Odstranění plynů z vody, deoxidace a dekarbonizace

Voda obsahuje kromě rozpuštěných minerálních látek také vždy určité množství rozpuštěných plynů. Ve vodě se dobře rozpouští nejen obě hlavní složky vzduchu dusík a kyslík, ale i jiné plyny od oxidu uhličitého až po plyny využívané k dezinfekci vody jako chlor či chlordioxid.

Dezinfekční plyny tentokrát vynecháme a zaměříme se na první tři jmenované.

Plyny v kapalinách

Plyny se vyskytují ve vodě ve dvou formách. Mohou být ve vodě rozpuštěné, takže pro nás jsou vlastně neviditelné. To, jak se daný plyn bude ve vodě rozpouštět je popsáno Henryho zákonem. Ten v podstatě říká, že za vysokého tlaku a nízké teploty se budou plyny v kapalině rozpouštět lépe než za nízkého tlaku a vysoké teploty.

Plyny, které jsou ve vodě rozpuštěné můžeme pro většinu průmyslových aplikací považovat za neškodné. Problém totiž představují plyny ve volné formě. Pokud jste se někdy nachomýtli k lahvi piva nebo sodovky, určitě jsem takový plyn ve volné formě viděli. Má totiž podobu bublinek.

Pokud se v kapalině tvoří bublinky plynu, znamená to, že je kapalina plynem už nasycena a žádný další plyn se v ní tak nemůže rozpustit. Je to podobné, jako když se budete pokoušet rozpustit cukr nebo sůl ve vodě. Po překročení určitého množství už se vám další sůl rozpustit nepodaří a vzniká tzv. nasycený roztok.

Plyny se ve volné formě typicky vylučují na místech s nejvyšší teplotou či nízkým tlakem (vzpomeňme si, co říká o rozpustnosti plynů Henryho zákon). Tedy například v kotli nebo v nejvyšších místech topných soustav. Samostatnou kapitolou jsou pak kvasné procesy v pivovarnictví či dalších potravinářských oborech, při kterých vzniká oxid uhličitý.

Jak se plyny dostávají do vody

Plyny se do uzavřených okruhů dostávají zejména s vodou přidávanou na doplnění. Kdybychom trochu potrápili hlavu, došli bychom k závěru, že v jednom metru krychlovém vody je obsaženo 22,8 litrů vzduchu. Vzduch je směs plynů, jejíž hlavní složkou je dusík (přibližně 78 obj. %) a kyslík (přibližně 21 obj. %). Dusík je hlavní příčinou problémů spojených se soustřeďováním plynu v otopných soustavách či chladicích okruzích, tzv. zavzdušněním.

K zavzdušňování jsou velmi náchylné zejména chladicí okruhy, protože jak víme z Henryho zákona, při nižších teplotách se plyny v kapalině rozpouštějí lépe. Přesycenost vody v okruhu pak povede k vylučování dusíku ve formě volného plynu.

Plyny se ale nedostávají do okruhů a soustav jen s vodou na doplnění. Do soustavy se dostanou také díky difúzi. Čím více různých těsnění, rozdělovačů, hadic, trubek armatur apod. je v okruhu obsaženo tím více vzduchu může do soustavy difundovat. Zvláště to platí, pokud jsou tyto součástky vyrobeny z plastu.

Nesmíme ale též zapomenout na plyny uvolňované při hnilobných procesech a při chemických reakcích. Už jsme zmínili kvasné procesy, které jsou nedílnou součástí výroby mnoha oblíbených nápojů. Není to ale jediná chemická reakce, která generuje plyny, plyny jsou uvolňovány například při reakcích souhrnně nazývaných jako koroze.

A konečně některé plyny do vody přidáváme záměrně. Například plyny používané k dezinfekci vody mezi které patří chlor, chlordioxid (přesněji oxid chloričitý) či ozon.

Pryč s plyny

Proč jsou vlastně plyny ve vodě nežádoucí? Už jsme trochu naznačili, že dusík je hlavní příčinou problémů se zavzdušněním otopných soustav. Ale co ty ostatní? Kyslík, druhá hlavní složka vzduchu, představuje mnohem větší problém než dusík. Na rozdíl od dusíku, je kyslík reaktivní plyn, který bez pobízení reaguje se vším, co mu přijde do cesty. V potravinářství tak například snižuje obsah vitaminu C v nápojích. Podporuje též bakteriální růst nebo způsobuje korozi. V případě nápojů to vede ke zkažení nápoje, tedy tzv. zvětrávání.

Oxid uhličitý

Určité množství oxidu uhličitého se dostává do vody ze vzduchu. Důležitou roli má tento plyn zejména v potravinářském průmyslu a konkrétně při výrobě alkoholických i nealkoholických nápojů. Oxid uhličitý vzniká při kvasných procesech stejně jako ethanol nebo jím nápoje mohou být syceny dodatečně. Ať už ho ve výsledném nápoji chceme nebo ne, většinou je třeba jeho koncentraci upravit, a hlavně je třeba ho odstranit před prováděním laboratorních analýz.

Úkolů, které je třeba v rámci takové laboratorní analýzy piva je poměrně hodně a nekončí to jen stanovením obsahu alkoholu a zbytkového cukru. Oxid uhličitý může třeba za tvorbu pivní pěny, která ale komplikuje stanovení hustoty (a když jsme u toho tak také plnění do lahví). Mění také pH nápoje, kyselina uhličitá je v podstatě prakticky oxid uhličitý rozpuštěný ve vodě.

V případě piva je odstranění oxidu uhličitého též komplikováno tím, že zároveň s poklesem obsahu tohoto plynu dochází i k poklesu obsahu ethanolu. Dobrým příkladem je úprava pivovarské vody, s plyny se ale pracuje například i ve vodárenství.

Možnosti odplynění vody

Pro odstranění plynů z kapalin můžeme použít univerzální termín odplynění nebo operaci více specifikovat. Můžeme tak provádět deoxidaci za účelem odstranění kyslíku či dekarbonizace za účelem odstranění oxidu uhličitého apod. Dekarbonizace označuje ve vodárenství obecně jakékoli technologie vedoucí ke snížení obsahu sloučenin uhlíku ve vodě.

Možností, jak dekarbonizaci provádět je několik. Dříve se ve vodárenství používali filtry s ionexovými náplněmi v kombinaci s provdušňovacími (stripovacími) věžemi, nicméně v posledních letech přichází trend s využíváním reverzních osmóz. K dekarbonizaci lze též použít probublávání jiným plynem než je vzduch.

Dále lze dekarbonizovat varem, pomocí ultrazvuku nebo využít odplyněné pomocí membrán z dutých vláken. Tato metoda využívá speciální membránu tvořenou z tisíců mikroporézních, hydrofobních dutých vláken. Konstrukce membrány zajišťuje maximální kontaktní plochu mezi kapalinou a plynem.

Jako pomocný plyn lze použít buď dusík nebo i oxid uhličitý. Plyn je aplikován na jednu stranu membrány a v podstatě vysán přes ní pomocí snížení tlaku. Pomocný plyn s sebou strhne i plyn, který je třeba odstranit, což je typicky právě výše zmíněný oxid uhličitý, nebo kyslík.

Podobně vlastně funguje vývěva. Jiný příklad využití vakuové techniky k odplynění kapalin je vstřikování nápoje do komůrky, ve které je udržován snížený tlak. Bublinky plynu se tak nafouknou, prasknu a následně jsou odčerpány pomocí vývěvy.

Stanovení kyslíku a oxidu uhličitého

Pro úplnost ještě dodejme, jak takové plyny vůbec můžeme ve vodě detekovat. Kyslík se dnes stanovuje prakticky výhradně elektrochemicky. Využívá se principu tzv. voltametrie, při které je kyslík rozpuštěný v nápoji redukován na zlaté nebo platinové elektrodě a stanovení využívá toho, že difuzní proud je přímo úměrný právě obsahu kyslíku v roztoku.

V případě oxidu uhličitého máme na výběr chemické metody zahrnující zejména titraci (ať už přímou či nepřímou) nebo fyzikální metody, ze kterých jsou nejpoužívanější manometrické metody (ty vycházejí z výše zmíněného Henryho zákona) a infračervená spektrometrie v blízké oblasti označovaná zkratkou NIR.

Tato metoda je velice rychlá a na rozdíl od klasické infračervené spektrometrie ve střední oblasti, umožňuje stanovovat obsah oxidu uhličitého a dalších složek v nápoji i přes obal.

Je nutné podotknout, že existují i techniky, které odplynění vzorku nepotřebují. Pro potřeby pivovarů jsou na trhu dnes dostupné i automatické analyzátory založené na využití infračervené spektrometrie v blízké oblasti (NIR) s přetlakově plněnou kmitající trubicí.

Tyto přístroje odplynění vzorku před analýzou nevyžadují a jsou schopné přímo stanovit nejen obsah alkoholu v nápoji, ale také množství rozpuštěného oxidu uhličitého a kyslíku či hustotu vzorku. Dekarbonizaci vzorku nevyžadují také refraktometrické analyzátory, tedy přístroje využívající ke stanovení obsahu ethanolu měření indexu lomu vzorku. Oxid uhličitý totiž naměřenou hodnotu ovlivňuje jen velmi málo, a tak se tyto přístroje využívají zejména jako procesní analyzátory.

Závěr

To, že voda obsahuje i rozpuštěné plyny si mnohdy ani pořádně neuvědomuje, a pravdou je, že pokud nejsou plyny přítomny ve volné formě, ve většině případů je můžeme považovat za neškodné. Problémy přinášejí plyny ve volné formě.

Dusík je hlavní příčinou problémů se zavzdušněním nejen otopných soustav, kyslík bývá nejčastěji porovnáván s podporou bakteriálního růstu a koroznímu procesy. Samostatnou kapitolou je oxid uhličitý. Tento plyn je součástí mnoha alkoholických i nealkoholických nápojů, ale komplikuje provádění laboratorních analýz, proto je před analýzou nutné provést tzv. dekarbonizaci či odpěnění vzorku.