Солевой состав воды. Содержащиеся в воде соли в значительной степени влияют на растворимость углекислого газа.
Растворимость газов в водных растворах солей изучал И. М. Сеченов. Он установил (1892 г.), что при содержании в растворе солей растворимость газов уменьшается:
где N0 и N - растворимость газов в чистой воде и в солевом растворе; К - константа; С - концентрация соли в моль/л.
Эта зависимость была получена Сеченовым в связи с исследованием растворимости газов в крови.
Некоторые соли, диссоциирующие в воде, например бикарбонаты, химически связывают углекислый газ, что приводит к бесполезному расходу этого газа при сатурации воды.
Абсорбция углекислого газа водой - массообменный процесс, скорость которого определяется количеством абсорбтива, переходящего из одной фазы в другую за единицу времени. Движущей силой процесса является разность концентраций (или парциальных давлений) газов в газообразной и жидкой фазах. Количество газа, абсорбируемого жидкой фазой,
где k - коэффициент абсорбции; F - поверхность контакта фаз; Ар-разность парциальных давлений в газообразной и жидкой фазах; т - продолжительность процесса.
Из уравнения видно, что скорость процесса массообмена
прямо пропорциональна коэффициенту абсорбции, поверхности контакта фаз и разности парциальных давлений. Коэффициент абсорбции уменьшается при снижении температуры. Поэтому интенсивный массообмен может быть достигнут при высоком давлении газа, большой поверхности контакта фаз и низкой температуре водного раствора. При проведении сатурации температура воды равна 1-2° С и давление газа над раствором повышается до 0,49-1,176 Мн/м2 (5-12 к Г см2) в зависимости от типа сатуратора. Для поддержания высокого парциального давления углекислого газа в процессе сатурации периодически удаляется накапливающаяся газо-воздушная смесь и производится предварительная деаэрация сатурируемой воды.
Создание возможно большей поверхности контакта газа и воды в аппаратах для сатурации решается по-разному: вода либо энергично размешивается в атмосфере углекислого газа, либо тонко распыляется посредством форсунок, либо пропускается по насадке с большой поверхностью в виде тонкой пленки.
Сатурация ведется до содержания углекислого газа в растворе 0,5-0,6% к массе. Предел насыщения зависит от температуры и давления, при которых растворяется газ. Так, например, при 2° С и избыточном давлении 490 кн/м2 (5 кг/см2) растворимость газа составляет 19,234 г/л. Однако получать предельно насыщенный раствор нецелесообразно, так как основная масса углекислого газа поглощается в начальный период сатурации при значительной разности парциальных давлений. В последующий период, по мере приближения системы к условиям фазового равновесия массообмен становится малоэффективным и для достижения предельного насыщения требуется продолжительное время. При выборе оптимального режима сатурации следует, однако, иметь в виду, что очень высокая разность парциальных давлений в растворе и в газовой фазе обусловливает образование пересыщенного раствора. В таком растворе углекислый газ не прочно связан с водой, быстро десорбируется и не обеспечивает высокого качества напитка.