Озонирование питьевой воды. Электроплазмолиз и электрофлотация

1. Озонирование питьевой воды. 1.1.Основные направления применения озона при очистке воды. Интерес к применению озона при подготовке питьевой воды объясняется тем, что озон как сильнейший окислитель имеет ряд преимуществ перед другими реагентами. Озонирование не только обеспечивает быстрое и надёжное обеззараживание, но вызывает и весьма значительное улучшение органолептических свойств воды, т.к. в результате обработки озоном устраняются привкусы и запахи, цветность воды. Кроме того, возрастает содержание растворённого кислорода, что возвращает очищенной воде одно из основных свойств, характеризующих чистые природные источники.
В некоторых случаях озонирование может быть использовано с главной целью - устранения неприятных привкусов и запахов воды загрязнённых поверхностных источников, которые иногда приходится применять для хозяйственно-питьевого потребления. Воды незагрязнённые, но имеющие значительную цветность, могут быть обесцвечены с помощью озона, действие которого в этом отношении является весьма эффективным. Озонирование также позволяет удалять из воды железо и марганец в тех случаях, когда деферризация и детонганация с помощью общеизвестных методов не дают достаточно удовлетворительных результатов. Наконец, озонирование является почти незаменимым способом обеззараживания минеральных вод («Нарзан», «Боржоми» и т.д.), а также при производстве фруктовых вод (например, лимонада и т.д.). 1.2. Обеззараживание воды озоном. 1.2.1. Бактерицидное действие озона. С гигиеничной точки зрения метод озонирования воды имеет существенные преимущества благодаря высокому окислительно-восстановительному потенциалу бактерицидного действия. Доза озона, необходимая для обеззараживания воды, варьируется в зависимости от содержания в воде органических веществ, от температуры воды и от величины активной реакции воды (рН). Прозрачная и чистая ключевая вода и воды горных рек, малозагрязнённые посторонними примесями, требуют примерно 0,5 мг/л озона. Вода, поступающая из открытых водохранилищ, может вызывать расход озона до 2 мг/л. Средняя доза озона составляет 1 мг/л. Экспериментальные исследования показали, что с повышением температуры воды необходимо также увеличивать дозу озона. При изучении влияния активной реакции воды на обеззараживающее действие озона было установлено, что увеличение рН более 7,1 сопровождалось значительным уменьшением коэффициента использования озона водой. Продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой колеблется от 5 до 15 минут сообразно с типами установок и их производительностью, (при повышении температуры время контакта увеличивается). Хлор и озон на бактерии влияют не одинаково. При увеличении интенсивности хлорирования происходит прогрессивное отмирание бактерий. Между тем, при озонировании обнаруживается внезапное бактерицидное действие озона, соответствующее определённой критической дозе, равной 0,4-0,5 мг/л. Для меньших доз озона его бактерицидность незначительна, но и как только достигается критическая доза, отмирание бактерий становится сразу резким и полным. Последние исследования механизма озонирования показали, что действие его происходит быстро при условии поддержания нужной концентрации в течение определённого времени. Это действие обусловлено озонированием массы бактериальных протеинов в процессе каталитического окисления. Между тем, хлор производит только выборочное отравление жизненных центров бактерий, причём довольно медленное из-за необходимости длительного времени для диффузии в цитоплазме. На обеззараживающее действие озона влияет цветность воды, так озонирование неосветлённой воды неэкономично и неэффективно, так как большие количества озона расходуются на окисление веществ, которые могут быть задержаны обычными очистными сооружениями. Обработка воды озоном целесообразна только после её осветления, а так же фильтрования (доза озона уменьшается в 2-2,5 раза, чем для нефильтрованной воды). Исследования показали, что из бактерий, кишечная палочка оказалась наиболее устойчивой к действию окислителей из всей группы кишечных бактерий, быстро погибает при озонировании. Также эффективно использование озонирования в борьбе с возбудителями брюшного тифа и бактериальной дизентерии. 1.2.2. Действие озона на споры, цисты и другие патогенные микробы. Озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист и многих других патогенных микробов. Исследования показали, что действие озона на указанные организмы является всегда наиболее быстрым и результативным. В частности споры уничтожаются в воде озоном в 3000 раз быстрее, чем хлором. Опыты показали, что озон обладает высоким спорицидным эффектом. Озон пропускали в течение определённого времени через воду дистиллированную, водопроводную, колодезную, речную и прудовую, заражённую спорами антропоида. Полное обеззараживание загрязнённых естественных вод, содержащих до 10000 спор антропоида в 1 мл, достигалось после пропуска озона через воду в течение 1 часа. Также была установлена прямая зависимость величины озонопоглощаемости воды от степени её загрязнения, чем чище вода, тем меньше озонопоглощаемость. Уничтожение спор озонированием происходит значительно быстрее, чем при хлорировании. 1.2.3. Воздействие озона на вирусы. Озон оказывает резко выраженное, быстрое и радикальное воздействие на многие вирусы. Механизм этого явления объясняется полным окислением вирусной материи. По данным исследованиям известно, что возбудители полиомиелита уничтожаются озоном за 2 минуты при концентрации 0,45 мг/л, тогда как при хлорировании дозой 1 мг/л для этого потребуется 3 часа. 1.3. Обесцвечивание воды озонированием. Цветность воды, свойственна природным источникам, имеющим примесь болотных вод. В них всегда содержатся павенные гумусовые вещества, представленные коллоидными частицами гуминовых кислот, которые дают воде желтоватый оттенок разной интенсивности. Обесцвечивающее действие озона объясняется окислением соединений, вызывающих цветность воды; они превращаются в более простые молекулы, не имеющие окраски. Потребная доза озона зависит от необходимой степени обесцвечивания, причём увеличение расхода его происходит непропорционально. При озонировании гуминовых кислот происходит не только окисление гидроксильных групп и боковых цепочек до соответствующих карбоксильных соединений, углекислоты и летучих кислот, но также и разрыв связей молекул по месту мостиков, соединяющих арапатические ядра. При этом образуются низкомолекулярные соединения типа сульфокислот. Разрушение бензольных ядер протекает через стадию образования щавелевой кислоты. Надо указать ещё одну особенность обесцвечивания воды озоном. Озонирование придаёт воде отчётливый голубой оттенок, а хлорирование - зеленоватый оттенок. 1.4. Универсальный характер действия озона. Изложенное выше показывает, что озонирование представляет собой единственный современный метод обработки воды, который действительно универсален, поскольку он проявляет своё действие одновременно в бактериологическом, физическом и органолептическом отношении.
С бактериологической точки зрения весьма существенно, что все микробы - патогенные и сапрофитные, встречающиеся в воде, уничтожаются озоном, при этом их оживление совершенно исключено. Озон обладает высоким спорицидным эффектом, который находится в прямой зависимости от количества озона, пропущенного через воду, и в обратной зависимости от органического загрязнения воды.
Исследования учёных установили преимущества озона для нейтрализации вируса полиомиелита по сравнению с обычными средствами обеззараживания (хлором, двуокисью хлора), а также цист и сопутствующих бактерий. Благодаря значительному уменьшению содержания органических веществ в озонированной воде, последняя становится менее подверженной последующим загрязнениям. С физической точки зрения вода после озонирования претерпевает значительные качественные изменения. В достаточно большом слое вода приобретает красивую голубоватую окраску, свойственную родниковой воде. При озонировании вода хорошо аэрируется, что делает её более усваиваемой и приятной для питьевого потребления С органолептической точки зрения в озонированной воде не только не возникает каких-либо привкусов и запахов (что неизбежно при хлорировании), но, наоборот, устраняются всякие следы привкуса и запаха, ранее существовавшие в обрабатываемой воде. С химической точки зрения минеральные вещества, растворённые в воде и определяющие в некоторой мере и питательные свойства, не изменяются после озонирования. В то же время, обработка озоном не придаёт воде никаких дополнительных посторонних веществ и химических соединений. Традиционные методы очистки не устраняют значительного содержания микрозагрязнений, ухудшающих качество конечного продукта – питьевой воды. Даже адсорбция активированным углём не обеспечивает необходимой эффективности очистки. Активированный уголь хотя и даёт удовлетворительное решение для устранения пестицидов и углеводородов, но не может конкурировать с озоном для очистки воды от фенолов, детергентов и веществ, экстрагируемых хлороформом, в число которых в основном входят углеводороды. Кроме того, метод углевания имеет высокую стоимость, так как требует больших расходов дорогостоящего активированного угля. 1.5. Принципиальная технологическая схема озонирования. Озон, получаемый на производственных установках, является нестойким газом, значительно разбавленным воздухом. С практической точки зрения концентрировать, хранить и транспортировать такой газ представляется неэкономичным, даже, учитывая свойственную озону взрывчатость. Поэтому полученный озон должен сразу же расходоваться. Наиболее экономичный метод массового производства озона заключается в пропуске воздуха или кислорода через электрический разряд высокого напряжения в генераторе озона или так называемом озонаторе. Сырьём для производства озона могут служить атмосферный или обогащённый кислородом воздух или чистый кислород. Теоретическая теплота для образования озона выражается величиной 139, 4 кДж/моль. При потреблении воздуха на производство озона расход энергии в 2 раза больше. Эта энергия необходима для ионизации молекул кислорода. Готовой продукцией является озонированный воздух, содержащий до 5% озона (по весу) или озонированный кислород с содержанием до 10% озона (по весу). Однако, хотя получение таких концентраций и возможно, но обычно не оправдывается с экономичной точки зрения. При самом небольшом указанных пределов выход озона падает до нуля. Это объясняется тем, что в результате электрического разряда не только получается озон по уравнению 3О2 ® 2О3, но может происходить и разрушение озона по уравнению 2О3 ® 3О2. При этом скорость обратной реакции будет возрастать пропорционально увеличению концентрации озона. Как правило, на установках для обеззараживания питьевой воды через тихий электрический разряд пропускается кислород, который содержится в свободном состоянии в атмосферном воздухе. Следовательно, в этих случаях сырьё является «даровым». Практически для производства озона из кислорода требуется энергия, равная 1300 кДж/моль, при этом 90% её рассеивается на тепловыделение. По этой причине наибольшие концентрации озона в озоно – воздушной смеси при температуре 250С не превышают 20-25 мг/л, т.е. 1,02 –1,22 % к объёму воздуха или 1,7 – 2,1 % к его весу. При некоторых процессах промышленного химического окисления, требующих больших количеств озона высокой концентрации, пользуются чистым кислородом, получаемым с помощью сжижения воздуха или электролиза воды. Приведённые выше характерные особенности промышленного производства озона требуют объединения в одной установке устройств: для получения озона из воздуха; для кондиционирования используемого воздуха; для смешивания озона с обеззараживаемой водой. Отсюда вытекает принципиальная схема современной озонирующей установки, действующей следующим образом. Атмосферный воздух пропускают через фильтр 1 для очистки от пыли, после чего водокольцевой воздуходувкой 2 через влагоотделитель (ресивер) 3 нагнетают на охлаждающие устройства. В состав их входят: теплообменник 4 с конденсатороотводником 5 и фреоновая холодильная установка, состоящая из испарительно – регулирующего агрегата 6, компрессорно – конденсаторного агрегата 7 и бака для рассола 8 с циркуляционным насосом 9. Охлаждённый и частично осушенный воздух поступает в блок осушки, состоящий из адсорберов 10 и воздухонагревателя 11, и, пройдя через пылевые фильтры 12, направляется в генераторы озона 13. Озон получают под действием так называемого «тихого» электрического разряда, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в воздухе колеблется для озонаторов различных типов от 4 до 20 г/м3 (т.е. от 0,3 до 1,43% по весу). Так как тихий электрический разряд сопровождается тепловыделением, предусматривается водяное охлаждение электродов озонатора. Подача напряжения на озонатор производится от повышающего трансформатора с помощью высоковольтного кабеля (на схеме не показаны). Заключительной операцией технологического процесса является обеспечение соприкосновения озона и воды, т.е. быстрое и полное смешивание больших количеств воды с озонированным воздухом в специальной контактной камере. Озонированный воздух вводят в воду в один или два этапа. Поэтому возможно устройство раздельных контактных камер, из которых одна служит для первичного озонирования 14, а другая - для вторичного озонирования 15. Диффузия озона в виде мельчайших пузырьков в толщу воды осуществляется с помощью эмульгатора, либо через сеть дырчатых трубок 16, размещённых у основания контактной камеры. В этом случае вода по трубке 17 поступает в камеру сверху и встречается в противотоке с озоно – воздушной смесью, поступающей снизу вверх по трубе 18. После вторичного озонирования обеззараженная вода направляется в резервуар чистой воды по трубе 19. Доза озона обычно колеблется от 0,8 до 4 мг/л в зависимости от качественных показателей исходной воды. Для контроля за качественной стороной технологического процесса обработки воды служит измерительная аппаратура, выполняющая непрерывную автоматическую запись дозы озона, поступившей в воду.
1.6.Новое изобретение устройства для очистки и обеззараживания воды. Техническая задача заключатся в повышении эффективности очистки и обеззараживания воды, снижении удельных энергозатрат на процесс зачистки и обеззараживания, повышении надежности конструкции установок для очистки и обеззараживания воды.
Как показано на рисунках 2 и 3, устройство для реализации настоящего изобретения включает в себя камеру для обрабатываемой жидкости 1, внутри которой установлен высоковольтный электрод 2, изолированный от корпуса с помощью проходного изолятора 3. Высоковольтный электрод 2 выполнен в виде объёмной решётки, который закреплён на топоводе 4. Заземленный электрод выполнен как перегородка 5, с перфорацией в виде полых цилиндров 6. Заземлённый электрод также является распределительным устройством для воды и озоно – воздушной смеси. В зоне заземлённого электрода установлен подводящий очищаемую воду патрубок 7. Ниже заземленного электрода расположен контактный аэратор 8. Отводящий обработанную электрическими разрядами воду патрубок 9 размещён в нижней части камеры 1 с помощью трубопровода соединён с промежуточной ёмкостью. Ниже контактного аэратора 8 в камере 1 имеется воздушная полость 10, которая через патрубок 12 соединена с электродным насосом 13, который запитан водой, подаваемой из промежуточной ёмкости с помощью насоса 14. Подвод атмосферного воздуха в устройство осуществляется через патрубок 15. Воздуховод 11 соединяет полость 10, расположенную ниже контактного аэратора 8, с верхней частью устройства, где расположен высоковольтный электрод 2. Внутри воздуховода 11 установлен вентилятор 16. Работает описанное устройство следующим образом. Исходная вода через патрубок 7 подаётся на очистку в устройство и попадает в зону заземлённого электрода 5. Запускается насос 14, который подаёт воду на электродный насос 13, и воздух из атмосферы через патрубок 15 засасывает внутрь устройства. Включается вентилятор 16, расположенный в воздуховоде 11 и воздух начинает циркулировать по контуру. При подаче высокого напряжения на высоковольтный электрод 2 электрические разряды возникают между высоковольтным электродом 2 и поверхностью воды, которой покрыт заземлённый электрод. В результате в зоне воздействия электрических разрядов из атмосферного воздуха происходит образование озона. В зоне электрических разрядов образуется ультрафиолетовое излучение, которое, воздействуя на слои воды, находящийся на заземлённом электроде 5, приводит к её обеззараживанию. Вода и озоно – воздушная смесь, проходя через перфорацию 6 в заземленном электроде 5, смешиваются и попадают в контактный аэратор 8, где происходит интенсивное смешение озоно – воздушной смеси с водой. В результате происходит окисление железа, марганца, сероводорода, органических смесей, обесцвечивание и обеззараживание воды. За счёт работы вентилятора 16 в зоне электрических разрядов создаются высокие скорости воздушных потоков. Это способствует более полной генерации озона за счёт уноса продуктов разряда из зоны их образования, и происходит принудительное охлаждение высоковольтного электрода, а в аэраторе 8 за счёт наличия высоких скоростей озоно – воздушной смеси происходит более интенсивное смешение и растворение озона в воде. Далее обработанная вода попадает в промежуточную ёмкость, из которой направляется на деструктор остаточного озона или первичное озонирование исходной воды. В промежуточной ёмкости происходит аэрация воды, происходит коагуляция окисленных веществ и очистка воды слоем взвешенного осадка. Так как процесс очистки в прилагаемом устройстве протекает путём воздействия большого количества факторов и максимального использования озона, то эффективность устройства велика, а энергозатраты на процесс очистки и обеззараживания низкие. 2. Электроплазмолиз. 2.1. Сущность процесса. К процессам электроконтактной обработки пищевых продуктов можно отнести электроплазмолиз, который предназначен для интенсификации прессового способа извлечения сока из растительного сырья. К настоящему времени изучению этого процесса и его модификациям посвящено значительное количество работ. Такие обширные исследования стали возможны после того, как были сформулированы основные положения плазмолитической теории сокоотдачи, суть которых сводится к следующему: сокотдача растительного сырья зависит от первоначальной степени проницаемости протоплазменной оболочки и от способности последней противостоять внешним воздействиям в процессе предварительной обработки и прессования. Поэтому, любые внешние воздействия, направленные на повреждение протоплазмы и увеличение её проницаемости, должны приводить, в конечном итоге, к повышению сокоотдачи. Содержание сока в плодах и овощах достигает 90-95%, однако, при их переработке в условиях производства выход сока часто составляет лишь 50-60%. Существует множество методов повреждения оболочек, приводящих к увеличению выхода сока: механические, термические, ферментные, лучевые и др. Однако, электрический метод имеет ряд существенных преимуществ перед другими и, в первую очередь, он отличается простотой аппаратурного оформления и минимальным временем обработки. Установлено, что при предварительной обработке растительного сырья переменным током промышленной частоты напряжением 220В происходит практически мгновенная гибель протоплазмы, при этом клеточная проницаемость увеличивается и сокоотделение при последующем прессовании возрастает. Электроплазмолиз в отличие от термоплазмолиза не вызывает разрушения клеточных стенок и поэтому исключает переход пектиновых веществ в сок, а также способствует разрыву плазменных оболочек на более крупные частицы, которые легко задерживаются клеточными стенками при извлечении сока, что также положительно сказывается на выходе сока. Эффективность электроплазмолиза зависит от ряда факторов: градиента напряжения, длительности обработки, температуры и электрофизических свойств сырья. Следует отметить, что конечный эффект электроплазмолиза не зависит от частоты электрического тока. Выбор частоты предопределяется в основном электролитическими соображениями, в то же время этим моментом исследователи явно пренебрегают. Электропроводность растительной ткани при электроплазмолизе увеличивается, так как дискретность электрических свойств клетки по мере её разрушения сглаживается. Вследствие этого значения тока при электроплазмолизе должны быть экстремальными; при этом максимум тока соответствует полному разрушению протоплазменных оболочек. Это положение использовано как метод исследования процесса электроплазмолиза различных видов сырья путём осциллографирования. Анализ осциллограмм даёт возможность определить время, которое проходит от начала пропускания тока до достижения им максимальной величины. Это важнейший показатель процесса электроплазмолиза, который необходим при конструировании и расчёте электроплазмолизаторов. Ниже приводятся экспериментальные данные по исследованию процесса электроплазмолиза яблок, винограда и вишни (табл.1).
Очевидно, что с увеличением градиента напряжения длительность процесса уменьшается, причём зависимость носит обратно – квадратный характер. Из таблицы № 1 заметна значительная разница токоустойчивости различных плодов и ягод, которая так же наблюдается в пределах одного вида. Так, токоустойчивость винограда сорт Лидия выше токоустойчивости винограда других сортов.
Приблизительно такие же результаты получаются при исследовании электроплазмолиза плодов и ягод, производимого с помощью других видов электрического тока. Заметной разницы между действием переменного тока низкой или повышенной частоты, постоянного или выпрямленного не обнаружено. сырьё напряжение, В толщина образца, мм градиенты температуры, В/см длительность процесса, с яблоки 50 50 50 75 75 100 100 100 125 125 150 175 200 200 200 200 220 220 2,0 4,5 4,8 2,2 4,0 2,1 3,0 4,5 2,1 5,5 2,0 3,0 2,8 3,0 5,5 2,0 2,5 3,5 250 111 104 341 185 412 334 222 595 227 750 585 715 666 364 1100 880 630 32 6,6 6,8 1,17 6,0 0,68 1,4 3,6 0,9 1,8 0,3 0,5 0,24 0,22 0,40 0,16 0,24 0,36 виноград гибрид Растрепа Лидия 5,0 3,0 3,0 400 733 733 0,30 0,12 0,25 вишня 12,0 183 6,5 Табл. 1. Электроплазмолиз яблок, винограда и вишни. Для качественного электроплазмолиза Б. Л. Флауменбаум рекомендует градиент напряжения Е порядка 2000 Вт/см в то же время получение таких значений Е путем уменьшения расстояния между электродами технически нецелесообразно, а дальнейшее увеличение напряжения приводит к местным пробоям - искрению. Между градиентом напряжения Е и необходимым временем электроплазмолиза в большинстве случаев прослеживается обратноквадратичная зависимость 2 где К – постоянная, характеризующая электроплазмолиз для конкретных условий обработки и сырья В2 с/см2; значение К для некоторых плодов и ягод при различных режимах обработки приведены в таблице 2. сырье ток Е К r Яблоки То же яблоки дробленые то же то же то же Виноград гибрид растрепа Лидия Лидия Гибрид Лидия Растрепа Вишни с косточками без косточек клюква сливы с косточками без косточек черная смородина клубника Переменный 50 Гц То же То же Переменный 450 Гц Выпрямленный Постоянный Переменный 50Гц То же То же Переменный 450Гц Выпрямленный То же То же Переменный 50Гц То же То же то же То же То же То же То же 940 1500 1100 580 880 380 733 733 733 533 440 440 440 166 1500 1100 220 1100 730 1500 0,20 0,05 0,05 0,42 0,18 0,48 0,07 0,03 0,23 0,21 0,29 0,32 0,45 3,80 0,002 0,04 1,65 0,06 0,03 0,007 17,6 11,0 6,0 14,0 14,0 7,0 3,8 3,8 12,4 6,0 8,5 6,2 8,7 10,5 4,5 4,8 11,0 7,3 2,7 1,5 Таблица 2. Постоянная К достаточно полно характеризует токоустойчивость плодов и ягод. Так, максимальной токоустойчивостью обладают плоды; при одинаковом градиенте напряжения (1500 В/см) яблоки более чем в 7 раз токоустойчивее клубники. Предварительная механическая обработка плодов приводит к уменьшению токоустойчивости. При небольших градиентах напряжения (50-150В/см) происходит электротермоплазмолиз: сравнительно быстро нагревается протоплазма клеток, а t0 сока увеличивается незначительно. Качественные характеристики готового продукта (например, яблочного сока), полученные этим способом, приведены в таблице 3. Градиент напряжения, В/см Содержание сухих веществ, % Плот ность, г/см Содержание общего сахара, % Кислот ность рН Содержание витамина С, мг Интенсивность окраски 127 73 63 50 42 37 21 22 17 14 11 контроль 16,2 16,2 16,0 16,4 16,2 16,2 16,3 16,4 16,6 16,6 16,4 15,9 1,0663 1,0663 1,0654 1,0672 1,0663 1,0663 1,0667 1,0672 1,0680 1,0680 1,0672 1,0650 14,8 14,8 14,6 15,2 14,8 14,8 15,0 15,2 15,3 15,3 15,2 14,5 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,66 3,32 3,56 3,46 3,57 3,50 3,57 3,55 3,55 3,56 3,55 3,51 3,46 1,76 1,85 1,76 1,85 1,85 1,85 1,76 1,76 1,85 1,85 1,85 1,85 1,2 1,3 1,4 1,0 1,4 1,0 1,0 1,1 1,0 1,0 1,0 1,9 Табл. 3. Качественные характеристики готового яблочного сока Следует отметить специфическое влияние электроплазмолиза на проведение диффузионных процессов. Установлено, что приведенный коэффициент диффузии сахара на электроплазмолизованной свёкловичной ткани ранн 5,0 10-4 см2/мин, в то время как из термоплазмолизованной только 3,6 10-4 см2/мин. Коэффициент диффузии калиевых и натриевых солей из электроплазмолизованной свеклы при 200С составляет соответственно 3,4110-4 и 2,94104см2 /мин. Коэффициенты диффузии этих солей из термоплазмолизованной свеклы при тех же условиях соответственно равны 5,5110-4 и 4.1210-4 см2/мин. Таким образом, проницаемость электроплазмолизованной свекловичной ткани выше для сахара и ниже для калиевых и натриевых солей, чем проницаемость термоплазмолизованной стружки. Немалое значение здесь имеет то обстоятельство, что модуль упругости электроплазмолизованной ткани выше, чем термоплазмолизованной. Так, для свекловичной ткани модуль упругости в первом случае в 3-5 раз больше.
Жизненные функции клетки могут быть нарушены не полностью и частично восстанавливаются, если электроплазмолиз проводится при невысоком градиенте напряжения (400В/см и ниже). Однако, для полного плазмолиза в этом случае достаточно незначительного механического воздействия. Такой электроплазмолиз получил название коацервативного. Существует селективный электроплазмолиз, который наблюдается при градиентах напряжения 1700-2000В/см при экспозиции 0,001 – 0,002с. Избирательность прогрева протоплазмы здесь достигается в результате того, что протоплазменные оболочки являются основным активным сопротивлением ткани электрическому току. При таком характере подвода энергии температура всей массы продукта изменяется незначительно (в пределах 10С). В развитии этой идеи был предложен импульсный электроплазмолиз, который протекает при высоких значениях градиента напряжения (14-15В/см) при микросекундной продолжительности импульса.
При импульсном электроплазмолизе разрываются протоплазменные оболочки, и происходит коагуляция протоплазмы в результате приложения импульсного поля высокой напряженности. Специфика импульсного воздействия сказывается на форме разрушения живой протоплазмы клеток. При таких воздействиях протоплазма полностью распадается, в то время как при действии переменного тока частотой 50Гц она может сохранять свою целостность и после гибели. Воздействие электрических импульсов на растительную ткань сказывается только на протоплазме, но не изменяет клеточные оболочки (рис. 1). Сохранение клеточных оболочек без изменений при воздействии электрических импульсов – ценное свойство такого вида обработки сырья, так как при прессовании мезги важное значение для дренажа сока имеют прочностные характеристики её частиц. Как показали исследования, выход сока из столовой свеклы при импульсном плазмолизе с прессованием мезги, при прочих равных условиях, зависит от степени её измельчения i и величины удельного давления (рис. 2, а). Рис.2. Показатели процесса импульсного электроплазмолиза. При определении степени измельчения растительной ткани использован показатель эффективного диаметра частиц Из графика (рис. 2, а) видно, что при более тонком измельчении выход сока с увеличением давления возрастает. Однако, максимальный выход сока при обычном прессовании значительно меньше, чем в случае импульсного плазмолиза. Аналогичная картина наблюдается при импульсном плазмолизе яблок. Так, из яблок при удельном давлении порядка 10 105 Па и высотой степени измельчения выход сока составляет 67-68%. Совместное действие на мезгу давления того же порядка и электрических импульсов позволяет получать практически независимо от степени измельчения выход сока до 78%. Процесс прессования растительной ткани на гидравлических прессах достаточно длителен, поэтому интересно выяснить, в какой промежуток времени необходимо вести импульсный плазмолиз. На рис. 2,б приведены графики, показывающие влияние времени начала обработки (остается одинаковым, однако, варьируя периодами обработки (t1, t2 ,t3) можно менять скорость процесса на различных его этапах). Характерным для электроимпульсного плазмолиза является тот факт, что выход сока, а, следовательно, и глубина самого процесса плазмолиза, в значительно меньшей степени зависит от энергии импульса (рис. 2,в), чем от градиента напряжения (рис. 2,г). По-видимому, здесь имеет место прямое действие электрического тока вместе с силовой деформацией на структуру протоплазмы. Качественные показатели сока, полученного с помощью электроимпульсного плазмолиза, характеризуются данными табл. 4. Эффективность использования электроплазмолиза достаточно высока. Так, экономический расчет показывает, что только в результате повышения выхода сока из виноградного сырья на 8-10%, себестоимость 1т сока в среднем снижается на 3,8-4,0%, а срок окупаемости электроплазмолиза составляет для заводов средней мощности 0,4 года. Показатели Яблочный сок Свекольный сок Обработка импульсами контроль Обработка импульсами контроль Удельный вес, г/см 1,2594 1,0577 1,039 1,038 Кинематическая вязкость 10 м/с 5,9166 6,7470 2,2836 2,5950 Общая кислотность % по яблочной кислоте 0,466 0,402 0,151 0,117 Содержание сухих веществ,% витамина С,% инвертного сахара,% пектиновых в-в,% 14,6 7,8 6,5500 6,3501 14,2 7,8 6,2175 0,3650 9,8 - - - 9,5 - - - Таблица 4. Качественные показатели соков, полученных путем электроимпульсного плазмолиза. 2.2.Аппаратурное оформление процесса электроплазмолиза. Конструкции электроплазмолизаторов разнообразны, с одной стороны это вызвано тем, что они предназначены для различных видов сырья, а с другой стороны – это является следствием технического поиска наиболее универсальных аппаратурных форм (рис.3).
2.2.1.Валковый электроплазмолизатор. Самая простая конструкция – это валковый электроплазмолизатор (рис.3,а). Основными рабочими органами аппарата являются два металлических рифленых вальца, вращающихся навстречу один другому в электрически изолированных подшипниках. К валкам подводится электрический ток промышленной частоты. Попадая между валками, сырьё сжимается и одновременно подвергается электрической обработке. 2.2.2.Электроплазмолизатор камерного типа. Следующие конструкции можно отнести к аппаратам камерного типа (рис. 3,б,в). Они могут быть одно и многоярусные. За основу конструкции принята камера прямоугольного типа с сетчатым дном – электродом. Вторым электродом является верхняя подвижная крышка, позволяющая изменять давление на прессуемую массу. 2.2.3.Электроплазмолизатор транспортерного типа. Аппараты транспортерного типа представляют собой сочетание двух бесконечных транспортерных лент (рис.3,г), сближающихся в зоне обработки. На транспортерной ленте располагаются емкости, заполняемые исходным сырьем, в которые в зоне обработки синхронно входят электроды со второй транспортерной ленты. 2.2.4.Аппараты шнекового типа. В аппаратах шнекового типа (рис.3,д) шнек и внешний перфорированный корпус составляет электродную систему. 2.2.5.Электроплазмолизатор центробежного типа. Принципиально новую конструкцию представляет собой электроплазмолизатор для семечковых плодов центробежного типа (рис. 3,г). Сырье под действием центробежной силы попадает на вращающийся барабан, составленный из ножей треугольной формы. Расстояние между острыми кромками ножей 5мм. Кроме того, внутри ротора расположены три свободно вращающихся ролика диаметром 70мм. Расстояние между боковой поверхностью и острой кромкой ножей 2-3мм. Барабан является одним из электродов, ролики – другим. Попадая между роликами и ножевой стенкой, сырье измельчается и одновременно подвергается электрической обработке. 2.2.6.Электроплазмолизатор линейного типа. В ряде случаев требуется увеличение продолжительности воздействия электрического тока на продукт. Этой цели отвечает линейный электроплазмолизатор (рис.3,ж), который представляет собой электрически изолированный канал с заделанными заподлицо со стенками графитовыми электродами. В начале канала имеется приемный бункер, а в конце – ковш для слива обработанной мезги. В таком аппарате обеспечивается одинаковая плотность электрического тока по всей плотности поперечного сечения потока мезги, и процесс электроплазмолиза протекает практически без перерыва обрабатываемого продукта. 2.2.7. Импульсный электроплазмолизатор. В перфорированном цилиндре импульсного электроплазмолизатора (рис.3,з) по образующей располагают два электрода, соединенных с генератором импульсов тока, который падает в рабочий объем импульса по заданной программе. 2.3. Отдельные конструкции электроплазмолизаторов. Аппарат, приведенный на рис. 4,а, работает при градиенте напряжения 50-350В/см, причем слой обрабатываемого сырья составляет всего десятки миллиметров. Несущей конструкцией является корпус, в котором находится барабан с тремя рядами подвижных лопастей и три электродные перфорированные пластины. В верхней части корпуса расположен бункер. Рабочая поверхность бункера и лотков облицована изоляционным материалом. Ось барабана электрически не связана с ним, так как между боковинами и фланцами имеются изоляционные прокладки. Диэлектрические боковины перфорированных электродных пластин закреплены на оси, что дает возможность регулировать величины зазора между барабаном и пластинами с помощью регулировочных болтов. Слева на оси установлен токосъемник, который соединен проводом, пропущенным внутри оси, с боковиной барабана. При помощи клеммной коробки электродные пластины подключаются к трехфазной сети переменного тока. Нулевой провод подводится к кольцевому токосъемнику, изолированному от оси изоляционной втулкой. В электроплазмолизаторе предусмотрена специальная подставка, на которой закреплены электропривод и редуктор. Между барабаном плазмолизатора и редуктором существует цепная передача. На рис.4,б показан электроплазмолизатор для извлечения сока из мезги. Рабочий орган плазмолизатора выполнен в виде барабана с расположенными на его поверхности по окружности несколькими рядами подвижных лопастей, корпус – секционный. Каждая секция установлена напротив соответствующего ряда лопастей на барабане, частично охватывая его. Плазмолизатор состоит из барабана, на цилиндрической поверхности которого имеется три ряда лопастей, и секционного корпуса, выполненного в виде прижимных сит, которые спрофилированы так, что зазор между ситом и барабаном постепенно уменьшается снизу. Каждое прижимное сито изолировано от соседнего диэлектрическими кольцами, что обеспечивает подключение электроплазмолизатора к трехфазной сети переменного тока. Плазмолиз можно совмещать с измельчением сырья. Аппарат такого типа для обработки свеклы и других овощей приведен на рис. 4,в. Особенность электроплазмолиза на данном аппарате состоит в том, что под ножами дисковой резки установлены изолированные от ее корпуса пружинные контакты, к которым подведен ток одного знака, а в качестве второго контакта использованы ножи. Электроплазмолизатор выполнен в виде горизонтальной резки с бункером, в котором под колпаком расположен электродвигатель. В корпусе 1 электроплазмолизатора установлен диск с ножами 2, выступающим из его щелей. Под ножами установлены изолированные от корпуса пружинные контакты. В ряде случаев, например, для обработки виноградной мезги, необходимо увеличить продолжительность обработки продукта. Такой аппарат (рис.4,г) состоит из загрузочного бункера, размещенной под ним камеры 1 с электродами, представляющими собой диски 2, укрепленные на параллельных вращающихся валах. С внешней стороны диски с валами закреплены в кожух. Они установлены на валах таким образом, что диски одного вала входят в промежутки между дисками другого. Стенки камеры выполнены с пропусками для прохода дисков и изготовлены из диэлектрического материала. К валам при помощи скользящих контактов подведено напряжение. Продолжительность обработки сырья регулируют путем изменения скорости вращения валов с дисками. Основные части электроплазмолизатора, приведенного на рис.4,д – сырьевой уплотняющий и опорный конвейеры. Сырьевой конвейер выполнен с ячейками для сырья. На уплотняющем конвейере шарнирно закреплены вакуумные колпаки, соединенные с вакуумной системой. Внутри этих колпаков установлены подпружиненные уплотняющие плиты. Каждый колпак имеет четыре ролика, с помощью которых он катится по направляющим. Опорный конвейер выполнен в виде бесконечной тяговой цепи с шарнирно укрепленными на ней опорными плитами, каждая из которых также имеет четыре ролика, с помощью которых она катится по направляющим.
Электродами, через которые проводится электрический ток, являются плиты и прикрепленная снизу к сырьевому конвейеру стальная лента. Она одновременно является и дном ячеек сырьевого конвейера. Уплотняющие плиты могут быть выполнены из нержавеющей стали или графита. От колпака они изолируются изоляторами.
3. Электрофлотация. 3.1. Сущность процесса. Условно к электроконтактным методам можно отнести процесс электрофлотации, который позволяет разделить жидкие неоднородные системы. Сущность процесса заключается в разложении постоянным электрическим током воды на водород и кислород в виде очень мелких пузырьков, осаждающихся на поверхности твердой фазы, и увлекающие ее вверх. Для флотации в основном используются пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде. Так как они обладают большой подъемной силой и по количеству их в 2 раза больше. Электрофлотацию используют в различных областях. Так, при очистке виноградного сока применение электрофлотации дает высокий производственный эффект. Причем электрофлотация не влияет на содержание инертного сахара, сухих, дубильных и красящих веществ, содержание аммиачного азота, золы, титруемую кислотность, щелочность золы и рН. Кроме того, пузырьки водорода пронизывают весь объем флотируемой жидкости, вытесняют кислород и тем самым снижают уровень ОВ – потенциала, т.е. в электрофлокаторе наряду с разделением фаз происходит эффективная деаэрация продукта (табл.5). Показатели Виноградный сок До электрофлотации, высота отбора проб, см После электрофлотации, высота отбора проб, см 0 120 0 40 80 120 Содержание: Сухих в-в, % сахара, % Дубильных и красящих в-в, г/л Азота АК, мг/л Аскорбиноксидазы, мг/л рН 5 Периксидазы Полифеноксидазы при: рН 5 рН 7,5 титруемая кислотность рН 19 15,3 0,81 229,6 1,5 5,6 2,8 2,8 0,89 3,35 19 15,6 0,92 302,4 1,4 5,6 3,8 2,8 0,89 3,35 19 15,3 0,86 302,4 1,5 3,9 3,1 2,8 0,89 3,35 19 15,3 0,90 240,8 1,25 3,9 3,1 3,1 0,89 3,3 19 15,0 1,81 228,5 1,1 5,0 3,6 3,1 0,89 3,3 19 15,3 1,05 229,6 1,25 5,0 3,6 3,3 0,89 3,3 Таблица 5. Содержание показателей виноградного сока до и после электрофлотации. Процесс очистки сточных вод протекает более благоприятно в присутствии О2, поэтому при электрофлотации не используется диаграмма, а толщу продукта пронизывают пузырьки водорода и кислорода, что обеспечивает определенное бактерицидное действие. При электрофлотации сточных вод на Кишиневском мясокомбинате удалось извлечь до 90-95% жира. Это очень высокий показатель по сравнению с существующими методами. В таблице 6 приведены показатели сточных вод при электрофлотации. показатели контроль после электрофлотации после очистки на существующих сооружениях Химический анализ Содержание взвешенных в-в, мг/л В том числе орган-их БПК 5,мг/л О Прозрачность рН 3069 2428 524 менее. 0,5 8 42 не обнаружено 15,7 24 7 1787 1081 134,6 2 7 Бактериологический анализ Количество колоний в1см Каш - титр Каш – индекс патогенная флора (возбудители тифопаратифозной группы и дизентерии) Сплошной рост Менее 0,4 Более 230 Выделен протей 2 333 3 не обнаружено Сплошной рост Менее 0,4 Более 230 Выделен протей Таблица 6. показатели сточных вод при электрофлотации. Установлено, что очистка сточных вод мясокомбинатов протекает более интенсивно при добавлении некоторых реагентов. Высокий эффект можно получить при использовании растворимых анодов (рис.7). Рис. 7. Распределение относительного объема водорода по величине диаметров пузырьков. 1 – диаметр проволоки катода 0,2мм, 2 – то же, 0,4мм; 3 – то же, 1,5мм. В результате электролиза происходит электрохимическое растворение анода, при этом образуются соответственно гидраты, окиси, которые осуществляют коагуляцию частиц, что резко повышает эффективность последующей электрофлотации. На качество флотации сточных вод влияет температура и высота столба жидкости. Экономическая эффективность обезжиривания сточных вод мясокомбинатов достаточно высока. Электрофлотацию можно использовать при выделении кормовых дрожжей из паточной барды. Наиболее эффективно процесс протекает при плотности тока 20мА/см2. Установлено, что пену можно направить непосредственно на сушку. Расход электроэнергии на 1т обрабатываемой барды составляет 0,5 кВт ч. При электрофлотации виноградного сока продолжительность процесса уменьшается до определенной плотности тока -20-22 мА/см2. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к нарастанию степени насыщения среды водородом, что в свою очередь приводит к возникновению в жидкости потоков, препятствующих флотации частиц.
3.2. Основы теории процесса электрофлотации. Скорость флотации зависит от степени аэрации жидкости, которая в свою очередь является при электрофлотации производной от количества водорода, выделяющего при электролизе (1)
где m – масса водорода; F – число Фарадея; I – сила тока; t - длительность процесса. Вводя геометрические характеристики аппарата: S – площадь рабочей поверхности катода, H – высоту столба обрабатываемой жидкости; а также среднюю длительность t1, за которую пузырек H2 проходит расстояние от катода до поверхности жидкости при средней скорости подъема V, получают (2) где i – плотность тока на аноде. Количество Н2, выделяющегося за период t1, при t0=const системы и при допущении, что средний объем образующихся пузырьков Н2 остается const, в течение рассматриваемого отрезка времени, можно определить из соотношения (3) где N – количество пузырьков Н2 в единице объема жидкости; Vn – средний объем одного пузырька; p – средняя плотность Н2 в пузырьке. Из предыдущего соотношения следует, что процентное содержание пузырьков Н2 в единице объема жидкости (4) с учетом формулы 1 и 2 получают (5) Таким образом, степень насыщения жидкости пузырьками водорода при t=const пропорциональна плотности тока и обратно пропорциональна скорости подъема пузырьков. Важное значение в осуществлении процесса электрофлотации имеют размеры образующихся пузырьков. При исследовании электрофлотации виноградного сока установлено, что среднее статистическое значение наблюдаемых пузырьков равно 30,88 мкм. Приравнивая полученное значение параметру М, а параметр r – среднему квадратичному отклонению v6,86 мкм, можно получить уравнение нормальной плотности (6) При переходе к новой переменной получаем простое выражение (7) Таким образом, при конструировании аппарата можно, меняя размеры проволоки, насыщать жидкость пузырьками Н2 заведомо определенных размерных классов. Б. М. Матов установил, что между величинами, определяющими течение процесса электрофлотации, существует функциональная зависимость вида: (8) где m – масса пузырьков в единице объема жидкости; q – произведение электрохимического эквивалента газа на выход по току; i - плотность тока; - динамическая вязкость; p, pг – соответственно плотность жидкости и газа; g – ускорение свободного падения; r – средний радиус пузырьков. Уравнение (8) принимает вид (9) где - скорость потока пузырьков на участке проволочного корпуса, расположенного на единице площади горизонтальной плоскости; скорость подъема пузырьков; А – постоянная величина. 3.3. Элементы расчета электрофлотационного аппарата. В качестве исходных величин задаются: производительность Р0 ,Рн, электропроводность системы Н, вязкостью и плотностью р. Среднюю скорость подъема пузырьков можно высчитать по формуле Степень насыщения жидкости пузырьки водорода Параметр процесса электрофлотации где Vr – средний объем одной частицы, флотируемой пузырьками, Vn – средний объем пузырьков, флотирующих частицу объемом Vr В соответствии с физической сущностью процесса электрофлотации длина L и высота Н0 аппарата для конкретной неоднородной системы должна быть постоянна. Ширина аппарата К для производительности необходимый для питания аппарата ток определяют из соотношения где S=KL – площадь поперечного сечения. 3.4.Аппаратурное оформление процесса электрофлотации. Аппараты, используемые для электрофлотации, представляют собой вертикальный сосуд 1 (рис.5) в который продукт поступает в верхнюю часть через патрубок 2 и удаляется через патрубок 3. В аппарате размещены электроды 4 и 5 (катод и анод). Образующиеся пузырьки газа разделяются – водород 7 используется на флотацию, а кислород 8 удаляется из аппарата. Выделенные из жидкости частицы собираются на поверхности в виде пенной шапки 9, которая затем удаляется из аппарата. Аппараты можно разделить на 3 группы. 1. Аппараты с горизонтально расположенным дном и катодом и вертикально установленным анодом (рис. 5,а). В них катод помещен параллельно дну сосуда, имеет рабочую поверхность, близкую сечению сосуда, что позволяет поднимающимся пузырькам Н2 пронизывать всю массу обрабатываемого продукта. Анод, установленный в центре сосуда над катодом, подвижный, поэтому можно менять расстояние между электродами и тем самым регулировать плотность тока при const значении на электродах. 2. Однокамерные аппараты с наклонно расположенными электродами (рис. 5,б). Отличительной особенностью этих аппаратов является расположение обоих электродов под углом 8-90 к горизонтальной плоскости и наличие в межэлектродном пространстве диафрагмы из асбестовой, хлоритовой или капроновой ткани. Такое расположение электродов позволяет снизить подаваемое напряжение и, с другой – использовать для флотации только пузырьки Н2. 3. Многосекционные аппараты и различные модификации этого типа с наклонно расположенным днищем и электродами (рис. 5,в). Каждая секция является самостоятельной камерой для электрофлотации при последовательном перемещении продукта через них. Электрофлотационная установка с растворимыми анодами состоит из пяти секций (рис. 6). В нижней части секции 2 укреплены алюминиевые электроды в виде двух наборов вертикально расположенных пластин. На дне секции 3,4 расположены графитовые пластины и проволочные секции, выполняющие соответственно роли катодов и анодов.
Обрабатываемая жидкость поступает в приемную секцию и последовательно переходит из секции в секцию, совершая зигзагообразный путь. Очищенная жидкость из секции 4 по специальному трубопроводу 7 переливается в секцию 5, из которой самотеком переходит в сборную емкость. Производительность установки регулирует изменение скорости поступления жидкости на входе в приемную секцию.
3.5. Вывод. Как уже говорилось, электроплазмолиз относится к процессам электроконтактной обработки продуктов. Он предназначен для интенсификации прессового способа извлечения сока из растительного сырья. В настоящее время изучению этого процесса и его модификации посвящено большое количество работ. Эффективность использования электроплазмолиза достаточно высока. Так экономический расчет показывает, что только в результате повышения выхода сока из виноградного сырья на 8-10% себестоимость 1т сока в среднем снижается на 3,8-4,0%, а срок окупаемости электроплазмолиза составляет для заводов средней мощности 0,4 года. Следует подчеркнуть специфичность влияния электроплазмолиза на проведение диффузионных процессов: проницаемость электроплазмолизованной ткани (свекловичной) выше для сахара и ниже для калиевых и натриевых солей, чем проницаемость термоплазмолизованной стружки. Жизненные функции клетки могут быть нарушены не полностью и частично восстанавливаются, если плазмолиз проводится при невысоком градиенте напряжения (400В/см и ниже). Однако для полного плазмолиза в этом случае достаточно незначительного воздействия. Хочется сказать о конструкциях электроплазмолизаторов. Они разнообразны, с одной стороны, это вызвано тем, что они предназначены для различных видов сырья, а с другой – это является следствием технического поиска наиболее универсальных аппаратурных форм. Что касается электрофлотации, то ее можно отнести к электроконтактным методам. Этот метод позволяет разделить жидкие неоднородные системы. Электрофлотацию используют в различных областях. Так, при очистке виноградного сока применение электрофлотации дат высокий производительный эффект. Причем следует отметить, что электрофлотация не влияет на содержание инертного сахара, сухих, дубильных и красящих веществ, содержание аммиачного азота, золы, титруемую кислотность, щелочность золы и рН. Литература. 1. Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды. Москва, 1978. 2. Журавлев Н.А., Яцко М.А. Обработка виноградной мезги электрогидралическим способом с целью увеличения выхода сока – «электронная обработка материалов». 1970. 3. Зарубин Г.П., Новиков Ю.В. Современные методы очистки и обеззараживания питьевой воды. Москва, 1976г. 4. Кожиков В.Ф., Кожиков И.В. Озонирование воды. Москва, 1974г. 5. Николадзе Г.Н. Технология очистки природных вод. Москва, 1987г. 6. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов, Москва, «Пищевая промышленность», 1974. 7. Журнал «Экологические системы и приборы». Москва, №2, 2000г.