第二章 软饮料用水及水处理 92页

第二章软饮料用水及水处理第一节软饮料用水的水质要求水是饮料生产中占比例最大的成分，甚至有的软饮料本身就是水，如瓶装水，因此，水质的好坏，直接影响成品的质量，由于生产所用水源各不相同，如天然水、自来水等，一般都不符合软饮料用水要求，须进行各种处理后，方可达到要求。\n一、天然水天然水可分为地表水与地下水，由于其流经的环境不一样，故其中所含的杂质也不尽相同，相对而言，地表水含有较多的粘土、砂、水草、腐植质、钙镁盐类、其它盐类及细菌等，而矿物质较少，这类水的硬度约为1.0~8.0毫克当量／升。而地下水由于经过地层的渗透和过滤，而含有较多的可溶性矿物质，如钙、镁、铁的碳酸氢盐等，地下水一般含盐量为100~5000mg/L。硬度约为2~10克当量／升，但由于水透过地质层时，形成了一个自然过滤过程，所以它很少含有泥沙、悬浮物和细菌，水质比较澄清。\n天然水源中的杂质及其特征1、天然水源中的杂质分类：按其微粒分散的程度，大致可分为三类：悬浮物、胶体、溶解物质。2、天然水源中杂质特征（1）悬浮物质天然水中凡是料度大于0.2μm的杂质统称为悬浮物。主要是泥砂之类的无机物质，也有浮游生物（如蓝藻类、绿藻类、硅藻类）及微生物。该类杂物使水质呈混浊状态，在静置时会自行沉降，在成品饮料中生成瓶底积垢或絮状沉淀。如是有害的微生物，将影响产品风味，或导致产品变质。\n２.胶体物质胶体物质的大小大致为0.001~0.20μm。具有两个很重要的特性：（１）光线照射上去，被散射而呈混浊的丁达尔现象。（２）因吸附水中大量离子而带电荷，颗粒间因斥力而不粘结，故始终稳定而不自行下沉，即具有胶体稳定性。胶体物质多数是粘土性无机胶体，造成水质混浊。高分子有机胶体是分子量很大的物质，一般是动植物残骸经过腐蚀分解的腐植酸、腐植质等，是造成水质带色的原因。\n３.溶解物质这类杂质的微粒在0.001μm以下，以分子或离子状态存在于水中。溶解物主要是溶解气体、溶解盐类和其它有机物。（１）溶解气体：主要是O2和CO2，此外是H2S和Cl2等。这些气体的存在会影响碳酸气饮料中CO2的溶解量及产生异味。（２）溶解盐类：主要为无机盐，所含溶解盐的种类和数量，因地区不同差很大。这些无机盐构成了水的硬度和碱度。\n水的硬度是指水中离子沉淀肥皂的能力。通常情况下，与水中钙离子和镁离子相比较，其他离子含量很少，所以，水的硬度大小，一般通常指的是水中钙离子和镁离子盐类的含量。因此水的硬度决定于水中钙、镁盐类的总含量。硬脂酸钠（肥皂）+钙或镁离子→硬脂酸钙或镁（沉淀）硬度分为总硬度、碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。\n碳酸盐硬度（暂时硬度）：主要化学成分是钙、镁的酸式（重）碳酸盐，其次是钙、镁的碳酸盐。由于酸式（重）碳酸盐类一经加热煮沸就分解成为溶解度很小的碳酸盐，硬度大部可除去，故又称暂时硬度。Ca(HCO3)→CaCO3+CO2+H2OMg(HCO3)→Mg(OH)2+CO２非碳酸盐硬度（永久硬度）表示水中钙、镁的氯化物（CaCl2、MgCl2）、硫酸盐(CaSO4、MgSO4)、硝酸盐[Ca(NO3)2,Mg(NO3)2]等盐类的含量。这些盐类经加热煮沸不会发生沉淀，硬度不变化，故又称永久硬度。\n总硬度=暂时硬度+永久硬度总硬度＝[Ca++]/20+[Mg++]/12（毫克当量／升）式中[Ca++]、[Mg++]表示水中钙、镁离子含量（mg/L）。硬度通用单位为“毫克当量／升”。也可用德国度表示，即１升水中含有10mgCaO为硬度１度。其换算关系为：１毫克当量／升＝2.804度＝50.045mg/l（以CaCO3表示）饮料用水的水质，要求硬度小于8.5度。硬度高会产生碳酸钙沉淀和有机酸钙盐沉淀，影响产品口味及质量。\n水的碱度水中碱度取决于天然水中能与Ｈ＋结合的OH-、CO3--和HCO3-的总含量，以“毫克当量／L”表示。其中OH-的含量称氢氧化物碱度，CO3--的含量称碳酸盐碱度，HCO3-的含量为重碳酸盐碱度。统称为水的总碱度。水中OH-和HCO3-不可能同时存在。天然水中通常不含OH-，又由于钙、镁碳酸盐的溶解度很小，所以当水中无钠、钾存在时，CO3--的含量也很小。因此，天然水中仅有HCO-存在。只有在含Na2CO3或K2CO3的碱性水中，才存在有CO3-离子。\n测定水的碱度的反应（1）重碳酸盐HCO3-+Ｈ＋=H2O+CO2（2）碳酸盐CO3--+Ｈ＋=HCO3-（3）氢氧化物OH-+Ｈ＋=H2O总碱度与总硬度之间的关系：（1）当H总>A总，则H非碳=H总-A总，H碳=A总，H负=0（2）当H总=A总，则H非碳=0，H碳=A总，H负=0（3）当H总Na+>NH4+>K+>Ag+OH－>HCO3－>CO3－->SO4－->Cl－一般强酸性阴树脂从Na+型变成H4+型、强碱性阴树脂从Cl－变成OH－型，其体积均会增加5%。由于树脂具有溶胀性，因而在交换和再生过程中会发生涨缩现象，多次涨缩会使树脂颗粒破裂，因此应尽可能加长树脂工作时间，或减少再生次数，以延长其使用寿命。\n2、离子交换树脂的选择性对某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。（1）水中离子所带电荷越多，越易被离子交换树脂所交换。（2）当离子所带电荷相同时，原子序数越大，即离子水合半径越大，则越易被离子交换树脂所交换。（3）在弱酸阳树脂或弱碱阴树脂中，则上述顺序正好相反。3、交换容量树脂交换容量可分为总交换容量和工作交换容量。总交换容量：单位质量（干）或单位体积（湿）树脂的交换总容量。工作交换容量：树脂在动态工作状态下的交换容量，一般只有总容量的60-70%.\n四、离子交换树脂的选择原则如何根据水中的溶解物质和处理后水质的要求，正确选择离子交换树脂，使树脂在生产中发挥最大的效能，这是离子交换水处理工作的关键。一般可以按照以下几方面进行选择：１、选择大容量，高强度树脂交换容量是离子交换树脂的一项极为重要的指标。交换容量越大，同体积的树脂所能交换吸附的离子就越多，处理的水量也越大。一般同类型树脂中，弱型比强型交换容量大，可是机械强度一般较差。另外，同类型的树脂，由于树脂的交联度不同，交换容量也不相同。交联度小的树脂，交换容量大，交联度大的树脂，交换容量小。\n2、根据原水中需要除去的离子种类选择如果只需除去水中吸附性较强的离子（如Ca++、Mg++等），可选用弱酸性或弱碱性树脂。例如对原水进行软化时，如果其中的碳酸盐硬度大，即可选择弱酸性树脂进行软化。但是，当必须除去原水中吸附性能比较弱的阳离子（如K+、Na+）或阴离子（如HCO3－、HＳiO3－）时，用弱酸或弱碱树脂就较困难，甚至不能进行交换反应。此时必须选用强酸性或强碱性树脂。所以在处理高硬度或高盐分的水质时，先进行弱酸（碱）性树脂处理，再用强酸（碱）性树脂进行处理，更为经济合理。\n四、离子交换水处理装置1、离子交换水处理装置的类型根据实际生产需要，可采用不同离子交换方式。目前常用的分为固定床及连续床两大类。（１）固定床离子交换器单床是固定床中最简单的一种方式。多床是同一种离子交换剂，两个单床串联的方式。当单床处理水质达不到要求时可采用多床。复床是两种不同的离子交换剂的交换器的串联方式。混合床是将阴阳离子交换树脂置于同一柱内，相当于很多级阴阳离子柱串联起来。处理水质量较高。多层床是在一个交换柱中装有两种树脂（弱酸与强酸、弱碱与强碱型），上下分层不混合。\n（２）、连续式离子交换可分移动床式和流动床式。移动床其装置见书交换剂装于交换塔中。原水从下部流入，软水从塔上部流出。这样自下而上的流动，交换一定时间后停止交换，将交换塔中一定容量的失效交换剂送至现再生塔中还原。同时从清洗塔向交换塔上部补充相同容积的已还原清洗的交换剂，因交换塔上面始终有刚加入的新交换层，故出水水质稳定。流动床流动床是完全连续工作的，它在进行交换的同时不断从交换塔内向外输送需更换的离子交换剂，并且不断向交换塔内输送再生后的交换剂。\n2、单元装置的工作特性（１）、阳离子交换柱因为阳离子交换树脂的交换能力大于阴离子交换树脂，故一般作为第一级交换处理。对水中阳离子交换能力的顺序为：Fe+++>Al+++>Mg++>K+>Na+>Li+阳柱出水pH值一般在2.4~4.5。（２）、阴离子交换柱水中阴离子交换顺序，对弱碱型阴树脂：OH－>SO42－>NO3－>PO4－>Cl－>HCO3－对于强碱型阴树脂：SO42－>NO3－>OH－>HCO3－>HSiO3－原水经阴离子交换柱，出水pH值为8~9.5。\n（３）、混合离子交换柱将阳、阴树脂按一定比例混合，放在同一交换柱内为混合柱。它具有水质高，出水速度快等优点。缺点是交换容量低，再生复杂，混合床出水pH值为7.0±0.2。（４）、脱碳器（二氧化碳脱气塔）为了减少阴离子交换柱负担，经阳离子柱处理的酸性水，一般采用一个脱碳器并配合机械鼓风，使游离CO2逸出，从而减少水中碳酸盐负离子含量，减轻阴离子树脂柱的负担。其反应式为：HCO3－+H+→H2CO3→H2O+CO2↑\n3、饮料用水离子交换处理方式根据饮料用水除盐要求，一般可采用复床或联合床系统。在各种组合方式中，阳树脂床需排在首位，不可颠倒。原因是由于水中的Ca++、Mg++如不经阳树脂柱而进阴树脂柱进行交换，交换下来的OH－和Ca++、Mg++生成沉淀包在阴树脂的外面，影响其交换能力。各种组合中，阳、阴树脂的用量比例，可按下式计算Ｗ阳／Ｗ阴＝Ｖ阴／Ｖ阳式中Ｖ阳―阳树脂交换容量Ｖ阴―阴树脂交换容量Ｗ阳―阳树脂用量Ｗ阴―阴树脂用量\n五、离子交换树脂的处理、转型及再生（一）新树脂的处理及转型新树脂往往混有可溶性的低聚物及夹杂在树脂中间的悬浮物质，影响树脂的交换反应。因此，使用前必须进行预处理。另外市售的阳树脂多为Na型，阴树脂多为Cl型，需分别用酸碱处理，将阳树脂转为H型，阴树脂转为OH型。1、阳树脂的处理和转型水浸泡、冲洗→加等量7%HCl溶液浸泡→加等量8%NaOH溶液浸泡→加3~5倍7%HCl溶液浸泡，使阳离子转为H型，去酸液，用去离子水洗至pH值3~4即可应用。\n２、阴树脂处理和转型水浸泡、洗涤→加等量8%NaOH溶液浸泡→加等量7%HCl溶液浸泡→最后加入3~5倍8%NaOH溶液浸泡→用去离子水洗至pH值为8~9即可。\n（二）离子交换树脂的再生离子交换树脂处理一定水量后，交换能力下降，通称为树脂“失效”或“老化”，须进行再生。其机理是水处理的逆反应。用树脂重量2~3倍的5~7%HCl处理阳树脂，用2~3倍的5~8%NaOH溶液处理阴树脂。然后用去离子水分别洗至pH值为3.0~4.0和8.0~9.0，使树脂重新转变为H型和OH型。树脂再生前应先进行反洗，冲洗至松动无结块为止。其目的是除去停留在树脂上的杂质，并排除树脂中的气泡，以利再生。再生方法有顺流再生和逆流再生，离子交换法处理的原水含盐量过高时，须常再生，费物、费力、水质不稳。这时应在离子交换处理前作相应预处理，如凝聚、过滤、吸附或电渗析等。\n第五节水的消毒消毒是指杀灭水里面的致病菌，防止因水中的致病菌导致消费者产生疾病。消毒并非将所有微生物全部杀灭。水的消毒方法很多，而目前国内外常用的是：氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒等。\n一、氯消毒（一）基本原理氯在水中反应如下：Cl2+H2OHOCl+H++Cl-HOClOCl－+H+以上二个反应很快达到平衡。由于H＋能被水中碱度中和，因此反应极易向右进行，最后水中只剩下次氯酸HOCl和次氯酸根OCl－。\n氯的消毒作用是通过它产生的次氯酸HOCl的作用，而不是氯气的本身，也不是氢离子或次氯酸根（OCl－）的作用。次氯酸HOCl和次氯酸根（OCl－）都具有氧化作用，但HOCl是一个中性的分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并渗入菌体内部，由于氯原子的氧化作用，破坏了细菌某些酶系统而导致细菌的死亡。而次氯酸根OCl－虽然也包括一个氯原子，但它带负电，不能靠近带负电的细菌。所以也不能穿过细胞膜进入细菌内部，因此其消毒作用远弱于次氯酸。\n（二）加氯方法和加氯量１、加氯方法滤前加氯、滤后加氯两种方法。２、加氯量加入水中的氯分为两部分，即作用氯（吸氯）和余氯。作用氯是和水中微生物、有机物及有还原作用的盐类（如亚铁、亚硝酸等）起作用的部分；余氯是为了保持水在加氯后有持久的杀菌能力、防止水中微生物萌发和外界微生物侵入的部分。\n（三）几种常用氯消毒法１、漂白粉漂白粉是由氯气与熟石灰反应而得，其主要成分为氧氯化钙CaOCl2。在漂白粉的成分中，起消毒作用的只有氧氯化钙CaOCl2。氧氯化钙中的氯含量占氧氯化钙的百分数为：Cl2/CaOCl2=70/126=55.5%漂白粉中氯含量占漂白粉的百分数为：65%×55.5%=36%上述36%称为漂白粉的有效氯含量，一般商品漂白粉的有效氯含量为25~35%，使用时按25%估算。\n漂白粉的消毒作用是其在水中产生次氯酸的结果：2CaOCl2+2H2O=2Ca(OH)2+2HOCl+CaCl22、次氯酸钠次氯酸钠在水溶液中可分解成次氯酸，因而具有消毒作用。它一般可采用电解氯化钠溶液，由电极产物反应而制得，反应式如下：2NaOH+Cl2=NaOCl+NaCl+H2O次氯酸钠杀菌能力强，水溶液很纯净，不增加水的硬度，所以比漂白粉好。一种更好的消毒剂是ClO2，它与水中杂质形成三氯甲烷（致癌物）的可能性要比其他氯消毒小得多。\n二、臭氧消毒臭氧（O3）是一种不稳定的气态物质，在水中易分解成O2和一个原子O，O是特别强烈的氧化剂，能与水中的细菌和其他微生物或有机物作用，使其失去活性，臭氧瞬时的灭菌性质优越于氯。由于臭氧（O3）不稳定，一般都是随制随用，使用干空气或氧气，通过臭氧发生器的高频电压电极放电生产臭氧，后将臭氧泵入氧化塔，通过布气系统与需要杀菌的水充分接触、混合，当达到一定浓度后，即可起到消毒作用。\n\n\n\n三、紫外线消毒（一）基本原理光线从光谱的蓝绿色开始，波长为4900~1400Å时具有杀菌能力，以2600Å效果最好。紫外消毒就是利用波长在200-295nm的紫外线进行的连续的水消毒处理。微生物受紫外线照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外光谱能量，导致蛋白质变性，引起微生物死亡。紫外线对清洁透明的水有一定穿透能力，所以能使水消毒。（二）紫外线消毒特点：紫外线消毒时间短，接触时间短，杀菌能力强，设备简单，操作管理方便，便于自动控制。但它没有持续杀菌作用。\n（三）影响紫外杀菌效果的因素1、介质温度当介质温度较低时，杀菌效果差。故采用紫外线高压汞灯消毒时，须装有石英套管，使灯管与套管间形成一个环状空气夹层，灯管能量能充分发挥而不致影响杀菌效果。２、处理水量的影响消毒效果随处理水量增加而降低。采用的灯管数，应根据处理水量大小而定。如采用低压汞灯消毒，一般30W灯管消毒地下水时，不大于15m3/h，消毒地面水时，不大于6m3/h。３、照射半径、时间的影响\n\nTheend！Thankyou！