л

+ 1п

У

С

С

-1

(2)

в области малых концентраций

а.

т

Н

ж

Рп

Г С

1п С

V С

л

1

У

(3)

где

т - продолжительность поглощения компонента слоем Ь до фиксации проскока извлекаемого компонента, с; ж - скорость потока водной фазы, м/с; Н - высота слоя загрузки фильтрующего материала, м; Со - начальная концентрация извлекаемого компонента, кг/м3;

а

0 - количество извлекаемого компонента, равновесное с концентрацией потока С0, кг/м3; ву - коэффициент внешнего массопереноса, с-1;

ь = Ф-1 • (1 - С/0,54С0),

;

Ф-1 - функция, обратная функции Крампа; величина Ь берется из таблице 2.2. разд. 2.3.4. В уравнение модели входят экспериментально полученные величины:

адсорбционная емкость ао, коэффициент внешнего массопереноса в и

варьируемые параметры: средняя скорость потока и и длина неподвижного слоя L.

На рисунке 4.51 представлены полученные в результате экспериментальных

исследований и теоретически рассчитанные по фундаментальным уравнениям

внешнедиффузионной динамики адсорбционного извлечения выходные кривые для системы «сорбируемый материал - хлороформ - трихлорэтилен - водная среда» для неподвижного слоя загрузки углеродного материала, которые позволяют сделать вывод о высокой корреляции между теоретически рассчитанной по уравнению адсорбции в области малых концентраций и

полученной в результате эксперимента кривыми.

Рисунок 4.51 - Выходные кривые адсорбционного извлечения системы «сорбент - СНС1з - ССЬ=СНС1 - вода» сорбент марки СКД-515: V=3,8 м/ч, L=0,1 м экспериментальная и теоретические рассчитанные по уравнениям (1,2,3).

Рисунок 4.52 - Выходные динамические кривые адсорбции хлороформа, в присутствии трихлорэтилена при различных скоростях потока (1 - 2,5 м/ч, 2 - 5 м/ч, 3- 8 м/ч) на АУ (а) СКД-515, (б) АГ-3

Рисунок 4.53 - Выходные динамические кривые адсорбционного извлечения СНС1з из системы «сорбент - СНС1з - ССЬ=СНС1 -вода» для плотного слоя загрузки сорбентом СКД-515 (на теоретические кривые точками нанесены экспериментальные данные) при разной скорости потока (у) и высоте слоя сорбента (Н), Со=0,025 мг/дм3: 1- у=2,5 м/ч, Н=2,5м; 2-у=2,5м/ч, Н=1м; 3-у=2,5 м/ч, Н=2м; 4-у=5 м/ч, Н=2м; 5-у=5 м/ч, Н=2,5м; 6-у=8 м/ч, Н=2м; 7-у=2,5 м/ч, Н=3м; 8-у=5 м/ч, Н=3м.

С/Со

Рисунок 4.54 - Выходные динамические кривые СНС1з из системы «сорбент - СНС1з - ССЬ=СНС1 - вода» для плотного слоя загрузки сорбентом АГ-3 (на теоретические кривые точками нанесены экспериментальные данные) при разной скорости потока (у) и высоте слоя сорбента (Н), Со=0,025 мг/дм3: 1- у=2,5 м/ч, Н=2,5м; 2-у=2,5м/ч, Н=1м; 3-у=2,5 м/ч, Н=2м; 4-у=5 м/ч, Н=2м; 5-у=5 м/ч, Н=2,5м; 6-у=8 м/ч, Н=2м; 7-у=2,5 м/ч, Н=3м; 8-у=5 м/ч, Н=3м

Полученные результаты дают основание использовать выбранную модель, основанную на применении уравнения внешнедиффузионного адсорбционного извлечения в случае линейной изотермы, для расчета параметрических характеристик адсорбера и эффективных режимов его эксплуатации в промышленности, сократив время и экономические затраты, необходимые для экспериментальных исследований, тем самым решив задачи оптимизации процесса очистки. Такие параметры как линейная скорость движения очищаемой жидкой фазы, выбор сорбирующего материала, высота и диаметр фильтрующей колонны (рис. 4.53 - 4.54).

Этапы моделирования:

1) Векторная схема расчетов колонны.

2) Формирование древа частотного алгоритма и генерация маршрутов параметрического моделирования.

3) Расчет конструкционных параметров по заданным маршрутам, анализ графического представления процесса и полученных результатов расчета.

Векторная схема расчетов (рис. 4.55) основана на использовании выражений, описывающих внешнедиффузионные процессы.

Варьирование исходными параметрами I, к, I, т. позволяет формировать вектор маршрутизации, имеющий следующий вид:

= {/, у, к, I, т}

Изменение каждого из параметров позволяет получить набор данных, обработка которых дает основание для выбора решения поставленной задачи.

Предложена схема формирования маршрутов для получения текущих векторов для расчета параметров (рисунок 4.56).

-

и

Со -►

Вычисление 5

Вычисление II (30)

Рисунок 4.55 - Векторная схема расчетов колонны

(расчетные формулы приведены в п. .2.3.3.)

Частота варьирования исходных параметров возрастает по мере изменения номера уровня от [ к т

Иерархические уровни

Исходная концентрация

Коэ^ииу^енты зависящие от марки угля (Эр; р)

Диаметр колонны (с1)

Высота слоя адсорбента (1_)

Скорость а дcopбцииJ[u] -•-•-•-♦-

Рисунок 4.56 -Схема формирования текущих векторов параметрических маршрутов

Результаты математического моделирования позволили получить зависимости концентрации хлороформа (в присутствии трихлорэтилена) в водной среде на выходе из колонны от времени адсорбционного извлечения компонента сорбирующими материалами при различных характеристиках колонны и режимах ее работы.

На рисунках 4.53 - 4.54, представлены динамические кривые, отражающие зависимость времени работы колонны до проскоковой концентрации хлороформа в растворе на выходе из колонны от типа сорбционного материала при разных параметрах.

Теоретические выходные кривые адсорбционного извлечения хлорфенола (в присутствии трихлорэтилена) и уравнения (2.13-2.21. Разд. 2.2.4.) позволяют определить динамические характеристики адсорбционного поглощения: длина рабочего слоя, длина неиспользованного слоя, коэффициент защитного действия, продолжительность работы колонны и количество очищаемой воды в

зависимости от скорости фильтрования, высоты неподвижного слоя и размеров

колонны, которые приведены в таблицах 4.15 - 4.16.

Таблица 4.15 - Параметры адсорбционной колонны заполненной СКД 515

*£ 1 ^ * 55 03 а а о -е 11 о я 03 м р о -е Л н о о 63 я я ю !

° я £ О « Кия хлоре мг/л ё и Н £ Я о « О & я хлоро мг/л р § О адсор м/ч 1 Е

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 2,5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 5 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

0,0025 0,001 8 2

я

I §

Й ° Р ^ 3 я

и

Я Л

о ч ч я С -«и

и м Коэффицие нт Генри, Кг т с

Адсорб е ммоль/г Время работы слояДпр, С/Со

0,992674 198534,8 1873,849 0,005

0,992674 198534,8 2190,669 0,01

0,992674 198534,8 2854,131 0,03

0,992674 198534,8 3218,725 0,05

0,992674 198534,8 3832,264 0,1

0,992674 198534,8 4667,337 0,2

0,992674 198534,8 5279,759 0,3

0,992674 198534,8 5866,376 0,4

0,992674 198534,8 6617,827 0,5

0,992674 198534,8 6958,665 0,6

0,992674 198534,8 7557,732 0,7

0,992674 198534,8 8256,546 0,8

0,992674 198534,8 9104,296 0,9

0,992674 198534,8 378,7347 0,005

0,992674 198534,8 527,9752 0,01

0,992674 198534,8 875,9941 0,03

0,992674 198534,8 1082,867 0,05

0,992674 198534,8 1449,966 0,1

0,992674 198534,8 1979,453 0,2

0,992674 198534,8 2384,865 0,3

0,992674 198534,8 2784,187 0,4

0,992674 198534,8 3308,913 0,5

0,992674 198534,8 3551,176 0,6

0,992674 198534,8 3982,663 0,7

0,992674 198534,8 4494,183 0,8

0,992674 198534,8 5125,066 0,9

0,992674 198534,8 54,96741 0,005

0,992674 198534,8 119,4781 0,01

0,992674 198534,8 308,0056 0,03

0,992674 198534,8 435,1326 0,05

0,992674 198534,8 677,6289 0,1

0,992674 198534,8 1052,609 0,2

0,992674 198534,8 1353,355 0,3

0,992674 198534,8 1657,979 0,4

0,992674 198534,8 2068,071 0,5

0,992674 198534,8 2260,492 0,6

0,992674 198534,8 2607,25 0,7

0,992674 198534,8 3024,071 0,8

0,992674 198534,8 3545,304 0,9

es

"о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о

о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о

ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю

О) О) О) О) О) О) О) О) О) О) О) О) Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul

H

Исходная

концентраци g

S

я a

хлороформа мг/л

Остаточная

,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P ,P "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o "o ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo я

On

I

концентраци д

%

хлороформа

мг/л CD

ююююююююююююю Скорость '"О

OÎOOOOOOOOOOOCOÎOOOOOOOOOOUiUlWUll»il/lUlUlUiUlWUll»i> » » » » » » » » » » » » „ „„„¿г fin

uiuiuiuiuiuiuiuiuiuiuiuiui адсороции,

м/ч fcl

о

Длина -§

ыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыыы адсорбционн ^

ого слоя Я

о M

Площадь д

фильтра, м2 §с

§

Адсорб емк §

ммоль/г Щ

Е

со g

Коэффициен О

т Генри, Кг я

Сй

а а о

Время

работы ^

слояДпр, сут ^

"о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о "о

Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul Ul

о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о

OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ OJ

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю ю

н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— H— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— н— H— H— н— н—

о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о

о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о

Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл Чл

OJ OJ ю ю ю 1 OJ Ul Ul OJ ю К } ю Ul ю 00 ON Ul 1 OJ ю

OJ 4— ю ю 00 ю Ul ю о Ul К } Ul о ON ю OJ о ю ю 4— 1 о OJ ю

Ul Ul 00 Ul OJ 0^ Ul J3N ю Ul н— —1 о ir'i ю OJ 4^ 00 OJ OJ ю ON о о 00 OJ 4— ю 00

^ 00 ^ 00 К) OJ "о Ci V ON OJ Ul 4^ ^ J3N го OJ 4^ Ul 0^ OJ J3N OJ К) J3N 00 Ul Ci Ul 00 К)

"оо "о "оо ю ю OJ "о V К) ю "о Чл К) "оо Ul К) Чл V _ "о "о

ю оо OJ о OJ о OJ ю OJ ю Ul OJ ON ю ho OJ OJ 00 ю ю Ci oo ON OJ ю

ON ON OJ 00 Ul 4^ ю 4^ 4^ ю го ON 4^ 4^ 4^ ю Ul 00 Ul ю 4^ 4^ ю 4^ —J 0^ OJ 4^

_р _р _р _р _р _р _р _р _р J-5 J-5 J-5 _р _р _р _р _р _р _р _р _р J-5 J-5 J-5 _р _р _р _р _р _р _р _р _р J-5 J-5 J-5

ос '->< V ш Ь м о g 2 о ^ ос '->< V ш "ю 5 S 2 ° Ьс '->< V ш Ь м о g 2 о С/Со

На основании экспериментальных и теоретических исследований можно рекомендовать аппаратурное оформление и режим непрерывного процесса доочистки воды, содержащей смесь хлороформа и трихлорэтилена, в зависимости от водопотребления отрасли.

4.3.3. Исследование регенерации активных углей после адсорбции

хлороформа и трихлорэтилена

Перспективность адсорбционного извлечения веществ, обуславливающих загрязнение водных сред, не только в эффективности данных методов, но и в возможности восстанавливать способность сорбционных материалов извлекать загрязняющие вещества, то есть регенерация сорбентов, причем неоднократно. Регенерация адсорбента является важнейшей стадией адсорбционной очистки. Цель регенерации — с одной стороны, десорбция адсорбированных из воды примесей или деструктивное их разрушение и, с другой стороны, восстановление адсорбционной способности активного угля.

Выбор способа регенерации зависит от свойств вещества. В ряде случаев достаточна обработка горячей водой. В этом случае сорбат десорбируется без изменений (эффект регенерации 10-40%). Иногда достаточно просто аэрировать отработанные АУ в воде - это также приводит к их частичной регенерации (эффект регенерации 45-65%). Однако в практике традиционно для регенерации углеродных материалов используют термические и реагентные методы (таблица 4.17) [87].

Проведена оценка восстановления адсорбционных свойств углеродных материалов по отношению к СНС13 и СС12=СНС1 после регенерации горячей водой (температура воды 90оС), паром и потоком воздуха, нагретым до температуры 150оС. Данную температуру выбрали с учетом температуры кипения СС12=СНС1 (86,7оС) и СНС13 (61,26оС). Были проведены дериватографические исследования, на сорбентах марок СКД-515, АГ-3, КАУ, АГ-ОВ-1 было проведено исследование адсорбции СНС13 из водных растворов и десорбции СНС13.

Таблица 4.17 - Методы регенерации АУ и критерии оценки

Методы Назначение метода Способ регенерации Примечания

регенерации

Производится в Разложение Восстановление

специальных печах молекул сорбционной

и о при температуре адсорбированных емкости на 100%

500-1000 °С в веществ с

и Е и-н бескислородной образованием смеси

Е & <и г_, среде большей низкомолекулярных

Н частью в потоке инертного газа или водяного пара летучих продуктов ОО^Ш^ иЖ)х

Производится при Разложение Восстановление

температуре 10-400 молекул сорбционной

к ^ адсорбированных емкости на 90-

Л $ 5Г Й веществ с 95% в связи с

5 - 2 в 1) ^ Н Л о Ш м н п образованием смеси естественной

низкомолекулярных потерей

м нч к летучих продуктов со2, н2о активного угля

Обработка сорбента В зависимости от Восстановление

газообразным или выбранного сорбционной

жидким реагента и состава емкости до 80%

1 о 1) Е § органическим сорбата, С02 и Н20

реагентом при

температуре не

X более 110 °С, при которой происходит десорбция сорбата с реагентом

Исходные образцы угля обработали растворами с точно известной концентрацией хлороформа. Затем образцы высушивали и подвергали термогравиметрическому анализу. Исследуемые образцы АУ анализировались на дериватографе системы F. РаиНк, J. РаиНк, F.Erdey при следующих условиях: максимальная температура нагрева образцов 250 0С; масса навесок в пределах 100-300 мг; скорость нагревания образцов 2,5 0С/мин; чувствительность кривой дифференциального термического анализа (ДТА) максимальная. Данные обработки кривых термогравиметрического анализа исследуемой системы АУ-хлороформ представлены в таблице 4.18.

Величина адсорбции хлороформа, определенная из кривых ТГ, совпадает с величиной адсорбции, определенной в условиях равновесия в пределах ошибки определения концентрации хлороформа. Следовательно, можно ожидать высокой эффективности метода термической регенерации по восстановлению адсорбционных свойств сорбента при температурах, выше температуры эндоэффекта, обусловленного удалением хлороформа. Рекомендуется проводить регенерацию сорбентов после адсорбции хлороформа при температурах 100-1500С.

Результаты дериватографических исследований (рисунок 4.57) приведены в таблице 4.19. Анализ полученных данных показывает, что при прогреве до 110 0С потеря массы для технического АГ-ОВ-1 составляет ~ 3,6% от общей, в данном интервале температур удаляется внешняя влага, то есть адсорбированная на поверхности АУ вода. Вода, адсорбированная в порах, удаляется в температурном интервале 110 - 3300С, при дальнейшем повышении температуры возможна деструкция поверхностных КФГ.

На дериватограммах образца сорбента после адсорбционного извлечения хлороформа можно выделить две области потери массы. Первая, при прогреве до 1100С две плохо разрешенные области на кривой DTG с максимумом скорости потери массы при 620С, что характерно для удаления внешней влаги, и при 850С, можно предположить, что происходит удаление как поверхностной влаги, так и хлороформа. Потеря массы составляет ~ 2,4%.

Таблица 4.18 - Результаты термического анализа активных углей после адсорбции хлороформа

Марка сорбента Т эндоэффекта, 0С Массовая доля хлороформа, % Величина адсорбции, рассчитанная по результатам термического анализа, мг/г Величина адсорбции, рассчитанная по результатам исследования равновесия, мг/г

СКД-515 70 2,5 25 28,55

АГ-ОВ-1 75 3,2 32 31,50

АГ-3 73 2,9 28 30,25

КАУ 90 8,5 85 90,00

Удаление воды с поверхности технического сорбента марки АГ-ОВ-1 сопровождается поглощением энергии (эндоэффект на кривой DTA), положение которого соответствует Тмах скорости удаления продуктов десорбции на кривой DTG. Рост эндоэффекта при температуре выше 2500С соответствует затратам энергии на удаление прочно адсорбированной воды в порах и деструкция КФГ. Для образцов АУ после адсорбционного извлечения СНС1з наблюдается эндоэффект, так же как и для исходного АГ-ОВ-1 до 1100С.

Для выбора наиболее эффективного метода регенерации сорбентов, отработанных в процессах извлечения хлороформа и трихлорэтилена была исследована десорбция органических веществ на сорбентах марок СКД-515, АГ-3, КАУ, АГ-ОВ-1; СКД-515 горячей водой (температура воды 90оС), паром и потоком воздуха, нагретым до температуры 150оС. Для оценки полноты регенерации изучена адсорбция хлороформа и трихлорэтилена восстановленными активными углями (рисунок 4.58 - 4.65).

тс /%

100

98

96

IV

I \

ЭТС /(%/т1п) ЭТА /(uV/mg) 99ехо

^ гг/---...

2

94 - У - - * . }

к" \ 1

92 - \ /

\ /

\ /

90 - \ 1

50

100

150

200

250 300

Тетрега1:иге /°С

350

400

450

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

-0.1

-0.2

-0.1

- -0.2

-0.3

-0.4

-0.5

-0.6

- -0.7

Рисунок 4.57 - Результаты дериватографических исследований углеродного сорбента марки АГ-ОВ-1 технического: 2 исходного, 1 -после адсорбционного извлечения СНС13 из водной среды.

Таблица 4.19 - Результаты исследования процесса адсорбция - десорбция СНС1з из водной среды углеродным сорбентом марки АГ-ОВ-1

О о О о н Л и о н 3 ер Е макс. скорость разложения, %/мин потеря массы при прогреве, % \0 % ^ 5 ли лс ц об

образец Л О пр

й £ к Н £ о и о н а о * о о Т О о О о О о О о О о § 8 хо сед ыо « Е а е т

АГ-ОВ-1 42 105 74 -0,72 3,6 0,2 0,7 0,5 5 95

АГ-ОВ-1 50 110 62 / 83 -0,24 / -0,17 2,4 1,4 - - 9,6 90,4

(адс. раствор) 188 330 * -0,12 - - 3 2, 8

*

широкая область с малой скоростью разрешения

Рисунок 4.58 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент СКД-515- хлороформ в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

Рисунок 4.59 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент АГ-3- хлороформ в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

а. ммоль/г

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Ср. ммоль/дм3

Рисунок 4.60 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент КАУ - хлороформ в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

■а, ммоль/г

3,5 - 1

0 1 2 3 4 5

Ср. нмоль/дл?

Рисунок 4.61- Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент АГ-ОВ-1 - хлороформ в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

а, ммоль/г

1,5

1

0,5

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Ср, ммоль/да^

Рисунок 4.62 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент АГ-ОВ-1 - трихлорэтилен в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

а, ммоль/г

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Ср, ммоль/дМ^

Рисунок 4.63 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент АГ-3- трихлорэтилен в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

а. ммоль/г ^

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

Ср, ммоль/дМ5

Рисунок 4.64 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент КАУ - трихлорэтилен в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

а, ммоль/г

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Ср, ммоль/дМ1

Рисунок 4.65 - Изотермы адсорбционного извлечения в системе углеродный сорбент СКД-515- трихлорэтилен в водной среде: 1- исходный технический уголь; 2- уголь после температурной регенерации; 3 - уголь после паровой регенерации; 4 - уголь после регенерации горячей водой (90оС)

Анализ данных эксперимента по изучению термических методов регенерации (паром и воздухом) дает основание рассматривать их как эффективную возможность восстановления адсорбционной емкости углеродных материалов после адсорбционного извлечения смеси галогенорганических

загрязнителей, при регенерировании сорбентов предусмотрена естественная потеря угля от 5 до 10%. Использование рассмотренных методов приводит к потере, не более 8%.

Использование в качестве регенеративного метода промывку горячей водой снижает емкость после первого цикла до 50%. Это связано с частичной десорбцией веществ при регенерации, то есть свидетельствует о нецелесообразности использования горячей воды при регенерации сорбентов после адсорбционного извлечения смеси галогенорганических загрязнителей

Для сорбента марки СКД-515 проведена многократная регенерация потоком воздуха, нагретым до 150оС (10 циклов сорбция - десорбция) при концентрации хлороформа в исходном растворе 100 мг/дм3, трихлорэтилена 1,1 мг/дм3 с целью оценки восстановления адсорбционных свойств активного угля (рис. 4.67). Установлено, что при 6-кратном повторении регенерации сорбционная емкость АУ восстанавливается на 80-85%, а к 10-му циклу регенерации - на 70-73%. Следует отметить, что из исследуемой смеси трихлорэтилен адсорбируется полностью, в связи с его низкой исходной концентрацией.

Исследования показали рентабельность обработки углеродных сорбентов потоком воздуха, нагретого до температуры 150°С, в течение 2 часов в качестве и применение ее как способа регенерации угля в промышленных масштабах (рисунок 4.66).

Учитывая значительную адсорбционную емкость АУ, низкую концентрацию контаминантов (СНС13, СС12=СНС1) в питьевых водах и опыт эксплуатации адсорбционных установок по водоподготовке (4000-12000 м3/сут) можно утверждать, что в зависимости от производительности водоочистной станции адсорбционная колонна будет работать 7-9 лет без регенерации.

Для производства пищевых продуктов (газированных напитков, нектаров, фруктово-сывороточных напитков и т.п.) требуется значительно меньший расход доочищенной воды. Следовательно, продолжительность работы адсорбционной колонны без регенерации будет более длительной.

марка

Рисунок 4.66 - Эффективность восстановления адсорбционных свойств углеродных материалов при регенерации потоком воздуха, нагретым до 150оС: 1- хлороформ, 2-трихлорэтилен

Рисунок 4.67 - Эффективность восстановления адсорбционных свойств АУ СКД-515 при повторении регенерации потоком воздуха, нагретым до 150оС: 1- хлороформ, 2-трихлорэтилен

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования сорбционной очистки для извлечения смеси СНС13 и СС12=СНС1 из воды углеродными сорбентами до безопасного уровня при многократном использовании сорбентов.

4.4. Аппаратурное оформление адсорбционной доочистки воды

Применение адсорбционного извлечения для очистки воды на заключительных этапах водоподготовки целесообразно реализовывать с применением в качестве сорбционного материала активных углей. Аппараты, позволяющие проводить процесс извлечения на активных углях, имеют различные конструкции, а так же можно представить процесс различными вариантами его оформления, выбор которого зависит от ряда условий, связанных с производством. Оптимальные условия, определяющие аппаратурное оформление - производительность адсорбционной установки , состав доочищаемой воды, характеристики применяемого сорбента (регенерационный потенциал, потери углеродного материала в активном цикле адсорбции, а также при регенерации и др.) [80].

Перспективными для использования с целью доочистки являются наиболее простые конструкционные формы сорбционных аппаратов периодического действия с плотным слоем загрузки сорбента (дробленого или гранулированного активного угля). В основе работы таких аппаратов заложен принцип фильтрации жидкой фазы при прохождении через стационарный слой загрузки сорбционного материала до появления (проскока) в фильтрате извлекаемых компонентов в содержаниях, превышающих заданные технологическим регламентом параметры.

Внешний вид напорных адсорбционных аппаратов - колонны в виде цилиндров закрытого типа, рассчитанные на давление жидкой фазы до 6 ат. Адсорбционные аппараты со стационарным слоем загрузки включают основной корпус аппарата, с загруженным сорбентом, оснащенный устройством, через которое осуществляется подача воды, дренаж и резервуар для сбора воды, прошедшей очистку. В аппаратах может быть также предусмотрено разрешение поддерживающих слоев гравия.

Адсорберы имеют контрольно-измерительные приборы, запорно-регулирующую арматуру и другие конструктивные элементов.

Рисунок 4.68 - Схема адсорбционного аппарата с неподвижным слоем адсорбента: 1- корпус, 2 - опорно-распределительная решетка, 3, 4 - люки для выгрузки и загрузки адсорбента

При выборе аппаратов-адсорберов необходимо учитывать регенерационные возможности аппарата, закрытые адсорберы дают возможность реализовать процесс регенерации без выгрузки сорбционного материала, что сокращает до минимума механические потери

"" Конденсат

сорбента и упрощает эксплуатацию и расходы

[79].

Для более глубокой степени отработки слоя загрузки сорбента и его емкости (в момент проскока в растворе на выходе из колонки извлекаемых компонентов, отработана только часть адсорбционного слоя) целесообразным является аппаратурное оформление из последовательно соединённых аппаратов очищаемая вода через которые проходит последовательно и первый по ходу аппарат при полном насыщении слоя загрузки извлекаемым компонентом отключается для регенерации сорбента, при этом колонка, накануне прошедшая регенерацию, подключается в цепь, что и обеспечивает постоянство условий процесса извлечения компонентов в потоке из жидкой среды.

Количество адсорберов в очистном блоке может быть различным, но минимальное число колонн - 3, две из которых работают в режиме адсорбционного извлечения из потока, а одна отключена на генерацию. На рисунке 4.69 показана пооперационная схема работы такой установки.

Первостадийный процесс очистки воды производится в последовательно соединенных адсорберов А и В, для адсорбера С включен режим регенерации (рисунок 4.69 а).

Пар после Исходная смесь

Рисунок 4.69 - Пооперационная схема работы адсорбционной установки из трех адсорберов

Наличие проскоковой концентрации извлекаемых компонентов в фильтрате свидетельствует об отработке слоя загрузки в адсорбере А, который переходит в режим регенерации и на смену ему входит в режим адсорбционного извлечения адсорбер С. Режим работы установки сохраняется в такой последовательности до очередного фиксирования проскоковой концентрации и тогда режим регенерации включается для адсорбера В (рис. 4.69 Ь), в режим работы при этом выходит адсорбер с восстановленной емкостью А (рис. 4.69 с).

Установки с последовательно подключенными адсорберами трех или более колонн увеличивают объем очищаемой воды в 1,3 - 1,7 раз.

Представленную на рисунке 4.69 пооперационную схему, возможно представить в виде адсорбционной установки представленной на рисунке 4.70 в виде схемы. Адсорбционные колонны или фильтры заполняются активным углем определенной марки, выбор которой зависит от адсорбционных характеристик марки угля по отношению к извлекаемым контаминантам.

По результатам исследования равновесия, кинетики и динамики адсорбции хлороформа в присутствии трихлорэтилена активными углями, предложена сорбционная доочистка воды от органических веществ. На базе наиболее распространенных технологических схем очистки речной воды [150, 152], предназначенной для хозяйственно-питьевых целей, предложена технология очистки воды, предусматривающая сорбционную ступень доочистки воды от органических контаминантов, применение которой возможно как на водоподготовительных сооружениях, так и на предприятиях пищевой отрасли.

Рисунок 4.70 - Схема непрерывной адсорбционной установки: 1 - усреднитель, 2 -насос, 3 - фильтр, 4 - адсорбционные колонны, 5 - емкость

На рисунке 4.71 показана технологическая схема водоподготовки с адсорбционной доочисткой. В существующую технологическую схему производства дополнительно включено три последовательно соединенных фильтра высотой 2-4 м, диаметром колонн 1-2 метра, заполненных активным углем марки СКД-515.

Для очистки природная вода насосами I подъема подается в контактную камеру 1, куда одновременно подаются химические соединения, называемые реагентами (коагулянты, флокулянты, реагенты-дезинфектанты (первичное обеззараживание)), приготовленные в реагентном цехе РЦ. После смешения с агентами вода поступает в камеру хлопьеобразования 2 (камеру реакции), где происходит физико-химический процесс агломерации взвешенных и коллоидальных частиц в крупные хлопья. Затем вода поступает в отстойники 3, в которых движется с малой скоростью. При этом основная масса образовавшихся хлопьев отделяется от обрабатываемой воды и выпадает в осадок (на дно отстойников). Из отстойников вода подается на фильтры для глубокого осветления путем пропускания через толщу фильтрующего материала (песчаная загрузка или дробленые горелые породы). В процессе очистки в толще фильтров

накапливаются загрязнения. Для их удаления фильтры выключаются из работы, промываются и затем вновь вводятся в работу.

Рисунок 4.71 - Технологическая схема водоподготовки с применением отстойников и фильтров: 1 - контактная камера; 2 - камера реакции (хлопьеобразования); 3 - отстойники; 4 -фильтр; 5 - сорбционные фильтры; 6 - резервуар отстойник; 7 - РЧВ

Для окончательной очистки от взвешенных веществ и растворенных примесей, в том числе - галогенорганических, образовавшихся на предшествующих стадиях процесса водоподготовки. осветленная вода подается на сорбционные фильтры 5, загруженные гранулированным активным углем. Поскольку вода предназначена для хозяйственно-питьевых целей, то перед подачей в резервуары чистой воды 7 (РЧВ) ее подвергают обеззараживанию. Обеззараживание завершается в резервуарах чистой воды, где обеспечивается необходимый контакт воды с дезинфекторами (гипохлоритом натрия). Потребителям воду подают насосами II подъема.

Внедрение адсорбционной доочистки воды в системах централизованного водоснабжения и на предприятиях пищевой промышленности имеет большое социальное значение, что может показать сравнительная оценка воды, прошедшей классическую водоподготовку и дополнительно обработанной на сорбционных фильтрах.

4.4.1. Сравнительная оценка качественных характеристик питьевой воды, подготовленной по существующей и предлагаемой

технологиям

Для оценки эффективности разработанной технологии была проведена сравнительная товароведная оценка питьевой воды, для сравнения была взята вода, выработанная по разработанной технологии, предусматривающей этап доочистки и системы централизованного водоснабжения, произведенная по традиционной технологии (в период максимальной контаминации воды с июня по август).