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活性炭在啤酒酿造水处理中的应用

2019-02-12 浦士达环保

一、概述

活性炭是利用木炭、木屑、果壳、或优质煤等富碳物质做原料,经炭化、活化、酸洗、漂洗等一系列工序制造而成。活性炭呈黑色、无味、无毒,是优良的吸附剂。活性炭作为吸附剂不但吸附能力强而且吸附容量大。
 活性炭吸附容量大的主要原因就是它的多孔结构,其比表面积高达500—1700m2/g。一般根据细孔半径的大小将活性炭分为三种:大微孔(大孔)为100-1000nm;过渡孔(中孔)为10-100nm;小微孔(细孔)为l-10nm。活性炭大微孔的容积为O.2-0.5mL/g,表面积只有0.5-2.0m2/g;过渡孔的容积为0.02-0.1mL/g,表面积一般不超过总表面积的5%;小微孔的容积为0.15-0.9mL/g,表面积占活性炭总表面积的95%。

在我国啤酒酿造行业中,常用活性炭脱去水中的余氯。但是近年来由于水源污染的加重,以及由于对活性炭在水处理中的作用机理不了解,极易出现活性炭出口水细菌总数超标的现象,因此有些啤酒企业就放弃使用活性炭。小编在本文中通过大量的试验,较全面的评价活性炭在酿造水处理中的作用,以及对啤酒酿造的影响。
 

二、材料与方法

1、材料

原水:深井水和多介质混合水。

超滤设备:清华同方35m3/h的超滤设备。

2、主要试剂

乙二胺四乙酸二钠;盐酸;盐酸羟胺;二氮杂菲;硝酸银;三乙醇胺;氯铂酸钾;硫酸亚铁铵;碳酸钠;上述试剂均为分析纯。

3、主要仪器

DELTA 320PH计;数显电导仪;可见紫外分光光度计;台式智能散射浊度仪;电子天平(0.001g);AE-200s型糖化仪;液相色谱:2695型,美国沃特斯公司;气相色谱仪:6890型,美国安捷仑公司。

超纯水系统:MILLI-Q型,美国MIⅢ公司;

SCABA全自动啤酒分析仪:5610,瑞士FOSS公司;

Anton Paar啤酒分析仪:Anton PaarⅢ型,奥地利Anton Paar公司;

立式灭菌锅和生化培养箱。

4、分析方法

水的浊度、色度、碱度、硬度、钙、镁、耗氧量、水质菌落总数、TOC、氯仿、余氯的测定。

电导率的测定--按仪器说明书进行。

5、实验方法

1)糖化方法:用活性炭处理前后的水在实验室进行糖化,制备浓度为11.5°P的麦汁。

2)发酵方法:取制备好的麦汁灭菌后接人1.8-1.9×10<sup>7</sup>个酵母/mL,在12℃下发酵8天,然后检测发酵液的各项指标。
 

三、结果与讨论

1、活性炭对余氯及消毒副产物三氯甲烷的去除效果

自来水公司为确保自来水到达用户时,不致因在输送过程中的污染或自身所含细菌的繁殖而使水质的细菌总数指标不合格,常在自来水中添加一定的氯消毒剂,因此可能产生许多对人身体有害的副产物,如三氯甲烷。因为氯的强氧化作用及三氯甲烷的致癌作用,啤酒企业常用活性炭来去除或降低这些物质。表1是活性炭处理前后水中余氯及三卤甲烷的含量。

表1 活性炭对水中余氯及三氯甲烷的去除效果
指标 活性炭处理钱前的水 活性炭处理钱后的水 去除率/%
余氯(mg/L) 0.3 0 100
氯(ug/L)仿 14.5 3.6 75.2

从表1可以看出:活性炭对水中的余氯及三卤甲烷均有较好的去除效果,对余氯的去除率达到100%,对三氯甲烷的去除率达到75.2%。

2、活性炭对水中有机物的去除效果

天然水中的有机物种类众多,成分也很复杂,它们是以溶液、胶体和悬浮状态存在的,因此难以进行逐个测定。但可以利用有机物的可氧

化性或可燃性,用某些指标间接地反映水中有机物的含量。这些间接指标主要有化学需氧量(COD),生化需氧量(BOD),总需氧量(TOD)和总有机碳(TOC)。其中总有机碳是指水中有机物的总含碳量,即将水样中的有机物在900℃高温和加催化剂的条件下气化、燃烧,这时水样中的有机碳和无机碳全部氧化成CO2,然后利用红外线气体分析仪分别测定总的CO2量和无机碳产生的CO2量,两者之差即为总有机碳量。小编对比分析了活性炭处理前后水的化学需氧量(CODMn)及总有机碳来评价活性对水中有机物的去除效果,结果见表2。

表2 活性炭对水中有机物的去除效果
指标 活性炭处理钱前的水 活性炭处理钱后的水 去除率/%
化学需氧量(mg/L) 1.12 0.78 35.7
总有机碳(mg/L) 2.2 1.76 20

从表2可以看出:活性炭过滤后耗氧量指标有明显下降,过滤前为1.12mg/L;过滤后为0.78mg/L,下降了0.40mg/L;总有机碳指标也有所下降,过滤前为2.2mg/L;过滤后为1.76mg/L,下降了0.4mg/L。

3、活性炭对水的无机离子去除效果

由于活性炭具有发达的细孔结构和巨大的比表面积,因此对水中溶解的各种有机物如苯类化合物、酚类化合物等具有很强的吸附能力,而且对用生物法或其他化学法难以去除的有机污染物如色度、异臭、表面活性剂、合成洗涤剂和染料也都有较好的除去效果。另外,粒状活性炭对水中的无机离子也有一定的去除作用。

表3 活性炭对水中无机盐的去除效果
指标 活性炭处理钱前的水 活性炭处理钱后的水 去除率/%
铝(mg/L) 0.1 0.015 -85
钙(mg/L) 4.91 4.63 -5.7
镁(mg/L) 1.145 0.735 -35.8
氯(mg/L) 6.69 7.39 10.3
电导率(uS/cm) 64.8 65.13 0.5

从表3可以看出:活性炭过滤后铝离子含量有明显下降,过滤前为0.lmg/L;过滤后为0.015mg/L,下降了0.085mg/L(85%),这主要是铝离子的空轨道易和活性炭中一些孤对电子形成配位体而被活性炭强烈吸附而去除。

从表3还可以看出:活性炭对钙及镁离子也有不同程度的吸附作用,从而使活性炭处理后的水中钙镁离子有一定程度的下降。但活性炭处理后氯化物指标有所上升,过滤前为6.69mg/L,过滤后为7.39mg/L,上升了0.69mg/L(10.3%),这主要是由于水中余氯经过活性炭还原成氯离子的结果。

因为纯水本身的导电能力非常小,只要水中含有少量离子杂质就会使导电能力明显增加,水中含离子杂质越多,导电能力越大,所以可借用测电导率的方法测定水中的含盐量。表3反映出经活性炭处理的水电导率有一定程度的增加,这是因为水中氯离子增加所致。

4、活性炭对水硬度和碱度的去除效果

表4 活性炭对水的硬度和碱度的去除效果

指标 活性炭处理钱前的水 活性炭处理钱后的水 去除率/%
总硬度(mg/L) 15.81 15.41 2.5
暂时硬度(mg/L) 14.73 13.33 9.5
总碱度(mg/L) 14.83 13.40 9.6

从表4可以看出,活性炭处理后水的硬度及碱度有所下降。

5、活性炭过滤前后水质口感指标变化情况

对活性炭处理前后的水进行感官品评,结果显示:经两级活性炭过滤后水质口感有明显改善,甚至比超滤出口的出水水质更好。

6、活性炭过滤前后水质菌落总数指标变化情况

对活性炭处理前后的水质菌落总数跟踪检测发现,活性炭单元在去除游离余氯的同时也吸附了原水中的大量有机物,从而造成出水水质带菌,一段时间之后菌落总数通常大于300CFU/mL。

7、活性炭处理前后水对酿造过程双乙酰还原的影响

采用自来水与活性炭处理后的水制备麦汁,接种酵母于实验室条件下发酵,发酵末期检测双乙酰含量,结果见表5。

表5 自来水与活性炭水对双乙酰还原的影响

次数 指标 自来水 超滤水
第一次 双乙酰 0.2245 0.2157 0.2008 0.1481 0.1477 0.133
第二次 双乙酰 0.2324 0.2386 0.2289 0.1924 0.186 0.1813

从表5和表6可以看出,用自来水作酿造水时,其双乙酰含量要比活性炭处理水的双乙酰高,经T-检验可知,两者的双乙酰差别显著(两次试验的a<0.01),使用经活性炭处理后的水,在酿造过程双乙酰还原速度加快。

表6 方差分析结果
    第一次双乙酰 第二次双乙酰
方差齐性检验 方差差别 方差齐 方差不齐 方差齐 方差不齐
F 0.277   0.28  
Sig 0.627   0.876  
均值T-检验 t 8.306 8.306 10.876 10.876
df 4 3.630 4 3.938
Sig 0.001 0.002 0.000 0.000
均差值 0.0707 0.0707 0.0467 0.0467
差值标准 0.0085 0.0085 0.0043 0.0043
误差值95% 0.0471 0.0461 0.0348 0.0348
置信区间 0.0944 0.0954 0.0586 0.0587

四、结论

通过对比分析活性炭处理前后的水质指标,可以得出如下结论:

1、活性炭可基本去除原水中的游离余氯,同时对氯消毒副产物(氯仿指标)也有很好的去除作用;

2、对有机物(总有机碳和耗氧量指标)絮凝剂残留(铝离子含量)、等有很好的去除作用;

3、活性炭处理水可明显改善水质口感;

4、总碱度、残余碱度、总硬度、暂时硬度等指标有所下降,氯化物指标有所上升;Ca2+、Mg2+等指标总体略有下降,电导率指标总体略有上升,但这些指标均呈现波动,差异均不显著。

5、活性炭单元吸附了原水中的大量有机物,从而极易造成出水水质带菌;

6、用活性炭处理前后的水在实验室规模上进行酿造试验,发现经活性炭处理后的水,其双乙酰还原速度明显比不经活性炭处理的水快,经t-检验分析具有显著的差异。



 

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