Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8129| Назва: | Обґрунтування та вибір ефективних способів очищення води у технології безалкогольних напоїв |
| Автори: | Нагурна, Ніна Анатоліївна Мамонтова, Яна Олександрівна |
| Ключові слова: | сорбенти;цеоліт;вермикуліт;хітозан |
| Дата публікації: | 30-гру-2023 |
| Короткий огляд (реферат): | Магістерська робота на здобуття освітнього ступеня магістр за спеціальністю 181– Харчові технології, освітня програма «Технології продуктів бродіння і виноробства»– Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2023. Магістерська робота присвячена удосконаленню технології очистки води з використанням нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. Теоретично обґрунтовано використання нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. Встановлено оптимальні параметри сорбції заліза та міді застосування сорбентів на основі цеоліту, вермикуліту та хітозану. Досліджено органолептичні та фізико-хімічні показники води з застосуванням нетрадиційних сорбентів. Розроблено технологічну схему очистки води нетрадиційними сорбентами Встановлена економічно-соціальна нетрадиційних сорбентів |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8129 |
| Розташовується у зібраннях: | 181 Харчові технології (Харчові технології) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ_Мамонтова Я.О._23.pdf Restricted Access | Магістерська робота на здобуття освітнього ступеня магістр за спеціальністю 181– Харчові технології, освітня програма «Технології продуктів бродіння і виноробства»– Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2023. Магістерська робота присвячена удосконаленню технології очистки води з використанням нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. Теоретично обґрунтовано використання нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. Встановлено оптимальні параметри сорбції заліза та міді застосування сорбентів на основі цеоліту, вермикуліту та хітозану. Досліджено органолептичні та фізико-хімічні показники води з застосуванням нетрадиційних сорбентів. Розроблено технологічну схему очистки води нетрадиційними сорбентами Встановлена економічно-соціальна нетрадиційних сорбентів | 2.77 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
АНОТАЦІЯ Мамонтова Я.О. Обґрунтування та вибір ефективних способів очищення води у технології безалкогольних напоїв. Магістерська робота на здобуття освітнього ступеня магістр за спеціальністю 181 – Харчові технології, освітня програма «Технології продуктів бродіння і виноробства» – Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2023. Магістерська робота присвячена удосконаленню технології очистки води з використанням нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. Теоретично обґрунтовано використання нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. Встановлено оптимальні параметри сорбції заліза та міді застосування сорбентів на основі цеоліту, вермикуліту та хітозану. Досліджено органолептичні та фізико-хімічні показники води з застосуванням нетрадиційних сорбентів. Розроблено технологічну схему очистки води нетрадиційними сорбентами Встановлена економічно-соціальна ефективність виробництва нетрадиційних сорбентів. Ключові слова: сорбенти, цеоліт, вермикуліт, хітозан, вода, технологія безалкогольних напоїв. 4 ANNOTATION Mamontova Y.O. Justification and selection of effective methods of water purification in the technology of soft drinks. Master's thesis for a master's degree in 181 - Food Technology, educational program "Technology of fermentation products and winemaking" - Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2023. The master's thesis is devoted to the improvement of water purification technology with the use of non-traditional sorbents in the technology of vodka drinks. The use of non-traditional sorbents in the technology of vodka drinks is theoretically substantiated. The optimal parameters of iron and copper sorption using sorbents based on zeolite, vermiculite and chitosan have been established. Organoleptic and physicochemical parameters of water with the use of non- traditional sorbents were studied. The technological scheme of water purification by non-traditional sorbents is developed The economic and social efficiency of production of non-traditional sorbents is established. Keywords: sorbents, zeolite, vermiculite, chitosan, water, technology. . 5 ЗМІСТ АННОТАЦІЯ ………………………………………………………... 5 ВСТУП…………………………………………………………………. 7 1 ТЕХНОЛОГІЯ ОЧИСТКИ ВОДИ В БЕЗАЛКОГОЛЬНОМУ ВИРОБНИЦТВІ (АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ) …………... 9 1 Природна вода та її домішки……………………………………………… 9 1.1 Класифікація домішок і забруднень води……………………………….. 10 2 Аналіз вимог до води за органолептичними, фізико-хімічними та токсичними показниками……………………………………………........ 14 3 Аналіз методів очистки води для безалкогольного виробництва………………………………………………………………… 19 3.1 Особливості сорбційного очищення води від важких металів…………. 27 3.2 Застосування модифікованих мінералів для очищення води ………….. 32 2 ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ……………………………… 35 2.1 Аналіз сировини……………………………………………………........... 35 2.2 Аналіз адсорбентів……………………………………………………....... 37 2.3 Методи дослідження………………………………………………………. 38 3. РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА……………………….. 43 3.1 Сорбційні характеристики зразків цеолітів, модифікованих хітозаном………………………………………………………………… 43 3.2 Сорбційні характеристики зразків вермикулітів, модифікованих хітозаном……………………………………………………………….. 46 3.3 Вивчення процесів сорбції композиційними сорбентами…........... . 48 3.4 Математично-статистична обробка результатів дослідження …… . 50 3.5 Аналіз води підготовленої для виробництва лікеро-горілчаної продукції………………………………………………………………… 56 4. УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИСТКИ ВОДИ…………….. 58 4.1 Принципово-технологічна схема застосування сорбційних матеріалів для очищення води……………………………………….. 58 4.2 Апаратурно-технологічна схема очистки води…………………….. 59 5. РОЗРАХУНОК СОЦІАЛЬНО-ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ……………………………………………………… 60 5.1 Розрахунок економічної ефективності сорбентів…………………… 60 6 6. ОХОРОНА ПРАЦІ ……………………………………………………. 62 6.1 Аналіз потенційно-шкідливих факторів на робочому місці і їхній вплив на здоров’я працюючих………………………………………... 62 6.2 Заходи по забезпеченню охорони праці та техніки безпеки в лабораторії…………………………………………………………… … 71 6.3 Заходи забезпечення електробезпеки………………………………… 77 7. ЦИВІЛЬНИЙ ЗАХИСТ ………………………………………………. 78 7.1 Заходи захисту виробничого персоналу…………………………….. 78 ВИСНОВКИ…………………………………………………….......... 80 СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ………………………... 81 7 ВСТУП Актуальність теми. Традиційно на підприємствах безалкогольної промисловості України використовують пом’якшену водопровідну чи артезіанську воду, вміст домішок у якій не завжди відповідає необхідним вимогам. Необхідно відмітити, що вода, яку використовують підприємства, дуже різноманітна за складом, який залежить від географічного розташування заводу, геологічного складу ґрунтів, забрудненості стічними водами, а також способів водоочистки, які функціонують на заводі [3]. Джерела промислового водокористування розділяють на води підземних родовищ та відкритих водойм. До перших відносяться артезіанські та ґрунтові води, до других – води річок, озер та штучних водоймищ [3]. Артезіанські води в надрах землі знаходяться на значній глибині. Як правило, такі води не зазнають безпосередньої дії зовнішнього середовища, атмосферних опадів і різних промислових стоків. Тому вони мають більш стабільний склад солей і газів, та майже не містять органічних речовин. Такі води збагачені мінеральними солями, головним чином, за рахунок вилуджування з порід: вапняків, доломітів, гіпсу, кам’яної солі і т.д. Ці води майже завжди безбарвні, прозорі, мають приємний стійкий смак та не мають запаху. Загальна мінералізація артезіанських вод, тобто вміст в них мінеральних солей, достатньо значна, у середньому вона коливається від 50 до 1500 мг/дм3 і більше; вміст органічних домішок в артезіанських водах не перевищує 4 мг О2/дм3 [3]. Ґрунтові води залягають неглибоко, над першим від поверхні землі водонепроникним шаром землі. Вони утворюються головним чином від інфільтраційних вод: атмосферних осадів, паводкових вод і вод відкритих водойм. Сольовий і газовий склад таких вод у порівнянні з артезіанськими водами менш постійний та стійкий. Мінералізація ґрунтових вод коливається в межах 100 - 200 мг/дм3, а вміст органічних домішок досягає 8 мг О2/дм3 [3]. 8 Води відкритих водойм – найбільш поширені джерела промислового водопостачання. Сольовий склад цих вод і характер домішок, як правило, не постійний і протягом року змінюється в залежності від атмосферних осадів, паводкових води і змішування їх з поверхневими стоками. Ці води менш мінералізовані, ніж підземні. Вміст солей в більшості річкових вод коливається в межах 40-500 мг/дм3. Окремі річки та озера характеризуються високою мінералізацією води [3]. Вміст органічних домішок у водах відкритих водойм значний і коливається в межах 2-100 мг/дм3. Близько промислових центрів і в паводкові періоди року вміст органічних речовин в річкових водах значно збільшується [3]. У зв’язку з цим виникає необхідність у очищенні води. Враховуючи те, що на сьогоднішній день відсутні обґрунтовані рекомендації до якості технологічної води, до способів і обладнання, а також технологічних режимів очищення води для безалкогольних напоїв, то питання удосконалення технології водопідготовки для приготування таких напоїв є актуальним. Одним із найбільш важливих завдань сучасної технології очистки води для безалкогольних напоїв є видалення органічних речовин, сполук заліза та міді. Магістерська робота направлена на дослідження сорбційних властивостей цеоліту, вермикуліту та модифікації даних сорбентів хітозаном. 9 Мета роботи. Удосконалення технології очистки води з використанням нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв Для досягнення поставленої мети було вирішено наступні завдання: - обґрунтувати застосування нетрадиційних сорбентів для очистки води в технології безалкогольних напоїв; - встановити оптимальні параметри сорбції заліза та міді з застосуванням сорбентів на основі цеоліту, вермикуліту та хітозану. - дослідити органолептичні та фізико-хімічні показники води з застосуванням нетрадиційних сорбентів. - розробити технологічну схему очистки води нетрадиційними сорбентами Обєкт дослідження.Сорбенти – цеоліт, вермикуліт, комбіновані сорбенти модифіковані хітозаном. Предмет дослідження. технологія очистки води нетрадиційними сорбентами. Методи дослідження: стандартизовані та спеціальні фізико-хімічні, органолептичні, аналітичні, експериментально-статистичні методи аналізу сировини, матеріалів, готового продукту. Наукова новизна роботи. Досліджено сорбцію заліза та міді з застосуванням сорбентів на основі цеоліту, вермикуліту та хітозану. Досліджено органолептичні та фізико-хімічні показники води з застосуванням нетрадиційних сорбентів. Розроблено технологічну схему очистки води нетрадиційними сорбентами Апробація результатів роботи. Основні результати досліджень доповідались і обговорювались на: 7-ій Міжнародній науково-практичній конференції «Інтеграційні та інноваційні напрями розвитку харчової промисловості» (Черкаси, 2023 рр.). 10 РОЗДІЛ 1. УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИСТКИ ВОДИ В БЕЗАЛКОГОЛЬНОМУ ВИРОБНИЦТВІ (АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ) 1. Природна вода та її домішки За об’ємом споживання безалкогольні напої займають друге місце у світі після питної води. Це обумовлено широким асортиментом таких напоїв, унікальними органолептичними характеристиками та функціональними властивостями [1]. Головною складовою безалкогольних напоїв є вода. Досить важливе значення вона відіграє у підготовці води: очищення води від грубих домішок, знезалізнення, демінералізація, знезарадження, пом’якшення [1]. Суттєвий вплив на якість безалкогольних чинить якість технологічної води (тобто води, що використовується в технологічному процесі для приготування харчового продукту), адже в готовому напої її частка найбільша [1]. Якість водопровідної, артезіанської чи бутильованої води, що використовується у закладах ресторанного господарства для приготування напоїв, регламентується ДСанПіН 2.2.4.171-10 «Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною», та забезпечується попередньою обробкою на станціях централізованого очищення. Та оскільки ця водопідготовка здійснюється без врахування подальших взаємодій між присутніми у технологічній воді домішками мінерального та органічного походження та екстрактивними речовинами сировини, то використання такої води не гарантує отримання напою з максимальним вмістом функціональних інгредієнтів та найкращими органолептичними показниками [2]. Джерела промислового водокористування розділяють на води підземних родовищ та відкритих водойм. До перших відносяться артезіанські та ґрунтові води, до других – води річок, озер та штучних водоймищ. Артезіанські води в надрах землі знаходяться на значній глибині. Як правило, такі води не зазнають безпосередньої дії зовнішнього середовища, 11 атмосферних опадів і різних промислових стоків. Тому вони мають більш стабільний склад солей і газів, та майже не містять органічних речовин. Такі води збагачені мінеральними солями головним чином за рахунок вилужування з порід: вапняків, доломітів, гіпсу, кам¢яної солі і т.д. Ці води майже завжди безбарвні, прозорі, мають приємний стійкий смак та не мають запаху. Загальна мінералізація артезіанських вод, тобто вміст в них мінеральних солей, достатньо значна, у середньому вона коливається від 50 до 1500 мг/дм3 і більше; вміст органічних домішок в артезіанських водах не перевищує 4 мг О2/дм3[1]. Ґрунтові води залягають неглибоко, над першим від поверхні землі водонепроникним шаром землі. Вони утворюються головним чином від інфільтраційних вод: атмосферних осадів, паводкових вод і вод відкритих водойм. Сольовий і газовий склад таких вод у порівнянні з артезіанськими водами менш постійний та стійкий. Мінералізація ґрунтових вод коливається в межах 100 - 200 мг/дм3, а вміст органічних домішок досягає 8 мг О2/дм3. Води відкритих водойм – найбільш поширені джерела промислового водопостачання. Сольовий склад цих вод і характер домішок, як правило, не постійний і протягом року змінюється в залежності від атмосферних осадів, паводкових води і змішування їх з поверхневими стоками. Ці води менш мінералізовані, ніж підземні. Вміст солей в більшості річкових вод коливається в межах 40 – 500 мг/дм3. Окремі річки та озера характеризуються високою мінералізацією води [2]. 1.1. Класифікація домішок і забруднень води Речовини, що розчинені у природних водах, умовно можна розділити на пять груп [3]: 1 - головні іони, що містяться у невеликій кількості ( CL-, СО32-, НСО3-, SO42-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+ та інш.); 2 - розчинені гази ( кисень, азот, діоксид вуглецю, сірководень та інш.); 12 3 - біогенні гази (сполуки азоту, фосфору та кремнію); 4 - мікроелементи - сполуки всіх інших хімічних елементів; 5- органічні речовини. Природні води характеризуються наступними критеріями якості: фізико-хімічними - мінералізація, твердість, кислотність, лужність, сухий залишок, вміст завислих речовин, температура, водневий показник (рН), густина, електропровідність, оптична густина, поверхневий натяг, радіоактивність; санітарно-гігієнічними - розчинний кисень, біохімічне витрачання кисню (БВК), окислюваність перманганатна та біхроматна, азот аміаку, нітритів та нітратів; органолептичними забарвленість, запах, смак та прозорість; бактеріальними - мікробне число, колі-індекс, наявність вірусів; біологічними - присутність водоростей і т.д. При різноманітті присутніх у воді домішок і забруднень першорядне значення для розробки економічних способів очищення води має обґрунтована класифікація, яка дозволяє об¢єднати їх за ознакою загальних властивостей в окремі групи. Для характеристики природних вод по вмісту розчинених речовин застосовується декілька класифікацій запропонованих гідрохіміками. За походженням розрізняють: - атмосферні води (осадові); - підземні води (ключові и колодязні); - поверхневі (річкові, озерні, морські, болотні). За кількістю і характером домішок води розділяють на прісні, солоні, м¢які, тверді, прозорі, безбарвні, опалесцентні, мутні, забарвлені, духмяні і ін. За принципом використання води поділяють на питні, господарські, 13 технічні, охолоджуючі, лікувальні і т.д. Система С.А. Щукарева включає 49 класів вод і передбачає використання в якості класифікаційного признака наявність в них іонів з концентраціями вище 12,5% їх загального вмісту [4] (наприклад: хлоридно-натрієві, карбонатно-сульфатно-кальцієві і т.д.).Класифікація природних вод за загальною мінералізацією наведена в таблиці 1. Таблиця 1.1 - Класифікація природних вод за загальною мінералізацією Загальна мінералізація, Вода Характеристика мг/дм3 Ультрапрісна Звичайна гідрокарбонатна Менше 200 Прісна Звичайна гідрокарбонатна 200 – 500 З підвищеною Гідрокарбонатно-сульфатна 500 – 1000 мінералізацією Солонувата та солона Сульфатно-хлоридна 300 – 10000 З підвищеною солоністю Переважно хлоридна 10000 – 35000 Перехідна до розсолу Хлоридна 35000 – 50000 Розсоли Хлоридна 50000 – 400000 Класифікація природних вод за твердістю наведена в таблиці 2. Таблиця 1.2 - Класифікація природних вод за твердістю Вода Твердість, ммоль/дм3 Дуже м¢яка Менше 1,5 М¢яка 1,5 – 4,0 Середньої твердості 4-8 Тверда 8-12 14 Дуже тверда Більше 12 Класифікація вод запропонована О.А. Альокіним сполучає принцип розподілу за переважаючим аніоном та катіоном з підрозділом за кількісним відношенням поміж ними. За переважаючим аніоном природні води підрозділяються на три групи: гідрокарбонатні та карбонатні, а також сульфатні та хлоридні. Кожна група в залежності від переважаючого катіона ділиться на три групи: кальцієву, магнієву і натрієву. Кожна група має чотири типи вод в залежності від еквівалентного співвідношення іонів [5]: - НСО3- > Са2+ + Мg2+; - НСО3- < Са2+ + Мg2+< НСО3- + SO42-; - НСО3- + SO42- < Са2+ + Мg2+ або СІ- > Na+; - НСО3- = 0 (для кислих вод). Класифікація домішок води Л.А.Кульського основана на фізико- хімічних характеристиках: фазовому стані і дисперсності. За цією класифікацією домішки води за їх відношенню до дисперсного середовища розділені на 4 групи. Домішки перших двох груп (крім високомолекулярних сполук) утворюють термодинамічно нестійкі гетерогенні системи, а двох інших - термодинамічно рівноважні і зворотні гомогенні системи. Перша група речовин являє собою нерозчинні домішки, які утворюють з водою суспензії, емульсії та піни. Ці домішки обумовлюють мутність води та в деяких випадках можуть надавати їй забарвленості. Друга група речовин об¢єднує гідрофільні і гідрофобні колоїдні домішки, а також високомолекулярні сполуки, які здатні утворювати з водою стійкі колоїдні системи. Третя група речовин включає розчинні у воді гази та органічні сполуки як біологічного, так і антропогенного походження. Четверта група об¢єднує речовини, які утворюють з водою розчини електролітів. Аналіз інформації про хімічний склад природних вод з різних джерел 15 показує, що ступінь мінералізації природних вод може суттєво відрізнятися в залежності від географічного положення, кліматичної зони, геологічного походження джерела т ін. Існуючі типи класифікацій природних вод не відображають всієї різноманітності хімічного складу вод, що визначаються колом завдань, що вирішуються на основі введеної класифікації [6]. Необхідно відмітити, що запропоновані вище класифікації іонного складу природних вод малопридатні для характеристики промислових вод, що використовуються для приготування напоїв. На підприємствах харчової промисловості України в основному використовують пом'якшену водопровідну або артезіанську воду, вміст домішок в якій не завжди відповідає наведеним нижче критеріям оцінки якості. Технологічна підготовлена вода дуже різноманітна за складом, який залежить від географічного розташування підприємства, геологічного складу ґрунту, забруднення стічними водами, а також від застосовуваних способів водоочистки. 2. Аналіз вимог до води за органолептичними, фізико-хімічними та токсичними показниками На сьогодні нормуванню якості води приділяється підвищена увага. Це обумовлено постійним виявленням в джерелах водопостачання нових токсичних речовин, а також отриманням від медичних працівників нових факторів про зв¢язок захворювань людини з присутністю у воді різних сполук, нормативи допустимого вмісту яких не визначені. Вимоги до якості питної води Всесвітньої організації охорони здоров¢я Максимально допустимі концентрації забруднень у питній воді, воді технічного призначення та стоках регулюються національними стандартами. Враховуючи особливу важливість для здоров¢я населення якості питної води, спеціалісти Всесвітньої організації охорони здоров¢я (ВОЗ) 16 розробляють базові нормативи якості води, що публікуються на сторінках “Руководства по контролю качества питьевой воды”. Вимоги до якості питної води Всесвітньої організації охорони здоров¢я опубліковані в Керівному документі за 1997. Вимоги до якості питної води в Європейському Союзі (ЄС) Перша Директива по питній воді ЄС була прийнята в 1980 році. Остання Директива Ради ЄС 98/83/ЕС від 3 листопада 1998 року по якості питної води передбачає нові основні параметри, які мають велике значення для якості води і здоров¢я людей. Наприклад, у порівнянні зі старою Директивою норматив для свинцю знижений з 50 до 10 мкг/л, введені нормативи для трихлорметану, бромату, акриламіду. В таблиці 3 наведено нормативи для питної води за мікробіологічними показниками для країн ЄС. Таблиця 1.3 – Нормативи для питної води за мікробіологічними показниками в Європейському Союзі (ЄС) Мікроорганізми Норматив, од/100 см3 Примітка Питна вода Термотолерантні та інші Не повинні виявлятися в - коліформи кожний пробі об¢ємом 100 см3 Вода в розподільній системі після обробки Термотолерантні та інші Не повинні виявлятися в В системах водопостачання коліформи кожний пробі об¢ємом 100 при постійному контролі не см3 повинні виявлятися в 95% зразків протягом року. В таблиці 4 наведено порівняльні дані нормативів для води питної за окремими показниками ВОЗ, країн ЄС, США, Росії та України. 17 Таблиця 1.4 – Нормативи для питної води за окремими показниками Показник Норматив, мг/дм3, не більше Примітка ВОЗ США ЄС Росія Україна Забарвленість 15 15 15 20 20 Зовнішній вигляд РН 6,5-8,5 6,5-8,5 6,5-8,5 6,0-9,0 6,0-9,0 Низький рН збільшує корозійність, високий рН викликає мильний присмак Окислюваність - - 5,0 - - - Алюміній 1,5 0,05-0,2 0,05- 0,5 0,5 Осад (завись) та 0,2 зміна кольору Амоній 1,5 - 0,5 - - Запах та присмак Залізо 0,3 0,3 0,2 0,3 0,3 Запах, присмак, забарвленість, осад Марганець 0,1 0,05 0,05 0,1 0,1 Запах, присмак, забарвленість, осад Нітрати 50 10 50 45 45 Присмак Нітрити 3 1 0,5 - 2 Присмак Натрій 200 - 200 - - Присмак Сульфати 250 250 250 500 500 Присмак Сірководень 0,05 - - - - Запах та присмак Свинець 0,01 0,015 0,025 0,3 0,03 Хлориди 250 250 250 350 350 присмак, викликає корозію Фтор 1,5 2,0 2,0 1,5 1,5 18 Ртуть 0,001 0,002 0,0005 0,0005 Патентно-інформаційний пошук показав, що в ряді країн, наприклад Англії, США, Польщі та інших, для приготування горілок і горілок особливих використовують знесолену воду або навіть дистильовану. Однак напої за дегустаційними показниками мають "порожній смак" і поступаються перед напоями, приготованими на воді з деякою кількістю солей. При виробництві безалкогольних напоїв вода є одним з основних компонентів. Від якості води в значній мірі залежить якість напоїв та їх стійкість при зберіганні. В залежності від походження вода містить різні розчинені речовини, головним чином кисень, двоокис вуглецю, мінеральні солі, органічні та неорганічні сполуки. Мінеральні речовини впливають на процес інверсії сахарози при приготуванні цукрового сиропу, беруть участь в створенні смаку, крім того, вони обумовлюють розчинність двоокису вуглецю на стадії розливу напоїв та створенні колоїдної системи. Від лужності технологічної води залежить витрата лимонної кислоти. Наявність домішок заліза та марганцю в воді сприяє зміні забарвлення слабоалкогольних напоїв, а при їх взаємодії з дубильними речовинами плодово-ягідних соків спостерігається випадання осадів. Значна кількість органічних сполук негативно впливає на смакові якості і сприяє випаданню осаду колоїдного характеру при зберіганні напоїв. 3. Аналіз методів очистки води для безалкогольного виробництва Практично в кожній сфері діяльності присутні суворі вимоги до водопідготовки. Очищення води – одне з основних завдань керівника компанії. Саме від якості використовуваної води залежить успішність і безперебійність роботи будь-якого виробництва. А на сьогоднішній день якість води залишає бажати кращого – та, що використовується підприємствами, наповнена шкідливими механічними і органічними домішками, має сторонній запах, колір, смак. Повинна обов'язково передбачатися система очищення води виробництва. А вона досить складна з технічного боку [4]. 19 Якщо для побутових цілей виконати очищення води можна в домашніх умовах за допомогою спеціальних пристосувань, то на виробництві все набагато складніше. По-перше, вся система повинна бути продумана професіоналами, згідно з усіма вимогами і нормами. По-друге, установкою, як і обслуговуванням складного обладнання, повинна займатися кваліфікована команда фахівців - від результату залежить робота всього виробництва і безпека співробітників. Розглянемо основні сфери діяльності, яким необхідне очищення води для виробництва [4]. Мета підготовки води для виробництв – очищення води від забрудників хімічного чи мікробіологічного походження. Якщо в побуті можна використовувати відносно прості установки і системи очистки води, то для виробництв частіше застосовують специфічне устаткування і автоматизацію процесів [5]. Інженери виробництв мають перелік вимог що стосуються виробничого обладнання які також застосовуються до водоочисного обладнання: - надійність - ремонтопридатність - сервісна підтримка в регіоні - точність обладнання в досягненні потрібної якості очистки води - способів і устаткування для досягнення цього є багато, але вибір залежить від характеру виробничого процесу [5]. І саме у виборі обладнання і реалізації системи підготовки води значна роль залежить від інженерів виробництв, які формують технічне завдання для розрахунку обладнання [5]. Харчова промисловість, зокрема і підприємства, що спеціалізуються на виробництві безалкогольних напоїв, використовують значно ширший вибір методів очистки води і, відповідно, обладнання, оскільки вимоги щодо якості води можуть мати особливі умови [5]. В більшості випадків це: - обладнання для знезалізнення і видалення марганцю; 20 - пом’якшення води; - механічна фільтрація великих потужностей; - фільтрація на різних типах вугілля для освітлення води і покращення органолептичних показників; - системи зворотнього осмосу для більш глибокої очистки води і демінералізації (знесолення). В процесах, де знесолення є не потрібним, але є вимога тонкої очистки води, в т. ч. фільтрація від мікроорганізмів, використовують ультрафільтрацію, наприклад це актуально в галузі виробництва безалкогольних напоїв. - установки ультрафіолетової стерилізації і установки дозування біоцидів для усунення мікробіологічного забруднення або превентивні заходи щодо його запобігання [5]. Розглянемо основні методи очищення води на підприємствах з виробництва безалкогольних напоїв (рис.1.1). Деякі вітчизняні виробники роблять установки зворотного осмосу (продуктивність до 500 м3/ч) з використанням в основному закордонних мембран і устаткування. Установки здатні забезпечити солевміст до 10-15 мг/дм3 і лужність до 0,5 ммоль/дм3 [6]. У багатьох схемах для одержання води заданого солевмісту і визначених органолептичних властивостей у пермеат додають зм'якшену воду. Вода, подавана на установку зворотного осмосу, вимагає перед підготовки [6]. 21 Рис. 3.1. Методи знезараження води Необхідно видалити суспензії, активний хлор, залізо і, бажано, солі твердості. Тому установку зворотного осмосу розташовують після описаних вище установок. Воду знесолюють на мембранному апараті з плоскокамерними чи трубчастими (рулонними) фільтруючими елементами і з мембранами у виді порожніх волокон. В зворотноосмотичній установці застосовують спеціальні напівпроникні мембрани, що володіють здатністю пропускати іони розчинника і затримувати іони розчиненої речовини [6]. В зворотноосмотичних установках у найбільш розповсюдженій конструкції вихідну воду подають над мембраною по каналу малої висоти (менше 1 мм), така конструкція в сполученні з деякими особливостями матеріалу мембран і специфікою зворотноосмотичного поділу розчинів призводить до визначених вимог по якості поданої на установку води [6]. Особливе значення для стабільної експлуатації зворотноосмотних установок має технологічний вузол по запобіганню кристалізації солей твердості. У залежності від вихідних умов використовують установки пом'якшення (видаляються катіони малорозчинних солей), дозування 22 кислоти (збільшує розчинність карбонату кальцію – основного накипутворюючого елементу), дозування інгібітору (запобігає кристалізації малорозчинних солей з розчину). Кращий спосіб – іонообмінне пом'якшення. Однак ця технологія вимагає використання реагентів (хлориду натрію) і капітальних витрат. Дозування кислоти приводить до зменшення рН як вихідної, так і пермеату зворотноосмотичної установки. У залежності від складу води кількість кислоти, що витрачається, може змінюватися від 5 до 200 мг/дм3 [6]. Дозування інгібітору вимагає меншої кількості реагентів (4-10 мг/дм3). Однак вітчизняні постачальники інгібіторів не дають рекомендацій з їх використанню, а імпортні реагенти дуже дорогі. Використання інгібітору не вирішить усі проблеми з попереднім очищенням води, тому що вони мають обмежену область застосування по концентраціях малорозчинних солей. Зі збільшенням концентрації малорозчинних солей необхідно підвищувати дозу інгібітору, що економічно недоцільно [6]. На сьогодні використовують три типи мембран в залежності від їх селективності: ацетатцелюлозні, поліамідні або тонкоплівчасті і полісульфонові. Тип мембран вибирають відповідно до складу вихідної води і вимог до якості підготовленої води [6]. Ефективність процесу обробки води визначається якістю мембран, що повинні задовольняти наступним вимогам: мати високу селективність і проникність, хімічну стійкість до дії оброблюваної води і механічну міцність [6]. Знезараження води УФ-променями відноситься до фізичних (без агрегатних) методів. Без агрегатні методи мають ряд переваг, при їх застосуванні не змінюється склад і властивості води, не з’являються неприємні присмаки і запахи, відпадає необхідність в транспортуванні і зберіганні реагентів [7]. Бактерицидну дію надають ділянки УФ-частини оптичного спектру, в діапазоні хвиль від 200 до 295 нм. Максимум бактерицидної дії доводиться на 23 260 нм. Такі промені проникають через 25-сантиметровий шар прозорої і безбарвної вод. Знезаражується вода УФ – променями досить швидко. Після 1-2 хв опромінення гинуть вегетативні форми патогенних мікроорганізмів. Каламутність і особливо кольоровість, забарвлення і солі заліза, знижуючи проникність води для бактерицидних УФ-променів, уповільнюють цей процес [7]. Тобто передумовою надійного знезараження води є попереднє її освітлення і знебарвлення [7]. Знезаражують УФ-опроміненням за допомогою бактерицидних ламп переважно води підземних вододжерел, колі-індекс яких не більше 1000КУО/л, вміст заліза – не більше 0,3 мг/л. Бактерицидні установки обладнують на всмоктувальних і напірних лініях насосів ІІ підйому в окремих будівлях або приміщеннях. Якщо продуктивність водопровідної станції до 30 м3/год, застосовують установки з непогружним джерелом опромінення у вигляді аргонно-ртутних ламп низького тиску. Якщо продуктивність станції становить 30-150 м3/год, то застосовують установки з зануреними ртутно-кварцовими лампами високого тиску [8]. Принципова конструкція УФ реактора представлена на рис. 1.2. Рис. 3.2. Принципова схема УФ випромінювача При використанні аргонно-ртутних ламп низького тиску у воді не утворюються токсичні побічні продукти, тоді як під дією ртутно-кварцових ламп високого тиску хімічний склад води може змінюватися за рахунок 24 фотохімічних перетворень розчинених у воді речовин. Знезаражуючий ефект бактерицидних УФ-променів обумовлений переважно реакціями, внаслідок чого виникають незворотні пошкодження ДНК бактеріальної клітини. Крім ДНК, УФ- промені пошкоджують інші структурні частини клітини, зокрема РНК, клітинні мембрани. Вихід бактерицидної енергії становить 11% при оптимальній довжині випромінюваних хвиль [8]. Таким чином, бактерицидні хвилі не денатурують воду і не змінюють її органолептичних властивостей, а також мають більш широкий спектр абіотичної дії – вони згубно впливають на спори , віруси , яйця гельмінтів, стійкі до хлору. У той же час використання цього методу знезараження води ускладнює оперативний контроль ефективності, так як результати визначення мікробного числа та колі-індексу води можна одержати тільки через 24 год інкубації посівів, а експресного методу , який подібний визначенню залишкового вільного або пов’язаного хлору, або залишкового озону, в даному випадку – не існує [8]. Порівняно з популярними альтернативними методами, на кшталт хлорування, ультрафіолетове знезараження має низку переваг: - УФ-опромінення повністю знищує більшість бактерій, спор та інших мікроорганізмів, включаючи збудників дизентерії, тифу, холери, поліомієліту, вірусного гепатиту тощо [9]. - Це один із найефективніших методів знезараження, якість якого може досягати 99,9%. - Таке знезараження не потребує реагентів та не змінює хімічних властивостей води. Технологія повністю екологічна та безпечна для людини. Принцип очищення полягає в фотохімічних реакціях всередині мікроорганізмів. - Знезаражені стічні води не мають негативного впливу на водойми або ґрунтові води. Вони не мають мутагенних чи токсичних сполук. - Перевищення дозування опромінення не має таких наслідків як передозування реагентів. 25 - УФ-установки недорогі та доступні. Для них не потрібно докуповувати додаткові комплектуючі чи витратні матеріали. Вміст та використання не потребують додаткових ресурсів. - Сучасне обладнання відрізняється гнучкістю налаштувань, наявністю різноманітних датчиків та систем безпеки, що забезпечують стабільну та безперебійну роботу приладу. - Для дії досить лічених секунд. Проточні системи цілком справляються зі своїм завданням, тому не потрібні накопичувальні резервуари або відстійники [9]. Знезараження без використання реагентів має свої переваги. Головною перевагою таких методів зазвичай є відсутність вторинного забруднення розчинами дезінфектантів, але всі ці методи мають один суттєвий недолік — вода може бути повторно заражена мікроорганізмами, оскільки методи не мають пролонгованого ефекту [10]. Стерилізація – це, мабуть, найпростіший спосіб знезаразити воду в домашніх і польових умовах. При впливі підвищеної температури структура ДНК більшості патогенних мікроорганізмів пошкоджується, і вони не здатні продовжувати розмноження. Стерилізація ефективна проти всіх мікроорганізмів, які утворюють спори [10]. Важливо зазначити, що для знезараження воду не просто треба довести до кипіння, а прокип'ятити її не менше п'яти хвилин. Переваги стерилізації: - простота виконання; - відсутність необхідності в додатковому обладнанні; - ефективність щодо більшості патогенних мікроорганізмів; - крім знезараження знижується рівень жорсткості та каламутності [10]. Недоліки стерилізації: - суттєве зростання енергоспоживання при підвищенні об'єму води; - висока тривалість; - можливість вторинного забруднення [10]. 26 Реагентне знезараження води полягає у внесенні в воду певних речовин. Ці сполуки діляться на дві групи: - Окислювальні – руйнують клітинну структуру мікроорганізму шляхом його окислення, при цьому відновлюючись до менш активних сполук [11]. - Неокиснювальні — надають бактерицидну дію завдяки специфічним впливам на мікроорганізми, припиняючи їх розмноження [11]. Метод реагентного знезараження полягає у внесенні в воду сполук, які містять активний хлор здатний окислювати мікроорганізми та органічні речовини [11]. Нижче наведемо основні хлорні дезінфектанти: - хлорна вода – має хороший дезінфікуючий ефект, легко дозується в воду. Недоліком є підвищені вимоги безпеки при зберіганні [11]. - гіпохлорит натрію або кальцію сьогодні найпоширеніші дезинфікуючиі реагенти. Виробляються в формі грануляту, який розчиняється у воді та дозується в рідкому вигляді. Їх зручно транспортувати, але при цьому вони не ефективні проти цист і при тривалому зберіганні знижується ефективність [11]. - солі хлорізоціанурової кислоти, які використовуються переважно в технічних цілях для басейнів, ємностей, систем вторинного водопостачання, але іноді й для знезараження питної води в польових умовах. Препарати виробляються в формі таблеток, зручні для транспортування і зберігання, мають високу ефективність [11]. - хлораміни використовуються на станціях централізованої водопідготовки, дозуються в воду в формі розчину. Перевагою даного методу є тривала післядія. Недоліками — більш виражений запах і нижча ефективність [11]. - діоксид хлору – один з найсильніших хлорних окиснювачів, утворює замало побічних продуктів, але отримати його можна тільки в місці використання, тому не поширений в водопідготовці [11]. 27 - хлорне вапно (суміш гіпохлориту, хлориду і гідроксиду кальцію) [11]. На сьогодні хлорування є найпоширенішим методом знезараження води. Це зумовлено високою ефективністю хлору стосовно 99% мікроорганізмів і його тривалою післядією. Це означає, що вода, яка подається в трубопровід, містить невелику кількість хлору. Він може окиснювати домішки, в тому числі мікроорганізми, хлор, органічні речовини, які викликають кольоровість води [11]. Активний хлор, який викликає хлорний запах води з-під крана, має властивості підсушувати шкіру і волосся, викликати подразнення слизових носа та очей. Але при цьому він швидко виділяється з води при відстоюванні та реальної небезпеки людині не несе [12]. Але є і приховані наслідки використання хлору, як дезинфектанта. Це утворення продуктів взаємодії хлору з органічними речовинами, які знаходяться в поверхневих водах, мікробіологічними обростаннями на поверхні трубопроводів. Ці сполуки називають "тригалометани" (вуглеводні, в яких один або кілька атомів заміщено хлором). Найпоширенішим забруднювачем вод є хлороформ (70-90% всіх тригалометанів) [12]. Токсичність таких сполук має два механізми: - беручи участь у метаболізмі, хлорорганіка сприяє виділенню токсикантів, що мають системну дію; - в другому шляху взаємодії утворюються вільні радикали, які мають канцерогенну дію [12]. Дослідження, які багаторазово проводилися на територіях різних країн, показують кореляцію вживання для пиття хлорованої води з розвитком онкологічних захворювань шлунково-кишкового тракту [12]. Але проблема хлорорганики успішно вирішується навіть завдяки найпростішим магістральним вугільним фільтрам [12]. Озон є сильним окислювачем. Він ефективний проти всіх мікроорганізмів та їх спор [13]. Озон отримується безпосередньо в місці водопідготовки на спеціальних установках-озонаторах, які містять генератор озону, колону для 28 розчинення та взаємодії його з водою і механічний фільтр для видалення окиснених частинок (рис. 1.3) [13]. Рис. 3.3. Технологічна схема очищення води на озонізаторі Внаслідок взаємодії озону з водою утворюються альдегіди, кетони, органічні кислоти, які теж мають токсичну дію. Тому після озонування також необхідне використання фільтрів з активованим вугіллям. Переваги озонування: - висока ефективність стосовно всіх мікроорганізмів; - відсутність тригалометанів, як продуктів взаємодії; - видаляє сторонні смаки та запахи [13]. Недоліки озонування: - вимагає дорогого устаткування; - підвищені вимоги до техніки безпеки та навчання персоналу; - утворення вторинних продуктів, токсичних для людини [13]. Неокиснювальні реагенти для очищення води – це складні органічні сполуки, які здатні пошкоджувати клітинну структуру мікроорганізмів, що в результаті призводить до припинення їх розмноження [14]. Такі реагенти застосовуються в основному для знезараження водопроводів, господарсько- побутових вод, рідше питної, оскільки такі реагенти, як і похідні хлору потрібно видаляти за допомогою активованого вугілля безпосередньо перед застосуванням води [14]. 29 Переваги неокислювальних реагентів для очищення води: - висока ефективність стосовно мікроорганізмів, в тому числі біоплівки; - відсутність неприємних запахів; - зручна форма для транспортування і зберігання [14]. Недоліки неокислювальних реагентів для очищення води: - недостатньо вивчений вплив на людину, і необхідність видаляти надлишок реагенту з питної води; - неможливість застосування в комбінації з окисниками [14]. Застосування металів (міді, срібла та ін.) для знезараження питної води засноване на використанні їх «олігодинамічної» властивості – здатності надавати бактерицидну дію в малих концентраціях. Ці метали можуть вводитися у вигляді розчинів солей або методом електрохімічного розчинення. В обох цих випадках можливий непрямий контроль їх вмісту у воді. Слід зауважити, що гранично допустимі концентрації іонів срібла і міді в питній воді досить жорсткі, а вимоги до води, що скидається в рибогосподарські водойми, ще вище. Причому бактерицидну дію ці метали надають за більших концентрацій, ніж їх допустимі гранично допустимі концентрації [14]. Зазичай срібло використовувалося як дезінфікуючий реагент, коли воду наливали в срібні ємності. Сьогодні доведено, що такий метод дезінфекції не ефективний. Певні результати помічені після внесення в воду іонного срібла, а також інших металів, наприклад міді й олова. Але при граничнодопустимих концентраціях (ГДК) час знезараження досягає не менше двох годин. Також наголошується, що срібло не ефективне проти цист, більшості бактерій і вірусів. Сьогодні розчини срібла іноді дозують в питну воду, щоб зменшити біологічні обростання тари та обладнання [15]. В ході такої дезінфекції передбачається поєднання різноманітних методів для підвищення загальної ефективності [15]. Наприклад, ультрафільтрація забезпечує видалення бактерій і більшості органічних домішок. При цьому забезпечує високий рівень прозорості води, що дозволяє остаточно знезаразити воду від вірусів, використовуючи 30 ультрафіолет. Також ефективним є застосування хлору для такої води, оскільки низький вміст органіки забезпечує низький вміст хлорорганічних сполук, небезпечних для людини, але при цьому зберігається пролонгована дія хлору [15]. Успіхи українських виробників безалкогольних напоїв, як на внутрішньому, так і на зовнішньому ринку, свідчать про високу якість вітчизняних продуктів, яка неможлива без високоякісної сировини, в даному випадку води [16]. У випадку приготування натуральних 100% соків роль води обмежується лише технічним застосуванням – для миття обладнання та тари, у виробництві пари та на господарсько-побутові потреби. Однак останнім часом соки все частіше готують із концентратів. Крім того, вода використовується для приготування нектарів, морсів та соковмісних напоїв, фруктова складова яких не перевищує 50% [16]. Сік, максимально наближений до натурального, може бути отриманий при розведенні концентрату тільки знесоленою водою, оскільки присутність солей жорсткості, хлоридів, сульфатів і лужність води негативно впливають на якість продукту, що готується [16]. Зокрема, лужність води підвищує рН напою, гідрокарбонати кальцію та магнію взаємодіють з пектиновими та дубильними речовинами концентратів, утворюючи комплексні сполуки та викликаючи помутніння напою. Сульфати та хлориди беруть участь у формуванні смаку напою. Загальна кількість розчинених солей не лише впливає на смак, а й може зумовлювати хімічну нестабільність, випадання осаду, зміну зовнішнього вигляду напою [16]. Основні вимоги до води для виробництва соків, нектарів, морсів: прозорість, відсутність запаху та кольору, низька мінералізація та мікробіологічна чистота [16]. Вода для безалкогольних напоїв має бути м'якою, щоб не випадав осад солей жорсткості. Крім того, належним чином слід контролювати лужність води [17]. 31 У технологіях виробництва газованих напоїв великою проблемою є присутність у воді силікатів, взаємодія яких із вугільною кислотою призводить до утворення нерозчинних полікремневих кислот, що погіршує якість продукту [17]. Зазвичай вода для безалкогольних напоїв повинна мати мінімальну кількість домішок, щоб уникнути можливості їх взаємодії з використовуваними добавками (консервантами, ароматизаторами, барвниками, стабілізаторами та ін.) і, як результат, погіршення якості напою [17]. Незважаючи на відмінності у вимогах до технологічної води у виробництві напоїв різних видів, сучасна схема водопідготовки є типовою та передбачає попереднє очищення вихідної води, демінералізацію методом зворотного осмосу та коригування мінерального складу очищеної води за рахунок дозування мінеральних сумішей або організації бай пасу [18]. Вибір технології та апаратурного оформлення водопідготовки у виробництві напоїв залежить від типу джерела водопостачання та якості води у ньому, виду напою, а також продуктивності заводу чи цеху. Сучасна схема водопідготовки включає 4 основні стадії: механічне очищення, комплексне очищення або пом'якшення, очищення на активованому вугіллі та демінералізація методом зворотного осмосу [18]. Така схема дозволяє отримувати очищену воду трьох типів – технічну для ополіскування тари, пом'якшену для виробництва напоїв та демінералізовану для виробництва напоїв з підвищеними вимогами до технологічної води. Залежно від потреб конкретного виробництва, ця схема може бути спрощена або доповнена спеціальним обладнанням [18]. Крім хімічного складу, важливо дотримуватись мікробіологічних нормативів якості технологічної води та попереджати розвиток мікроорганізмів у водоочисному обладнанні. Застосування завершальної стадії водопідготовки технології зворотного осмосу забезпечує мікробіологічну чистоту продукційної води [18]. Однак це не гарантує відсутність мікроорганізмів у воді, яка може відбиратися перед системою мембранної демінералізації, та не впливає на 32 санітарний стан обладнання підготовки. Ці проблеми вирішуються в кожному проекті індивідуально – вибираються точки введення та контролю агентів, що дезінфікують, а схема доповнюється дозуючим обладнанням і засобами контролю та вимірювання. Гарантією мікробіологічної чистоти продукційної води є застосування ультрафіолетового опромінення перед подачею в технологічний процес [18]. Застосування на першій стадії водопідготовки механічних фільтрів попереджає засмічення комунікацій, забруднення матеріалів, що фільтрують, і вихід з ладу основного обладнання. З цією метою зазвичай використовуються механічні картриджні фільтри з рейтингом фільтрації 5 мкм або сітчасті фільтри самопромивні. Перші містять поліпропіленові фільтруючі елементи, які необхідно періодично змінювати, а другі сконструйовані таким чином, що промивання сітки, що фільтрує, може здійснюватися в автоматичному режимі [18]. Часто природна вода характеризується високою каламутністю, яку можуть обумовлювати зважені та колоїдні частинки діаметром менше 5 мкм. У такому випадку застосування картриджних або сітчастих фільтрів виявляється недостатнім. Необхідно включати у схему водопідготовки засипний механічний фільтр. Ці фільтри містять шар спеціального зернистого матеріалу, що фільтрує, наприклад, на основі діоксиду кремнію [19]. Стадія попередньої підготовки води сучасних виробництв напоїв може також включати мембранний метод очищення – ультрафільтрацію, що з'явився порівняно недавно. Процес ультрафільтрації здійснюється на спеціальних пористих половолоконних мембранах. Ультрафільтраційні мембрани затримують переважну більшість нерозчинних та колоїдних домішок, а також великі молекули органічних речовин, бактерії та віруси. Тенденція розвитку технологій водопідготовки показує, що ультрафільтрація у найближчому майбутньому займе позицію основної технології попереднього очищення води [19]. 33 Вода більшості українських джерел водопостачання містить домішки солей твердості, заліза та марганцю, а також органічні речовини. Іноді ці домішки можуть раптово з'являтися в періоди паводків або при профілактиці водопровідних систем. Технології приготування напоїв не допускають використання твердої води. У свою чергу, присутність у воді органічних речовин, а також домішок заліза і марганцю здатна призвести до утворення непередбачених технологією хімічних сполук [19]. При використанні неочищеної води підвищується ризик виникнення позаштатних ситуацій – утворення опадів, прискорення або інгібування бродіння та ін. Щоб уникнути цих проблем, застосовуються фільтри комплексного очищення або фільтри-пом'якшувачі [19]. Застосування фільтрів з активованим вугіллям після стадії комплексного очищення або пом'якшення має дві мети – усунення залишкового вмісту хлору, який може використовуватися для знезараження води, та видалення низькомолекулярних органічних домішок [19]. Вода, після фільтрації через шар активованого вугілля, по-перше, безпечна для мембрани зворотного осмосу, а по-друге, має хороші органолептичні властивості і відповідає вимогам до якості технологічної, що пред'являються рядом технологій, наприклад, виробництва безалкогольних напоїв [19]. Метод зворотного осмосу видаляє з води близько 99% розчинених домішок, проте це завжди задовольняє вимоги до води для напоїв. У цих випадках передбачають дозування мінеральних компонентів або байпас води з попередньої стадії для коригування мінерального складу кінцевої води [19]. Очищена та скоригована за мінеральним складом вода збирається у спеціальних баках-збірниках, звідки через систему ультрафіолетового знезараження подається до технологічної лінії [19]. Розглянута схема водопідготовки тієї чи іншої конфігурації працює на більшості українських виробництв напоїв, забезпечуючи найвищу якість 34 вітчизняних продуктів та їхню конкурентоспроможність на внутрішньому та зовнішньому ринках [20]. Якість очищеної води визначається як конфігурацією водопідготовки, а й матеріалами, що використовуються. Все водоочисне обладнання та трубопроводи повинні бути інертні щодо середовищ, з якими вони контактують, а також допущені до застосування в харчових технологіях. За аналогією, харчового класу повинні бути: мембрани, всі фільтруючі завантаження – пісок, іонообмінні смоли, активоване вугілля, та реагенти- біоциди, антискаланти та регенераційні розчини [20]. Фільтруючі завантаження харчового класу відрізняються від стандартних високою чистотою, стабільністю та механічною міцністю. Вони також не повинні погіршувати органолептичні властивості води, що очищається [21]. Висока якість витратних матеріалів та реагентів безпосередньо залежить від вихідної сировини, технології виробництва та системи контролю якості. Саме тому по-справжньому гарантувати якість матеріалу можуть лише великі виробники, сумлінність яких пройшла перевірку часом [21]. Фотокаталізація – ще одна інноваційна технологія, суть якої полягає в тому, що завислі та розчинені орган. домішки видаляються з поверхневих вододжерел без попереднього очищення і хімічної обробки [22]. Передбачає залучення капілярної мембрани (однієї або декількох). Завдяки трубчастій формі фільтра, унеможливлює наявність застійних місць (домішки не мають де застрягати). Скупчення осаду на мембранах – мінімальне. Що стосується масовості й ціноутворення, то поширення поки що мінімальне, позаяк ціна дуже висока [22]. Отже, сучасні технології очищення води при виробництві безалкогольних напоїв – дуже різноманітні. Кожна має свої переваги та недоліки. Про кожну важливо мати хоча б поверхневе уявлення, щоб приймати остаточне рішення про найкращий в тому чи іншому випадку варіант. 3.1. Особливості сорбційного очищення води від важких металів 35 Науковим підґрунтям для обрання оптимального методу очищення води від певних забруднювачів є запропонована академіком Л.А. Кульським класифікація домішок та забруднень води за їх фазово-дисперсним станом Відповідно до даної класифікації, сорбційний метод очищення вод від органічних та неорганічних речовин використовують, якщо їх концентрація у воді незначна, вони біологічно не розкладаються і є дуже токсичними. Особливо актуальне використання сорбційних процесів у технологіях глибокого очищення вод, які дозволяють ефективно вилучати важкі метали та радіонукліди із забруднених вод, навіть при дуже малих концентраціях. Тому сорбційні методи є одними з основних у технологіях очищення поверхневих вод від сполук важких металів [8- 10]. В залежності від механізму взаємодії сорбенту з сорбатом сорбційні процеси поділяються на наступні типи: адсорбція, екстракція, іонний обмін та осадження [11]. В процесі адсорбції важливу роль відіграють як хімічні, так і фізичні взаємодії між адсорбентом і речовиною, що сорбується. В процесі фізичної взаємодії токсиканти утримуються на поверхні сорбента за рахунок слабких Ван-дер-Ваальсових сил притягування. Видалення шкідливих речовин при хімічній взаємодії відбувається в результаті утворення міцного зв’язку між сорбентом і сорбатом [11-13]. Таким чином, ефектівність сорбента залежить від питомої поверхні та наявності активних центрів та цій поверхні по відношенню до забруднених вод. На швидкість адсорбції впливають розмір частинок сорбенту, швидкість потоку рідини через сорбційне завантаження, концентрація забруднення, температура, рН середовища. Для пористих адсорбентів швидкість адсорбції залежить від розміру пор [13]. Чим менше пори адсорбенту, тим повільніше відбувається адсорбція. Швидкість процесу адсорбції лімітується найбільш повільною стадією – дифузією, яка для розчиненої речовини до поверхні сорбента проходить через плівку рідини, що оточує частинки сорбенту. Так як адсорбція – це екзотермічний процес, то при пониженні температури ступінь адсорбції збільшується. Речовини, що мають менше значення розчинності адсорбуються швидше [12-16]. При адсорбції з розчинів може 36 відбуватися не тільки адсорбція нейтральних молекул, але й іонів. При цьому іон, що заряджений позитивно адсорбується на сорбентах з негативно зарядженою поверхнею і навпаки. Ці процеси супроводжуються іонним обміном між адсорбентом та розчином за рахунок іонообмінної адсорбції [17]. Для вилучення іонів важких металів та радіонуклідів використовують тверді адсорбенти. Це природні і штучні матеріали з великою питомою поверхнею на якій відбувається адсорбція. Непористі адсорбенти мають лише зовнішню поверхню. Для пористих адсорбентів (активовані вугілля, силікагелі, алюмогелі і т.п.) характерна внутрішня поверхня. Найважливішою характеристикою твердих адсорбентів є розмір питомої поверхні Sпит (м2 /кг) та характер розподілу пор за розмірами [12, 13]. На даний час механізм адсорбції вияснено не повністю. Однією з причин цього є фізична неоднорідність поверхні твердих адсорбентів, в результаті чого поверхня містить ділянки з різною адсорбційною активністю. Термодинамічний підхід до вирішення проблеми сорбції дозволяє оцінити здатність молекул сорбуватися з розчину по значенню максимальної роботи переносу речовини з розчину на поверхню сорбента [12] . Тому, враховуючи вищесказане, при виборі сорбційної технології та сорбенту для очищення вод від важких металів, необхідно враховувати сорбційні властивості адсорбенту, технологічні умови в яких буде відбуватися процес видалення токсикантів, ступінь забруднення води та об’єм забруднених вод. А також форму знаходження токсиканту у забрудненій воді, схильністю його до гідролізу та його здатністю утворювати з компонентами води міцні комплекси. В промисловій практиці для видалення іонів важких металів та радіонуклідів з водних середовищ використовують матеріали на основі вуглецевих матеріалів, наприклад, окиснене вугілля різних марок (БАУ-А, БАУ-МФ, ДАК, ОУ-А). Так величина сорбції іонів Со(ІІ) за допомогою активованого вугілля складає 13,88 мг/г [18]. Висока селективність та адсорбційна активність окисненого вугілля по відношенню до іонів металів обумовлена наявністю великої кількості груп кислотного характеру на його поверхні, які утворюють комплекси з металами різної міцності [19]. Одним із 37 методів доочистки вод від іонів важких металів, є іонообмінний метод, який може застосовуватися при загальній мінералізації 0,5-2,2 мг/дм3 [20]. Для ефективного вилучення Традиційним для вилучення йонів важких металів є використання іонообмінних смол. [8, 9]. Для очищення уранових вод використовують синтетичні органічні аніонітів типу Амберлайт IRA 400, Дауекс 1, Леватіт К 6367, АВ-17, АМП та іншіх [35, 74]. Величина сорбції іонів Со(ІІ) іонообмінною смолою IRN77 складає 86, 17 мг/г [15]. Суттєвою перевагою сорбції на органічних синтетичних іонітах є ефективне видалення з рідких відходів іонів радіоактивних металів. Суттєвим недоліком іонообмінної сорбції є те, що для вилучення токсикантів, які 40 знаходяться в молекулярній та колоїдній формі необхідно застосовувати додаткові методи очищення води [6], а також регенерацію іонообмінних смол [16]. Враховуючи, що використання іонообмінних смол потребує значних витрат, в природоохоронних цілях широко використовуються неорганічні матеріали: природні та штучні сорбенти. Завдяки науковим дослідженням у цьому напрямку синтезовано велику кількість нових неорганічних матеріалів різних типів та вдосконалено властивості існуючих природних [18, 19]. При очищенні забруднених вод від важких металів використовують синтетичні сорбуючі матеріали на основі фосфатів цирконію і титану, модифікованих сполуками заліза та алюмінію, фосфатосилікати титану та титаносилікатні іоніти [20]. Синтетичні оксиди важких металів, наприклад, марганцю δ-MnO2 [21], Al2O3 [22] та ТіО2 [23], які ефективно видаляють уран із забруднених вод. Принципово нова золь-гель технологія одержання в безперервному режимі сферично гранульованого фосфату титану дозволяє отримати матеріал, що проявляє високу селективність по відношенню до урану [17]. Але не зважаючи на високі сорбційні показники, використання таких сорбентів у технологічних процесах, іноді є економічно недоцільним у зв‘язку з високою вартістю сорбентів. Високу сорбційну здатність по відношенню до важких металів та радіонуклідів проявляє мікророзмірне [24] і нанорозмірне залізо , чисті оксиди, змішані оксиди (Green Rust) [22], (окси)гідроксиди заліза (ІІІ) [23]. 38 Використання Fe0 в процесах очищення вод обумовлено його високою реакційною здатністю та можливістю вилучення широкого діапазону забруднювачів за складним сорбційно-відновлювальним механізмом [25]. Однак недоліком даної технології є висока здатність наночастинок заліза до окиснення та агрегації, внаслідок чого суттєво знижуються його сорбційні властивості. Високі сорбційні властивості по відношенню до урану проявляють також гірські породи: філіт та його основні складові - мусковіт, хлорит, альбіт [26] та дуніт [27]. Так, сорбція Со(ІІ) гідроапатитом складає 20,9 мг/г [28]. Неорганічні сорбенти на основі дисперсного кремнезему, такі як силікагель, мають високу термічну та радіаційну стійкість [15]. Адсорбційна здатність силікагелю по відношенню до UO2 2+ при рН 2,8 та силою 0,2 М становить 11,48 мг/г та 34,81 мг/г відповідно [29]. Модифікування поверхні силікагелю амінами та амідами дає можливість отримати ефективні сорбційні матеріали для очищення вод від радіоактивних забруднень [30]. З економічної точки зору доцільним є використання сорбентів на основі глинистих мінералів (вермикуліту, глауконіту, монтморилоніту, палигорськіту) [31]. Вилучення Со(ІІ) вермикулітом складає 49,49 мг/г [32]. Природні цеоліти також застосовують для вилучення іонів важких металів [33]. Але використання клиноптилоліту, який має високу сорбційну здатність по відношенню до 137Cs та 90Sr, є малоефективним по відношенню до іонів урану (VI). Внаслідок великого розміру іони UO2 2+ не можуть мігрувати у структурних каналах мінералу і займати іонообмінні позиції в порожнинах алюмосилікатного каркасу, що складають основну частину обмінної ємності цеолітів [34]. Найвищі показники сорбції важких металів та радіонуклідів отримані при використанні шаруватих силікатів – монтморилоніту і гідрослюди, що характеризуються високою питомою поверхнею [35], а також шарувато- стрічкових силікатів – палигорськіту [36]. Вилучення іонів U(VI) сепіолітом складає 16,32 мг/г [37]. Для підвищення сорбційної здатності та надання природним силікатам унікальних фізико-хімічних властивостей їх поверхню модифіують солями металів, кислотами, лугами, оксидами заліза і органічними 39 речовинами, наприклад, альгінатом натрію, поверхнево-активними речовинами , механо-хімічною активацією. Однак, широке використання більшості силікатів у водоочисних технологіях є частково обмеженим у зв'язку 42 з їх високою дисперсністю і неможливістю створення безперервних виробничих процесів. В останній час, у багатьох роботах приділяється увага створенню мікро- та мезопоруватих матеріалів на основі природних силікатів, шляхом їх термічної обробки та модифікування поверхні [37]. Найбільш перспективним методом модифікування поверхні силікатів можна назвати нанесення шару нанорозмірного Fe0 [25]. Процес сорбції металів та радіонуклідів може здійснюватися у статичних та у динамічних умовах (фільтри, апарати з псевдозрізшеним шаром) [38]. В статичних умовах сорбція здійснюється шляхом інтенсивного перемішування забрудненої води із сорбентом протягом певного часу і подальшого відділення сорбенту від води відстоюванням або фільтруванням [39]. При послідовному введенні нових порцій сорбенту до забрудненої води її можна очистити від забруднень до бажаного рівня очищення. При очищенні вод від іонів важких металів динамічну сорбцію здійснюють в насипних або намивних фільтрах. У насипних фільтрах у якості завантаження застосовують сорбент у вигляді механічно міцного зернистого матеріалу. В намивних фільтрах завантаженням служить сорбент у вигляді порошку. Сорбція в динамічних умовах здійснюється в адсорберах різної конструкції. Так очищення води на гранульованих сорбентах ведеться в апаратах щільним, розпушеним, рухомим та псевдорозрідженим шаром. Одно та багатошарові адсорбенти працюють з щільним шаром сорбенту і з висхідним та нисхідним потоком води [38]. В залежності від складу стічних вод, виду та крупності сорбенту, обирають тип адсорбера і схему сорбційного очищення. Так, найбільш простим у використанні є насипний фільтр, що представляє собою колону із сорбентів в нерухомому шарі, через який пропускається забруднена вода. Найбільш ефективним напрямом фільтрування є напрямок знизу вгору. Таким чином здійснюється заповнення колони рівномірно по всьому розрізу. Також, бульбашки повітря, що потрапляють у 40 шар сорбенту разом з водою, легко витісняються [40]. Критичний аналіз існуючих на сьогоднішній день сорбційних технологій очищення водних розчинів від іонів важких металів та радіонуклідів показує, що на даний час не існує універсальної ефективної технології. Використання в якості адсорбентів монтморилоніту та палигорськіту є технологічно ефективним, екологічно безпечним та економічно вигідним в умовах України, так як наявна потужна вітчизняна сировинна база покладів глинистих мінералів. Можливість різноманітної модифікації активної поверхні монтморилоніту та палигорськіту дає змогу в декілька разів покращити їх селективність, сорбційні та іонообмінні характеристики. 3.2 Застосування модифікованих мінералів для очищення води Для вилучення іонів важких металів з водних середовищ широко використовуються глинисті мінерали. Вони мають високу адсорбційну здатність, а також мають ряд переваг: недорогі, легко доступні та екологічні [41]. Значний інтерес для застосування у природоохоронних технологіях викликають шаруваті та шарувато-стрічкові силікати. Для представників даних груп характерна первинна і вторинна поруватість [42,43]. За рахунок здатності шаруватих та шарувато-стрічкових силікатів до катіонного обміну дані мінерали можуть використовуватися у якості ефективних сорбентів для вилучення катіонів з водних середовищ [44]. Одним із способів підвищення сорбційних властивостей глинистих мінералів є модифікування їх поверхні катіонними ПАР [45, 46]. Дослідження літературних даних показало, що вивчення сорбції катіонних ПАР на глинистих мінералах, було зосереджене на шаруватих силікатах, а саме на монтморилоніті [47], вермикуліті [48], а також палигорськіті [49] та цеоліті [50]. Суть даного методу полягає в реакціях катіонного обміну. Під час модифікування поверхні силікату амонійні групи 41 катіонного ПАР електростатично притягуються до негативно зарядженої поверхні глинистого мінералу. Четвертинні амонійні катіони витісняють іони Na+ з іонообмінних позицій в глинистих мінералах при цьому алкільні ланцюги орієнтуються перпендикулярно до поверхні мінералу [51]. Дослідження показують, що збільшення числа вуглецевих атомів в неполярних аліфатичних групах сприяє ефективнішому витісненню обмінних катіонів глинистих мінералів. У зв'язку з цим, найчастіше в якості модифікаторів поверхневі глини використовують катіонні ПАР з числом вуглецевих атомів в межах від 6 до 20 [52]. Збільшення кількості ПАР дає можливість отримати на поверхні силікату щільний моношар з її молекул. Використання катіонних ПАР, дозволяє отримати на поверхні мінералу бішарове або мозаїчне покриття. Формування таких структур можливе за рахунок взаємодії між вуглеводневими хвостами молекул ПАР [53]. Використання коротколанцюгових катіонних ПАР в якості модифікатора поверхні силікату утворює тільки моношар із молекул ПАР [54]. Таким чином, в залежності від довжини ланцюга катіонної ПАР та ступеня модифікації поверхні силікату, можна отримати нові композити, що відрізняються за своєю будовою та поверхневими властивостями. Фактично, даний метод дозволяє направлено змiнювати ліофільність та заряд поверхні силікатів, i таким чином, підвищити їх сорбційну здатність по відношенню як до органічних, так і неорганічних токсикантів [55]. Використання для модифікування хітозану розширює технологічні можливості сорбентів. Як відомо, важливою особливістю хітозану є володіння основними властивостями [56]. Саме основність надає хітозану специфічні хімічні та біологічні характеристики, біосумісність та бактерицидність, здатність до утворення халатних комплексів з іонами важких металів. Крім того, наявність аміногруп у молекулі хітозану визначає його як катіонний поліелектроліт (рК ~ 6,5). Хітозан розчиняється в кислих водних розчинах при рН < 6,5, при цьому аміногрупи позитивно заряджаються [57]. Це надає можливості молекулам хітозану взаємодіяти з негативно зарядженими поверхнями, формувати 42 агрегати з поліаніонними компонентами та комплексні сполуки з іонами важких металів. Аналіз літературних даних дозволяє зробити висновок, що найбільш перспективно і раціонально для доочищення води в технології безалкогольних напоїв - це використання природних алюмосилікатів (цеолітів, вермикуліту, глин) після зміни фізичної та хімічної природи поверхні останніх, завдяки модифікації природним амінополісахаридом – хітозаном. 43 РОЗДІЛ 2. ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ Обєкт дослідження. технологія безалкогольного виробництва. Предмет дослідження. Сорбенти – цеоліт, вермикуліт, комбіновані сорбенти модифіковані хітозаном. 2.1 Аналіз сировини Метою роботи є удосконалення технології очистки води з використанням нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв. З цією метою для отримання модифікованих сорбентів були використані цеоліт Сокирницького і вермикуліт Волинського родовищ. В якості модифікатора нами був використаний хітозан зі ступенем дезацетилювання 85%, фірми «ALDRICH». На основі цеоліту були отримані сорбенти з різним вмістом хітозану для того, щоб знайти оптимальне співвідношення: маса хітозану / маса цеоліту - ступінь сорбції різних сорбентів. Модифікацію цеоліту та вермикулітупроводили з вмістом хітозану від 3% до 9% механохімічно (синтези 1-9) і шляхом осадження з кислих розчинів аміаком (синтези 10-12). Другою основною складовою у технології безалкогольних напоїв являється вода. Вимоги до технологічної води, яку використовують для виробництва горілок наведено у табл. 2.1. Таблиця 2.1 – Вимоги до технологічної води Значення показника для виробництва Нормовані показники зі спирту «Екстра», «Люкс», зі спирту «Пшенична сльоза» «Вищої очистки» Запах, смак та присмак за 0 0 температури 20 0С Забарвленість, градус Не більше 2 Не більше 5 Мутність, мг/дм3 Не більше 0,2 Не більше 0,5 Твердість загальна, Не більше 0,1 Не більше 0,1 мг·екв/дм3 44 Продовження таблиці 2.1 Лужність, см3 0,1н НСl на 1,5-2,0 2,0-4,0 100 см3 води Окислюваність, мг О2/дм3, 2,0 2,0 не більше Сухий залишок, мг/дм3 Не більше 350 Не більше 550 Масова концентрація Не більше 150 Не більше 250 натрію+калію, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 0,05 Не більше 0,05 заліза, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 0,05 Не більше 0,05 марганцю, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 50,0 Не більше 80,0 сульфатів, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 60 Не більше 80 хлоридів, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 5,0 Не більше 5,0 силікатів, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 0,05 Не більше 0,05 ортофосфатів, мг/дм3 Масова концентрація полі Не більше 0,05 Не більше 0,05 фосфатів, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 5,0 Не більше 5,0 нітратів, мг/дм3 Масова концентрація Не більше 0,1 Не більше 0,1 нітритів, мг/дм3 Масова концентрація Не допускається Не допускається аміаку, мг/дм3 Масова концентрація Не допускається Не допускається хлору залишкового вільного, мг/дм3 Масова концентрація Не допускається Не допускається сірководню, мг/дм3 45 2.2 Аналіз сорбентів У магістерській роботі для очистки води використано природні сорбенти – цеоліт, вермикуліт, комбіновані сорбенти модифіковані хітозаном. Цеоліти – природні мінерали групи алюмосилікатів лужних та лужноземельних металів з характерною кристалічною будовою. Структура мінералів групи цеолітів характеризується наявністю трьохвимірного алюмосилікатного тетраедричного аніонного каркасу, в якому утворюються системи порожнин та каналів заповнених катіонами лужних та лужноземельних металів, молекулами води. Цеоліти відносяться до екологічно чистих, нетоксичних та інертних матеріалів придатних до промислового використання. Широко варійований хімічний склад цеолітів дозволяє модифікувати їх фізико-хімічні властивості для одержання матеріалів з необхідними характеристиками. Інша характерна властивість цеолітів, — катіонний обмін, — протікає шляхом дифузії катіонів, напр., катіони Са2+, Na+, які знаходяться в порожнинах і каналах цеолітів, можуть замінюватися K+, Mg2+, Fe2+. Основу структури цеолітів становлять кільця з тетраедрів, утворених SiO44-, AlO45-, великі порожнини між якими з'єднані канальцями. Адсорбція речовини цеолітами відбувається через канали, які мають певні розміри. Проникнути через ці канали всередину цеоліту можуть тільки молекули величина яких менша діаметра каналу. Це обумовлює можливість застосування цеолітів як молекулярних сит. 46 Вермикуліт - групова назва водних алюмосилікатів магнію і заліза шаруватої будови з розбухаючою решіткою з загальною формулою — (Mg, Fe2+, Fe3+)3[(OH)2(Al, Si)4· 4H2O. Хімічний склад змінний (%): MgO — 14- 25; FeO — 1-3; Fe2O3 3-17; Al2О3— 10- 17; SiO2— 34-42; H2O— 8-15. Склад (%): MgO — 10,12-17,88; FeO — 0,87-2,91; Fe2O3— 9,74-17,80; Al2O3— 11,51- 16,69; SiO2— 36,01-45,92; H2O— 7,04-12,70. Домішки: K2O (0,17-4,58), TiO2 (0,70-4,70), CaO (1,20-4,73), Na2O, MnO. Густина 2,4-2,7. Твердість 1-1,5. Колір бурий, жовтувато-бурий, золотисто-жовтий, з зеленуватим відтінком. Блиск перламутровий або жирний. Мають високу здатність до катіонного обміну. Знаходяться у вигляді лускуватих і пластинчастих, також тонкодисперсних агрегатів. Утворюється головним чином внаслідок перетворення біотиту й флогопіту. 2.3 Методи дослідження Для вивчення процесів сорбції в динамічних умовах через колонку, заповнену 10 – 20 см3 сорбенту пропускали модельні розчини сульфату міді та стандартний розчин заліза. Концентрація міді в модельних розчинах становила від 1 до 800 мг/дм3 , заліза – від 0,026 до 214,5 мкг/дм3. Витрата модельного розчину – 10 – 15 см3 /хв. Для визначення концентрації іонів відбирали проби об’ємом 100 см3 . 47 Концентрацію іонів міді та іонів заліза визначали методом спектрофотометрії на спектрофотометрі V-1200 Також на отриманих сорбентах була досліджена сорбція іонів міді, заліза, барвників. Основний барвник - діамантовий зелений, кислий барвник - бром тимоловий синій. Було досліджено сорбцію парів води і парів бензолу на отриманих сорбентах для визначення коефіцієнта гідрофобності. Було проаналізовано воду на фізико-хімічні показники. Показник окислюваності води характеризує в ній вміст органічних речовин, здатних до окислення. Окислюваність виражається у витраті перманганату калію або молекулярного кисню в міліграмах на 1 дм3 води. При цьому 4 мг перманганату калію приблизно відповідають 1 мг кисню. Метод визначення окислюваності води оснований на окисленні речовин, присутніх в пробі води, 0,01 н розчином перманганату калію в кислому середовищі при кип'ятінні. Без розбавлення можна визначати окислюваність до 10 мг 02/дм. Найбільше допустиме розбавлення проб - десятикратне, таким чином метод можна використовувати тільки для проб, окислюваність яких нижче 100 мг 02/дм3. При визначенні окислюваності необхідно усунути вплив неорганічних сполук, які можуть бути окисленими при визначенні. До таких сполук 48 відносяться хлориди, сульфати, залізо (II). Коли концентрація хлоридів перевищує 300 мг/дм3, додають 0,4 г сульфату ртуті (II). Залізо (II), сірководень, нітрити необхідно визначати окремо, а результат, перерахований на окислюваність, мг 02/дм3, необхідно відняти від величини окислюваності проби води: 1 мгH2S відповідає 0,47 мг02; 1 мгN��− 2 відповідає 0,35 мг02; 1 мгFe2+ відповідає 0,14 мг02. При визначенні перманганитної окиснюваності Розбавлений розчин сірчаної кислоти. При перемішуванні до 2 об'ємів дистильованої води додають 1 об'єм 96%-ної H2SO4 ч.д.а. В отриманий розчин при температурі біля 40°С додають 0,01 н розчин перманганату калію до слабо- рожевого забарвлення. Приготування розчинів щавлевої кислоти Основний розчин 0,1 н. Розчиняють 6,3030 г (СООН)2 • 2H2O ч.д.а. в розбавленій (1+15) сірчаній кислоті і доводять об'єм при 20°С до 1 дм3. Розчин зберігають в темній склянці. Термін зберігання до 6 місяців. Робочий розчин 0,01 н. 100 см3 0,1 н основного розчину щавлевої кислоти задають в мірну колбу місткістю 1 дм3 і доводять об'єм до позначки розбавленою (1+15) сірчаною кислотою. Розчини перманганату калію 0,1 і 0,01 н Основний розчин 0,1 н. Спосіб приготування 3,2 г KMnO4 розчиняють в 1 дм3 дистильованої води. Розчин зберігають в темній склянці, зрідка перемішуючи. Його використовують через 2-3 тижні після приготування. Робочий розчин 0,01 н. В мірну колбу місткістю 1 дм3 відбирають 110 см3 відстояного основного розчину KMnO4 і доводять до мітки дистильованою водою. Після декількох днів вистоювання концентрацію розчину корегують так, щоб поправка до титру дорівнювала 1,00. Для цього в колбу, де визначають 49 окислюваність, наливають 100 см3 дистильованої води, яка не містить в собі органічних речовин, додають 10 см3 0,01 н розчину щавлевої кислоти і 5 см3 розбавленої (1+2) сірчаної кислоти. Суміш нагрівають до кипіння і титрують розчином KMnO4 до слабо-рожевого кольору. За результатами титрування робочий розчин КМп04 корегують так, щоб поправка дорівнювала 1,00. Для цього розчин відповідно розбавляють або докріпляють основним розчином. Вода для розбавлення. Для розбавлення проб використовують дистильовану воду, яка не містить окислюваних речовин. Проведення аналізу В колбу вносять 100 см3 проби води (після двогодинного відстоювання) або меншу її кількість, доведену до 100 см3 дистильованою водою для розбавлення, додають 5 см3 розбавленої (1+2) сірчаної кислоти і 10 см3 0,01 н розчину перманганату калію. Суміш нагрівають так, щоб вона закипіла через 5 хвилин, і кип'ятять рівно 10 хвилин. До гарячого розчину додають 10 см3 0,01 н розчину щавлевої кислоти. Знебарвлену гарячу суміш (з температурою 80- 90°С) титрують 0,01 н розчином перманганату калію до блідо- рожевого кольору. Температура суміші при титруванні не повинна падати нижче 80°С (при необхідності підігрівають). Об'єм розчину KMnO4, який використано на титрування, вимірюють з точністю до 0,05 см3. Одночасно проводять контрольний дослід з водою для розбавлення. В колбу вносять 100 см3 дистильованої води для розбавлення, додають 5 см3 розбавленої (1+2) сірчаної кислоти. Суміш нагрівають протягом 5 хвилин до кипіння і кип'ятять точно 10 хвилин. До гарячого розчину додають 10 см3 робочого 0,01 н розчину щавлевої кислоти, перемішують і титрують 0,01 н розчином перманганату калію до блідо-рожевого кольору. Витрата 0,01 н розчину KMnO4 не повинна перевищувати 10,5 см3. Опрацювання результатів 50 Окислюваність (X), мг О2/дм3, розраховують за формулою: X = ��−�� ��∗0,01∗8∗1000 �� , де а - об' єм 0,01 н розчину KMnO4, витрачений на титрування досліджу- ваної проби, см3; b - об'єм 0,01 н розчину KMnO4, витрачений на титрування контроль¬ної проби, см3; К - поправочний коефіцієнт до розчину КМnO4; 8 –еквівалент кисню; V - об'єм проби, який взято на аналіз, см3. Результати округлюють з точністю до 0,1 при значеннях окислюваносгі від 0 до 10 мг О2/дм3 і до 1 при значеннях від 10 до 100 мг О2/дм3. Проведено органолептичну оцінку води: колір, запах, смак та побудовано профілографу за 5 бальною шкалою. 51 РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА 3.1. Сорбційні характеристики зразків цеолітів, модифікованих хітозаном На отриманих сорбентах була досліджена сорбція іонів міді, заліза, барвників. Основний барвник - діамантовий зелений, кислий барвник - бром тимоловий синій.(табл.3.1)Таблиця 3.1. Сорбційні характеристики отриманих сорбентів № Способи Час % Ступінь сорбції, % зразка отримання Хітозану синтезу 1 Механохімічний барвник іони металів кислий основний Сu2+ Fe3+ 1ч 3 8.3 81.2 29.6 21.5 2 -// - 6 8.2 84.4 42.1 30.1 3 -//- 9 22.6 83.6 40.1 30.6 4 -//- 2ч 3 10.5 82.3 20.5 29.5 5 -//- 6 29.5 92.1 49.9 33.5 6 -//- 9 22.1 91.2 45.1 31.6 7 -//- 3ч 3 11.1 83.1 26.6 28.4 8 -//- 6 28.1 90.5 47.3 32.1 9 -//- 9 21.2 83.5 42.6 30.9 10 Осадження в 0.5ч 3 22.6 71.8 30.1 26.4 розчині 11 -//- 6 28.2 81.2 44.2 33.1 12 -//- 9 23.3 82.7 40.1 32.2 Вихідний цеоліт 3.0 89.0 13.8 10.5 52 Низька величина ступеня сорбції кислого барвника підтверджує відомі дані, що поверхня цеоліту має слабокислий характер за рахунок дисоціації силанольних груп. Модифікація кислої поверхні цеоліту хітозаном, які мають в ланцюгу амінні групи, призводить до отримання сорбенту, що має подвійну природу поверхні, і, таким чином, у отриманих зразків ступінь сорбції кислого барвника, значно перевищує (у 9 разів) ступінь сорбції на вихідному цеоліті. Наведені дані свідчать про особливу структуру покриття, що не заважає проникненню досить великих молекул барвника до кислої поверхні цеоліту. Зменшення ступеня сорбції барвника зі збільшенням вмісту модифікатора (9%) підтверджує це припущення. На рисунках 3.1-3.3 зображена порівняльна характеристика сорбентів з вмістом хітозану 3%, 6%,9%. 100 90 80 70 Механохімічний 1 год 60 Механохімічний 2 год 50 40 Механохімічний 3 год 30 Осадження в розчині 20 0,5 год Цеоліт 10 0 Барвник Барвник Іони Cu Іони Fe кислий основний Рис 3.1 Порівняльна характеристика сорбентів з вмістом хітозану Порівняльна характеристика сорбентів з вмістом хітозану 3% 53 100 90 80 70 Механохімічний 1 год 60 Механохімічний 2 год 50 40 Механохімічний 3 год 30 Осадження в розчині 20 0,5 год Цеоліт 10 0 Барвник Барвник Іони Cu Іони Fe кислий основний Рис.3.2 Порівняльна характеристика сорбентів з вмістом хітозану Порівняльна характеристика сорбентів з вмістом хітозану 6% 100 90 80 70 Механохімічний 1 год 60 Механохімічний 2 год 50 40 Механохімічний 3 год 30 Осадження в розчині 20 0,5 год Цеоліт 10 0 Барвник Барвник Іони Cu Іони Fe кислий основний Рис.3.3 Порівняльна характеристика сорбентів з вмістом хітозану 9% Ступінь сорбції іонів важких металів на модифікованих хітозаном цеолітах в 3,5 рази вище ступеня сорбції на вихідному цеоліті. Причому сорбція спочатку закономірно зростає зі збільшенням вмісту природного полісахариду з 3 до 6%, а потім, при 9% і вище знижується, незважаючи на великий вміст амінних груп в шарі. Це пов'язано з тим, що збільшення товщини поверхневого шару модифікатора ускладнює дифузію іонів. 54 Тому, оптимальний вміст полісахариду на поверхні цеоліту складає від 3 до 6%. Також була досліджена сорбція парів води і пари бензолу на отриманих сорбентах для визначення коефіцієнта гідрофобності. (рис. 3.4). 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Вміст хітозану, % Рис. 3.4 Залежність коефіцієнту адсорбції від вмісту хітозану. Величина коефіцієнта гідрофобності збільшується зі збільшенням вмісту хітозану в сорбенті прямолінійно до 3% хітозану Це пояснюється тим, що збільшення вмісту органічної фази (хітозану) робить поверхню модифікованого сорбенту більш гідрофобною в порівнянні з вихідним цеолітом. 3.2. Сорбційні характеристики зразків вермикуліту, модифікованих хітозаном. На підставі отриманих даних, а також раніше виконаної роботи, найбільш оптимальним є вміст 3% модифікатора в зразку, тому в подальшому ми використовували саме цей вміст хітозану для отримання модифікованих і композиційних сорбентів. 55 Коефіцієнт адсорбції Дослідження сорбції іонів міді та заліза на зразках вермикуліту, модифікованих хітозаном (синтез 13-17), проводили з приготованих модельних розчинів (таблиця3. 2). Таблиця 3.2. Сорбційні характеристики зразків вермикуліту,модифікованих хітозаном. № зразка Сорбент % хітозана Сорбція мг/г Сu2+ Fe3+ 13 Вермикуліт + хітозан 1 7,3 17,5 14 2 8,4 18,8 15 3 10,2 19,5 16 4 11,3 8,0 17 6 12,0 7,5 Як видно з даних таблиці 3.2, максимальна сорбція Fe3 + досягається при нанесенні на поверхню вермикуліту 3% хітозану, а при нанесенні 4 і 6% хітозану, сорбція знижується внаслідок того, що потовщення хітозанової плівки зменшує адсорбційну ємність. Залежність сорбції іонів міді та заліза зображено на рисунку 3.5 22 20 18 16 14 12 10 8 Cu 6 Fe 4 2 0 1 2 3 4 5 Концентрація хітозану, % 56 а, мг/г Рис.3.5. Залежність сорбції іонів міді та заліза Максимальна сорбція міді досягається при нанесенні на поверхню вермикуліту 5% хітозану, а заліза - 3% хітозану. 3.3. Вивчення процесів сорбції композиційними сорбентами Найбільш перспективні в технологічному відношенні композиційні сорбенти, що несуть одночасно властивості декількох компонентів: ємність цеоліту, низька питома вага вермикуліту, висока ємність по аміногрупах, пластифікуюча і злипаюча здатність хітозану. Для отримання композиційних сорбентів використовували цеоліт, вермикуліт і хітозан (синтези 18-28). Результати досліджень наведені в таблиці 3.3. Таблиця 3.3. - Фізико-хімічні властивості композиційних сорбентів № Способи Способи % % Питома сорбція, мг/м2(×10-2) Sуд. зр отримання отримання хіто вермік барвники Cu2 Fe3 м2/ азк сорбентів гранул зана уліта кислий основний - - г а Цеоліт - - - 6,99 37,19 14, 13, 24, 02 74 60 Вермікуліт - - 100 9,29 7,38 11, 13, 8,6 90 15 0 18 Цеоліт + напилення 3 32 2,68 30,00 15, 28, 12, 32% 98 58 70 вермікуліту + малин + гіпофосфіт 19 Цеоліт +40% напилення 3 40 6,00 32,08 24, 35, 12, вермікуліту 58 75 00 + 3% хітозану, прикріплени й формалін + гіпофосфіт 20 Цеоліт + механ. 3 48,5 7,33 31,64 23, 34, 11, 48,5% формування 53 14 60 вермікуліту + 3% хітозану, 57 прикріплени й формалін + гіпофосфіт Продовження таблиці 3.3 21 Цеоліт + напилення 3 40 17,62 39,59 47, 75, 12, 40 % 95 49 20 вермікуліту +3% хітозану, в аміаку 22 Цеоліт + механ. 3 48,5 38,62 21,56 34, 63, 10, 48,5 % формування 04 58 90 вермікуліту + 3% хітозану, висаджено в аміаку 23 Цеоліт + напилення 3 40 16,82 25,55 27, 49, 12, 40% 38 76 60 вермікуліту + 3% хітозану, закріплений гуміновими кислотами 24 Цеоліт + напилення 3 48,5 26,94 22,50 20, 33, 10, 48,5% 28 34 80 вермікуліту + 3% хітозану, закріплений гуміновими кислотами 25 Цеоліт + напаилення 3 40 8,28 4,86 32, 34, 10, 40% 86 38 50 вермікуліту + 3% хітозану, не закріплений 26 Цеоліт + напилення 3 40 10,68 60,08 40, 56, 11, 40% 60 49 70 вермікуліту + 3% хітозану, висаджений 58 в аміаку, + формалін 27 Цеоліт + напилення 3 40 7,98 0,17 18, 14, 11, 40% 94 47 40 вермікуліту + 3% хітозану, + CaCl2 Продовження таблиці 3.3 28 Цеоліт + 40% напилення 3 40 7,90 35,96 38,3 55, 12, вермікуліту + 0 88 40 3% хітозану, висаджений в аміаку, + CaCl2 Сілікагель - - - 20,18 20,03 22, 34, 27, 89 92 80 Активоване - - - 7,82 17,76 18, 20, 49, вугілля 04 04 50 Порівняльний аналіз зразків № 18-24 показав, що найкращою сорбційної здатністю володіють сорбенти з вмістом вермикуліту 40%. При подальшому збільшенні його вмісту ми спостерігаємо, падіння сорбції, що пов'язано з труднощами при осадженні частинок вермикуліту на гранулу цеоліту. Хітозан в сорбенті відіграє роль одночасно модифікатора і частини,яка закріплює вермикуліт на поверхні цеоліту. Однак у водних розчинах хітозан змивається, що обумовлює необхідність його подальшої іммобілізації. Тому представляло інтерес дослідити вплив методу закріплення хітозану на адсорбційні характеристики сорбенту. У зразках №21 і №22 іммобілізація хітозану була проведена аміаком. Даний спосіб є найбільш вдалим, тому що сорбційні характеристики у цих зразків найкращі. У зразках №23 і №24 хітозан закріплений гуміновими кислотами. Сорбція для даних зразків нижче, ніж у раніше розглянутих, тому що гумінові 59 кислоти містять велику кількість функціональних груп, які пов'язують функціональні групи хітозану, роблячи плівку дуже щільною, що перешкоджає проникненню молекул адсорбату. У зразках №18 і №20 іммобілізацію хітозану проводили з використанням гіпофосфітом калію. Сорбційні властивості тут нижче, ніж у раніше розглянутих (зразки №№21,22). 3.4 Математично-статистична обробка результатів досліджень Математико-статистична обробка результатів досліджень здійснена методом регресійно-кореляційного аналізу. Було визначено вхідні параметри, що регулюють концентрацію альдегідів у водно-спиртової суміші під час проходження через шар адсорбенту – шунгіту. Вхідні параметри процесу: - СFe– концентрація стандартного розчину заліза; - ССu– концентрація стандартного розчину заліза - τ – час контакту з сорбентом. Вихідна функція: - Cа – концентрація заліза у воді. - Cb – концентрація заліза у воді У загальному вигляді функцію можна представити так: Са= f (Свс,τ ) Побудова плану повного факторного експерименту Для проведення дослідів складають план з відповідними матрицями планування експерименту із вказуванням кількості дослідів та межі зміни факторів. Матриця являє собою перелік варіантів, взятих в даній серії дослідів. В матриці повного факторного експерименту (ПФЕ) досліджувані фактори змінюються лише на двох рівнях: верхньому та нижньому. Кількість дослідів повного факторного експерименту: , 60 де n=2 - кількість вхідних факторів. Кількість дублюючих дослідів m=2. Нормалізація вихідного рівняння регресії, тобто перетворення змінних хі в безрозмірні нормалізовані zi: , де хі - значення фактора на «+»-рівні; х0 - значення фактора на 0-рівні; Δхі - крок варіювання. Рівняння регресії матиме наступний вигляд: . Матриця повного двофакторного експерименту наведена у табл. 3.41 : Таблиця 3.4 – Матриця повного двофакторного експерименту № досліду. z0 z1 z2 z1·z2 1 + + + + 2 + + - - 3 + - + - 4 + - - + Результати експериментів і розрахунків наведено в табл.3.5. Таблиця 3.5– Результати досліджень № досліду Розрахунки у1 у2 Відхилення,% 1 2,4315 2,4431 2,4373 0,000067 2,4373 0 2 3,6418 3,6756 3,6587 0,00057 3,6585 0,005 3 1,8083 1,7837 1,7960 0,00030 1,7959 0,005 4 1,3697 1,3901 1,3799 0,00020 1,3799 0 Перевірка однорідності дисперсій Дисперсія паралельних дослідів кожного рядка матриці плану розраховується за рівнянням: 61 , де m=2 – кількість паралельних дослідів. ; ; ; ; Найбільше значення max з усіх розрахованих складає: ; Сума дисперсій розраховуємо за формулою: Розраховуємо критерій Кохрена: Примітка: табличне значення критерію Кохрена Gкр, для значень ступеня свободи f1=N=4 та f2=m-1=2-1=1, рівня значущості α=5% становить 0,9065. Отже, дисперсії вихідного параметру в паралельних дослідах є однорідними, тобто отримане рівняння регресії є відтворюваним. Загальна похибка дослідів становить: Розрахунок коефіцієнтів рівняння регресії ; 62 ; ; Перевірка значущості коефіцієнтів регресії Дисперсія коефіцієнтів регресії складає: , Відхилення будь-якого коефіцієнту розраховуємо за формулою: , де tT=2,78—табличне значення критерія Стьюдента для ступеню свободи f1= N(m-1) = 4(2-1) = 4 та рівня значущості α=5% [ ]. Розрахунок значення критерію Стьюдента для кожного коефіцієнту регресії: ; ; ; . 63 Примітка: tbi > tT, виконання цієї умови дає підставу констатувати значущість відповідного і-го коефіцієнту. В нашому випадку значущими є коефіцієнти b0, b1, b2, b12. Записуємо в остаточному вигляді отримане рівняння регресії першого порядку: Підставляючи значення кожного фактора в отримане рівняння регресії, отримаємо розрахункові значення функції та порівнюємо їх із дослідними значеннями: Перевірка рівняння регресії на адекватність Підставляючи значення кожного фактора в отримане рівняння регресії, отримано розрахункові значення функції, які порівнюються з дослідними значеннями: ; ; ; . Перевірка отриманого рівняння регресії на адекватність дійсному процесу: Розрахунок значення критерію Фішера: Примітка: за таблицями для ступеня свободи f1 = N - l = 4-3 = 1 та f2 = N (m -1) = 4 , рівня значущості α=5%; 64 де l=2—кількість коефіцієнтів в рівнянні регресії, які стоять перед основними факторами, табличне значення критерію Фішера: FT=224,6. Перевірка умови адекватності: Fp < FT= 1,84·10-4 < 224,6. Отже, отримане рівняння регресії є адекватним дослідженому процесу, що також доводиться порівнянням дисперсій. Перехід до натуральних значень здійснюється за формулами: де Н1, Н2, - натуральні значення факторів; Н01, Н02, - значення факторів на нульовому рівні; Δx1, Δx 2, - кроки варіювання факторів. , . Тоді математична модель набуває наступного вигляду: aбо в спрощеному вигляді: 3.5. Аналіз води підготовленої для виробництва безалкогольної продукції. Воду з використанням композиційних сорбентів, сорбентів цеоліт модифікований хітозаном та вермикуліт модифікований хітозаном проаналізували на органолептичні показники та фізико-хімічні показники. Наведено результати органолептичних та фізико-хімічних показників води. 65 6Колір 5 4 3 2 КЦоемолпіозиційний сорбент 1 0 ВЦееромліі тку-лхіітто-зхаітнозан ВВоердм т а ібкеузлісторбентів Смак Запах Рис. 3.6. – Органолептичний профіль води 100 890706050430 0 20100 ЗПаелрізо0 Мідьманганатна окиснюваність орбе нт зан зан оліт уліт ний с літ - хіто літ - хіто Це Верм ік пози цій Цео ермі ку Ком В Рис. 3.7. - Ефективність очищення води досліджуваними сорбентами Досліджувані сорбційні матеріали: композиційні сорбенти, цеоліт- хітозан, вермикуліт-хітозан – забезпечують покращення води за органолептичними показниками, а також застосування сорбентів дало можливість збільшити ефективність очищення води від заліза та міді на 10%, при одночасному покращанні перманганатної окиснюваності на 15 %. 66 Ефективність очищення, % РОЗДІЛ 4. Удосконалення технології очистки води з використанням сорбентів у технології безалкогольних напоїв 4.1 Принципово-технологічна схема застосування сорбційних матеріалів для очищення води Вода 1 2 8 18 19 3 5 9 10 13 20 14 16 4 6 7 11 12 15 17 21 Рисунок 4.1 – Принципово-технологічна схема застосування сорбційних матеріалів для очищення води: 1 – витратомір, 2 – збірник вихідної питної води, 3 – фільтр з композиційним сорбентом, 4 – збірник профільтрованої води після фільтра з композиційним сорбентом, 5 – фільтр пом’якшення води, 6 – збірник води пом’якшеної, 7 – насос води пом’якшеної, 8 – блок приготування регенераційного розчину, 9 – фільтр сорбційний цеоліт-вермікуліт-хітозан, 10 – фільтр з ФМ, 11 – збірник води після фільтра сорбційного, 12 – насос води після фільтра сорбційного, 13 – установка демінералізації води, 14 – збірник води демінералізованої, 15 – насос води демінералізованої, 16 – збірник води підготовленої, 17 – насос води підготовленої, 18 – мірник спирту етилового ректифікованого, 19 – ємність приготування модельної водно-спиртової суміші, 20 – вугільно-очисна батарея, 21 – збірник доочищеної модельної водно- спиртової суміші. 67 4.2 Апаратурно-технологічна схема очистки води 1 2 3 4 5 4 8 6 пВвиі оддаргообтовлена на нбеапза н олївко игцотлвьоних 9 7 Рисунок 4.2 - Апаратурно-технологічна схема удосконаленої технології очистки води з застосуванням композиційних сорбентів: 1 – фільтр з цеолітом; 2 – фільтр сорбційний для знезалізнення з композиційним сорбентом цеоліт-вермікуліт-хітозан; 3 – фільтр сорбційний вермікуліт-хітозан для видалення іонів міді; 4 – знезаражувач; 5 – установка демінералізації; 6 – збірник води підготовленої; 7 – насос води підготовленої, 8 – збірник приготування регенераційного розчину; 9 – насос регенераційного розчину 68 до поз.2,3,4 РОЗДІЛ 5 РОЗРАХУНОК СОЦІАЛЬНО-ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ 5.1 Розрахунок економічної ефективності сорбентів Вартість реалізації проекту буде залежати від потужності виробництва, вибраної технологічної схеми, виду технологічного устаткування, наявності будівель, комунікацій і т.д. Відповідно розрахунки прибутку, сум інвестицій, періоду окупності і можуть бути виконані після визначення потужності виробництва, виконання проекту, визначення вартості обладнання, сировини, монтажу і т.д. Матеріали, комплектуючі вироби, реактиви на виконання даної роботи. До витрат цієї статі належать вартість основних комплектуючих виробів, напівфабрикатів. Реагентів та матеріалів з урахуванням транспортно- заготівельних витрат, а також вартість матеріалів, що необхідні для виготовлення макетів зразків та додаткових матеріалів, що використовуються для виконання наукової роботи. Розміри витрат визначаються методом прямого розрахунку за формулою: де Umi – ціна і-го матеріалу з урахуванням транспортних та заготівельних витрат, грн.; Qmi – кількість і-го компоненту, необхідного для виконання НДР, од.. Потрібність в матеріальних ресурсах визначається на основі матеріальної специфікації, ціна матеріальних ресурсів визначається по відповідним прейскурантам. Транспортно-заготівельні витрати приймаються рівними 2-5% від вартості придбання. Результати розрахунків зводяться в таблиці 5.1. 69 Таблиця 5.1 – Витрати на основі матеріали, реактиви та комплектуючі вироби Найменування Одиниці Вартість за виміру одиницю Кількість Загальна вартість Чашка Петрі шт. 6,72 10 67,20 Колба мірна 1000 см3 шт. 24,80 6 49,60 Циліндр мірний 100 см3 шт. 22,20 1 22,20 Циліндр мірний 25 см3 шт. 12,00 1 12,00 Циліндр мірний 10 см3 шт. 9,20 1 9,20 Стакан лабораторний 100 см3 шт. 15,80 5 79,00 Бюретка 25 см3 шт. 28,50 1 28,50 Мікробюретка 5 см3 шт. 42,00 1 42,00 Штатив лабораторний шт. 170,00 1 170,00 Нінгідрин кг 510,00 0,1 51,00 Натрій гідрооксид кр. (х.ч.) кг 45,00 1 45,00 Ацетатна кислота , 80% дм3 72,00 1 72,00 Фіксанали буферних розчинів шт. 14,20 4 56,80 Кислота хлороводнева дм3 36,00 1 36,00 Дистильована вода дм3 50,00 3 150,00 Разом 891,70 70 РОЗДІЛ 6. ОХОРОНА ПРАЦІ 6.1Аналіз потенційно-шкідливих факторів на робочому місці і їхній вплив на здоров’я працюючих Виконання роботи з атестації робочого місця проводжу для посади лаборанта хімічного аналізу (далі - лаборант). У процесі роботи лаборанта мають місце фізичні, хімічні та психофізіологічні шкідливі та небезпечні виробничі фактори. Фізичні шкідливі та небезпечні виробничі фактори обумовлені: наявністю рухомих машин і механізмів; підвищеним рівнем шуму на робочому місці за рахунок роботи вентиляторів, насосів, компресора та іншого обладнання; підвищеною і зниженою температурою поверхонь обладнання; підвищеною і зниженою температурою повітря робочої зони; підвищеною загазованістю та запиленістю повітря робочої зони; наявністю високої напруги в електричних ланцюгах, замикання яких може пройти через тіло людини; недостатня освітленість робочої зони. Хімічні шкідливі та небезпечні виробничі фактори обумовлені наявністю на робочих місцях речовин, які шкідливо впливають на організм людини. Хімічні шкідливі та небезпечні виробничі фактори підрозділяються: 1) за характером впливу на організм людини: токсичні, подразнюючі; 2) проникнення в організм людини: органи дихання, шлунково-кишковий тракт, шкіряні покрови, слизові оболонки. Хімічні речовини, які застосовуються й отримуються в приміщенні лабораторії, проникають в організм людини через органи дихання, шлунково- кишковий тракт, шкіряні покрови й слизисті оболонки. Психофізіологічні шкідливі та небезпечні виробничі фактори обумовлені нервово-психічними перевантаженнями (перенапруга аналізаторів, монотонність праці тощо). 71 Проведення науково-дослідної роботи пов’язане з використанням шкідливих хімічних речовин, скляного посуду, електричних приладів та балону під тиском. Хімічні речовини при дії на організм людини можуть викликати опіки або подразнювати шкіру і слизові оболонки, подразнювати органи дихання, викликаючи гострі та хронічні отруєння, вражати кровотворні органи, вражати нервову систему. В хімічній лабораторії широко застосовуються вироби зі скла. В скляній тарі зберігаються реактиви, зі скла монтують і виготовляють більшість приладів, для роботи в лабораторії застосовують хімічний скляний посуд. Через неправильне поводження зі скляними виробами, недотримання елементарних правил безпечної роботи з ними часто мають місце такі нещасні випадки: потрапляння скалок в очі при обробці скла; несподіваних розривах приладів і установок внаслідок неправильного ходу реакції; опіки рук; поранення рук і лиця внаслідок розриву посуду при порушенні правил розведення і зберігання кислот, аварій, пов’язаних із використанням скла, якість якого не відповідає умовам проведення реакції (агресивність середовища, високі температура і тиск та ін.) Ще одним небезпечним фактором є електричний струм при роботі з електрообладнанням: аналітичними вагами, електричною мішалкою, електричною плиткою та муфельною піччю.При проходженні через організм людини електричний струм здійснює термічний, електричний і біологічний вплив. В результаті термічної дії розігрівається організм, виникають опіки тіла, в результаті електричного впливу розкладається кров та інші органічні рідини в організмі. Біологічний вплив проявляється у збудженні і подразненні тканин та довільному скороченні м’язів. Таблиця 6.1 – Карта умов праці № Фактори виробничого III клас – Небезпеч Прим. п/п середовища і трудового шкідливі і ний процесу небезпечні (екстрем 72 Норм атив не значе ння / ГДР / / ФГДа/к Кт ичне зТннр аиче алніся в т ь дії факт ора % за зміну умови і альний) характер праці IV Ступені 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Шкідливі хімічні речовини Клас небезпеки IІІ 1 Назва ацетатна кислота 5 7 60 - + - - Клас небезпеки IІ Назва натрію гідрооксид 0,5 0,5 75 - - - - Доп. 2 Вібрація / загальна і локальна /, м/с2 - - Доп. 3 Шум (еквівалентний), дБА 60 62 + - - - Електромагнітне 4 випромінювання, 250-5 250-5 - - - - МГц - В/м Опт. 5 Електростатичне поле, кВ/м 25,7 26 + - - - 6 Постійне магнітне поле, кА/м 8 3 - - - - Доп. Мікроклімат у приміщенні: - температура по°вітря 21-23 (17-27) 23 - - - - Опт. (теплий період), С 7 - швидкість руху повітря (теплий період), м/с 0,3(0,2-0,4) 0,4 - - - - Доп. - відносна вологість повітря (теплий/холодний), % 40-60 58 - - - - Опт. 8 Освітлення - природнє, % 1,69 1,9 - - - - Доп. - штучне, Лк 1250 300 - + - - 10 Важкість праці: 10.1 Фізичне динамічне навантаження,виражене в одиницях механічної роботи за зміну, кг-м При регіональному навантаженні 10.1.1 (з переважаючою участю До 1500 м’язів рук та плечового (до 3000) 42 Опт. поясу) при переміщенні - - - - вантажу на відстань до 1 м При загальному навантаженні (за участю 10.1.2 м’язів рук, ніг, корпуса) при До 12500 0 переміщенні вантажу на (до 28000) - - - - Опт. відстань від 1 до 5 м 10.2 Маса вантажу, що підіймається та переміщується, кг Підіймання та переміщення 10.2.1 (разове) вантажів при До 5 чергуванні з іншою роботою (до 10) 0 - - - - Опт. (до 2 разів на годину) Підіймання та переміщення - - - - 10.2.2 вантажів постійно протягом До 3 0 Опт. робочої зміни (до 7) Продовження таблиці 6.1 73 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Сумарна маса вантажів, що переміщуються протягом 10.2.3 зміни: до 350 відсутня - - - - з робочої поверхні до 175 - - - - Доп. з підлоги 10.3 Стереотипні робочі рухи (кількість за зміну) 10.3.1 При локальному до 20000 навантаженні (40000) незначна - - - - Опт. 10.3.2 При регіональному до 10000 - - - - навантаженні (20000) незначна Опт. С татичне навантаження однією рукою до 36000 відсутнє - - - - 10.4 двома руками до 70000 відсутнє - - - - Опт. за участю м’язів корпуса до 100000 відсутнє - - - - Опт. та ніг Опт. 10.5 Робоча поза вільна, зручна - - - - Опт. 10.6 Нахили тулуба 51-100 до 50 - - - - Опт. Переміщення в просторі 10.7 (переходи, обумовлені до 4 незначне - - - - технологічним процесом), км Опт. Загальна оцінка важкості - - - - праці Доп. 11 Напруженість праці: 11.1 Інтелектуальні навантаження Зміст роботи Рішення складних завдань з 11.1.1 вибором за відомим алгоритмом + - - - (робота по серії інструкцій) Сприймання сигналів та їх Сприймання сигналів з наступним оцінка співставленням фактичних 11.1.2 значень параметрів з їх номінальними значеннями. + - - - Заключна оцінка фактичних значень параметрів 11.1.3 Ступінь складності завдання Обробка, виконання завдання та його перевірка - - - - Доп. Характер виконуваної роботи Робота за встановленим графіком 11.1.4 з можливим його коригуванням по - - - - ходу Доп. 11.2 Сенсорні навантаження 11.2.1 Тривалість зосередженого До 25 спостереження (26-50)% До 70% + - - - 11.2.2. Щільність сигналів за 1 год До 75(75-175) 176-300 + - - - Кількість виробничих 11.2.3 об’єктів одночасного До 5(6-10) До 7 - - - - Опт. спостереження 11.2.4 Навантаження на зоровий аналізатор 11.2.4.1 Розмір об’єкта розрізнення 5 5,0-1,1 (40%) - - - - Доп. 11.2.4.2 Робота з оптичними приладами До 25(26-50) - - - - - Опт. 11.2.5 Навантаження на слуховий 90-100 аналізатор (70-90)% 90-100 - - - - Опт. 13.3 Емоційне навантаження 74 Продовження таблиці 6.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Викликає ушкодження обладнання, зупинку 13.3.1 Ступінь відповідальності технологічного процесу та - + - - виникає можливість небезпеки для життя 13.3.2 Ступінь ризику для власного життя Можливий - + - - 13.3.3 Ступінь ризику за безпеку інших осіб Виключений - - - - Опт. 13.4 Монотонність навантажень Кількість елементів у >10 (6-9) 11 13.4.1 багаторазово повторюваних - - - - Опт. операціях 13.4.2 Тривалість виконання >100 (25-100) 25-100 операцій, що повторюються - - - - Опт. 13.5 Режим праці 13.5.1 Змінність роботи Загальна оцінка напруженості праці 1 ступінь + - - - Загальна оцінка умов праці 2 ступінь - + - - 1) Гігієнічна оцінка умов праці: Підвищена концентрація ацетатної кислоти – ІІ ст., підвищений рівень шуму – І ст., недостатнє штучне освітлення - ІІст. Гігієнічна оцінка умов відповідає ІІ ступеню шкідливості. 2) Оцінка технічного та організаційного рівня робочого місця: Технічний і організаційний рівні робочого місця не відповідають нормативним вимогам. 3) Атестація робочих місць: Робоче місце атестовано за другим ступенем небезпеки. 4) Рекомендації щодо покращення умов праці, їх економічне обґрунтування: Зменшити рівень шуму, налагодити додаткові джерела штучного освітлення і налаштування додаткової вентиляції. 5) Пільги і компенсації: Пенсійне забезпечення за другим списком (2 фактори 1,2 ступеня). Розрахунок штучного освітлення на робочому місці лаборанта Розрахунок штучного освітлення для заданого приміщення виконується за методом коефіцієнту використання світлового потоку. Основною задачею 75 розрахунку штучного освітлення є визначення необхідної кількості світильників N для забезпечення нормативного рівня штучного освітлення за формулою: , (6.1) де Ен – нормоване загальне штучне освітлення, лк; Кз – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі експлуатації (для заданих приміщень Кз = 1,5); S =А·В – освітлюєма площа приміщення, м2 (А–довжина приміщення, В – ширина приміщення); z – коефіцієнт мінімального освітлення; z=1,1 (для люмінесцентних ламп); n –кількість ламп у світильнику; Fл – світловий потік лампи ; h – коефіцієнт використання світлового потоку, відн. од. Відповідно типу приміщення приймаємо тип світильника в залежності від умов середовища і типу приміщення (таблиця 5.1). Таблиця 5.1 – Світильники, які призначені для загального освітлення лабораторії хімічного аналізу Тип світильника Кількість Потужність Габаритні розміри, мм ламп, n лампи Pi, Вт довжина ширина висота ЛСП 02В – 1х36 1 36 1280 230 155 ЛСП 02В – 2х36 2 36 1280 260 155 TCS 025/236 2 36 1264 186 81 TCS 058/236 2 36 1253 216 95 Обираю світильник тип світильника TCS 058/236. Для обраного єдиного типу світильника уточнюємо: n=2 – кількість ламп у світильнику; Pi =36, Вт – їх потужність. Світильники призначені для загального освітлення виробничих приміщень з нормальними умовами середовища при t=10-25 ˚С та вологості до 75%. 76 Визначаємо світловий потік люмінесцентної лампи Fл відповідно потужності лампи: Fл=2975. Визначаю індекс приміщення і згідно формули: , (6.2) де А, В і Н – довжина, ширина та висота приміщення, м. Тоді Визначаємо коефіцієнт використання світлового потоку h в залежності від групи світильника та індексу приміщення i (таблиця 5.2). Таблиця 6.2 – Коефіцієнти використання світлового потоку h світильників Група світильника 1 2 3 5 15 i h, % 1,25 50 48 53 38 37 1,5 54 52 57 42 40 1,75 57 56 61 44 42 2,0 59 58 63 46 44 Приймаю h=58%. Розраховуємо кількості світильників N для забезпечення нормативного рівня штучного освітлення: Для живлення освітлювальної мережі використовується напруга 220 В. Перетин дроту повинен задовольняти таким вимогам: дроти повинні допускати протікання по ним розрахункового струму освітлювального навантаження, не нагріваючись вище допустимої температури; напруга на джерелах світла повинна бути не нижче мінімальних значень; механічна міцність дротів повинна бути достатньою для даного типу електропроводки. 77 Розраховуємо встановлену потужність освітлення як суму потужностей ламп усіх світильників. Оскільки для освітлення заданих приміщень пропонується використовувати люмінесцентні світильники, які вмикаються в мережу по стартерним схемам, то до потужності ламп додаються втрати в пускорегулюючих автоматах (20% від потужності ламп): , (6.3) Тоді Розрахункове навантаження освітлювальної мережі визначаємо за формулою: , (6.4) Тоді Визначаємо розрахунковий струм освітлювальної мережі за формулою: , (6.5) де Pp – розрахункове навантаження освітлювальної мережі, Вт; Uф = 220 В – фазна напруга; cos φ – коефіцієнт потужності навантаження, для люмінесцентних ламп він рівний 0,9. Тоді Відповідно значенню розрахункового струму за таблицею 5.3 визначити допустимий мінімальний перетин дроту, яким можливо провести з’єднання світильників в освітлювальну мережу для забезпечення пожежної безпеки. Таблиця 5.3 – Допустимий довготривалий струм для дротів з гумовою та полівінілхлоридною ізоляцією Перетин Струм Ip для дротів 78 струмопровідної одного одного жили, мм2 двожильного трижильного з мідними жилами 2,5 25 21 4 32 27 6 40 34 з алюмінієвими жилами 2,5 19 16 4 25 21 6 31 26 8 38 32 За механічною міцністю для з’єднання світильників загального освітлення всередині приміщення, рекомендується використовувати дроти перетином не менше 0,5 мм2. Тому за механічною міцністю усі дроти перетином 1 мм2 та більше є задовільними. Отже, для освітлення приміщення розмірами 7,6×5,3×3 необхідно 8 світильників типу TCS 058/236з 2 лампами. Потужність освітлення 691,2 Вт. З’єднання світильників в освітлювальну мережу, можливо виконати двожильним мідним дротом перетин якого складає 4 мм. 6.2Заходи по забезпеченню охорони праці та техніки безпеки в лабораторії Хімічні лабораторії організовуються і починають свою роботу з дозволу Державної санітарної інспекції, пожежної інспекції, інспекції ради профспілок. Адміністрація на підставі прийнятого колективного договору зобов'язується виконувати заходи по забезпеченню охорони праці і техніки безпеки. Лаборант підпорядковується адміністрації лабораторії, що приймає необхідні заходи по усуненню або зменшенню шкідливих умов роботи, забезпечує належні санітарно-гігієнічні умови роботи відповідно до чинних правил і інструкцій. Контроль за виконанням норм охорони праці, техніки безпеки і виробничої санітарії здійснюється: 79 по лінії державних органів - спеціальними інспекціями (санітарної, пожежної й ін.), енергонагляду; по лінії профспілкових органів - технічними інспекціями, комісіями з охорони праці місцевих органів профспілок; по лінії адміністрації - керівник лабораторії Завідуючий лабораторії слідкує за наявністю та розміщенням обладнання у відповідності з нормами та правилами, створенням безпечних умов праці, наявністю на видному місці в лабораторії інструкцій з техніки безпеки, проведенням у встановлені строки вступного та повторного інструктажу з техніки безпеки з працівниками лабораторії, оформленням запису про проведений інструктаж в контрольному журналі, проведенням щорічної атестації з техніки безпеки працівників, що виконують роботи з сильнодіючими отруйними, вибухонебезпечними та вогненебезпечними речовинами, а також, атестації працюючих на установках високого тиску та напруги, забезпеченням пожежної безпеки. До самостійної роботи допускаються особи у віці не молодше 18 років, які у навчальному закладі отримали професію лаборанта хімічного аналізу та придатні за станом здоров'я. Перед допуском до самостійної роботи, після отримання вступного інструктажу, первинного інструктажу, спеціального навчання з питань охорони праці, перевірки знань з охорони праці, яка проводиться за екзаменаційними білетами, перевірки вмінь і навичок безпечного виконання робіт, лаборант хімічного аналізу повинен пройти безпосередньо на робочому місці стажування протягом 2-15 змін (залежно від стажу, досвіду і характеру роботи) під керівництвом досвідченого кваліфікованого лаборанта хімічного аналізу. Допуск до самостійної роботи здійснюється при задовільних результатах перевірки знань з питань охорони праці наказом (розпорядженням) роботодавця (або керівника структурного підрозділу). 80 Під час виконання робіт лаборанту дозволяється користуватися хімічним скляним посудом без тріщин та сколів і тільки за прямим призначенням. Не приймати їжу із лабораторного посуду і у приміщенні хімічної лабораторії. Під час нагрівання скляний посуд не можна ставити безпосередньо на відкритий вогонь. Нагрівання слід вести на азбестових сітках, у пісочних банях і закритих плитках. Під час збирання скляних приладів і з'єднанні окремих частин за допомогою гумових грубок, а також під час надівання останніх на скляні трубки, руки необхідно захищати рушником. Для полегшення збирання кінці скляних трубок необхідно змочити водою або гліцерином. Під час переливання рідин необхідно користуватися лійкою, яку ставлять на фарфоровий трикутник, який помішують на горловину посудини. Якщо немає трикутника, лійку необхідно вставляти у кільце штатива над посудиною, в яку переливають рідину. Під час нагрівання рідини у пробірці, останню необхідно тримати так, щоб отвір був направлений у бік від себе і від робітника, що стоїть поруч. Пробірки слід тримати щипцями або спеціальним пробіркотримачем. Концентровані розчини азотної, соляної і оцтової кислоти необхідно зберігати у спеціальних склянках з притертими пробками і, бажано, з притертими ковпачками поверх пробок. Для уникнення заїдання пробок, не можна зберігати луги у склянках з притертими пробками. Легкозаймисті і горючі рідини повинні зберігатися у товстостінних скляних банках. Усі хімічні реактиви та їхні розчини повинні знаходитися в закритих банках, пляшках з назвою реактиву і зазначенням концентрації і дати приготування розчину. Не дозволяється зберігати у лабораторії хімічні реактиви і їхні розчини без написів . Написи на етикетках не виправляються, а наклеюються нові етикетки попередньо знявши старі; на тару наносяться написи фарбою чи іншими незмивними речовинами. Дозволяється користуватись тільки тими реактивами, 81 які знаходяться у посуді із етикетками чи із зрозумілими написами на посуді (тарі). Зливати кислоти і луги необхідно у спеціальну тару із подальшою нейтралізацією. Невеликі кількості кислот і лугів у вигляді розведених розчинів можна виливати у раковину із наступним промиванням 10-кратним об'ємом води. Роботи з отруйними речовинами проводити тільки у витяжній шафі. Витяжна шафа повинна мати верхнє і нижнє відсмоктування для видалення легких і важких газів і парів. Під час робіт, що пов'язані із нагріванням горючих речовин, не залишати робоче місце без догляду, навіть на короткий час. За необхідності відлучитися, навіть на короткий час, джерело нагрівання необхідно вимкнути. Всі роботи, що пов'язані з виділенням шкідливих газів та пар, проводити у витяжній шафі. На столах, де проводиться нагрівання електричним струмом, зберігання та переливання нафтопродуктів не дозволяється. Робота з отруйними речовинами дозволяється тільки у гумових рукавичках і у халаті, на голові повинен бути головний убір. Після роботи, не знімаючи рукавичок, необхідно добре промити їх водою, і тільки після цього рукавички можна зняти. Після того, як рукавички зняті, руки необхідно ретельно вимити спочатку без мила, а потім з милом. Під час переливання кислот, лугів обов'язково користуватися захисними окулярами і гумовими рукавичками, витяжною шафою. Під час подрібнення шматків лугу обов'язково надягати захисні окуляри, головний убір, гумові рукавички, прогумований фартух. Для набирання отруйних речовин слід користуватись спеціальною піпеткою. Концентровані кислоти, луги, а також отруйні речовини набирати у піпетку тільки гумовою грушею. Затягування отруйних речовин у піпетку ротом забороняється через можливість потрапляння їх у організм і отруєння. 82 Під час нагрівання розчинів не слід нахилятися над посудом, щоб можливі викиди не потрапили в обличчя. Під час здійснення хімічних аналізів із застосуванням отруйних речовин у лабораторії повинно бути не менше двох чоловік. Роботи у хімічній лабораторії повинні проводитися при справному електрообладнанні. Вмикати і вимикати електроприлади тільки сухими руками. Якщо виявлені дефекти в ізоляції проводів, несправні рубильники, штепселі, розетки, вилки і т.п., а також дефекти у заземленні і огорожі, про це слід терміново сповістити начальника дільниці енерговодопостачання (ЕВП). Проведення будь-якого ремонту електроприладів повинно здійснюватись працівниками спеціальної енергетичної служби . Муфельні печі, сушильні шафи, дистилятори повинні бути заземлені. До роботи з балонами, в яких знаходиться газ, допускається лаборант, якщо він пройшов відповідне навчання, перевірку знань з питань охорони праці та має дозвіл. Усі балони зі стисненими, зрідженими, розчиненими горючими газами необхідно встановлювати поза будинком лабораторії в металевих шафах. Шафи повинні мати прорізи або жалюзійні грати для провітрювання. Балони повинні бути укріплені в спеціальних стійках. Подавати горючі гази (пропан, ацетилен) з одного балона в кілька приміщень забороняється. Забороняється зберігання балонів без запобіжних ковпаків. Для перенесення балонів користуються ношами або спеціальними візками. Перевозять балони без поштовхів і ударів. Газ із балона повинен витрачатися через редуктор, що призначений для даного газу і пофарбований у відповідний колір. При подаванні газу із балона в ємність з більш низьким тиском, на відповідній камері редуктора повинен бути встановлений манометр і пружинний запобіжний клапан, який відрегульовано на необхідний робочий тиск ємності, в яку пропускають газ. 83 У випадку замерзання, відігрівати вентиль або редуктор слід гарячою чистою водою, поливаючи її на тканину, що загорнута навколо редуктора (вентиля). Перед пуском газу із балона в лабораторний прилад необхідно відрегулювати тиск за манометром і перевірити правильність з'єднання балона з приладом. Відкривати і закривати вентиль балона потрібно плавно і повільно. Згідно з Відомчими нормами безплатної видачі спецодягу, спецвзуття та інших засобів індивідуального захисту лаборанту хімічного аналізу видається наступний комплект засобів індивідуального захисту (ЗІЗ): Халат бавовняний або халат бавовняний з кислотостійким просоченням; Рукавиці комбіновані; Фартух гумовий; Рукавички гумові; Черевики шкіряні; Окуляри захисні. Під час роботи лаборант повинен користуватись ЗІЗ та дотримуватись правил особистої гігієни, зокрема: утримувати в чистоті і порядку робоче місце і інструмент; правильно і дбайливо користуватись санітарно-побутовими приміщеннями, засобами індивідуального захисту; утримувати спецодяг і спецвзуття у справному стані і чистому вигляді; перед кожним прийманням їжі мити руки водою з милом чи іншими миючими засобами. Застосовувати при митті рук бензин, гас, ацетон та інші легкозаймисті речовини забороняється; дотримуватись питного режиму з врахуванням особливостей умов праці; дотримуватись режиму праці і відпочинку; при появі температури чи інших ознак захворювання слід попередити керівника робіт та негайно звертатись до лікаря. Раціональне освітлення помешкань і робочих місць - один із найважливіших елементів сприятливих умов праці. При правильному 84 освітленні підвищується продуктивність праці, поліпшуються умови безпеки, знижується стомлюваність. Природне і штучне освітлення нормується згідно СНиП II-4–79 в залежності від характеристики зорової роботи, найменшого розміру об'єкта розрізнення, розряду і підрозряду зорової роботи, фону і контрасту об'єкта з фоном. Згідно цього в лабораторії передбачені наступні види виробничого освітлення: природне, штучне і спільне. Приміщення або ділянки, де проводяться хімічні аналізи, обладнані загальнообмінною приточно-витяжною і місцевою вентиляцією, що забезпечує уловлення і видалення шкідливих речовин від місць їх утворення, розбавлення не уловлених шкідливих речовин до гранично допустимих концентрацій (ГДК) та підтримання нормованих тепловологісних параметрів повітря робочої зони. Вентиляція забезпечує необхідну кратність обміну повітря та мікрокліматичні умови згідно вимог ГОСТу 12.1.005-88. Приточне повітря в хімічних лабораторіях подається в робочу зону з урахуванням технологічних вимог до рухомості повітря, розташування витяжних шаф і місць виділення шкідливих речовин. Приміщення лабораторії обладнані водопроводом гарячої і холодної води відповідно до СНиП 2.04.01-85. Приміщення лабораторії опалюється для забезпечення на робочих місцях температури, що відповідає встановленим нормам. Це здійснюється за допомогою системи водяного опалення, температура теплоносія – гарячої води не повинна перевищувати 150 ºС. 6.3Заходи забезпечення електробезпеки При роботі на дослідній установці використовується напруга 220В. Відповідно до правил улаштування електрообладнання (ПУЭ-86) приміщення хімічної лабораторії за ступенем ураження людей електричним струмом відноситься до категорії – приміщення без підвищеної небезпеки – сухе, нежарке, з непровідною підлогою, в ній відсутній струмопровідний пил, відносно мала кількість заземлених металевих предметів, а також відносна 85 вологість повітря < 75% і температура менше 30 ºС. До роботи з електрообладнанням допускаються особи не молодше 18 років, що пройшли інструктаж з безпечної роботи з електроприладами та медичний огляд. Для захисту від електротравматизму забезпечені наступні заходи: недоступність струмопровідних частин для випадкового доторкання; понижена напруга; заземлення та занулення електроустаткування; автоматичне відключення та ін. Недоступність струмопровідних частин електроустаткування забезпечується розташуванням їх на необхідній висоті, огородженням від випадкового доторкання, ізоляцією струмопровідних частин. З метою забезпечення електробезпеки передбачається періодичне вимірювання опору заземлюючого пристрою і порівняння фактичного опору з допустимим. Захисне відключення виконується як доповнення або як заміна заземлення. Відключення здійснюється автоматично. Захисне відключення рекомендується в тих випадках, коли безпечної роботи неможливо дотриматись шляхом заземлення або коли його важко виконати. Передбачено також вільний підхід до електричних приладів, щитків та рубильників. У випадку перерви в подачі електроенергії електроприлади негайно відключаються. 86 ВИСНОВКИ 1. Проведені теоретичні дослідження модифікованих сорбентів у технології безалкогольних напоїв. 2. Для дослідження обрано зразки сорбентів цеоліту і вермикуліту, які були модифіковані хітозаном 3. Знайдено оптимальний вміст хітозану (3%) на поверхні зразків, що забезпечує найкращі сорбційні властивості по відношенню до іонів важких металів і барвників. 4. Досліджено зразки композиційних сорбентів, які містять цеоліт, вермикуліт та хітозан. 5. Доведено, що кращими сорбційними властивостями володіє зразок, що містить 40% вермикуліту і 3% хітозану. 6. Розроблено технологічну схему очистки води із застосуванням сорбентів на основі цеоліту, вермикуліту та хітозану у технології безалкогольних виробів. 87 СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 1. Бачурин П.Я., Смирнов В.Я. Технология ликеро-водочного производства. – м: Пищевая промышленость, 1975. – 326 с.Макаров С.Ю., Славская И.Л.,Инновация в технологи и оборудовании приготовления водок.–М.:ООО «НИПКЦ восход-А».,2011.–156 с. 2. Дудник С.В., Євтушенко М.Ю. Водна токсикологія: основні теоретичні положення та їхнє практичне застосування: монографія. Київ: Видавництво Українського фітосоціологічного центру, 2013. 297 с. 3. Кармазиненко С.П., Кураєва І.В., Самчук А.І., Войтюк Ю.Ю., Манічев В.Й. Важкі метали у компонентах навколишнього середовища м. Маріуполь (еколого-геохімічні аспекти): монографія. Київ: Інтерсервіс, 2014. 168 с. 4. Клименко М.О., Бєдункова О.О. Кругообіг важких металів у водних екосистемах: монографія. Рівне: НУВГП, 2008. 216 с. 5. Линник П.Н. Тяжелые металлы в поверхностных водах Украины: Содержание и формы миграции. Гидробиол. журн. 1999. Т. 35, № 1. С. 22–42. 6. Osadchy V., Osadcha N., Nabyvanets Yu. Modelling of trace metal migration forms in water of the Dnieper reservoirs. Ekologija, Vilnous. 2003.№2. P. 63–67. 7. Набиванець Б.Й., Осадчий В.І., Осадча Н.М., Набиванець Ю.Б. Аналітична хімія поверхневих вод: монографія. Київ: Наук. думка, 2007. 456 с. 8. Аieta E.M., Singley J.E., Trussell A.R., Thorbjarnarson K. W., McGuire M. J. Radionuclides in drinking water: an Overview. Journal of American Water Works Association (J. AWWA). 1987. Vol. 79. № 4. P. 144–152. 9. Clifford D., Zhang Z. Modifying ion exchange for combined removal of uranium and radium. Journal of American Water Works Association (J. AWWA).1994. Vol. 86. № 4. P. 214–227. 88 10. Алыков Н.М., Павлова А.В., Нгуэн К.З. Сорбционное удаление из воды ионов тяжелых металлов. Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 4.С. 17–20. 11. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Ленинград: Химия, 1982. 168 с. 12. Комаров В. С. Научные основы синтеза адсорбентов. Минск: Беларус.навука, 2013 181 с. 13. Карнаухов А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористих материалов.Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. 470 с. 14. Джейкок М., Парфнт Дж. Химия поверхностей раздела фаз. Москва: Мир,1984. С. 151. 15. Морозов Д.Ю., Шулаев М.В., Храмова И.А., Хабибуллина Л.И.Исследование адсорбции очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов. Химическая промышленность. 2007. Т. 84. № 3. С. 141–144. 16. Морозов Д.Ю., Шулаев М.В., Емельянов В.М., Нуруллина Е.Н. Исследование адсорбционной очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металловю. Вестник Казанского технологического университета. 2004. № 1. С. 95–98. 17. Нестеров А.В. Очистка нефтесодержащих сточных вод сочетанием экстракционных и адсорбционных методов: автореф. дис… канд. техн. наук: 03.00.16. Иваново, 2008. 16 с. 18. E. Demirba, Adsorption of cobalt(II) ions from aqueous solution onto activated carbon prepared from hazelnut shells. Adsorpt. Sci. Technol. 2003. № 21. С.951–963. 19. Селективная сорбция и катализ на активных углях и неорганических ионитах / Под ред. В.В. Стрелко. Київ: Наук. думка, 2008. 304 с. 20. Філіпчук В.Л. Очищення багатокомпонентних металовміщуючих стічних вод промислових підприємств: Монографія. – Рівне: УДУВГП, 2004. 232 с. 89 21. Zimeng Wang, Sung Woo Lee, Jeffrey G. Catalano, Juan S. Lezama- Pacheco, John R. Bargar, Bradley M. Tebo, Daniel E. Giammar. Adsorption of Uranium(VI) to Manganese Oxides: X -ray Absorption Spectroscopy and Surface Complexation Modeling. Environ. Sci. Technol. 2013. № 47. Р. 850–858. 22. Hun Bok Jung, Maxim I. Boyanov, Hiromi Konishi, Yubing Sun, Bhoopesh Mishra, Kenneth M. Kemner, Eric E. Roden, Huifang Xu. Redox Behavior of Uranium at the Nanoporous Aluminum Oxide-Water Interface: Implications for Uranium Remediation. Environ. Sci. Technol. 2012. № 46. Р. 7301 – 7309. 23. Wazne M., Meng X., Korfiatis G.P., Christodoulatos C. Carbonate effects on hexavalent uranium removal from water by nanocrystalline titanium dioxide.J Hazard Mater. 2006. Vol. 136, No 1. Р. 47–52. 24. Noubactep C., Schoner A., Meinrath G. Mechanism of uranium removal from the aqueous solution by elemental iron. J. Hazard. Mater. 2006. Vol. B 132. P.202–212. 25. Hardiljeet K. Boparai, Meera J., Denis M., O’Carroll. Kinetics and thermodynamics of cadmium ion removal by adsorption onto nano zerovalent iron particles. J. Hazard. Mater. 2011. № 186. P.458–465. 26. Arnold T., Zorn T., Bernhard G., Nitsche H. Sorption of Uranium(VI) onto Phillite. Chemical Geology. 1998. Vol. 151, No 1 - 4. Р. 129–141. 27. Konstantinou M., Demetriou A., Pashalidis I. Adsorption of Hexavalent Uranium on Dunite. Global NEST Journal. 2007. Vol. 9, No 3. Р. 229 – 236. 28. Smiciklas I., Dimovic S., Plecas I., Mitric M. Removal of Co2+ from aqueous solutions by hydroxyapatite. Water Res. 2006. № 40. Р. 2267–2274. 29. Pathak P.N., Choppin R. Gregory Kinetics and thermodynamics of uranium (VI) sorption on hydrous silica. Radiochimica Acta. 2007. Vol. 95, No 9. P. 507–512. 30. Venkatesan K., Sukumaran V., Antony M., Vasudeva Rao P. Extraction of uranium by amine, amide and benzamide grafted covalently on silica gel. J. Radional. Nucl. Chem. - 2004, Vol. 260, № 3, р. 443–450. 90 31. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. Київ:Наук. думка, 1981. 208 с. 32. Ликлема Я. Адсорбция малых ионов. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / под ред. Г. Парфита, К. Рочестера. Москва: Мир, 1986. С. 261–288. 33. Fonseca M., Oliveira M., Arakaki L., Espinola J., Airoldi C. Natural vermiculite as an exchanger support for heavy cations in aqueous solution. Journal of Colloid and Interface Science. 2005. Vol. 285, No. 1. P. 50–55. 34. Херблат К., Клейн K. Минералогия по системе Дэна: монография. Москва: Недра, 1982. 728 с. 35. Kornilovich B.Yu., Pshinko G.N., Kosorukov A.A., Mas'ko A.N., Spasenova L.N. Water purification from cesium-137 and strontium-90 using natural and activated laminar and laminar-band silicates. Химия и технология воды.1991. Т. 13 № 11, С. 1025 – 1029. 36. Дудар Т.В., Бугера С.П., Кадошніков В.М., Злобенко Б.П. Бар’єрні властивості природних глинистих мінералів. Вісник НАУ. 2009. №1. С. 56–60. 37. Корнилович Б.Ю. Структура и поверхностные свойства механохимически активированных силикатов и карбонатов. Киев: Наук. Думка. 1994. 128 с. 38. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. Москва: Химия, 1984. 591с. 39. Орлов В.О. Водоочисні фільтри з зернистою засипкою. Рівне: НУВГП, 2005. 163с. 40. Глазкова, Е. А., Стрельникова Е.Б., Иванов В.Г. Применение природныхцеолитов месторождения Хонгуру (Якутия) для очистки нефтесодержащихсточных вод. Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 6. С. 849–854. 41. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах. Київ: Наук. думка, 1975. 352 с. 91 42. Булах А.Г. Общая минералогия: монография. СПб.: Изд-во С.-Петерб. унта, 1999. 356 с. 43. Бетехтин А.Г. Курс минералогии: монография. Москва: КДУ, 2007. 721 с. 44. Васильев Н.Г., Гончарук В.В. Природные силикаты: строение свойства,реакционная способность: многорафия. Киев: Наук. думка, 1992. 176 с. 45. Bergaya F., Theng B. K .G., Lagaly G. Developments in clay science. V. 1.Handbook of clay science. Amsterdam: Elsevier Ltd, 2006. 1224 p. 46. Mittal V., Herle V. Physical adsorption of organic molecules on the surface of layered silicate clay platelets: A thermogravimetric study. Journal of Colloid and Interface Science. 2008. Vol. 327, No 2. Р. 295–301. 47. He H.P., Frost R.L., Bostrom T., Yuan P., Duong L., Yang D., Yunfel X.F.,Kloprogge J.T. Changes in the morphology of organoclays with HDTMA+surfactant loading. Appl. Clay Sci. 2006. Vol. 31, No 3-4. P. 262–271. 48. Голембіовський А. О., Ковальчук І. А., Корнілович Б. Ю., Жданюк Н. В. Вилучення сполук U(VI) з вод із використанням органоглини. Наукові вісті НТУУ «КПІ». 2011. № 6. С. 154–158. 49. Singla P., Mehta R., Upadhyay S.N. Clay Modification by the Use of Organic Cations. Green and Sustainable Chemistry. 2012. № 2. Р. 21–25 50. Hu Z., He G., Liu Y., Dong C., Wu X., Zhao W. Effects of surfactant concentration on alkyl chain arrangements in dry and swollen organic montmorillonite. Appl. Clay Sci. 2013. Vol. 75-76. Р. 134–140. 51. Anderson M.A., Trouw F. R., Tam C. N. Properties of water in calcium- and hexadeciltrimethylammoniumexchanged bentonite. Clays and Clay Minerals. 1999. Vol. 47, No 1. P. 28–35. 52. Shihe Xu, Stephen A. Boyd, 1995. Cationic surfactant sorption to a vermiculitic subsoil via hydrophobic bonding. Environmental Science and Technology. 1995. Vol. 29, № 2. Р. 312–320. 92 53. Li Z., Willms С.А., Kniola K. Removal of anionic contaminants using surfactant- modified palygorskite and sepiolite. Clays and Clay Minerals. 2003 Vol 51, № 4. P. 445–451 54. Ковальчук І.А., Голембіовський А.О., Корнілович Б.Ю. Сорбція іонів Cr (VI) і U (VI) палигорськітом, модифікованим катіонними поверхневоактивними речовинами. Доповіді НАН України. 2011. № 11. С. 131–136. 55. Жданюк Н. В., Биков О.І. Характеристика органофілізованого палигорскіту та його спорідненість до хроматів. Вісник НТУ «ХПІ». Механіко-технологічні системи та комплекси. 2017. № 19 (1241). C. 11–. 56. Krajewska В. Membrane-based processes performed with use of chitin/chitosan materials / В. Krajewska // Separation and purification technology. – 2005. – Vol. 41. – № 3. – Р. 305–312. 57. Kmita К. Controlled functionalization of the polysaccharide chitin / К. Kmita // Progress in polymer science. – 2001. – Vol. 26. – № 9. – Р. 1921–1971. 93 Затверджено на засіданні кафедри харчових технологій Зав. кафедри _____________ Осипенкова І.І. «____»______________ 2023 р. Протокол № ____ від «___»________ 2023р. РОБОЧА ПРОГРАМА магістерської роботи на тему: «Удосконалення технології очистки води з використанням нетрадиційних сорбентів у технології безалкогольних напоїв» Виконавець: магістрант Я.О. Мамонтова Керівник: к.т.н., доцент Н.А.Нагурна Черкаси 2023 94 ПЛАН АННОТАЦІЯ ВСТУП 1 ТЕХНОЛОГІЯ ОЧИСТКИ ВОДИ В БЕЗАЛКОГОЛЬНОМУ ВИРОБНИЦТВІ (АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ) ………. 1.1 Класифікація домішок і забруднень води 2 Аналіз вимог до води за органолептичними, фізико-хімічними та токсичними показниками 3 Аналіз методів очистки води для безалкогольного виробництва 3.1 Особливості сорбційного очищення води від важких металів 3.2 Застосування модифікованих мінералів для очищення води 2 ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ 2.1 Аналіз сировини 2.2 Аналіз адсорбентів 2.3 Методи дослідження 3. РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА 3.1 Сорбційні характеристики зразків цеолітів, модифікованих хітозаном 3.2 Сорбційні характеристики зразків вермикулітів, модифікованих хітозаном 3.3. Вивчення процесів сорбції композиційними сорбентами 3.4. Математично-статистична обробка результатів дослідження 3.5 Аналіз води підготовленої для виробництва лікеро-горілчаної продукції. 4. УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИСТКИ ВОДИ 4.1 Принципово-технологічна схема застосування сорбційних матеріалів для очищення води 4.2 Апаратурно-технологічна схема очистки води 5. РОЗРАХУНОК СОЦІАЛЬНО-ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ 6. ОХОРОНА ПРАЦІ 6.1 Аналіз потенційно-шкідливих факторів на робочому місці і їхній 95 вплив на здоров’я працюючих……………………….. 6.2 Заходи по забезпеченню охорони праці та техніки безпеки в лабораторії…………………………………………………………. 6.3 Заходи забезпечення електробезпеки…………………………….. ВИСНОВКИ СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 96