Отримання активного вугілля з пивоварних відходів
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і задачі дослідження
- 3. Способи отримання адсорбентів
- 4. Пивна дробина
- 4.1. Хімічний склад і властивості пивної дробини
- 4.2. Можливість використання пивної дробини.
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Проблема забруднення навколишнього середовища є найбільш актуальною на сучасному етапі розвитку промисловості, в тому числі і харчової. Відходи виробничих підприємств впливають на процеси, що відбуваються в екосистемах, і можуть призводити до порушень розвитку окремих видів біоценозів і навіть до їх загибелі.
Серед підприємств харчової промисловості окремо варто виділити пивоварну галузь, яка є джерелом великої кількості відходів, до 80% яких становить пивна дробина.
Утилізація пивної дробини є великою екологічною проблемою для пивоварних компаній. В даний час скупчилися сотні тисяч тонн даного відходу. Пивна дробина є сумішшю рослинних і мікробних білків, складних вуглеводів, органічних кислот і інших речовин. Зберігання даного відходу на полігонах призводить до виділення отруйних речовин (продуктів гідролізу і гниття, індол, скітол і аміак). На сьогоднішній день пивну дробину використовують для виробництва корму худобі, але весь обсяг даного відходу не використовується.
Пивну дробину можна використовувати у вигляді адсорбентів. Адсорбенти – високодисперсні природні або штучні матеріали з великою питомою поверхнею, на якій відбувається адсорбція речовин з дотичних з нею газів або рідин. Адсорбенти застосовують для очищення води від металів і домішок, в протигазах, в якості носіїв каталізаторів, в медицині для поглинання газів і отрут.
Найпоширенішими адсорбенту є активні (активовані) вугілля, які виходять шляхом термічної деструкції речовин, що містять вуглець. Найбільш часто, в якості сировини використовується береза. Березові активні вугілля (БАУ) можна застосовувати для процесів сорбції в харчовій промисловості і медицині — це говорить про високу якість даних адсорбентів. Але слід пам'ятати, що береза – довго відновлюваний джерело сировини, не кажучи вже про погіршення екологічного стану регіонів, де проводиться масова вирубка цих дерев.
1. Актуальність теми
Як адсорбенти можуть виступати різноманітні матеріали з високою питомою поверхнею: пористий вуглець (найбільш поширена форма – активоване вугілля), силикагели, цеоліти, а також деякі інші групи природних мінералів і синтетичних речовин. Високоякісні адсорбенти отримують піролізом малосмолисті порід дерев, наприклад берези, що, безумовно, не прийнятно як з соціальної, так і з екологічної точок зору. Тому в даний час активно розробляються способи отримання активного вугілля з альтернативної сировини.
2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
Основною метою даної роботою є розробка способу отримання нових адсорбентів з целесодержащіх відходів харчової промисловості. В якості такого сировини можуть виступати відходи пивного виробництва (пивна дробина).
Основні задачі дослідження:
- Розглянути можливість отримання адсорбентів з нетрадиційного виду сировини.
- Отримати зразки адсорбентів з рослинної сировини.
- Вивчити вплив лужного середовища на процес отримання активованого вугілля.
- Зробити висновок про можливість застосування отриманих зразків замість традиційних активованого вугілля.
3. Огляд досліджень та розробок
Найважливішим сировиною для отримання активного вугілля є деревина (у вигляді тирси), деревне вугілля, торф, торф'яної кокс, деякі кам'яне і буре вугілля, а також напівкокс бурого вугілля.
Мелкоізмельченной деревні відходи, карбонизируют в обертових печах або апаратах з рухомими шарами. Кускові і гранульовані вугілля, а також пресовані вироби з древесноугольного пилу і сполучного, активуються в шахтних і обертових печах водяною парою або діоксидом вуглецю при 800 °С. У процесі активації зростають обсяг пір, питома поверхня сорбенту, змінюється співвідношення між обсягами мікро-, мезо- і макропор. Швидкість газифікації поверхневого вуглецю в процесі активації залежить від ступеня структурної впорядкованості вуглецевого матеріалу. Найбільш легко і швидко газифіковане вуглець в розупорядкованих областях вуглецевої поверхні. Приготовлені зі сполучною формовані вугілля необхідно термічно обробляти перед активированием при температурі близько 5000 °С, сполучна в цих випадках частково карбонізуется. Якість активного вугілля залежить від властивостей вихідного вуглець матеріалу і від режиму активування. Характеристикою ступеня активування вугілля є обгар, тобто відсоток згорілого вугілля по відношенню до вихідного його кількості. Активні деревне вугілля відрізняються високим ступенем чистоти і тонкопорістой [1].
Кількість і розмір утворюються пір визначаються природою сировини і режимними параметрами процесу термічної обробки. Важливе значення має швидкість нагріву сировини. Загальний обсяг часу, а також кількість великих пір (макропор) значно зростають зі зростанням швидкості нагрівання сировини. Повільні швидкості нагріву реалізуються в технологіях піролізу в реакторах з нерухомим шаром сировини. Більш продуктивні технології піролізу засновані на використанні подрібненої сировини і реакторів з так званим псевдозрідженим або киплячим шаром: захоплюються потоком газу дрібні частинки сировини як би знаходяться в киплячому стані. Перевагою реакторів з киплячим шаром є висока швидкість масо-і теплопереносу, що забезпечує підвищену інтенсивність процесу піролізу в порівнянні з технологіями піролізу в нерухомому шарі сировини. Обсяг пір і розподіл пор по радіусів можна регулювати також шляхом зміни тривалості процесу піролізу. У реакторах з псевдозрідженим шаром тривалість перебування частинок подрібненої сировини в зоні піролізу становить від десятих часток секунди до декількох хвилин [2].
Також важливим адсорбентом на сьогоднішній день є силікагель. Це один з найперших мінеральних синтетичних сорбентів, які знайшли широке застосування в промисловості. Силікагель не втратила свого промислового значення, незважаючи на те, що в останні роки бурхливо розвиваються адсорбційні процеси з використанням унікальних кристалічних сорбентів – цеолітів.
Технічний силікагель одержують у такий спосіб: шляхом взаємодії розчину силікату натрію або калію (рідке скло) з соляною або сірчаною кислотою отримують гель, який висушують, а потім розламують на шматки, промивають водою, знову сушать, подрібнюють, фракционируют і прожарюють до повного видалення вологи. Товарний силікагель випускають у вигляді зерен або кулястих гранул [1].
Слід зазначити, що сучасні підходи до вивчення структурно-сорбційних властивостей дозволяє прогнозувати відповідність структури пористих матеріалів завданням їх застосування і теоретично обґрунтувати закономірності адсорбції різних речовин.
4 Пивна дробина
Одним з основних відходів пивоварного виробництва є пивна дробина. На підприємстві середньої потужності щорічно утворюється близько 35000 тонн цього відходу. При цьому велика частина дробини вивозиться на полігони [4].
Технологічний процес виробництва пива: після уварювання затору (суміш солоду з водою) в фільтр-чані відбувається відділення твердої фази від рідкої (пивного сусла). Твердою фазою є пивна дробина. Пивна дробина з фільтра чана виводиться в буферну ємність варильного цеху. У ній відбувається її часткове отжатие і за допомогою шнека вона виводиться в накопичувачі об'ємом по 80 м3 і 120 м3. З накопичувачів так само шнековим пристроєм пивна дробина завантажується у вантажний автотранспорт і вивозиться з території підприємства [4].
Пивна дробина є відходом пивоварного виробництва – гуща, що залишається після варіння і відсмоктування ячмінногосусла. Містить частинки ядер і оболонки зерна [4]. Залишається пивна дробина в процесі вироблення ячмінного сусла. Основною особливістю цього вторинного продукту пивоваріння є те, що в ньому міститься просто величезна кількістьпоживних речовині корисних мікроелементів. Тому в сільському господарстві його використовують перш за все як джерело білка пригодуванні тварин.
У своєму звичайному стані дробина пивна містить близько 80% води. Зберігати її в такому вигляді більше трьох діб не можна. Після закінчення певного часу (в залежності від температури повітря) дробина закисает і втрачає свої корисні властивості. Більш того, в ній починають накопичуватися різного роду токсини. Тому транспортувати цей продукт на далекі відстані недоцільно. Для того щоб уникнути закисання і знизити вагу призначеної для перевезення дробини, її попередньо висушують. З 3-4 тонн вологої маси при цьому зазвичай отримують 1 тонну сухого продукту. Існує також обладнання, призначене для виробництва гранульованої пивної дробини [5].
4.1. Хімічний склад і властивості пивної дробини.
Різного роду корисних речовин в пивний дробині міститься дуже багато. Інформацію про те, що саме входить до складу висушеного продукту і в яких кількостях, можна отримати з представленої нижче таблиці (табл.1).
Таблиця 1– Склад пивної дробини
Крім цього, до складу пивної дробини входять такі мікроелементи, як:
– цинк – 105 мг / кг;
– залізо – 205 мг / кг;
– мідь – 15 мг / кг;
– фосфор – 0,5 мг / кг;
– кальцій – 0,37 мг / кг.
Також дробина пивна містить в собі дуже велику кількість амінокислот (гліцин, аланін, треонін і ін.) [6].
4.2. Можливість використання пивної дробини.
У сільському господарстві пивну дробину застосовують найчастіше при відгодівлі свиней, МРС і ВРХ. Таким чином, одна з основних сфер її використання — це виробництво комбікормів. Також дробину часто застосовують як добриво при вирощуванні культурних рослин. Ще однією сферою народного господарства, в якій використовується дробина, є харчова промисловість. Найчастіше її застосовують при випічці борошняної продукції дієтичного призначення. В даному випадку вона служить цінним джерелом харчових волокон. Іноді дробину застосовують і в якості біопалива. Найчастіше таким чином її використовують самі пивоварні заводи [6,7] .
В даному дослідження розглянуто використання пивної дробини як адсорбент. Як адсорбенту можуть виступатирізноманітні матеріали з високою питомою поверхнею: пористий вуглець (найбільш поширена форма – активоване вугілля), силикагели, цеоліти, а також деякі інші групи природних мінералів і синтетичних речовин. Високоякісні адсорбенти отримують піролізом малосмолисті порід дерев, наприклад берези, що, безумовно, не прийнятно як з соціальної, так і з екологічної точок зору. Тому в даний час активно розробляються способи отримання активного вугілля з альтернативної сировини.
Об'єктом дослідження служила суха пивна дробина. Пивна дробина є висушений відходи пивоварного виробництва. Як спосіб обробки був обраний піроліз розчином лугу [8,9].
Оцінку ефективності обробки пивної дробини провели шляхом гістологічних досліджень, що дозволяють наочно на мікроструктурному рівні визначити ефективність впливу гидролизующих агентовна компоненти пивної дробини. Препарати фіксували, фарбували метиленовим синім і мікроскопіровать при збільшенні х 400.
Результати представлені на рисунке 1.
Рисунок 2 – Мікроструктура пивної дробини та мікроструктура пивної дробини, підданої лужному гідролізу (х400)
У таблиці 2 представлені дані про адсорбції фенолу з водного розчину системою пивна дробина-добавка.
Ефективність активного вугілля вивчалися спектрометрически по смузі поглинання фенолу в ультрафіолетовій області.
Рисунок 3 – Інфрачервоним спектрофотометром SPECORD 75 IR SPECORD 75 IR
Таблица 1 – Адсорбція фенолу продуктами піролізу пивної дробини з різними добавками. Вихідна концентрація фенолу в розчині 1 мг/л.
Як видно, значне збільшення адсорбційної ємності дробини досягається при її обробці перед піролізом розчином лугу.
Висновки
Робота присвячена актуальній задачі пошуку нових адсорбентів на основі бистровозобновляемого рослинної сировини.
В роботі розглянуто:
- Способи отримання адсорбенту.
- Вивчений хімічний склад і властивість пивної дробини.
- Досліджено пивна дробина приобробці перед піролізом розчином лугу. Можна зробити висновок, що досягаєтьсязначне збільшення адсорбційної ємності дробини.
Виробництво і застосування углеродсодержащих адсорбентів на основі природних мінеральних і органічних компонентів, є доцільним, тому що вони можуть замінити існуючі адсорбенти одержувані на основі деревини, що значно поліпшить стан навколишнього середовища регіону.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2020 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.