Коваленко О. О., д-р техн наук, доцент, Курчевич І. В., аспірант



Скачати 89.42 Kb.
Дата конвертації18.04.2016
Розмір89.42 Kb.
УДК 663.64.069.84

Коваленко О.О., д-р техн. наук, доцент, Курчевич І.В., аспірант (ОНАХТ, Одеса)
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ДЕГАЗАЦІЇ МІНЕРАЛЬНОЇ ВОДИ
У статі наведено результати експериментальних досліджень впливу різних способів дегазації на кінетику процесу видалення розчиненого вуглекислого газу з природної газованої мінеральної води. Сформульовані умови проведення цього процесу, які забезпечують швидке отримання в лабораторних умовах зразків води необхідної якості.

Ключові слова: мінеральна вода, розчинений вуглекислий газ, способи дегазації, кінетика процесу
Постановка проблеми і її зв'язок із найважливішими науковими та практичними завданнями. У зв’язку зі зростаючим дефіцитом якісних прісних вод в харчовій промисловості для виробництва напоїв все частіше використовують природні мінеральні води [1]. Оскільки мінералізація такої води є високою, то доведення її якості до необхідних при виробництві напоїв норм потребує певної технологічної обробки. Основним технологічним процесом при цьому є процес опріснення. Нами пропонується опріснювати природну мінеральну воду виморожуванням і використовувати її для виробництва спортивних напоїв [2]. Для визначення раціональних технологічних умов проведення процесу опріснення необхідно виконати комплекс досліджень на виморожуючій установці певного типу, в тому числі і дослідити вплив якості вихідної води на селективність процесу виморожування за основними компонентами хімічного складу мінеральної води [3].

Виконання зазначених вище досліджень потребує використання лише свіжих зразків мінеральної води для кожного з дослідів. Оскільки регулярне отримання протягом тривалого часу з джерела водопостачання зразків мінеральної води пов’язано з низкою труднощів, то було вирішено використовувати фасовану природну газовану вуглекислим газом мінеральну воду із однієї партії продукції. Згідно сучасних вимог до виробництва природних мінеральних вод, такі води піддаються (за необхідності) лише одній технологічній операції очищення, а саме механічній фільтрації [4]. Тому, щоб отримати з фасованої природної газованої мінеральної води воду з нативними властивостями, її необхідно повністю дегазувати. Це пов’язано з тим, що насичення води вуглекислим газом призводить до зміни в ній вуглекислотної рівноваги, і як наслідок, низки значень показників якості води (рН, твердості, лужності) в порівнянні із водою в джерелі водопостачання [5]. Проведення ж часткової дегазації (до певних меж по вмісту СО2) дозволить отримати зразки мінеральної води різної якості. Таким чином, в ході розробки технології водопідготовки для виробництва спортивних напоїв виникла необхідність в дослідженні процесу та визначення умов для ефективної дегазації штучно насиченої вуглекислим газом мінеральної води.

Аналіз останніх досліджень і публікацій, в яких започатковано розв’язання поданої проблеми і на які опирається автор, виділення невирішених раніше частин загальної проблеми, котрим присвячується означена стаття. Дегазація – це процес вилучення з води розчинених газів, що з’явилися в ній в процесі природного водообміну чи при технологічній обробці. В промисловості дегазацію води в основному проводять з метою запобігання підвищеному спрацюванню обладнання внаслідок корозії. Для цього використовують установки, в яких реалізовані різні фізичні чи хімічні способи дегазації. Для промислового вилучення із води розчиненого вуглекислого газу широко застосовують плівкові дегазатори з насадкою із кілець Рашига, барботувальні та вакуумні дегазатори. Принцип їх роботи базується на фізичних способах дегазації, а саме контакті води, що дегазується, з повітрям (чи водяною парою), в якому немає розчинених газів або вони містяться в кількостях значно менших, ніж розчинено у воді. Завдяки цьому створюються такі умови, коли рівноважний парціальний тиск розчиненого газу у воді зменшується, наближуючись до нуля чи стає рівним нулю. Видалення газу з води відбувається в результаті дифузії молекул газу від внутрішніх шарів рідини до поверхневого [6, 7].

Для виконання зазначеної вище наукової роботи необхідно в лабораторних умовах зручним способом частково або повністю дегазувати воду в незначних кількостях і за короткий проміжок часу. Але відомості про те, як ефективно провести процес дегазації штучно насиченої СО2 мінеральної води в таких умовах відсутні. Тому вирішенню цієї проблеми присвячена дана стаття.

Формування цілей статті (постановка завдання). Вміст вуглекислого газу в атмосферному повітрі невеликий (становить 0,1 …0,3 % від загальної кількості газів в ньому) і тому парціальний тиск його у повітрі близький до нуля [6, 7]. В зв’язку з цим дегазацію штучно насиченої СО2 мінеральної води в лабораторних умовах можна здійснюватися шляхом витримування розкупореної ємності при кімнатній температурі в умовах атмосферного тиску протягом певного проміжку часу. Але оскільки дифузія молекул газу із рідкої фази в газову в таких умовах повільна, то і процес дегазації буде тривалим. Відомо, що збільшити швидкість процесу дегазації, а значить і зменшити його тривалість можна інтенсифікуючи процес шляхом перемішування, аерації чи нагрівання води до температури кипіння при постійному тиску. Зростання швидкості процесу дегазації досягається також при збільшення площі поверхні розділу фаз «вода-повітря» [6, 7]. З врахуванням цих відомостей було вирішено дослідити кінетику процесів дегазації штучно газованої мінеральної води різними способами. Кінцевою метою такого дослідження є визначення умов та режимів проведення цього процесу, які б забезпечили отримання зразків мінеральної води необхідної якості.

Виклад основного матеріалу дослідження з повним обґрунтуванням отриманих наукових результатів. В якості розчину для досліджень вибрано природну мінеральну лікувально-столову фасовану штучно насичену СО2 сильногазовану воду «Куяльник», яка за іонним складом відноситься до хлоридно-натрієвих мінеральних вод і завдяки цьому в найбільшій мірі підходить для виробництва спортивних напоїв [8]. Загальна мінералізація води, використаної в дослідженнях, становила 3,57 г/л.

Досліджували три способи дегазації фасованої штучно насиченої вуглекислим газом мінеральної води: 1 - в умовах атмосферного тиску при відсутності будь-яких зовнішніх впливів на воду; 2 - в умовах механічного перемішування води; 3 - в умовах нагрівання води і витримування її при температурі кипіння. При цьому вивчали вплив способу та тривалості процесу дегазації (, хв), а також температури мінеральної води (t, ºС) на концентрацію розчиненого в ній вуглекислого газу (С, г/л), значення показника рН води і швидкість процесу дегазації (ν, (г/л)/год).

Концентрацію розчиненого у мінеральній воді СО2, показник рН, а також загальну мінералізація води визначали за методиками, наведеними в діючих нормативних документах. Вимірювання значення показника рН здійснювали за допомогою рН –метра рН-150 МИ при температурі води, рівній 12 0С (для режиму 2 та 3) та 18 0С (для режиму 1). Для визначення загальної мінералізації користувалися кондуктометром СОМ 100.

Для проведення процесу дегазації воду після відкупорювання бутля переливали в скляний циліндричний лабораторний стакан ємністю 0,001 м3 з площею поверхні розділу фаз «вода-повітря», рівною 0,0095 м2. Механічне перемішування води в стакані здійснювали за допомогою лабораторної магнітної мішалки при частоті оборотів мішалки, рівній 3 об/с. Для нагрівання води і витримування її при температурі кипіння використовували електричну плитку Элна-001н з потужністю 1,5 кВт. Відбір проби для визначення концентрації СО2 у киплячій воді здійснювали через 5, 8, 10 та 12 хв після початку кипіння. Дослідження кінетики процесів дегазації мінеральної води відбувалися при наступних значеннях атмосферного тиску: спосіб 1 – при ратм=763 мм.рт.ст.; спосіб 2 - при ратм=766 мм.рт.ст.; спосіб 3 - при ратм=748 мм.рт.ст. Швидкість процесу дегазації визначали за рівнянням:
, (1)
де С – різниця між значеннями концентрацій розчиненого у воді СО2, отриманих при двох послідовних визначеннях цього показника, г/л;

 – проміжок часу між двома послідовними відборами проб зразків води для визначеннями концентрації розчиненого у воді СО2, год.

Результати експериментальних досліджень представлено на рисунках 1 та 2. Відповідно до цих рисунків можна відмітити наступне: в лабораторних умовах за найкоротший проміжок часу повна дегазація фасованої природної газованої мінеральної води «Куяльник» досягається шляхом нагрівання її до температури кипіння і витримування при цій температурі протягом (9 – 10) хв

а) б)


а) зміна концентрації СО2 в процесі дегазації; б) зміна швидкості процесу дегазації в залежності від концентрації СО2; 1, 2, 3 – способи дегазації

Рисунок 1 – Кінетика процесу дегазації штучно насиченої СО2 мінеральної води

а) б)

а) вплив концентрації СО2 на рН мінеральної води; б) вплив температури води на концентрацію розчиненого в ній СО2; 1, 2, 3 – способи дегазації



Рисунок 2 – Взаємозв’язок між концентрацією СО2, рН та температурою мінеральної води

за умови використання ємності для води із площею поверхні розділу фаз «вода-повітря» рівною 0,0095 м2 (рис.1а). Якщо використовується ємність з більшою чи меншою площею контакту фаз, то тривалість процесу дегазації можна розрахувати за допомогою рівняння масовіддачі. Але спочатку слід визначити коефіцієнт масовіддачі для даних умов, а саме швидкості процесу (рис.1б), відповідного значення рухомої сили процесу та площі контакту фаз. В даному дослідженні така задача не ставилася. Часткову дегазацію газованої мінеральної води слід проводити шляхом нагрівання води до певних температур. Так, наприклад, щоб отримати воду із концентрацією СО2 рівною 0,27 г/л та рН=5,9 (рис. 2 а) необхідно її нагрівати до температури 90 оС (рис. 2 б). При використанні електроплитки зазначеної вище марки і потужності тривалість процесу дегазації становитиме 30 хв (рис.1а).



Висновки із зазначених проблем і перспективи подальших досліджень у поданому напрямку. Виконані експериментальні дослідження процесу дегазації фасованої штучно насиченої СО2 природної мінеральної води «Куяльник» різними способами дозволили встановити кінетичні закономірності цього процесу та визначити серед способів найбільш ефективний для проведення процесу дегазації в лабораторних умовах. Графічні залежності надалі будуть застосовуватися для експрес-визначення технологічних режимів процесу дегазації , необхідних для отримання зразків мінеральної води заданої якості. Такі зразки води будуть використані для проведення досліджень по вивченню впливу хімічного складу води на ефективність процесу її опріснення способом виморожування.
Література

  1. Беленький С.М. и др. Технологии обработки розлива минеральных вод / С.М. Беленький, Г.П. Лаврешкина, Т.Н. Дульнева. – 2-е. изд., перераб. И доп. – М.: Агропромиздат, 1990. – 151 с. ІSBN 5-10-001331-1.

  2. Курчевич І.В. Технологічні аспекти застосування методу виморожування в технологіях водопідготовки [Текст] / І.В. Курчевич, О.Б. Василів, О.О.Коваленко // Зб.тез доп. Всеукр. наук.-практ. конф. молод. учених, асп. і студ. «Вода в харчовій промисловості» – Одеса: ОНАХТ, 2011. – С. 50.

  3. Коваленко О.О. Експериментальні дослідження зміни хімічного складу води в процесі виморожування [Текст] /О.О.Коваленко, І.В. Курчевич, О.Б. Василів, М.С.Тодорова // Зб. тез доп. ІІІ наук.-практ. конф. «Вода в харчовій промисловості» – Одеса: ОНАХТ, 2012. – С. 55-58.

  4. Зуев Е.Т., Фомин Г.С. Питьевая и минеральная вода. Требования мировых и европейских стандартов к качеству и безопасности. – М.: «Протектор», 2003. – 320 с. ІSBN 5-900631-09-5.

  5. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования [Текст]: монография / Б.Е. Рябчиков – М.: ДеЛипринт, 2004.- 328с. ІSBN 5-94343-079-2.

  6. Запольський А.К. Водопостачання, водовідведення та якість води: Підручник. – К.: Вища школа., 2005. - 671 с. ISBN 966-642-234-4.

  7. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебное пособие. – М.: Изд.-во Ассоц. строит. вузов, 2006. - 656 с. ISBN 978-5-93093-496-0.

  8. Пакен П. Функциональные напитки и напитки специального назначения /П.Пакен (ред.сост). – пер. с англ. – СПб.: Профессия, 2010. – 496 с.


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка