Способ и устройство для уменьшения попадания наночастиц активированного угля в смесь воды и этилового спирта

Способ и устройство для уменьшения попадания наночастиц активированного угля в смесь воды и этилового спирта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам очистки жидкостей, а именно очистки от нежелательных примесей смесей воды и этилового спирта, и может быть использовано в медицине, пищевой промышленности.

Этиловый спирт, используемый в пищевой промышленности и в медицине, получается путем дрожжевого брожения и ферментации сахаров, содержащихся в корнеплодах картофеля, свеклы, в зернах пшеницы и кукурузы. Предельная концентрация этилового спирта в воде в результате такого брожения не превышает 7-12%. Для повышения концентрации этилового спирта и удаления ряда нежелательных примесей используют многократную повторную дистилляцию. Количество этапов выполнения повторной дистилляции ограничено соображениями экономии энергии и необходимостью сохранения вкусовых качеств спиртосодержащих продуктов. В связи с этим дальнейшее удаление примесей осуществляется путем фильтрации спиртоводной смеси.

Подавляющее большинство современных технологий приготовления спиртоводных смесей, используемых в пищевой и медицинской промышленности, предусматривают применение активированного угля для удаления из раствора этилового спирта нежелательных примесей. Высокая эффективность активированного угля как адсорбента обусловлена тем, что гранулы угля содержат поры, значительно увеличивающие общую его сорбционную площадь. Общая площадь наружной поверхности гранул угля составляет от 10 до 20 см²/г. Площадь внутренних пор примерно на 6 порядков превышает площадь наружной поверхности и достигает 500-1500 м²/г. По своему диаметру поры принято разделять на микропоры (диаметр меньше 2 нм), мезопоры (диаметр от 2 до 50 нм) и макропоры (диаметр более 50 нм). Для повышения эффективности очистки в известных технологиях очистки спиртоводных смесей принято сочетать различные типы активированного угля, отличающиеся по диаметру пор. В патенте РФ №2107679 (МПК6 C07C 31/08, C07C 29/76, C12C 3/08, C12H 1/04) приведены примеры различных сочетаний объемов слоев активированного угля, используемого в адсорберах для очистки спиртоводных смесей.

До недавнего времени считалось, что использование активированного угля не влечет за собой каких-либо дополнительных отрицательных последствий с точки зрения угрозы для здоровья человека, употребляющего очищенные жидкости в пищу и в качестве наружных и внутренних лекарственных средств. В последнее время в связи с бурным развитием нанотехнологий появились новые данные, заставляющие по иному взглянуть на безопасность использования активированного угля в качестве сорбента при очистке пищевых продуктов и лекарственных средств.

Относительно недавно было установлено, что наночастицы с наружными размерами меньше 1 мкм представляют собой серьезную угрозу для потребителей пищевых продуктов и лекарств, содержащих указанные включения даже в относительно небольших количествах. Это связано с тем, что природа не наделила биологические клетки защитными барьерами, препятствующими проникновению в них наночастиц. Организм любого человека также не содержит каких-либо защитных барьеров, препятствующих проникновению с пищей и лекарствами наночастиц в кровь и в жизненно важные органы.

Следует отметить, что большинство наночастиц, окружающих нас, ассоциируются с молекулами различных химических элементов. Степень безопасности и биологическая активность таких наночастиц определяется химическими свойствами соответствующих элементов или соединений. Но существуют и такие наночастицы, биологическая активность которых не может быть объяснена только химическими свойствами. К числу таких наночастиц относятся тяжелые металлы, углеродные нанотрубки и наноразмерные гранулы активированного угля. В виде микрочастиц эти элементы биологически пассивны, в то время как в виде наночастиц эти элементы биологически чрезвычайно активны.

Спиртоводные смеси широко используются при производстве многих пищевых продуктов и лекарственных препаратов. В процессе своего производства спиртоводочные смеси проходят многоэтапную очистку с помощью активированного угля. Однако на сегодняшний день не предусмотрено каких-либо специальных мер для предотвращения попадания наночастиц, и прежде всего наночастиц активированного угля, в спиртоводные смеси. В частности, указанное замечание относится к производству водки, спиртоводочных изделий и медицинского спирта. Современные мембранные фильтры, используемые в пищевой промышленности, способны улавливать частицы лишь диаметром больше 0.5 мкм.

Наиболее близким по сути к заявляемому изобретению является «СПОСОБ ОБРАБОТКИ СПИРТО-ВОДНОЙ СМЕСИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДКИ» (патент РФ №2142502, МПК 6 C12G 3/08, C12H 1/04). В известном способе обработки спиртоводной смеси для обработки водки предусмотрена подача исходной спиртоводной смеси на фильтрующий элемент, выполненный в виде сильфона, стенки которого изготовлены из пористого гофрированного в поперечном направлении материала толщиной 6.5 мм. Диаметр пор переменный и со стороны входа жидкости изменяется в пределах от 4 мкм до 2 мкм, а на выходе обработанной смеси диаметр пор составляет 0.7 мкм. Поры заполнены порошком активированного угля и полиаминоэпихлоргидриновой смолой. Основным недостатком известного способа является то, что в нем не предусмотрено мер для предотвращения попадания наночастиц активированного угля диаметром менее 0.7 мкм в очищаемую спиртоводную смесь.

Технической задачей изобретения является уменьшение вероятности попадания в спиртоводную смесь наночастиц активированного угля, применяемого для очистки от химических загрязнений спирта и воды, используемых затем для приготовления смеси в заданной концентрации, а также для очистки полученной спиртоводной смеси от посторонних химических примесей.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что предназначенную для очистки спиртоводную смесь подают под давлением в нижнюю часть колонны адсорбера, заполненную порошковым активированным углем, а очищенную спиртоводную смесь отбирают из верхней части колонны адсорбера, при этом согласно изобретению находящийся в адсорбере гранулированный или толченный активированный уголь непосредственно перед его использованием подвергают сепарации по размерам с целью вымывания из него гранул или частиц с размерами, меньшими 1 мкм, при этом промывочную жидкость подают в верхнюю часть колонны адсорбера через гидровибратор, формирующий в потоке промывочной жидкости продольные гидроакустические волны в широкой полосе частот (от 10 Гц до 20 кГц), а использованную промывочную жидкость отводят из нижней части колонны адсорбера через мембранный фильтр, имеющий поры порядка 1÷3 мкм, кроме этого, скорость потока промывочной жидкости устанавливают большей в 10÷100 раз по сравнению со скоростью потока спиртоводной смеси во время ее фильтрации в адсорбере в рабочем режиме. Наличие продольных гидроакустических волн и высокая скорость промывочной жидкости способствуют активации наночастиц (разрыв механических связей за счет сил Ван-дер-Ваальса) и более эффективному их вымыванию.

Поставленная техническая задача также достигается за счет того, что в процессе промывки активированного угля в колонне адсорбера корпус последнего подвергают дополнительным ударным вибрационным воздействиям и встряхиванию в вертикальном направлении амплитудой 2÷10 мм и частотой 0.25-1 Гц.

Поставленная техническая задача также достигается за счет того, что в процессе промывки активированного угля в колонне адсорбера мембранный фильтр подвергают вибрационным воздействиям частотой 10-400 Гц амплитудой 1÷3 мм в перпендикулярном направлении к плоскости мембранного фильтра. Подобная мера способствует очистке пор фильтра от застрявших в них частиц угля [Гончаревич И.Ф., Урьев Н.Б., Талейсник М.А. Вибрационная техника в пищевой промышленности. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 278 с.].

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Во время промывки угольного порошка в адсорбере создаются благоприятные условия, способствующие форсированному вымыванию наночастиц из угольного порошка. Этому способствуют следующие факторы:

Во-первых, подача промывочной воды сверху адсорбера обеспечивает увеличение сил, воздействующих на каждую частицу угольного порошка. Действительно, в рабочем режиме фильтрации гидродинамическая и гидростатическая силы действуют на частицу вертикально вверх, а сила тяжести действует вниз. Результирующая сила F_P в рабочем режиме будет равна

F_P(r)=(ρ_В-ρ_У)·V(r)·g+F_Стокса(r),

где ρ_У и ρ_В - соответственно плотности угольных частиц и воды, V(r) - объем угольной частицы радиуса r, g - ускорение свободного падения.

В режиме промывки угольного порошка результирующая сила F_П будет равна

F_П=(ρ_У-ρ_В)·V(r)·g+F_Стокса(r)

Несложно заметить, что если средняя плотность угля больше плотности воды, т.е. ρ_У>ρ_В, то действующая на частицы сила во время промывки будет больше силы, действующей на частицы в рабочем режиме, т.е. F_П>F_Р.

Во-вторых, гидроакустические волны, генерируемые в промывочной жидкости в широкой полосе частот, вызывают резонансные возбуждения частиц угля с разными диаметрами и с разными резонансными частотами. За счет этого многократно ускоряется процесс вымывания наночастиц из рабочего объема активированного угля.

В-третьих, встряхивание корпуса адсорбера активизирует частицы угля и способствует их ускоренному вымыванию. Кроме этого, в результате встряхивания корпуса адсорбера и вибраций мембранного фильтра последний очищается от застрявших в нем микрочастиц активированного угля.

Адсорбер (фиг.1) представляет собой герметичный разъемный цилиндрический пластмассовый сосуд 1 высотой 15 см, установленный вертикально. В нижний и верхний торцы адсорбера вмонтированы штуцеры 2 с установленными в них мембранными фильтрами 3. Диаметр пор в мембранных фильтрах составляет 3 мкм. В адсорбер засыпают 1 кг порошкового березового активированного угля 4 марки БАУ-А. Спиртоводная смесь, предназначенная для фильтрации, подается в адсорбер под давлением через нижний штуцер 2н. Скорость фильтрации спиртоводной смеси в рабочем режиме устанавливают равной 0,2 л/мин.

Промывочная вода подается в адсорбер через гидровибратор 5 и через верхний штуцер 2в. Во время промывки угля скорость потока промывочной воды через адсорбер устанавливают равной 2 л/мин.

Для предотвращения засорения пор фильтра 3н частицами активированного угля в нижнюю часть адсорбера установлен вибратор 6, выполненный, например, в виде закрепленной на корпусе адсорбера катушки электромагнита и подвижного ферромагнитного сердечника, жестко связанного с фильтром 3н. В процессе промывки адсорбера на катушку вибратора 6 подают синусоидальное напряжение частотой 10-400 Гц.

На фиг.2 представлен спектр акустических колебаний вблизи струи воды, снятый в диапазоне частот 9 Гц - 21 кГц. Расход воды во время проведения измерений составлял 5 л/мин.

Из приведенного на фиг.2 графика видно, что неравномерность звукового давления в полосе частот от 10 Гц до 1500 Гц не превышает ±10 дБ, а в полосе частот от 1500 Гц до 5000 Гц имеется 7 узкополосных пиков, превышающих средний уровень звукового давления на 15-20 дБ. За исключением указанных пиков неравномерность звукового давления в полосе частот от 10 Гц до 15000 Гц не превышает ±10 дБ. На частотах выше 15 кГц уровень звукового давления монотонно снижается. На частоте 20 кГц уровень звукового давления снижается на 30 дБ относительно уровня на низких и средних частотах.

Реализация способа поясняется следующими примерами.

Пример 1. В адсорбер засыпают 1 кг порошкового березового активированного угля 4 марки БАУ-А. Спиртоводная смесь, предназначенная для фильтрации, подается в адсорбер под давлением через нижний штуцер 2н. Скорость фильтрации спиртоводной смеси в рабочем режиме устанавливают равной 0.2 л/мин.

Промывочная вода подается в адсорбер через гидровибратор 5 и через верхний штуцер 2в. Во время промывки угля скорость потока промывочной воды через адсорбер устанавливают равной 2 л/мин.

Для предотвращения засорения пор фильтра 3н частицами активированного угля в нижнюю часть адсорбера установлен вибратор 6, выполненный, например, в виде закрепленной на корпусе адсорбера катушки электромагнита и подвижного ферромагнитного сердечника, жестко связанного с фильтром 3н. В процессе промывки адсорбера на катушку вибратора 6 подают синусоидальное напряжение частотой 10-400 Гц.

Пример 2. Промышленный адсорбер представляет собой герметичный цилиндрический металлический сосуд высотой 4,7 м, установленный вертикально. Конструктивно промышленный адсорбер не отличается от лабораторного варианта по набору функциональных элементов.

Предлагаемый способ и устройство для уменьшения попадания наночастиц активированного угля в смесь воды и этилового спирта позволяют производить очистку спиртоводной смеси от гранул или частиц с размерами, меньшими 1 мкм.

1. Способ уменьшения попадания наночастиц активированного угля в спиртоводную смесь этилового спирта и воды в процессе очистки от посторонних химических соединений, заключающийся в том, что предназначенную для очистки спиртоводную смесь подают под давлением в нижнюю часть колонны адсорбера, заполненного порошковым активированным углем, а очищенную спиртоводную смесь отбирают из верхней части колонны адсорбера, отличающийся тем, что находящийся в адсорбере гранулированный или толченый активированный уголь, непосредственно перед его использованием подвергают сепарации, при этом промывочную жидкость подают в верхнюю часть колонны адсорбера через гидровибратор, формирующий в потоке промывочной жидкости продольные акустические волны в широкой полосе частот, а использованную промывочную жидкость отводят из нижней части колонны адсорбера через мембранный фильтр, имеющий поры порядка 1÷3 мкм, при этом скорость потока промывочной жидкости устанавливают в 10÷100 раз больше, чем скорость потока спиртоводной смеси во время ее фильтрации в адсорбере в рабочем режиме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе промывки активированного угля в колонне адсорбера корпус последнего подвергают ударным вибрационным воздействиям амплитудой 2÷10 мм и частотой 0,25-1 Гц в вертикальном направлении.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе промывки активированного угля в колонне адсорбера мембранный фильтр подвергают вибрационным воздействиям частотой 10-400 Гц амплитудой 1÷3 мм в перпендикулярном направлении к плоскости фильтра.

4. Устройство для уменьшения попадания наночастиц активированного угля в смесь воды и этилового спирта, состоящее из корпуса, верхнего и нижнего штуцеров, отличающееся тем, что в нижний и верхний штуцеры вмонтированы мембранные фильтры, при этом верхний штуцер дополнительно снабжен гидровибратором, нижний - вибратором.