Визначення показників якості індивідуальних потоків борошна із заводу зі скороченою схемою технологічного процесу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Визначення показників якості індивідуальних потоків борошна із заводу зі скороченою схемою технологічного процесу. Очищення води від іонів важких металів відстоюванням, нанофільтруванням та флотацією

Дмитро Жигунов, Василина Ковальова, Михайло Ковальов, Олена Коритнюк



Актуальність теми дослідження. Визначення якості індивідуальних потоків борошна на заводі зі скороченою схемою технологічного процесу з використанням міжнародних стандартів - перспективний інноваційний напрям розвитку борошномельної промисловості.

Постановка проблеми. В Україні з пшениці виробляють хлібопекарське борошно вищого, першого, другого сортів і обойне. Пшеничне сортове борошно виробляють із м'якої пшениці або з додаванням не більше 20 % твердої [1]. При сортовому помелу борошно вищого, першого і другого сортів формують шляхом змішування десятків різноякісних потоків борошна з різних систем технологічного процесу, що мають різний набір показників якості, які залежать, у свою чергу, від показників якості зерна, що переробляється, структури технологічного процесу (розвиненості технологічної схеми), режимів роботи систем подрібнення та просіювання [2; 3]. Окремі частини зерна відрізняються структурою, хімічним складом, фізико-хімічними і хлібопекарськими властивостями. Так, борошно певного сорту, що відпускається споживачу, повинно мати обмежувальні показники якості відповідно до вимог стандартів, тому в технології передбачено змішування різноякісних потоків борошна в певному співвідношенні до гомогенного стану, в результаті чого утворюється сорт або тип борошна [4].

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Потоки борошна відрізняються виходом, мають різний набір показників білості, зольності, містять різне співвідношення анатомічних частин зерна (ендосперму й оболонок), а також відрізняються сукупністю показників, що оцінюють хлібопекарські властивості, такими як вміст білка, кількість, пружність

і еластичність клейковини і т. ін. [5]. Знання показників якості борошна на кожній системі й розуміння закономірностей їх зміни залежно від перерахованих вище факторів - запорука ефективного управління ходом ведення технологічного процесу розмелювання зерна з метою отримання найкращих результатів помелу, зокрема максимально можливого виходу сортового борошна з високими хлібопекарськими властивостями [6; 7].

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Аналіз літературних джерел вказує на відсутність досліджень якості українського борошна, отриманого на заводах малої продуктивності зі скороченою схемою технологічного процесу, з використанням сучасних приладів за міжнародними стандартами.

Мета статті. Метою дослідження є визначення основних показників якості борошна і встановлення закономірності їх зміни на різних етапах технологічного процесу із заводу зі скороченою схемою технологічного процесу.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання:

дослідити якість потоків борошна з усіх систем технологічного процесу;

дослідити якість готової продукції, тобто борошна вищого сорту.

Виклад основного матеріалу. Для досягнення зазначеної мети на діючому підприємстві були відібрані зразки борошна з кожної системи технологічного процесу і зразки готової продукції з підприємства із заводу зі скороченої схемою технологічного процесу, розташованого на Півдні України. Схема цього заводу включає:

чотири драні системи (І- IV др.с.), з яких III і IV драні системи поділяються на крупну і дрібну;

три сортувальних системи (Сорт1-Сорт3);

п'ять вимельних систем (Вим1-Вим5);

дві шліфувальні системи (1 шл.с.-2 шл.с.);

п'ять розмелювальних систем (1 р.с.-5 р.с.), з яких 1-а і 2-а розмелювальні системи поділяються на крупну і дрібну;

одна сходова система (Сх. с.).

Згідно зі схемою технологічного процесу передбачено можливість відбору двох сортів борошна з подальшим їх контролем. Завод може працювати за двома схемами: одно- сортний 72-ти % помел борошна вищого сорту та 75-ти % двосортний помел (55 % - вищого сорту та 20 % - першого сорту). На момент відбору зразків завод працював за схемою односортного помелу.

Зразки були згруповані за якістю на різних етапах технологічного процесу: драні системи першої якості (І+ІІ др.с., ІІІ др.кр.с., ІІІ др.др.с.), драні системи вимелу (IV др.с.), сортувальні системи першої якості (Сорт.1, Сорт.2), сортувальні системи вимелу (Сорт.3), сходова система вимелу (Сх.с), шліфувальні системи першої якості (1 шл.с., 2 шл.с.), розмелювальні системи першої якості (1 р.кр.с., 1 р.др.с., 2 р.с., 3 р.с.), розмелювальні системи вимелу (4 р.с., 5 р.с.).

На момент відбору зразків борошна перероблялась помельна партія зерна пшениці ІІ і ІІІ класів у співвідношенні 40 % та 60 % врожаю 2018 року з такими показниками: вологість - 12,8 %; склоподібність - 52 %; натура - 770 г/л; кількість клейковини -

%; якість клейковини - 65 од.

У потоках борошна визначались як основні показники якості, такі як: вологість, білість, зольність, кількість клейковини та її якість, вміст білка, седиментація (за методом Пумпянського) [8], число падіння (ЧП), так і додаткові, які дозволяють більш точно оцінити хлібопекарські властивості: кількість пошкодженого крохмалю (ПК), водопо- глинальна здатність (ВПЗ), реологічні властивості та пробна лабораторна випічка.

Вологість борошна визначалась шляхом висушування зразка масою 5 г у сушильній шафі при температурі 130 °С протягом 40 хв згідно з методикою ГОСТ 9404-88, білість борошна - згідно з методикою ГОСТ 26361-84 на приладі Р3-БЛІК, зольність - шляхом прямого згорання в муфельній печі без прискорювача за методикою ГОСТ 27494-87, кількість клейковини - шляхом відмивання тіста, утвореного при змішуванні 25 г борошна з 14 мл води, від крохмалю й оболонок, якість клейковини - на приладі ВДК згідно з методикою ГОСТ 27839-88, вміст білка на ІК-аналізаторі - Інфратек 1241.

Для оцінки білково-протеїназного комплексу використовують показник седиментації, який у багатьох країнах визначається за тестом Зелені, в нашій роботі ми використовували метод Пумпянського [6], що не потребує спеціального обладнання і затрат великої кількості часу, але має подібний результат.

Для оцінки вуглеводно-амілазного комплексу визначали індекс Хагберга (число падіння, ЧП), який характеризує потенційну активність альфа-амілази на приладі «Falling Number». Метод ґрунтується на швидкій клейстеризації водяної суспензії борошна на киплячій водяній бані з подальшим вимірюванням ступеня розрідження крохмального гелю під дією альфа-амілази [9; 10]. Кількість пошкодженого крохмалю визначали на сучасному автоматизованому на приладі SDmatic фірми Chopin Technologies, що відповідає світовим стандартам AFNOR V03-731, AACC 76-33 і ICC 172. Принцип дії приладу базується на амперометричному методі аналізу пошкодженого крохмалю. Він ґрунтується на вимірюванні поглинання молекул йодиду калію в суспензії молекулами пошкодженого крохмалю. Чим сильніше пошкоджений крохмаль, тим більше молекул виробленого йодиду буде поглинено. Прилад створює і вимірює силу електричного струму в суспензії в ході хімічної реакції. Значне падіння сили струму вказує на великий вміст пошкодженого крохмалю. Результати визначень приладу виражаються як АІ,% (відсоток поглинання йоду), перетворений у UCD (одиниці Шопен-Дюбуа) [13]. Формули, представлені виробником приладу, можуть бути використані для еквівалентних розрахунків в інших одиницях вимірювання. Водопоглинальну здатність і реологічні властивості тіста визначали на сучасному приладі Міксолаб, який дозволяє одночасно оцінити білково-протеїназний і вуглеводно-амілазний комплекси протягом 45 хв згідно з міжнародним стандартом ICC 173/1. Для комплексної оцінки хлібопекарських властивостей борошна проводили пробне лабораторне випікання формового хліба згідно з методикою ГОСТ 27669-88 в перерахунку на 100 г борошна. Зважаючи на вологість борошна, визначали кількість необхідної води для замісу тіста. Відповідно до рецептури додавали дріжджі (3 г), цукор (4 г) та сіль (1,3 г). Замішування й формування тіста проводилося вручну. Бродіння тіста відбувалось у термостаті при температурі (31±1) °С протягом 180 хв. Хліб випікали в лабораторній печі при температурі 220230 °С зі зволоженням пекарної камери. Тривалість випікання хліба складала 20-25 хв.

Результати досліджень

Сортові помели пшениці за скороченою схемою технологічного процесу використовують на млинах відносно невеликої продуктивності (100-130 т/доб.), які розташовані в ма- лонаселених центрах. На цих млинах виробляють два або три сорти пшеничного борошна із загальним виходом 72-78 %, які повинні повністю задовольнити потреби місцевого населення [9]. Саме таким є підприємство з Південного регіону України. У табл. 1 наведено результати визначення показників якості потоків борошна з цього підприємства.

Таблиця 1 Показники якості потоків борошна з заводу зі скороченою схемою

Система	Системи якості	Б, од.	Z, %	К, %	ІДК,од.	P, %	Сед., мл	ЧП, с	UCD, од	ВПЗ, %
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
І+ІІ др.с.	І-ї якості	53	0,54	19,5	64	10,2	30	433	15,8	51
ІІІ др.кр.с.	І-ї якості	55	0,50	28,0	69	9,2	38	360	16,9	60
ІІІ др.др.с.	І-ї якості	51	0,52	23,0	55	8,7	40	405	21,5	56
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
IV др.с.	вимелу	45	0,79	35,6	80	11,8	44	340	26,9	60
Сорт 1	І-ї якості	52	0,50	22,4	53	9,3	33	438	14,9	53
Сорт 2	І-ї якості	52	0,50	27,0	66	10,8	41	411	22,5	57
Сорт 3	вимелу	42	0,82	35,6	86	11,7	43	353	27,8	60
1 шл.с.	І-ї якості	60	0,48	23,8	53	8,9	33	448	16,1	54
2 шл.с.	І-ї якості	58	0,49	28,4	72	10,6	41	382	22,2	58
Сх. с.	вимелу	42	0,62	22,8	80	10,2	30	325	26,3	61
1 р.кр.с.	І-ї якості	64	0,47	25,0	60	10,1	38	423	21,5	55
1 рдрс.	І-ї якості	68	0,45	24,0	46	9,7	31	429	18,8	56
2 р.с.	І-ї якості	62	0,46	26,0	67	10,2	33	365	24,2	60
3 р.с	І-ї якості	54	0,54	25,5	64	10,7	28	345	23,6	60
4 р.с.	вимелу	40	0,66	26,7	76	11,5	21	332	22,1	61
5 р.с.	вимелу	20	0,94	33,6	81	12,2	24	262	23,2	66

Примітка: W, % - вологість, Б; од. - білість, 2; % - зольність; К, % - кількість клейковини; ІДК, од.- якість клейковини; Р, % - вміст білка; Сед., мл - седиментація; ЧП, с - число падіння; ВПЗ, % - водопо- глинальна здатність; UCD, од. - кількість пошкодженого крохмалю.

Основними технологічними показниками, за якими визначають сорт борошна на борошномельних заводах, є білість та зольність. На драних і сортувальних системах І якості значення білості нижчі на 9-11 од. у порівнянні зі шліфувальними і розмелювальними системами І якості. На системах ІІ якості і вимелу як драного, так і шліфувально- розмелювального процесів значення білості знижується до 20 од (5 р.с.). Оскільки значення зольності обернено пропорційні значенню білості (кореляція становить -0,89), то відповідно найвищі значення зольності спостерігаються на системах ІІ якості й вимелу (0,62-0,94 %).

Основними показниками якості борошна, що оцінюють білково-протеїназний комплекс та характеризують хлібопекарські властивості, є кількість і якість клейковини. Борошно, отримане на різних системах, мало неоднаковий хімічний склад і тому помітно різниться як за кількістю, так і за якістю клейковини. Так, на системах І якості драного й сортувального процесів спостерігались невисокі значення кількості клейковини від 19,5 % (І+ІІ др.с.) до 28,0 % (ІІІ др.кр.с.) і від 23,8 % (1 шл.с.) до 28,4 % (2 шл.с.) з досить пружними структурно-механічними властивостями від 53 од. (сорт 1) до 69 од (ІІІ др.кр.с.), і від 46 од (1 р.др.с.) до 70 од (2 шл.с.), відповідно. Найвищі значення кількості клейковини з достатньо еластичними властивостями мали системи вимелу (IV др.с., Сорт.3, 5 р.с.) - 33,6-35,6 % за кількістю і від 80 до 86 од. за якістю.

Вміст білка на всіх системах має невисокі значення, що пов'язано з переробкою зерна з невисоким його вмістом. Найменший вміст мали системи першої якості від 8,7 % (ІІІ др. др.с) до 10,7 % (3 р.с.), а найбільший - на системах вимелу від 10,2 % (Сх с.) до

% (5 р.с.). Такий розподіл вмісту білка за системами властивий і для заводів із розвиненою схемою технологічного процесу [10]. За показником седиментації найкращими хлібопекарськими властивостями володіли зразки борошна з таких систем: ІІІ др.др.с, ІІІ др.кр.с., Сорт 2, Сорт 3, 2 шл.с. - від 40 до 43 мл.

Число падіння, що характеризує амілолітичну активність борошна, зменшувалось від перших систем до останніх як у драному, так і в розмелювальному процесах. Однак значення числа падіння дещо зависокі, що доводить кліматичний вплив на амілолітич- ну активність. Так, на системах першої якості драного й сортувального процесів число падіння коливається в межах від 360 с (ІІІ др.кр.с.) до 438 с (сорт 1), а на драних системах вимелу - від 340 с (ГУ др. с.) до 353 с (сорт 3). Найменше значення числа падіння спостерігалось на 5 р.с. - 262 с., що доводить наявність оболонкових частинок зернівки, де найвища амілолітична активність.

При контролі роботи режимів здрібнювання на борошномельних заводах необхідно слідкувати за значенням пошкодженого крохмалю (ПК) і оптимізувати його, оскільки він може мати як позитивний, так і негативний вплив на хлібопекарські властивості борошна. Низькі значення ПК призводять до низьких значень ВПЗ і низький вихід хліба. Збільшення кількості ПК відповідно збільшує водопоглинальну здатність борошна. Проте надмірно високий рівень ПК веде до формування надто липкого тіста, великого періоду попереднього вистоювання і небажаного потемніння скоринки. Оптимальне значення ПК варіюється залежно від сфери використання борошна, і великою мірою залежить від вмісту білка в борошні, активності альфа-амілази і типу хліба, який випікають з цього борошна. Режими роботи систем на драному, сортувальному, розмелювально-шліфувальному процесах є різними, внаслідок цього змінюється значення пошкодженого крохмалю. Так, на драних системах показник коливається в межах від 15,8 до 26,9 UCD, на сортувальних системах - від 14,9 UCD до 27,8 UCD, на шліфувальних і на розмелювальних - від 16,1 UCD до

UCD. Найменше значення ПК мали зразки з І+ІІ др.с. (15,8 UCD), що характерно для перших драних систем, де найменший зазор між вальцевими верстатами. Найбільше значення спостерігалось на третій сортувальній системі - системі вимелу (27,8 UCD), на якій підприємство намагається досягти максимального вилучення борошна.

Значення ПК суттєво впливають на ВПЗ борошна, саме це показує значення водопо- глинальної здатності потоків із заводу зі скороченою схемою (кореляційний зв'язок між ВПЗ і ПК дорівнює 0,7). Так, на системах, де вміст ПК найменший, і ВПЗ також є найменшою (І+ІІ др.с.) - 51 %, а на третій сортувальній системі, де вміст ПК найбільший, значення ВПЗ також високе - 60 %. Найвище значення ВПЗ на 5 р.с., хоча і значення ПК оптимальне, але на цій системі найбільший вміст білка (12,2 %) і найбільший вміст оболонкових частинок (зольність - 0,94 %).

Рис. 1. Показники якості хліба з борошна на різних системах заводу зі скороченою схемою

За результатами пробного лабораторного випікання, потоки борошна мали невисокі хлібопекарські властивості (рис. 1). На драних і сортувальних системах першої якості об'єм хліба коливався в межах від 380 до 410 см3, на драних і сортувальних системах вимелу - 410 см3, на шліфувальних і розмелювальних системах І від 380-460 см3, що характерно для борошна «середньої» сили [11]. Саме на цих системах спостерігаються найбільший вміст клейковини з помірно еластичними властивостями. Для розмелювальних систем вимелу характерні найгірші показники якості хліба - 350-390 см3, що властиво для «слабкого» борошна.

Реологічні або фізичні властивості тіста, а саме його стійкість до механічного замісу, потребують детального вивчення через те, що від них значною мірою залежать основні результуючі показники хлібопекарської оцінки. Реологічні властивості тіста з усіх зразків борошна були визначені на приладі Міксолаб.

Міксограми зразків борошна із систем першої якості характеризуються низьким індексом ВПЗ (1-3), який залежить, по-перше, від наявності в борошні пентозанів, що містяться в алейроновому шарі й в оболонкових частинах, по-друге, від вмісту білка, чим вище вміст білка, тим вище значення ВПЗ, по-третє, від кількості пошкоджених крохмальних зерен, яка, в свою чергу залежить від режимів роботи вальцьових верстатів, особливо перших шліфувальних та розмелювальних систем. Низький індекс Замісу (13), який залежить від поведінки тіста під час замісу та від його стабільності, вказує на низьку стабільність тіста. Високе значення індексу Глютен+ (6-8) свідчить про міцні структурно-механічні властивості клейковини. Індекси В'язкості (6-8), Амілази (6-8) та Ретроградації (6-8) мають високі значення, що характерно для борошна зі слабкою амі- лолітичною активністю та сильним феноменом клейстеризації крохмалю.

Значення індексів для потоків борошна із систем вимелу мають протилежні значення. Так індекс ВПЗ має високе значення (6-9), що обумовлено наявністю великої кількості оболонкових частинок. Середні індекси Замісу (2-5) та Глютен+ (4-7) вказують на слабкіший клейковинний каркас і низьку стабільність тіста. Для індексів В'язкості (2-4) та Амілази (1-4) характерні невисокі значення, що свідчить про дещо вищу амілолітич- ну активність у порівнянні із системами першої якості.

Борошно вищого сорту цього заводу відповідає вимогам ГСТУ 46.004-99 «Борошно пшеничне. Технічні умови» і мало такі показники якості: білість - 56 од., зольність - 0,55 %, кількість клейковини - 25,2 %, якість клейковини( ІДК) - 60 од. Зразок мав невисокий вміст білка - 10,9 %, середні значення седиментації - 34 мл, занижену амілолі- тичну активність (ЧП) - 380 с, оптимальне значення пошкодженого крохмалю -

UCD та невисоку водопоглинальну здатність - 56 %. Встановлено, що цей зразок борошна мав середні хлібопекарські властивості, що підтверджується невисоким Індексом ВПЗ - 3, низьким Індексом Замісу - 2 та високим Індексом Глютен+ - 8 (рис. 2) та результатами пробної лабораторної випічки хліба: об'єм хліба - 400 см3 з пористістю - 74 %. За органолептичними показниками хліб з даного борошна мав рівномірну але погано забарвлену скоринку з рівномірною пористістю, але з товстостінними порами. продуктивність борошно технологічний стандарт

Рис. 2. Міксограма борошна вищого сорту

Висновки відповідно до статті. На заводі зі скороченою схемою технологічного процесу з Південного регіону встановлено, що:

На системах першої якості білість борошна вища в 1,5-2,5 раза, зольність нижча в 1,3-1,7 раза, кількість клейковини нижча в 1,1-1,3 раза, значення якості (ІДК) нижчі в 1,1-1,4 раза, значення числа падіння вищі в 1,2-1,3 раза, водопоглинальна здатність нижча в 1,1-1,2 раза в порівнянні з системами вимелу.

За показником пошкодженого крохмалю можна робити висновки про режими роботи систем. На цьому заводі встановлено, що в драному процесі режими роботи систем відповідають нормам, про що свідчить найменше значення ПК на І+ІІ др.с. (15,8 UCD), що характерно для перших драних систем, де встановлюється найменший зазор між вальцевими верстатами. Також встановлено, що на сортувальних системах вимелу найбільше значення - 27,8 UCD, на якій підприємство намагається досягти максимального вилучення борошна, що може привести до зниження хлібопекарських властивостей борошна.

За результатами пробного лабораторного випікання, потоки борошна мали середні хлібопекарські властивості. На системах першої якості об'єм хліба і пористість були вищими в 1,1-1,2 раза з кращими органолептичними властивостями.

Борошно вищого сорту цього заводу відповідає вимогам ГСТУ 46.004-99 «Борошно пшеничне. Технічні умови» і мало такі показники якості: білість - 56 од; зольність - 0,55 %; кількість клейковини - 25,2 %; якість клейковини( ІДК) - 60 од.; вміст білка - 10,9 ; значення седиментації - 34 мл; амілолітична активність (ЧП) - 380 с; значення ПК -

Актуальність теми дослідження. Проблема погіршення екологічної ситуації стає все більш актуальною. Тому пріоритетним напрямком є розробка ефективних методів очищення води від йонів важких металів.

Постановка проблеми. Нині наявні методи вилучення йонів важких металів із водних розчинів придатні переважно для очищення промислових стічних вод і мало ефективні для очищення природних вод, які містять у високих концентраціях йони кальцію і магнію, які суттєво знижують ємність іонітів по йонах важких металів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Були розглянуті останні публікації у відкритому доступі, включаючи літературу про основні методи очищення та доочищення води від йонів важких металів.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Інформація про ефективність очищення природних вод, які містять у високих концентраціях йони кальцію і магнію.

Постановка завдання. Вивчення ефективності видалення йонів міді та свинцю із розведених водних розчинів при використанні фероціаніду калію та флокулянтів при відстоюванні, фільтруванні на фільтрі «синя стрічка», на нанофільтраційній мембрані ОПМН-П та методом флотації.

Виклад основного матеріалу. Досліджено процеси очищення води від важких металів при їх висадженні феро- ціанідом калію. Показано, що при очищенні води від йонів міді та свинцю шляхом комплексоутворення з ціанофера- том калію при використанні нанофільтрування після відстоювання та механічного фільтрування ефективність вилучення йонів важких металів зростає. Вивчено ефективність зв 'язування ціаноферату калію та йонів міді при взаємодії з полікатіонними флокулянтами.

Висновки відповідно до статті. Наведено результати досліджень з вилучення йонів важких металів (на прикладі міді та свинцю), отримані при переведенні важких металів у нерозчинний стан зв 'язуванням у фероціанідні комплекси їх відстоюванням та доочищенням методами фільтрування та нанофільтрування. Показано, що застосування нанофільтрування дозволяє підвищити на 4--15 % ступінь очищення води від йонів міді та свинцю. Високу ефективність очищення води від важких металів забезпечив метод флотації.

Ключові слова: важкі метали; флокулянти; фероціанід калію; нанофільтрування; комплексоутворення; флотація.

Актуальність теми дослідження. Головними джерелами надходження важких металів у навколишнє природне середовище є природні та антропогенні джерела [1]. Природні джерела - виверження вулканів, тектонічні розломи, геохімічні аномалії і до сьогодні є пониженим джерелом надходження важких металів у довкілля. Вони великою мірою забезпечують наявність важких металів у підземних водах, включаючи і артезіанські води, запаси яких сформувались мільйони років тому. Проте на сьогодні антропогенні джерела надходження важких металів за своєю поширеністю наближаються до природних, а у багатьох випадках і переважають їх.

Постановка проблеми. Найбільш небезпечним є накопичення важких металів у донних відкладах поверхневих водойм [2]. Здебільшого вміст металів у донних відкладах державними службами моніторингу не контролюється, відсутні нормативи допустимих концентрацій важких металів у донних відкладах. Водночас при евтрофікації водойм, за рахунок міграції важких металів у гідробіонтах, їх концентрації у поверхневих водах можуть дуже зростати. Через низьку ефективність очисних споруд на станціях водопідготовки дані токсиканти можуть попадати в питну воду, створюючи пряму загрозу здоров'ю людей. У зв'язку з цим пошук ефективних методів очищення та доочищення води є особливо актуальним.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. До методів очищення води від йонів важких металів можна віднести реагентні [3; 4], мембранні, електрохімічні [5; 6], іонообмінні [7; 8], сорбційні [9]та біологічні методи [10;11]. Більшість із згаданих методів мають недостатню ефективність вилучення металів із води. Сорбційні, біологічні та ре- агентні методи не дозволяють вилучати важкі метали для повторного використання і супроводжуються їх втратами в процесі очищення з осадами. Методи іонного обміну дозволяють ефективно вилучати важкі метали з води і в сукупності з електроекстрак- цією отримувати цінні компоненти, які придатні для повторного використання [11; 12].

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Зазначені методи придатні переважно для очищення промислових стічних вод і мало ефективні для очищення природних вод, які містять у високих концентраціях йони кальцію і магнію, які суттєво знижують ємність іонітів по йонах важких металів. Тому розробка ефективних методів вилучення важких металів із води в присутності йонів жорсткості є актуальною проблемою. Традиційний реагентний метод очистки стічних вод від йонів важких металів оснований на використанні сульфідів натрію не набув широкого використання через значний гідроліз сульфідів у воді, забруднення її сірководнем та через недостатню ефективність. З іншого боку, відомо, що фероціаніди важких металів мають дуже низьку розчинність, що сприяє їх ефективному видаленню із води [13]. Цей підхід був використаний у представленій роботі.

Постановка завдання. Метою цієї роботи було визначення ефективності видалення йонів міді та свинцю із розведених водних розчинів при використанні фероціаніду калію та флокулянтів при відстоюванні, фільтруванні на фільтрі «синя стрічка», на нано- фільтраційній мембрані ОПМН-П та методом флотації.

Для досягнення поставленої мети вирішували такі завдання:

вивчити процеси осадження йонів важких металів фероціанідом калію залежно від співвідношення реагентів та реакції середовища;

вивчити вплив полікатіонних флокулянтів на ефективність вилучення з води фе- роціанідів важких металів;

оцінити вплив процесів фільтрування, нанофільтрування а флотації на ефективність доочищення води при використанні флокулянтів та фероціаніду калію.

Експериментальна частина

Як модельні використовували розчини сульфату міді (ІІ) та свинцю (ІІ) з концентрацією 3-5 мг/дм3, що були отримані як на дистильованій, так і водопровідній воді. Ці- аноферат калію використовували в концентраціях від 1 до 15 мг/дм3, полікатіонні флокулянти додавали в концентраціях від 1 до 10 мг/дм3. Як флокулянти використовували Акватон-10, Zetag-7547, Magnefloc-5250L, Magnefloc-368 та Praestol.

Після додавання реагентів модельні розчини інтенсивно перемішували 10 хвилин, а потім відстоювали 3 години. Розчини фільтрували на фільтрах із синьою стрічкою і визначали залишкові концентрації металів. В окремих дослідах коригували рН середовища. У багатьох дослідах після фільтрування розчинів на фільтрі із синьою стрічкою та визначення вмісту металів їх доочищали на нанофільтраційній мембрані методом тупикового фільтрування. Метали визначали у воді за допомогою фотоколориметричного методу [14] та методу інверсійної вольтамперометрії [15].

У випадку використання флотації після додавання реагентів розчин відстоювали 3 години, потім проводили флотацію 20 хвилин, відділяючи піну. Воду фільтрували на фільтрі синя стрічка.

Ступінь очищення води від металу розраховували за формулою:

де Сз - залишкова концентрація металу в розчині; С0 - вихідна концентрація металу в розчині.

Рис. 1. Залежність залишкової концентрації йонів міді в розчині в дистильованій воді (1; 2; 3) та ступеню очищення води від міді (4; 5; 6) від дози фероціаніду калію при рН розчину 5,1 (1; 4), 8,1 (2; 5) та 9,1 (3; 6) після відстоювання та фільтрування

Виклад основного матеріалу. У роботі використовували йони важких металів у відносно низьких концентраціях, оскільки одним із завдань було визначення умов ефективного видалення йонів важких металів із води та визначення рівня їх залишкових концентрацій у воді.

Як видно з рис. 1 ефективність вилучення йонів міді з води залежить не лише від співвідношення концентрацій метал-фероціанід, але і від рН середовища. Ефективність очищення зростала як при підвищенні дози фероціаніду, так і при зростанні рН середовища.

Це цілком закономірно, тому що глибина конверсії вихідних речовин, зазвичай, зростає із підвищенням концентрацій компонентів, а фероціаніди металів більш стійкі при рН > 8.

Разом з тим треба зауважити, що залишкові концентрації міді (~ 0,18-0,21 мг/дм3) навіть у кращих дослідах значно переважають розчинність ціаноферату у воді. Скоріш за все вони здатні утворювати стійкі колоїдні системи у воді, і тому не відділяються із води ні відстоюванням, ні фільтруванням. У водопровідній воді (рис. 2), де рівень рН був досить високим - 8,1 та 9,1, ефективність очищення води від міді була навіть нижчою, ніж розчинів у дистильованій воді. Можливо в цьому випадку також значна кількість ціаноферату міді існує у вигляді стійких колоїдних систем.

Рис. 2. Залежність залишкової концентрації йонів міді у водопровідній воді (1; 2) та ступеню вилучення йонів міді (3; 4) від дози фероціаніду калію при рН: 8,1 (1; 3), та 9,1 (2; 4) після відстоювання та фільтрування

Для підвищення ефективності очищення води, в разі присутності стійких колоїдних систем, доцільно використовувати метод нанофільтрування, який забезпечує практично повне вилучення колоїдних часток із води. Тому для підвищення ефективності очищення води була використана нанофільтраційна мембрана для доочищення води. Як видно з рис. 3 та 4, при застосуванні нанофільтрування ефективність вилучення міді та свинцю

виросла на 4-15 % у порівнянні зі звичайним фільтруванням. Особливо суттєво підвищилась ефективність очищення води при відносно невеликих дозах ціаноферату калію - 1-5 мг/дм3. Проте повного видалення міді було досягнуто лише при концентрації фероці- аніду калію на рівні 15 мг/дм3. Для свинцю залишкові концентрації було знижено лише до 0,12-0,15 мг/дм3. Це говорить про те, що дійсно частина металів залишалась у воді у вигляді стійких колоїдів. Але певна частина йонів свинцю та міді залишалась у вигляді йонів або гідроксидів металів. У водопровідній воді ця кількість не зв'язаних йонів міді була більшою, ніж у дистильованій воді. Можливо в цьому випадку конкурентами йонам міді були йони жорсткості, концентрація яких у водопровідній воді була значно вищою за концентрацію важких металів. При жорсткості води 4-5 мг-екв/дм3 концентрації йонів жорсткості переважали вміст іонів міді в мг-екв/дм3 у 25-32 рази.

CCu, мг/дм3 Z, %

Рис. 3. Залежність концентрації іонів міді (1; 2; 3; 4) та ступеня їх вилучення (5; 6; 7; 8) з дистильованої (1; 2; 5; 7) та водопровідної (3; 4; 6; 8) води від дози фероціаніду калію при доочищенні води фільтруванням (1; 3; 5; 6) та фільтруванні й нанофільтрації (2; 4; 7; 8)

СРЬ, мг/дм3Z, %



Рис. 4. Залежність концентрації іонів свинцю у дистильованій воді (1; 2) та ступеню їх вилучення з води (3; 4) від дози фероціаніду калію при доочищенні води фільтруванням на фільтрі синя стрічка (1; 3) та фільтруванні на фільтрі «синя стрічка» та нанофільтраційній мембрані ОПМН-П (2; 4)

Для підвищення ефективності вилучення з води ціанофератів важких металів доцільно було застосувати полікатіонні флокулянти, які утворюють комплексні сполуки великої молекулярної маси з ціанофератами. Для зв'язування ціанофератів нами були використані флокулянти Акватон-10, Zetag-7547, Magnefloc-5250L, Magnefloc-368 та Praestol (рис. 5).

Рис. 5. Залежність залишкової концентрації фероціаніду калію (1; 2; 3; 4; 5) у розчині дистильованої води при початковій концентрації 5 мг/дм3 від дози флокулянту Акватон 10 (1), Марпе/Іос-368 (2), Марпе/1ос-52504 (3), 2еіа^-7547 (4), Praestol (5) після відстоювання протягом 24 годин та фільтруванні через фільтр «синя стрічка»



Як видно з рис. 5, краще фероціанід зв'язували флокулянти Акватон- 10 та Zetag-7547. А в присутності йонів міді (рис. 6) кращий результат забезпечив флокулянт Zetag-7547, який при звичайному відстоюванні забезпечив зниження концентрації міді до 0,16-0,22 мг/дм3 при повному вилученні фероціаніду.

Рис. 6. Залежність залишкової концентрації іонів міді (1; 2; 3; 4; 5) та фероціаніду калію (6; 7; 8; 9; 10) від дози фокулянту (1, 6 - Акватон,

2; 7-Марре/Іос-368, 3; 8 -Марре/Іос-52504, 4; 9 - Zetag-7547, 5; 10 - Praestol) після відстоювання та фільтрування

При використанні ціаноферату калію та флокулянту Zetag-7547 при нанофільтру- ванні було досягнуто залишкових концентрацій міді при дозі флокулянту 3 мг/дм3 а дозах ціаноферату калію 3 - 15 мг/дм3 на рівні 0,0 - 0,04 мг/дм3. Ступінь очищення міді при цьому сягав 99,2 - 100,0% (рис. 7).



Рис. 7. Залежність ступеню вилучення іонів міді з дистильованої води (1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8) від дози фероціаніду калію при доочищенні води фільтруванням (1-4) та фільтруванням і нанофільтрацією (5-8) при дозах флокулянту Zetag-7547, мг/дм3: 1 - (1; 5); 3 - (2; 6); 5 - (3; 7); 10 - (4; 8)

Відомо, що комплекси полікатіонітів із аніонними ПАР застосовують для вилучення йонів металів із води методом флотації [16]. При вилученні йонів свинцю та міді методом флотації при використанні катіонних флокулянтів та аніонного ПАР сульфонол НП-3, кращі результати отримано при вилученні йонів міді. Іони свинцю не утворюють комплексів із катіонними флокулянтами, тому ефективність їхнього вилучення з води була низькою. В основному процес очищення відбувався за рахунок утворення сполук свинцю із сульфоно- лом. Ступінь переходу розчину в піну зростав із дозою сульфонолу в межах від 1,5 - 7,2 %.

Треба зазначити, що суттєвою перевагою методу флотації є доцільність його застосування при очищенні вод забруднених маслами, нафтопродуктами, поверхнево- активними речовинами. Суттєво кращих результатів при очищенні води від йонів важких металів методом пневматичної флотації було досягнуто при використанні разом із катіонними флокулянтами, сульфонолом НП-3, фероціаніду калію (рис. 8). У кращих співвідношеннях реагентів досягнуто ступеню вилучення міді на рівні 97,5-98,4 %, при вилученні свинцю - 95,4-98,0 %, при вихідних концентраціях металів 10 мг/дм3. При концентрації міді 3-5 мг/дм3 залишкові концентрації металу були знижені до 0,020,07 мг/дм3 при ступенях вилучення 96,66-99,40 %.

Рис. 8. Залежність залишкової концентрації міді (1) та ступеня їх вилучення (2), йонів свинцю (3) та ступеню їх вилучення (4) від дози фероціаніду калію при очищенні води напірною флотацією при дозі флокулянту Акватон 10 мг/дм3 (1; 2) та флокулянту Zetag-75471 (3; 5) та 3 (4; 6) мг/дм3 при витраті сульфонолу НП-3 20 мг/дм3

Таким чином, при очищенні від іонів міді та свинцю із застосуванням ціаноферат- них комплексів природних вод із низькою каламутністю доцільно використовувати відстоювання, механічне фільтрування та нанофільтрацію, а стічних вод, забруднених механічними домішками - флотацією та механічне фільтрування.



Висновки

Досліджено процеси очищення води від важких металів при їх висадженні феро- ціанідом калію. Показано, що ефективність очищення зростає при збільшенні дози ціа- ноферату калію та при підвищенні рН середовища до 8,0 - 9,1.

Показано, що при очищенні води від йонів міді та свинцю шляхом комплексоутво- рення з ціанофератом калію при використанні нанофільтрування після відстоювання та механічного фільтрування ефективність очищення вилучення йонів важких металів зростає на 4-15 %. Більший ефект спостерігається при дозах ціаноферату калію до 7 мг/дм3.

Визначено ефективність зв'язування ціаноферату калію та йонів міді при взаємодії з полікатіонними флокулянтами. Застосування флокулянтів забезпечує підвищення ефективності очищення води відстоюванням та механічним фільтруванням. При доочищенні води нанофільтруванням ступінь вилучення міді становить 97,2-100,0 %.

Показано, що при використанні катіонних флокулянтів та аніонного ПАР (суль- фонол НП-3) у процесі очищення води від йонів важких металів методом пневматичної флотації досягнуто ступінь очищення води від міді 93-95 % та від свинцю 21-57 %. Низький ступінь вилучення свинцю обумовлений низькою здатністю свинцю до утворення комплексів із катіонними флокулянтами.

Встановлено, що при використанні для зв'язування йонів важких металів разом із ціанофератом калію, катіонних флокулянтів та при застосуванні для піноутворення су- льфонолу НП-3 досягнуто високої ефективності вилучення металів із води. Ступінь вилучення металів зростає із підвищенням дози ціаноферату при зниженні концентрації металу у воді. Концентрацію міді було знижено до 0,02-0,1 мг/дм3, та свинцю - до 0,21 мг/дм3 при дозах ціаноферату10-15 мг/дм3.



Список використаних джерел

1. Линник П. Н., Набиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986. 267 с.

2. Трохименко Г. Г., Цепанюк Н. В. Визначення ступеня кумуляції важких металів у гідро біонтах узького лиману. Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування. 2015. № 4. С. 98-105.

3. Серпокрылов Н. С., Вильсон Е. В., Гетманцев С. В., Марочкин А. А. Экология очистки сточных вод физико-химическими методами. Москва: Изд-во АСВ, 2009. 261 с.

4. Novel adsorbent based on silkworm chrysalides for removal of heavy metals from wastewaters / Paulino A. T. et al. JColloidInterf Sci. 2006. Vol. 301. P. 479-487.

5. Heavy metal ions removal from metal plating wastewater using electrocoagulation: Kinetic study and process performance / M. Al-Shanag et al. Chem Eng J. 2015. Vol. 260. P. 749-756.

6. Arbabi M., Hemati S., Amiri M. Removal of lead ions from industrial wastewater: A review of removal methods. International Journal of Epidemiologic Research. 2015. Vol. 2(2). P. 105-109.

7. Гомеля M. Электроэкстракция тяжелых металлов из сточных вод для защиты природных водоемов от загрязнения. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2018. Т. 1, № 10. С. 55-61.

8. Гомеля М., Іванова В., Трус І. Ефективність вилучення іонів важких металів з розведених розчинів іонообмінним методом. Технічні науки та технології. 2017. № 4 (10). С. 154-162.

9. Ковальчук А., Почечуи Т., Галиш В., Трус І. Фосфорилювання шкаралуп волоських горіхів для підвищення ефективності очищення водних розчинів. Технічні науки та технології. 2018. № 2(12). С. 236-244.

10. Филатова Е. Г. Обзор технологий очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, основанных на физико-химических процессах. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. № 2 (13). С. 97-109.

11. Strategies based on silica monoliths for removing pollutants from wastewater effluents: A review / D. Rodrigues et al. Science of The Total Environment. 2013. Vol. 461-462, № 9. P. 126-138.

12. Nevenka R. Removal of nickel (II) ions from aqueous solutions using the natural clinoptilolite and preparation of nano-NiO on the exhausted clinoptilolite / R. Nevenka, et al. Applied Surface Science. 2010. Vol. 257, I. 5. P. 1524-1532.

13. Терещенко О. М., Мельниченко Є. В., Макаренко І. М. Очистка стічних вод від іонів міді методом комплексоутворення та ультрафільтрації. Збірник наукових праць НУК. 2017. № 2. С. 93-97.

14. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. 5-е изд. Москва: Химия, 1979. 480 с.

15. Определение тяжелых металлов в водных экосистемах методом инверсионной хронопо- тенциометрии / Суровцев И. В. и др. Химия и технология воды. 2009. Т. 31. № 6. С. 677-687.

16. Гомеля М. Д., Терещенко О. М. Використання комплексів катіонних полімерів з фероціа- нідом калію при очистці води від радіоізотопів цезію-137 методом пневматичної флотації. Перспективные направления развития экологии, экономики, энергетики: сборник научных статей. ОЦНТЭИ. Одесса, 1999. С. 333-338.

17. Чеботарев О. Н. Технология муки, крупы и комбикормов. Москва: Март, 2004. 688 с.

18. Жигунов Д. А. Хлебопекарные показатели потоков муки при сортовом помоле пшеницы. Харчова наука і технологія. 2015. № 4. С. 50-55.

19. Кнопова С. И. Принципы классификации пшеничной муки. Кондитерское производство. 2002. № 2. С. 8-9.

20. Казаков Е. Д. Биохимия зерна и хлебопродуктов. Санкт-Петербург: ГИОРД, 2005. 512 с.

21. Егоров Г. А. Управление технологическими свойствами зерна. Воронеж: Наука, 2000. 510 с.

22. Панкратов Г. Н. Научные основы совершенствования технологий мукомольного производства: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.01 / Московский государственный университет пищевых производств. Москва, 2001. 20 с.

23. Дудаев В. Г. Создание комплексной системы стабилизации качества. Хлебопродукты. № 9. С. 2-6.

24. Нецветаев, В. П., Лютенко О. В., Пащенко Л. С., Попкова Н. Н. Методы седиментации и оценка качества клейковины мягкой пшеницы. Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2009. № 2. С. 56-64.

25. Мерко І. Т., Моргун В.О. Наукові основи і технологія переробки зерна. Одеса: Друк, 348 с.

26. Zhygunov D., Kovalova V., Kovalov M., Donets A. Development of technological Solutions for flour production with specified quality parameters. Food science and technology. 2018. Vol. 12, Issue 3. Р. 71-80.

27. Лебеденко Т. Є., Пшенишнюк Г. Ф., Соколова Н. Ю. Технологія хлібопекарського виробництва. Київ: Освіта України, 2014. 392 с.



Анотація

Актуальність теми дослідження. Визначення якості індивідуальних потоків борошна на заводі зі скороченою схемою технологічного процесу з використанням міжнародних стандартів - перспективний інноваційний напрям розвитку борошномельної промисловості.

Постановка проблеми. Оцінка якості індивідуальних потоків борошна на заводах малої продуктивності дає можливість проаналізувати ефективність роботи та потенціал підприємства.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Були розглянуті як класичні роботи, так і сучасні публікації у вітчизняних та закордонних джерелах, що відповідають цій проблемі.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. У літературі відсутня інформація щодо аналізу показників якості індивідуальних потоків борошна із заводів України невеликої продуктивності з використанням міжнародних стандартів.

Постановка завдання. Метою дослідження є визначення основних показників якості борошна і встановлення закономірності їх зміни на різних етапах технологічного процесу із заводу зі скороченою схемою технологічного процесу.

Виклад основного матеріалу. У статті наведено результати досліджень показників якості борошна з різних етапів технологічного процесу на заводі зі скороченою схемою технологічного процесу та показано зміни показників залежно від системи технологічного процесу. Встановлено, що потоки борошна із систем першої якості мають кращі технологічні властивості. Так, на шліфувальних і розмелювальних системах білість борошна - від 54 до 68 од., зольність даних потоків є найнижчою - від 0,45 до 0,54 %. Кількість клейковини на драних і сортувальних системах коливається в межах від 19,5 % до 35,6 %, на шліфувальних і розмелювальних системах - від 23,8 до 33,6 %, а якість клейковини (ІДК) має майже однакові властивості як на шліфувальних і розмелювальних системах, так і на драних і сортувальних системах - від 53 до 86 од. Показник седиментації борошна має високі значення на драних системах, сортувальних системах - від 38 до 44 мл за рахунок високого вмісту клейковини на даних системах.

Висновки відповідно до статті. За результатами пробного лабораторного випікання, потоки борошна мали невисокі хлібопекарські властивості. На драних і сортувальних системах першої якості об'єм хліба коливався в межах від 380 до 410 см3, на драних і сортувальних системах вимелу - 410 см3, на шліфувальних і розмелювальних системах першої якості - від 380-460 см3. У статті вперше з використанням приладу SDmatic проведено аналіз кількості пошкодженого крохмалю в потоках борошна на заводі зі скороченою схемою технологічного процесу. Результати досліджень можуть бути використані борошномельними виробництвами для стабілізації якості кінцевої продукції.

Ключові слова: борошно; технологічний процес; клейковина; білість; зольність; седиментація; пошкоджений крохмаль; водопоглинальна здатність.

Urgency of the research. The problem of a declining ecological situation is becoming more and more relevant. Thus, the priority direction is the development of effective methods which can be used in water purification from heavy metal ions.

Target setting. To date, existing methods of the removal of heavy metal ions from water solutions are suitable mainly for the treatment of industrial wastewater and are not efficient for the purification of natural waters containing high concentrations of calcium and magnesium ions, which significantly reduce the capacity of ion exchangers regarding the heavy metal ions.

Actual scientific researches and issues analysis. Recent publications in open access were taken into consideration, including literature on the main methods ofpurification and after-treatment of water from heavy metal ions.

Uninvestigated parts of general matters defining. Information on the purification effectiveness of natural water containing high concentrations of calcium and magnesium ions.

The research objective. We also carried out a study of the copper and lead ions removal efficiency from dilute aqueous solutions using potassium ferrocyanide and flocculants within the methods of settling, flotation, filtration on a blue tape filter and on the OPMN-P nanofiltration membrane.

The statement of basic materials. The processes of water purification from heavy metals during their sedimentation using potassium ferrocyanideare investigated. It has been shown that when purifying water from copper and lead ions by chelation method with potassium ferricyanide using nanofiltration after settling and mechanical filtration, the efficiency of the removal of heavy metal ions increases. The efficiency of binding between potassium ferricyanide and copper ions in interaction with polycationic flocculants was studied.

Conclusions. The results of investigations on the extraction of heavy metal ions (for example, copper and lead) are derived from heavy metals in solubilization by binding to ferrocyanide complexes with their subsequent sedimentation and purification using filtration and nanofiltration methods. It is shown that the application of nanofiltration can increase the rate of water purification from copper and lead ions by 4 - 15%. The high efficiency of water purification from heavy metals was providedby the method of flotation.

Keywords: heavy metal; flocculants; potassium ferrocyanide; nanofiltration; chelation; flotation.

Размещено на Allbest.ru

...