第二章 软饮料用水及水处理

第二章

软饮料用水及水处理人的衰老是水分丢失的过程80%70%50~60%90%

世界卫生组织WHO调查发现：人类疾病80％与水有关，现代营养学家认为：饮水质量是我们生活质量的重要组成部分。（1）饮料生产用水为什么要处理？

（2）饮料生产用水怎样处理？

一、水源的分类及其特点

（一）地表水

包括河水、江水、湖水和水库等。常含有粘土、砂、水草、腐植质、钙镁盐类、其它盐类及细菌等。

近年来，由于工业的发展，大量含有有害成分的废水排入江河，引起地表水污染，也增加了工业用水的困难。（二）地下水

地下水主要是指井水、泉水和自流井等。由于经过地层的渗透和过滤而溶入了各种可溶性矿物质，如钙、镁、铁的碳酸氢盐等，其含量多少取决于其流经的地质层中的矿物质含量。

(二)天然水源中杂质的特征

１.悬浮物质

天然水中凡是料度大于0.1um的杂质统称为悬浮物。这类杂物使水质呈混浊状态，在静置时会自行沉降。悬浮杂质主要是泥土、砂粒之类的无机物质，也有浮游生物（如蓝藻类、绿藻类、硅藻类）及微生物。

悬浮物质在成品饮料中能沉出来，生成瓶底积垢或絮状沉的蓬松性微粒。有害的微生物不仅影响产品风味，而且还会导致产品变质。２.胶体物质

胶体物质的大小大致为0.001-0.10μm。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不能自行下沉，即具有稳定性。

胶体物质多数是粘土性无机胶体，它造成水质混浊。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。３.溶解物质

这类杂质的微粒在0.001um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：天然水源中的溶解气体主要是氧气和二氧化碳，此外是硫化氢和氯气等。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：天然水中常含的无机盐离子,所含溶解盐的种类和数量，因地区不同差异很大。这些无机盐构成了水的硬度和碱度。

１.水的硬度:硬度是指水中离子沉淀肥皂的能力。

硬脂酸钠+钙或镁离子→硬脂酸钙或镁

(肥皂)(沉淀物)

水的硬度决定于水中钙、镁盐类的总含量。即水的硬度大小，通常指的是水中钙离子和镁离子盐类的含量。

硬度分为总硬度、碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。

碳酸盐硬度（又称暂时硬度），主要化学成分是钙、镁重碳酸盐，其次是钙、镁的碳酸盐。由于这些盐类一经加热煮沸就分解成为溶解度很小的碳酸盐，硬度大部份可除去，故又称暂时硬度。

Ca(HCO3)→CaCO3+CO2+H2O

Mg(HCO3)→Mg(OH)2+CO２

非碳酸盐硬度（又称永久硬度）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。２.碱度：水中碱度取决于天然水中能与Ｈ＋结合的OH-、CO32-和HCO3-的总含量,合称为水的总碱度。

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。水中OH-、CO32-、HCO3-的总含量为水的总碱度。

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HCO3-存在。只有在含Na2CO3或K2CO3的碱性水中，才存在有CO3-离子。

饮料加工用水的处理水处理的目的消除悬浮物、颜色、过高的碱度和硬度，脱盐，杀菌。澄清过滤混凝、絮凝和过滤石灰纯碱、离子交换、ED或RO悬浮杂质胶体溶解性杂质一、混凝沉淀自然沉淀水的沉淀加药物（混凝）沉淀除去水中较大的不溶性悬浮性杂质溶解性或悬浮于水中的细小粒子(胶体)混凝机理通过添加混凝剂后，胶体颗粒表面电荷被中和，破坏了胶体稳定性，促使小颗粒变成大颗粒而下降，从而得到澄清。胶体稳定的原因同一种胶体的颗粒带有相同电性的电荷1常用的混凝剂自身先溶解形成胶体，在与水中杂质作用，以中和或吸附的形式使杂质凝聚成大颗粒而沉淀。铝盐：明矾、硫酸铝、碱式氯化铝。铁盐：硫酸亚铁、硫酸铁、三氯化铁。(1)常用的有铝盐和铁盐(2)作用机理（1）明矾［KAl2(SO4)2]·12H2O或K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O；一种复盐，在水中Al2(SO4)3发生水解作用生成氢氧化铝

Al2(SO4)3→2Al3++3SO42-Al3++H2O→Al(OH)2++H+Al(OH)2++H2O→Al(OH)2++H+Al(OH)2++H2O→Al(OH)3↓

+H+

Al（OH）3凝聚机理1在近中性的水中，氢氧化铝带正电荷，而天然水中的自然胶体，大多带负电荷，起电性中和的作用2氢氧化铝可吸附水中的自然胶体和悬浮物使用时的注意事项水的pH值水温搅拌一般要求待处理水的pH为6.5-7.5；一般要求水温25-35℃；当温度高于40℃生成的絮凝物细小，不利于沉淀刚加入混凝剂时应快速搅拌明矾的加入量一般为0.001％-0.02％，为了加速混凝，加入前需把明矾块弄碎，并在加入后用木棒搅1-2min。2

助凝剂

为了提高混凝的效果，经常需要加入一些辅助药剂，称助凝剂。常用的助凝剂有很多，如用来调节pH值的碱、酸、石灰等。有时水中的混浊度不稳定，为加快混凝，加入粘土以加快粒子间的碰撞机会。有机合成的絮凝剂可与其它混凝剂协同使用，也可单独使用，如藻酸钠、聚丙烯酸钠、CMC-Na等。二、水的过滤过滤是使水中的胶粒、悬浮物被截留在滤层的孔隙中或表面。

过滤的方法适合于混浊度低、污染比较轻的水的处理。阻力截留（滤料表层）重力沉降（滤料深层）接触凝聚（滤料深层）过滤的原理（二）过滤的工艺过程过滤过程过滤冲洗生产清水滤料再生方法反冲1.砂滤池过滤法

无烟煤

细砂中砂

粗砂小卵石大卵石滤料层垫层（三）过滤的形式①过滤池中滤层厚度为60-70cm,其中滤料层厚度45-50cm，垫层厚度20-30cm。②常用的滤料有：天然砂、人工破碎的石英砂、活性炭、磁铁矿石、大理石等；③滤料的作用：具有吸附悬浮颗粒的表面，是完成过滤作用的基本介质。④垫层的作用是防止过滤时滤料进入配水系统，冲洗时能平均布水。2砂滤棒过滤器砂滤棒又名砂芯；采用硅藻土和骨灰等可燃性物质，在高温下焙烧，溶化，可燃性物质变为气体逸散，形成直径2-4μm的小孔；适用于用水量较少，原水中只含少量有机物、细菌及其它杂质。（1）基本原理待处理水在外压作用下，通过砂芯，水中存在的少量有机物及微生物被微孔吸附截留在砂滤棒表面。滤出的水，可达到基本无菌。（三）净水器

1：特点①能除去水中的异色、异味；②能除去水中的汞、铅、镉、锌、铁、锰、铬等重金属物质，除去氢化物、硫化物、余氯等高分子有机化合物，除去锶、镭等放射性物质和其它一些致癌物质；③设备体积小，不耗能，效率高。

主要用于除去水中的有机物、余氯、不良气味，降低色度等。2结构及工作原理63-86%的胶体物质50%左右的铁；47-60%的有机物；95%左右的细菌；97%左右的大肠菌群。活性炭可除去三、水的软化处理溶解性杂质包括：六种含量大的离子：Ca++、Mg++、Na+、HCO3-、SO4=、Cl-两种含量小的离子：Fe++SiO3=

两种气体：O2CO2

Ca++、Mg++含量的总和叫水的硬度；Ca++、Mg++、Na+、HCO3-、SO4=、Cl-等阴阳离子的总含量叫含盐量。饮料工业用水处理包含两个内容：只降低水中Ca++和Mg++含量的处理，叫水的软化；降低全部阴、阳离子含量的处理，叫水的除盐。（一）水的软化

1热水软化法根据化合物在不同温度条件下，在水中溶解度不同而进行的软化方法。一般用加热法除去碳酸盐硬度。Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑Mg(HCO3)2→MgCO3↓+H2O+CO2↑MgCO3+H2O→Mg(OH)2↓+CO2↑1、石灰软化法此法适合于碳酸盐硬度较高、非碳酸盐硬度较低，而且对水质不要求高度软化的水的处理。将生石灰CaO配制成石灰乳：

CaO+H2O→Ca(OH)2

用石灰乳除去水中重碳酸钙Ca(HCO3)2、重碳酸镁Mg(HCO3)2和CO2。CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O除去CO2(a)

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+2H2O(b)

Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓(c)MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓(d)2NaHCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O(e)与以上反应同时还进行下述反应：4Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2

→4Fe(OH)3↓+8CaCO3↓

+6H2OFe2(SO4)3+3Ca(OH)2→2Fe(OH)3↓

+3CaSO4

H2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3+2H2O

mH2SiO3+nMg(OH)2→nMg(OH)2.mH2SiO32.离子交换法离子交换软化法，是用离子交换剂，即使用离子交换树脂将水中所含的钙、镁离子吸附起来，使水质软化。离子交换，就是水中的离子和离子交换树脂上的离子，当量等电荷进行的反应。3.反渗透(RO)装置

反渗透是60年代发展起来的新的薄膜分离技术。是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。

原理：对于浓溶液施加比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到半透膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除盐的目的。

4.电渗析法

(1)工作原理利用离子在电场下定向迁移现象和离子交换膜的选择透过性达到除盐的效果。在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一部分水中的大部分离子迁移到另一部分中，从而达到除盐的目的。

原水

阴极

---------------

极室

+Na+++阳膜

淡水淡水排放阴膜

浓水

-+-+-阳膜淡水淡水排放阴膜浓水浓水排放阳膜极室

+++++++++++++

原水阳极（2）电渗析法的特点处理过程连续化；无外加任何化学试剂；不需再生剂和任何再生过程；只需倒换电极；不能除去胶体物质；不能彻底除盐；水的利用率低，仅40%左右，有大量浓盐水排放。第三节水的消毒水的消毒指杀灭水中的病原菌及水中的其它有害微生物，防止因水中的致病菌导致消费者产生疾病，并非将所有微生物全部杀灭。常用的消毒方法有：氯化法臭氧消毒紫外线消毒一、氯消毒

氯消毒指在水中通氯气或其它含有有效氯的化合物。基本原理

氯在水中反应如下：

Cl2+H2OHOCl+H++Cl-

HOClOcl-

+H+氯的消毒作用是通过它产生的次氯酸HOCl的作用，而不是氯气本身，也不是氢离子或次氯酸根（OCl－）的作用。HOCl是一个中性的分子，可以扩散到带负电的细菌内部后，由于氯原子的氧化作用，破坏了细菌某些酶的系统，最后导致细菌的死亡。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