Снабжение населения питьевой водой в достаточном количестве имеет важное социальное и санитарно-эпидемиологическое значение и относится к числу важнейших факторов охраны здоровья.

Несмотря на то, что вода не является собственно нутриентом, не обладает пищевой и энергетической ценностью, она принимает участие практически во всех жизненно важных процессах обмена: способствует пищеварению, служит растворителем для неорганических и органических соединений, удаляет из организма вредные продукты метаболизма, регулирует содержание солей в тканях и жидкостях, участвует во множестве других реакций метаболизма.

Макро- и микроэлементный состав воды может служить источником необходимых в рационе пищевых нутриентов. С другой стороны, содержание в воде некоторых химических элементов может оказывать токсическое действие на организм человека и регламентируется санитарными правилами и нормами.

На предприятиях пищевой промышленности в производстве продуктов питания в основном используется вода из системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. В ряде случаев к воде предъявляют дополнительные требования, связанные с особенностями технологий, качеством и назначением продукции [1].  

Проблема использования воды в пищевой промышленности является одной из ключевых. Можно выделить три аспекта значения качественного и количественного состава химических компонентов в воде, используемой в технологических процессах пищевой промышлен-ности. Первый аспект – возможность интоксикации потребителей продукции, произведенной на основе воды с повышенной концентрацией химических компонентов. Второй аспект – возможность химического взаимодействия между веществами, содержащимися в воде, и основными компонентами пищевых продуктов, что снижает качество и безопасность готовой продукции. Третий аспект – повышенное содержание химических компонентов в воде может изменять органолептические показатели продукции или ход технологических процессов.

Для воды, используемой в молочном производстве, требования устанавливаются по СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.
 

Контроль качества», но с ограничением по общей минерализации, содержанию железа, марганца, солей жесткости, фенола, галогенорганических соединений (табл. 1).

Солесодержание влияет на органолептические параметры и растворимость сухих веществ, величина рН определяет скорость протекания химических реакций, влияет на запах, привкус и внешний вид воды. Повышение жесткости воды способствует снижению скорости растворения сухих молочных продуктов, а в восстановленном продукте переработки молока – понижению устойчивости белковой фазы с повышением риска преждевременной коагуляции, а также термостойкости восстановленных продуктов. Предотвратить эти процессы можно умягчением воды [2, 3].

В производстве мясопродуктов повышение жесткости воды влияет на способность мышечных белков удерживать воду в процессе технологической обработки (варки), снижает потребительские свойства и выход продукта. По остальным показателям вода, используемая в мясной промышленности, должна соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 (табл. 2).

В производстве хлебобулочных изделий качество воды оказывает влияние на интенсивность брожения и органолептические свойства теста и готовых изделий. Для улучшения структурно-механических свойств полуфабрикатов и готовых изделий, увеличения выхода хлеба за счет повышения влажности теста и повышения безопасности хлеба необходимо воду системы хозяйственно-питьевого водоснабжения дополнительно подвергать очистке от железа, солей жесткости, хлорорганических соединений [4, 5].

Таблица 1 – Требования к качеству воды
для восстановления сухого обезжиренного молока

Table 1 – Water quality requirements
for powdered skimmed milk recombination

Таблица 2 – Требования к качеству воды

Table 2 – Water quality requirements

В системе детского питания вода используется как для непосредственного потребления, являясь самостоятельным пищевым продуктом, так и в качестве компонента рецептуры пищевых продуктов [6]. В производстве продуктов детского питания используется вода только высшей категории качества (табл. 3).

Сравнительный анализ показателей качества питьевой воды СанПиН 2.1.4.1074-01 и воды для пищевых производств (табл. 1–4) показывает, что вода системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения нуждается в дополни-тельной очистке от солей жесткости (умягчение), железа (обезжелезивание), марганца (деманганация), минеральных солей (деминерализация) и органи-ческих соединений, а также в обеззараживании.

Для удаления солей жесткости на предприятиях пищевой промышленности в основном используется ионный обмен. Сущность процесса заключается
в способности ионообменных смол (ионитов) обменивать содержащиеся в них ионы на эквивалентное количество ионов, присутствующих в растворе. Удаление солей жесткости осуществляется путем фильтрования воды через слой катионита
КУ-2 (КБ-4) в натриевой форме. Процесс требует затрат ручного труда и большого расхода химических реагентов, также в результате промывки ионитов после регенерации образуются сточные воды. По мере эксплуатации физико-химические свойства ионитов ухудшаются за счет механического износа, деструкции полимерных материалов и «отравления» ионитов в результате необратимой сорбции органических веществ.
В настоящее время разработаны сорбенты на основе минерального сырья – бентонитовых глин, модифицированных минеральными базальтовыми волокнами и парафином и обладающих удовлетворительной обменной емкостью [7].

Таблица 3 – Требования
к воде высшей категории качества

Table 3 – Top-grade water quality requirements

Для умягчения воды также применяется магнитная обработка. Помимо предотвращения накипи она приводит к интенсификации процессов коагуляции и кристаллизации, ускорению растворения углекислого газа, кислорода и веществ, улучшению бактерицидного действия дезинфенктантов и обеззараживания воды. Обработанная вода биологически активна.

Однако для проявления этих эффектов необходимы определенные условия.

Для чистой воды подобные эффекты не наблюдаются. В общем случае изменение свойств воды после магнитной обработки возрастает с увеличением концентрации примесей в некоторых пределах. Большую роль играет характер примесей. Действие проявляется только в тех системах, где могут возникнуть лоренцевы силы (диполи, ионы, заряженные коллоидные частицы и т. д.), т. е. при перемещении воды относительно поля. Для проявления эффекта в полной мере нужна оптимальная скорость потока. С увеличением скорости эффект увеличивается, затем падает. Необходимо также сравнительно большее время обработки. Наиболее сильно действует на воду низкочастотная обработка: единицы или десятки герц. Эффект обработки, в зависимости
от напряженности поля, находится в полиэкстремальной зависимости и, во всяком случае, немонотонной [8].

Самопроизвольное возвращение водных систем после магнитной обработки в исходное состояние занимает от нескольких десятков минут до нескольких суток (по данным разных авторов). Увеличение температуры ускоряет процесс релаксации. Отсюда можно сделать вывод, что вызванные в системе изменения термодинамически неустойчивы, но процесс релаксации встречает значительные кинетические затруднения.

Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси объясняют поляризационными явлениями и деформацией ионов солей, однако это пока окончательно не выяснено. Гидратация ионов при обработке уменьшается, ионы сближаются и образуют кристаллическую форму соли. В основу одной из теорий положено влияние магнитного поля на коллоидные примеси воды, в основу другой – изменение структуры воды. При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение нерастворимых солей жесткости происходит не на теплопередающей поверхности (нагрева или охлаждения), а в объеме воды.

Таблица 4 – Требования к качеству воды для приготовления водок на экспорт (ТИ-10-04-03-07-90)

Table 4 – Water quality requirements for production
of vodka for further export (ТI-10-04-03-07-90)

Представляет интерес теория, объясняющая механизм воздействия магнитного поля образованием под действием сил Лоренца пластинчатых доменов (аквацелл) – ориентирован-ных молекул воды, стабилизированных ионами. Магнитное поле не «работает», а лишь провоцирует образование водных ассоциатов, т. е. играет роль спускового крючка. При образовании аквацелл энергия не поглощается, а выделяется. Их строение можно представить как сольватный слой коллоидных частиц, развернутый в плоскость или свернутый в сферу. После образования аквацеллы коагулируют, укрупняются, нейтрализуется стабилизирующий заряд на их поверхности, ориентированная структура водных ассоциатов становится неустойчивой, и постепенно аквацеллы разрушаются.

Из-за невысокой концентрации аквацелл такие свойства омагниченной воды, как вязкость, плотность, теплота испарения и т. п., практически не изменяются. В то же время содержащиеся в ней аквацеллы будут оказывать большое влияние на процессы, связанные с образованием новых фаз, адсорбцией, коагуляцией, а также в биологических системах.

В целом литературные сведения о механизме воздействия магнитного поля на диамагнитные жидкие системы довольно противоречивы. Термодинамические расчеты и опытные данные свидетельствуют об отсутствии влияния магнитного поля на физико-химические показатели водных растворов, в особенности дистиллирован-ной воды. Однако имеются положительные результаты промышленного применения этого метода, в частности для предотвращения накипеобразования, для осветления воды после хлорирования (в этом случае скорость осаждения примесей увеличивается в 3–4 раза, а значит, требуются отстойники в 3–4 раза меньшей производительности), в медицине (установлено, что употребление внутрь омагниченной воды повышает проницаемость биологических мембран тканевых клеток, снижает количество холестерина в крови и печени, регулирует артериальное давление, повышает обмен веществ, способствует выделению мелких камней из почек) [9].

Сущность метода магнитной обработки при умягчении состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий мигрирующий тонкодисперсный осадок (шлам) образуется не на поверхности нагрева, а в массе воды, откуда и удаляется [10]. Экспериментально установлено, что скоагулированные до размеров 0,01–0,04 мкм за счет процессов ориентации ферромагнитные частицы намагничиваются и увеличиваются до размеров, позволяющих им исполнять роль центров кристаллизации. На этих центрах происходит кристаллизация ионов СаСO₃ из пересыщенных нестабильных растворов. При отсутствии пресыщения частицы ферромагнетиков, образованные при воздействии магнитного поля, недолговечны и распадаются в течение 5–6 с при выходе из магнитного поля. Ферромагнитные комплексы железа обычно присутствуют в воде в количестве 0,15–0,25 мг/г, чего уже достаточно для магнитной обработки воды. Данный метод эффективен при обработке воды кальциево-карбонатного класса, которая составляет порядка 80 % вод всех водоемов России и охватывает примерно 85 % ее территории. В сравнении с умягчением воды ионным обменом основными преимуществами магнитной обработки являются простота, дешевизна, безопасность, отсутствие реагентного хозяйства и сточных вод.

С целью умягчения воды применяют магнитные аппараты с постоянными стальными или феррито-бариевыми магнитами и электромагнитами. Аппараты с постоянными магнитами удобны и дешевы, но напряженность поля в них невелика и нерегулируема. Более широкие возможности имеют аппараты с электромагнитами, позволяющие создавать магнитное поле с регулируемой напряженностью до 400 кА/м.

Основными параметрами аппаратов водо-обработки магнитным полем являются:

• напряженность магнитного поля в рабочем зазоре аппарата;

• продолжительность пребывания воды в активной зоне магнитного поля;

• градиент напряженности;

• кратность и периодичность воздействия поля на воду;

• скорость движения воды в аппарате.

При магнитной обработке на молекулы воды и примеси действует магнитное поле. Молекулы воды попадают в резонанс с разрушением кластерной структуры. Примеси освобождаются от водных кластеров и могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом уже в холодной воде ионы кальция начинают осаждаться на поверхности свободных примесей (в центрах кристаллизации), образуя так называемые микрокристаллы.

В работе [11] показана эффективность использования магнитной обработки воды
в производстве сывороточных напитков.

Электромагнитные поля (ЭМП) оказывают на воду и водные системы комплексное воздействие, выражающееся в дроблении крупных ассоциатов молекул на более мелкие вплоть до мономолекул, измельчении кристаллов примесей, электрон-радикальной диссоциации воды с образованием гидроперекиси водорода.

В настоящее время в России выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды –
с постоянными магнитами и электромагнитами. Продолжительность пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1–3 м/с.

Зарубежные и отечественные аппараты для обработки воды электромагнитными волнами в диапазоне звуковых частот имеют существенные преимущества перед аппаратами для магнитной обработки воды. Их отличают небольшие габариты, простота монтажа и обслуживания, экологическая безопасность, низкие эксплуатационные расходы. Значительно расширен диапазон условий их применения, в первую очередь для воды с высокой жесткостью, отсутствуют высокие требования по общему содержанию солей, устранен эффект «привыкания» воды. Кроме того, обработанная питьевая вода сохраняет кальций и магний, которые необходимы нашему организму.

Таким образом, устройства данного типа можно использовать не только для защиты теплообменного оборудования, систем горячего водоснабжения и пр., но и для систем очистки и коммуникаций питьевой воды. Еще одно преимущество этих аппаратов – разрушение сформировавшихся ранее отложений солей жесткости в течение 1–3 месяцев.

В России используются поставляемые из-за рубежа аппараты «Water King» (фирма «Lifescience Products LTD», Великобритания), «Aqua» (фирма «Trebema», Швеция), а также аппараты отечественного производства серии «Термит» (предприятие «Экосервис Технохим»).

Для очистки воды от железа и марганца используют каталитическое окисление с последующей фильтрацией. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления). Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца (MnO₂) – Birm, Greensand, Filox, Pyroiox и др. Эти фильтрующие «засыпки» отличаются между собой как своими физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца, и поэтому эффективно работают в разных диапазонах значений параметров, характеризующих воду. Однако принцип их работы одинаков. Железо и – в меньшей степени – марганец в присутствии диоксида марганца быстро окисляются и оседают на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. При его регенерации происходит одновременное истирание поверхности частиц и удаление накопленных загрязнений, но так как каталитический слой располагается по всему объему зерна, то это не приводит к ухудшению его свойств [9]. При эксплуатации зернистых загрузок происходит их интенсивное истирание, вследствие чего уменьшается количество материала в фильтре, поэтому его периодически необходимо подсыпать, что не всегда возможно с точки зрения технологии, к тому же постоянный унос частиц сорбента приводит к выходу из строя дренажных систем и приборов автоматики. Еще одним недостатком зернистых фильтрующих сред является их небольшая динамическая сорбционная емкость (до 0,8 г/л),
т. е. окисленные коллоидные соединения железа и марганца могут проникать со временем по каналам, образованным зернами загрузки. Для обеспечения скоростей фильтрования на уровне 10–12 м/ч необходимо обеспечить высоту зернистой каталитической загрузки не менее 0,75 м.

Наиболее эффективное решение для удаления марганца и железа – использование нового фильтрационного материала Baufilter, который по своим свойствам замещает кварцевые пески, цеолиты, марганцевые руды и их комбинации (Birm, Greensand, ОДМ-2Ф, Сорбент AC, MС).

Baufilter – высокопрочный, пористый фильтро-вальный материал, состоящий на 89 % из природных форм диоксида кремния, обладающий высокой стойкостью к истиранию и измельчению в процессе фильтрования. Отличается высокой эффективностью, экономичностью, простотой обслуживания систем, огромной грязеемкостью. Благодаря сферической форме значительно увеличивает пропускную способность систем фильтрации, что уменьшает давление в системе при фильтрации через Baufilter, позволяет уменьшить нагрузку на узлы и агрегаты системы фильтрации, увеличить ресурс оборудования и производи-тельность на 31 %. Обладает уникальными свойствами самостоятельной регенерации при обратных промывках за счет многослойной накатки основного материала с размером слоев не более
60 мк. Эффективно образует внутри фильтров активную коллоидную среду. За счет пористой структуры всегда сохраняет активность сорбции даже при продолжительном использовании материала. Каталитически активные компоненты, входящие в структуру гранулы сорбента, обеспечивают эффективную работу даже при разломе и истирании поверхности материала. Baufilter доказал свою эффективность при очистке воды в Санкт-Петербурге, Севастополе, Тайге (Кемеровская область).

Другим перспективным направлением является использование фильтровально-сорбционных мате-риалов, представляющих комбинацию базальтовых волокон и активированных бентонитовых глин [12]. Повышение сорбционной емкости фильтровально-сорбционного материала обусловлено исполь-зованием базальтовых волокон с развитой структурой, высокой удельной поверхностью и наличием прочного сцепления бентонитовой глины с базальтовыми волокнами. Высокая скорость и полнота реакции ионного обмена на поверхности предлагаемого фильтровально-сорбционного мате-риала достигается за счет применения бентонитовой глины с содержанием монтмо-риллонита не менее 80 %, подвергнутой предварительной содовой активации. Большое содержание монтмориллонита обусловливает высокую ионообменную способность бентонитовой глины. Содовая активация приводит к увеличению активной поверхности монтмориллонита и скорости реакции ионного обмена, что позволяет проводить процесс очистки при высоких скоростях, при этом уменьшается склеивание частиц минерала и сольватные оболочки извлекаемых ионов тяжелых металлов хорошо удерживаются на его поверхности, обеспечивая высокий эффект очистки даже при низких концентрациях загрязняющих веществ в сточных водах.

Фильтровально-сорбционный материал Бенто-сорб-20 использован в системе очистки на предприятии ООО «Алтайский кондитер» и показал высокую степень очистки от марганца и железа [13].

Для снижения общего солесодержания (деминерализации) на предприятиях пищевой промышленности используют ионный обмен и мембранные методы (чаще всего обратный осмос).

Деминерализацию воды с помощью ионного обмена осуществляют путем последовательной обработки воды на катионитовом и анионитовом фильтрах. В начале процесса деминерализации первые порции обессоленной воды сливают в сборник и используют для промывки ионитов.

В загруженной катионитом колонке КУ-2-8чС, через которую проходит фильтрация воды сверху вниз, происходит обмен всех присутствующих в воде катионов на ионы водорода.

Из нижней части катионитовой колонны вода поступает на верх анионитовой колонны, заполненной анионитом АВ-17-8чС, где происходит обмен анионов сильных кислот (SО₄^2-, CI^-, NО₃^-) на гидроксильные ионы (ОН^-) при регенерации анионита каустической содой или на ионы СО₃^2- при регенерации кальцинированной содой.

Деминерализованную воду, выходящую из нижней части анионитовой колонны, собирают в сборник обессоленной воды. После истощения обменной емкости фильтров их подвергают регенерации. При этом образуются кислые сточные воды, которые сбрасывают в канализацию.

Мембранные методы очистки.

Сама идея мембранного разделения смесей заимствована у природы, которая за миллионы лет эволюции живых организмов создала наиболее универсальный и совершенный метод транспорта и разделения с помощью полупроницаемых мембран. Современные мембранные методы подразделяются на электромембранные (электродиализ с ионообмен-ными мембранами, электроионирование) и баромембранные (обратный осмос, ультрафиль-трация, микрофильтрация). Оба процесса основываются на внешней движущей силе для поддержания непрерывного процесса разделения.
В электромембранных процессах в качестве движущей силы используется градиент электрического потенциала, в баромембранных – гидравлическое давление. Разделение смесей мембранными методами, в отличие от других широко применяемых в практике методов, проводится без фазовых превращений и обычно при температуре окружающей среды. Применяемая в мембранных методах аппаратура проще, компактнее, дешевле, а сам процесс более экономичен, менее энергоемок по сравнению с другими, практически безреагентен, позволяет создать замкнутые автоматизированные циклы производств, возвратить в производство обессоленную воду и ценные компоненты стоков. Установлено, что мембранные методы – самые экологичные из всех методов разделения смесей.

Обратный осмос – процесс мембранного разделения, состоящий в преимущественном проникновении через полупроницаемую мембрану растворителя под действием давления, превышающего осмотическое давление раствора.
В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор.
К обратному осмосу относятся процессы, в которых мембрана задерживает частицы эффективным диаметром 0,1–1 нм. Мембраны для обратного осмоса пропускают растворитель, но задерживают на своей поверхности молекулы и ионы растворенных веществ, поэтому могут быть использованы лишь в процессах опреснения и обессоливания. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса, составляет 3–10 МПа.

В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне. При этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на удалении механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активного угля.

Эффективность обратноосмотических мембран в основном характеризуется производительностью Q и селективностью φ.

Высокими рабочими характеристиками обладают мембраны, изготовленные из ацетилцеллюлозы, ацетона и раствора перхлората магния, полиамидов, ароматических полисульфонов.

В современные обратноосмотические установки входит система опреснительных аппаратов, схемы совместной работы которых выбираются в зависимости от качества исходной воды, конструкции аппаратов и стоимости электроэнергии.

Отечественной промышленностью выпускаются установки «Енисей» (группы компаний «Нацио-нальные водные ресурсы»), группы «Техмаш»
(Екатеринбург), водоподготовительные комплексы «КОВМ» (Майкоп) и «Аква» (Москва). Комплексы полностью адаптированы к отечественным условиям водоснабжения и по алгоритмам управления, степени автоматизации, функциональным возможностям, применяемым материалам и технологиям сопоставимы с лучшими зарубежными образцами [14].

К настоящему времени тамбовский завод «Комсомолец», ЗАО «Мембраны» и ряд других предприятий организовали производство отечест-венных комплектных систем водоподготовки для ликероводочной и других отраслей пищевой промышленности, соответствующих современному мировому уровню. Аналогичного назначения установки «Шарья-П» выпускаются НПП «Биотех-прогресс» (г. Кириши). Основными недостатками эксплуатации обратноосмотических установок являются повышенные требования к качеству исходной воды и необходимость регенерации мембран. В зависимости от качества исходной воды и режима эксплуатации установок регенерацию проводят 1–6 раз в год 1–2 % растворами органических кислот.

В последние годы на предприятиях пищевой промышленности для получения высокочистой воды начали использовать электродиализ [15].

В основе электромембранных процессов лежит электродиализ – перенос ионов через мембрану под действием электрического поля, приложенного к мембране. Современные теоретические представ-ления о механизме электродиализа базируются на принципах термодинамики необратимых процессов. Электродиализ является сложным процессом, в котором сочетаются явления электролиза, диализа и электроосмоса. Он основан на способности ионообменных мембран избирательно пропускать катионы и анионы. Указанное свойство ионообменных мембран объясняется тем, что в области разбавленных растворов высокая концентрация фиксированных ионов в ионообмен-ных мембранах препятствует проникновению из раствора в мембрану ионов, заряженных одноименно с фиксированными. Поэтому в разбавленных растворах ионообменные мембраны проницаемы только для противоионов. Ионообменные мембраны представляют собой ионообменный материал, имеющий форму гибких листов и пластин. Гетерогенные мембраны – это композиция тонкодисперсного порошка ионита с пластичным полимером. Ионит и полимер образуют две непрерывные фазы. Роль полимера сводится к фиксации частиц, которые обеспечивают однополярную проводимость системы.

По виду переносимых ионов различают следующие виды мембран. Катионитовые мембраны содержат отрицательно заряженные фиксированные группы, и поэтому ток через эти мембраны переносится преимущественно катионами. Анионитовые мембраны имеют положительно заряженные фиксированные группы и пропускают предпочтительно анионы. Универсальные мембраны проницаемы для ионов одного знака заряда независимо от его величины.
В зарядселективных мембранах ток переносится преимущественно ионами определенного знака и определенной величины заряда.

Биполярные мембраны состоят из двух слоев – катионитового (К) и анионитового (А). Иногда между ними помещают третий слой, который играет роль катализатора реакции диссоциации воды. Если эти мембраны включать так, чтобы ток был направлен от анионитового слоя к катионитовому (А→К), то их можно использовать в качестве генераторов ионов водорода и гидроксида. Через полубиполярные мембраны ток переносится в основном тремя видами ионов: противоионами основной мембраны (катионо- или анионообмен-ной) и ионами водорода и гидроксила, генерируемыми на границе раздела основной мембраны и модифицирующего слоя.

Рисунок 1 – Схема многокамерного электродиализатора
с катионо- (К) и анионообменными (А) мембранами

Figure 1 – Scheme of multi-chamber electrodialyzer with cation-exchange (К) and anion-exchange (А) membranes

По типу фиксированных ионов различают следующие монополярные мембраны (в скобках указана природа фиксированного иона): сильнокислотные (-SО₃^-); слабокислотные (-СООН,
-ОН, -Н₂РО₄); сильноосновные N⁺; слабоосновные -NH₃⁺, =NH₂⁺ и др.; амфотерные (содержат кислотные и основные группы различной силы).

Отечественной промышленностью освоен выпуск мембран: МК-40, МК-40Л, МК-41, МК-42, МНК, МК-100М, МА-40, МА-41, МА-41Л, МБ-1, МБ-2, МБ-3, МБ-4.

Сущность обработки растворов электродиализом в многокамерном аппарате заключается в том,
что под действием электрического поля катионы
и анионы электролита мигрируют, соответственно, через катионо- и анионообменные мембраны по направлению к катоду и аноду (рис. 1). Перенос электролитов осуществляется из четных камер в нечетные. Миграции катионов из нечетных камер в четные препятствуют анионитовые, а миграции анионов – катионитовые мембраны. Таким образом, в четных камерах происходит деминерализация раствора, в нечетных – его концентрирование.
В результате исходный раствор можно разделить на два потока – обессоленный (дилюат) и концентри-рованный (рассол). В электродных камерах будет происходить разряд соответствующих ионов, при этом в катодной камере раствор подщелачивается, в анодной – подкисляется. Эффективность электродиализа зависит от свойств применяемых мембран. Мембраны должны обладать малой скоростью свободной диффузии, низкой осмотической проницаемостью при высокой ионной селективности и высокой электрической проводимости.

Вода, подаваемая на электродиализ, должна соответствовать определенным требованиям, обусловленным тем, что многие вещества, для которых ионообменные мембраны непроницаемы, осаждаются в камерах аппарата, увеличивая их электрическое и гидродинамическое сопротивление. «Отравление» ионообменных мембран производится чаще всего веществами, находящимися в кол-лоидном состоянии, и веществами, имеющими малую подвижность в фазе ионита [16]. В связи с этим большинство исследователей считают, что основной задачей подготовки воды перед электродиализом является возможно полное удаление этих примесей. При эксплуатации электродиализных опреснительных установок рекомендуется поддерживать следующий
состав воды, подаваемой в электродиализатор: окисляемость, мг O₂/дм³: 3–5; содержание взвешенных веществ, мг/дм³: 1–2; содержание железа и марганца (суммарное), мг/дм³: 0,05.

Технология подготовки воды перед электродиализом должна рассматриваться в каждом конкретном случае отдельно. На практике наибольшее распространение получила схема, включающая хлорирование воды, коагуляцию
(с последующим отстаиванием и фильтрацией) и ионный обмен.

При электродиализе возможно образование осадков в камерах. Чаще всего осадок образуется в камере концентрирования, так как именно здесь, в «принимающих» слоях около мембран, достигается максимальная концентрация ионов, образующих труднорастворимые соединения. Для борьбы с образованием осадков в камерах электродиализа-торов наиболее часто применяют подкисление рассола, реверс тока, ионообменное умягчение опресняемой воды, изъятие дефектных рамок, периодическую разборку аппарата с чисткой
и заменой мембран, интенсивную рециркуляцию раствора.

В настоящее время налажено производство электродиализных аппаратов различной производи-тельности, предназначенных для получения высококачественной воды: серия LX-X («Центр водных технологий», Москва), ЭДС-0,5 (ИНХ СО РАН, Новосибирск), ЭДУ (ОАО «Тамбовмаш», Тамбов).

Для пищевой промышленности центром «Мембранные технологии» при КубГУ
г. Краснодар освоен выпуск электромембранных комплексов ЭМК-01, ЭМК-05, ЭМК-1, включающих электродиализные аппараты (табл. 5).

Таблица 5 – Основные технико-экономические характеристики электромембранных комплексов

Table 5 – Main technical and economic characteristics
of electromembrane complexes

Состав установок:

• Блок предподготовки исходной воды: аппарат для электрохимического умягчения воды с нерастворимыми электродами, ионообменными мембранами и насадкой ионообменного материала в псевдоожиженном состоянии.
• Блок электромембранной очистки и кондициони-рования воды: электродиализаторы с ионооб-менными гранулами в камерах обессоливания толщиной в одно зерно и электродиализаторы
  с профилированными мембранами.
• Блок контроля и автоматики.

Основные технические показатели установок:

• Производительность: 20, 50, 100, 500, 1000,
  10 000 л/час.
• Электропитание: однофазное – 220 В.
• Удельные энергозатраты: не более 3 кВт ∙ ч/м.
• Режим работы: непрерывный.
• Исходная вода – водопроводная:

– химические показатели: согласно ГОСТ-2761-84;

– сетевое давление: 1–2 атм;

– оптимальная температура: 15–35 °С;

– диапазон обессоливаемых растворов: от 1000
до 0,1 мг/дм³.

• Расход воды на собственные нужды: не более
  25 %.
• Потребление химических реагентов: нет.
• Готовый продукт: вода деионизованная.

Дополнительно поставляемое оборудование:

• Буферная емкость с водоподогревателем и насосом необходимой производительности.
• Накопительная емкость с системой транспортирования и раздачи деионизованной воды.
• Блок стерилизующей фильтрации (для медицинских и фармацевтических производств).
• Электрические преобразователи для адаптации к любому стандарту электроснабжения (трехфазное напряжение, однофазное напряжение 127/220 В, частота 50/60 Гц, постоянное напряжение 24/27 В, напряжение с высоким уровнем пульсаций).

Получаемая вода соответствует нормативному документу: РД «Производственно-технологический регламент на производство водок и ЛВИ»
ТР 10-04-03-09-88, 1990, Ч. 1.

Установки внедрены на ряде ликеро-водочных предприятий Краснодарского края.

Очистка от органических примесей.

Природная вода, как правило, содержит фенол. Взаимодействуя с хлором при первичном хлорировании воды, он частично превращается в хлорфенол. В летний период за счет распада высшей растительности и отмирания планктона, особенно низших водорослей и лучистых грибков, в поверхностных водоемах появляется хлороформ. Более того, хлороформ и другие галогенсодержащие органические соединения образуются в процессе водоподготовки на стадии хлорирования при взаимодействии хлора с гумусовыми веществами. Побочные продукты обработки природной воды хлорагентами помимо токсичного и канцерогенного действия могут взаимодействовать с основными компонентами пищевых продуктов, снижая их безопасность и качество. Вода, содержащая органические контаминанты, не может быть использована для питьевых целей и в производстве продуктов питания без дополнительной очистки.

На предприятиях пищевой промышленности для глубокой очистки воды используют в основном обратноосмотические установки. Однако следует отметить, что фенол недостаточно хорошо (до 65 %) задерживается даже высокоселективными обрат-ноосмотическими мембранами из-за растворения и диффузии в полимерной матрице [17]. Также плохо удаляется хлороформ, а дихлорметан практически не удаляется [18].

Наиболее эффективным методом очистки водных растворов с низким содержанием органических веществ является адсорбция.

Метод адсорбции базируется на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты газовой смеси.

В общем случае причина адсорбции – нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т. е. наличие адсорбционного силового поля. Тело, создающее такое поле, называется адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, – адсорбтивом, уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс обратной адсорбции называется десорбцией.

Природа адсорбционных сил может быть весьма различной. Если это вандерваальсовы силы, то адсорбция называется физической, если валентные (т. е. адсорбция сопровождается образованием поверхностных химических соединений) – химической, или хемосорбцией. Отличительные черты хемосорбции – необратимость, высокие тепловые эффекты (сотни кДж/моль), активированный характер. Между физической и химической адсорбцией существует множество промежуточных случаев (например, адсорбция, обусловленная образованием водородных связей). Возможны также различные типы физической адсорбции: наиболее универсально проявление дисперсионных межмолекулярных сил притяжения, т. к. они приблизительно постоянны для адсорбентов с поверхностью любой химической природы (так называемая неспецифическая адсорбция). Физическая адсорбция может быть вызвана электростатическими силами (взаимодействие между ионами, диполями или квадруполями). При этом адсорбция определяется химической природой молекул адсорбтива (так называемая специфическая адсорбция). Значительную роль при адсорбции играет геометрия поверхности раздела: в случае плоской поверхности говорят об адсорбции на открытой поверхности, при слабо или сильно искривленной поверхности – об адсорбции в порах адсорбента.

Адсорбция зависит от особенностей строения молекул растворенного вещества, таких как длина цепи, структура кольца, расположение и природа заместителей ароматического кольца, наличие полярных групп, физическое состояние молекул в растворе.

Одним из определяющих факторов адсорбции органических веществ является растворимость, которая связана с природой органического соединения, размерами и конфигурацией молекул и наличием функциональных групп, способных образовывать водородные связи. Чем больше величина растворимости, тем меньше снижение мольной свободной энергии по абсолютному значению и тем более низкой величины адсорбции следует ожидать.

Растворитель влияет на процесс адсорбции в трех направлениях, связанных с его взаимодействием: с растворенным веществом
в растворе, с адсорбентом и адсорбатом. Изучение структуры растворителя позволяет получить информацию, которая помогает интерпретировать данные, полученные при исследовании
процесса адсорбции.

При увеличении температуры раствора наблюдается наложение двух факторов: экзотермичности процесса адсорбции и изменения растворимости избирательно адсорбирующегося компонента. Отмечается, что эффект изменения адсорбции вследствие изменения растворимости вещества является доминирующим по сравнению с эффектом, обусловленным экзотермическим характером адсорбции.

Природа адсорбента определяет пористую структуру и состав функциональных групп
на поверхности адсорбента, что, в свою очередь, оказывает влияние на тип взаимодействия
между извлекаемым веществом и адсорбентом
(табл. 6, 7) [19].

Таблица 6 – Параметры пористой структуры промышленных углей

Table 6 – Parameters of the industrial-grade
activated carbons pore structure

Таблица 7 – Состояние поверхности активных углей

Table 7 – Activated carbons surface condition

Таблица 8 – Параметры адсорбции органических веществ
из водных растворов наиболее часто используемыми в практике активными углями

Table 8 – Adsorption parameters of organic substances from aqueous solutions with activated carbons frequently used in practice