第一章水處理

1、軟飲料工藝學(xué)軟飲料工藝學(xué)第一章第一章 水及水處理水及水處理v教學(xué)目的、要求教學(xué)目的、要求:v了解水中的雜質(zhì)及其分類v了解水中雜質(zhì)的處理方法及原理v掌握飲料用水的水源處理方法的選擇原則 v教學(xué)重點及難點：教學(xué)重點及難點：重點軟飲料的概述和分類；難點軟飲料用水的處理 軟飲料用水的水質(zhì)要求軟飲料用水的水質(zhì)要求v水是飲料生產(chǎn)中的重要原料之一，水質(zhì)的好壞，直接影響成品的質(zhì)量，因此，全面了解水的各種性質(zhì)，對于飲料用水的處理工作具有重要意義。v 軟飲料用水的水質(zhì)要求 ：水占飲料8595 天然水的分類及其特點天然水的分類及其特點1、地表水、地表水v包括河水、江水、湖水和水庫等。由于地表水是在地面流過，礦物質(zhì)較

2、少，這類水的硬度約為1.08.0毫克當(dāng)量升。v但河水不一定是地表水，也有的是地下水穿過土層而流入大河。所以河水除含有泥沙、有機物外，還有多種的可溶性鹽類，我國江河水含鹽量通常為70990mg/l。v 近年來，由于工業(yè)的發(fā)展，大量含有有害成分的廢水排入江河，引起地表水污染，也增加了飲料工業(yè)用水的困難2、地下水、地下水v地下水主要是指井水、泉水和自流井等 。由于經(jīng)過地層的滲透和過濾而溶入了各種可溶性礦物質(zhì)，如鈣、鎂、鐵的碳酸氫鹽等，其含量多少取決于其流經(jīng)的地質(zhì)層中的礦物質(zhì)含量。地下水一般含鹽量為1005000mg/l。硬度約為210克當(dāng)量升，有的高達1025克當(dāng)量升。但由于水透過地質(zhì)層時，形成了一

3、個自然過濾過程，所以它很少含有泥沙、懸浮物和細菌，水質(zhì)比較澄清。3、自來水、自來水v水質(zhì)好且穩(wěn)定，但水價高天然水中的雜質(zhì)天然水中的雜質(zhì)v天然水在自然界循環(huán)過程中，不斷地和外界接，使空氣中、陸地上和地下巖層中各種物質(zhì)溶或混入。因此，在自然界里沒有絕對純潔的水，它們都受到不同程度的污染。v天然水源中雜質(zhì)分類 天然水源 中的雜質(zhì)，按其微粒分散的程度，大致可分為三類：懸浮物、膠體、溶解物質(zhì)。懸浮物、膠體、溶解物質(zhì)。v（）懸浮物質(zhì)（）懸浮物質(zhì)v天然水中凡是料度大于0.2um的雜質(zhì)統(tǒng)稱為懸浮物。這類雜物使水質(zhì)呈混濁狀態(tài)，在靜置時會自行沉降。懸浮雜質(zhì)主要是泥土、砂料之類的無機物質(zhì)，也在浮游生物（如藍藻類、綠

4、藻類、硅藻類）及微生物。v懸浮物質(zhì)在成品飲料中能沉出來，生成瓶底積垢或絮狀沉的蓬松性微粒。有害的微生物不僅影響產(chǎn)品風(fēng)味，而且還會導(dǎo)致產(chǎn)品變質(zhì)。v（2）膠體物質(zhì)）膠體物質(zhì)v 膠體物質(zhì)的大小大致為0.0010.20m。具有兩個很重要的特性： （）光線照射上去，被散射而呈混濁的丁達爾現(xiàn)象。 （）因吸附水中大量離子而不能自行下沉，即具有穩(wěn)定性。v膠體物質(zhì)多數(shù)是粘土性無機膠體，它造成水質(zhì)混濁。高分子有機膠體是分子量很大的物質(zhì)，一般是動植物殘骸經(jīng)過腐蝕分解的腐植酸、腐植質(zhì)等，是造成水質(zhì)帶色的原因。v（3）.溶解物質(zhì)溶解物質(zhì) 這類雜質(zhì)的微粒在0.001um以下，以分子或離子狀態(tài)存在于水中。溶解物主要是溶解氣

5、體、溶解鹽類和其它有機物。溶解氣體：天然水源中的溶 解氣體主要是氧氣和二氧化碳，此外是硫化氫和氯氣等。這些氣體的存在會影響碳酸氣飲料中CO2的溶解量及產(chǎn)生異味。溶解鹽類：天然水中常含的無機鹽離子,所含溶解鹽的種類和數(shù)量，因地區(qū)不同差很大。這些無機鹽這些無機鹽構(gòu)成了水的硬度和堿度構(gòu)成了水的硬度和堿度。v.水的硬度:硬度是指水中離子沉淀肥皂的能力。 硬脂酸鈉+鈣或鎂離子 硬脂酸鈣或鎂 (肥皂) (沉淀物) 所以,水的硬度決定于水中鈣、鎂鹽類的總含量。即水的硬度大小，通常指的是水中鈣離子和鎂離子鹽類的含量。 硬度分為總硬度、碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。 碳酸鹽硬度（又稱暫時硬度），主要化學(xué)成分是鈣、原

6、重碳酸鹽，其次是鈣、鎂的碳酸鹽。由于這些鹽類一經(jīng)加熱煮沸就分解成為溶解度很小的碳酸鹽，硬度大部可除去，故又稱暫時硬度。 Ca(HCO3) CaCO3 +CO2 +H2O Mg(HCO3) Mg(OH)2 + CO 非碳酸鹽硬度（又稱永久硬度）表示水中鈣、鎂的氯化物（CaCl2、 MgCl2）、硫酸鹽 (CaSO4、MgSO4)、硝酸鹽Ca(NO3)2,Mg(NO3)2 等鹽類的含量。這些鹽類經(jīng)加熱煮沸不會發(fā)生沉淀，硬度不變化，故又稱永久硬度。總硬度是暫時硬度和永久硬度之和。 總硬度Ca2+/20.04+Mg2+/12.15 式中Ca2+ 、 Mg2+ 表示水中鈣、鎂離子含量（mg/l）。v根據(jù)

7、水質(zhì)分析結(jié)果，可算出總硬度。硬度通用單位為毫克當(dāng)量升。也可用度表示，即升水中含有10mg CaO為硬度度。其換算關(guān)系為：毫克當(dāng)量升2.804度50.045mg/l（以CaCO3表示）飲料用水的水質(zhì)，要求硬度小于8.5度。硬度高會產(chǎn)生碳酸鈣沉淀和有機酸鈣鹽沉淀，影響產(chǎn)品口味及質(zhì)量。v堿度：水中堿度取決于天然水中能與結(jié)合的OH-、CO3-和HCO3-的總含量,合稱為水的總堿度。 天然水中通常不含OH-、CO3-和HCO3-，其含量以毫克當(dāng)量L表示。其中OH-的含量稱氫氧化物堿度，CO3-的含量稱碳酸鹽堿度，HCO3-的含量為重碳酸鹽 。水中OH-、CO3-、 HCO3-的總含量為水的總堿度。 天然

8、水中通常不含OH-，又由于鈣、鎂碳酸鹽的溶解度很小，所以當(dāng)水中無鈉、鉀存在時，CO3-的含量也很小。因此，天然水中僅有HCO-存在。只有在含Na2CO3或K2CO3的堿性水中，才存在有CO3-離子。v飲料用水的水質(zhì)要求飲料用水的水質(zhì)要求 選擇飲料用水，基本上要求符合我國“生活飲用水衛(wèi)生（TJ2076）”,除此之外，還應(yīng)參照輕工業(yè)部部頒汽水工藝用水水質(zhì)要求（補充件）。 表2-1 生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)項 目標(biāo) 準(zhǔn)感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)色渾濁度臭和味肉眼可見物pH總硬度(以碳酸鈣計)鐵錳銅鋅揮發(fā)酚類(以苯酚計)陰離子合成洗滌劑硫酸鹽氯化物溶解性總固體色度不超過15度,并不得呈現(xiàn)其他異色不超過 3 度,

9、特殊情況下不超過 5 度不得有異臭、異味不得含有6.58.5450mg/L0.3mg/L0.1mg/L1.0mg/L1.0mg/L0.002mg/L0.3mg/L250mg/L250mg/L1000mg/L軟飲料用水的水處理v 要去除水中細小懸浮物和膠體物質(zhì)，需進行水處理。水處理過程中有兩種途徑。一種是在水中加入混凝劑，使水中細小懸浮物及膠體物質(zhì)互相吸附結(jié)合成較大的顆粒，從水中沉淀出來，此過程稱混凝（凝聚）。另一種方法是細小懸浮物和膠體物質(zhì)直接吸附在一些相對巨大顆粒表面而除去，這就是過濾。若兩種途徑并用時，則過濾過程在混凝過程之后。v混凝混凝v膠體物質(zhì)在水中能保持懸浮分散不易沉降的穩(wěn)定性。其原

10、因是同一種膠體的顆粒帶有相同電性的電荷，彼此間存在著電性斥力，使顆粒之間相互排斥。這樣它們就不可能互相接近并結(jié)合成大的團粒，因而也就不易沉降下來。添加混凝劑后，膠體顆粒表面電被中和，破壞了膠體穩(wěn)定性，促使小顆粒變成大顆粒而下降，從而得到澄清的水。v常用的鋁鹽有明礬明礬 KAl(SO4)212H2O或K2SO4Al2(SO4)324H2O，它是一種復(fù)鹽。在水中Al2(SO4)3發(fā)生水解作用生成氫氧化鋁，氫氧化鋁帶正電荷，而天然水中的膠體物質(zhì)大都帶負電荷，因此，兩者發(fā)生電性中和作用。同時，氫氧化鋁的膠體又能吸附水中的自然膠體和懸浮物，在中和與吸附的共同作用下，水中的膠體微粒逐漸凝聚成大的絮狀物沉淀

11、下來，在沉淀過程中，水逐漸變得澄清透明。 v明礬的加入量一般為0.0010.02，為了加速混凝，加入前需把明礬塊弄碎，并在加入后用木棒攪12min。v堿式氯化鋁堿式氯化鋁v 堿式氯化鋁（PAC）又稱羥基氯化鋁或聚合氯化鋁，其分子式為Al2(OH)nCl6nm，其中n5，10。精品為白色或黃色固體，也有無色或黃褐色的透明液體。v堿式氯化鋁的一般用量0.0050.01%,pH值范圍為59，溫度適宜性較強，反應(yīng)迅速，沉淀較快，在相同的效果下，其用量僅為硫酸鋁的0.250.5，從目前發(fā)展情況來看，有代替前述明礬和硫酸鋁而成為主要的無機凝聚劑的趨勢。v鐵鹽鐵鹽v常用的是硫酸亞鐵(FeSO47H2O)，另

12、外也用氯化鐵(FeCl36H2O)和硫酸鐵。國內(nèi)用于水處理的是前兩種，鐵鹽在水中發(fā)生水解產(chǎn)生了Fe(OH)3膠體。Fe(OH)3的混凝作用及過程與鋁鹽相似。v助凝劑助凝劑 v 為了提高混凝的效果，經(jīng)常需要加入一些輔助藥劑，稱助凝劑。助凝劑本身不起凝聚作用，僅幫助凝絮的形成,如用來調(diào)節(jié)pH值的堿、酸、石灰等。有時水中混濁度不高，為了加速完成這一過程，可以投入粘土。 近來發(fā)展的有機混凝劑，多為丙烯酸的化合物，有帶正電荷和帶負電荷的兩種。v加速凝聚加速凝聚v 適當(dāng)?shù)臄嚢?，可以加速凝聚和沉淀的過程。v電凝聚電凝聚v 用鋁電極在適宜pH值的水中產(chǎn)生鋁離子，從而形成膠體而凝聚的一種方法。水的過濾水的過濾v

13、過濾原理及工藝過程過濾原理及工藝過程v過濾原理v原水通過粒狀料層時，其中一些懸浮物和膠體物質(zhì)被截留在孔隙中或介質(zhì)表面上，這種通過粒狀介質(zhì)層分離不溶性雜質(zhì)的方法稱為過濾。v過濾過程是一系列不同過程的綜合，包括阻力截留（篩濾）、重力沉降和接觸凝聚。v（）阻力截留阻力截留：單層濾料層中粒狀濾料的級配特點是上細下粗，也就是，上層孔隙小，下層孔隙大，當(dāng)原水由上而下流過濾料層時，直徑較大的懸浮雜質(zhì)首先被截留在濾料層的孔隙間，從而使表面的濾料的孔隙越來越小，攔截住后來的顆粒，在濾層表面逐漸形成一層主要由截留的顆粒組成的薄膜，起到過濾作用。v（）重力沉降重力沉降：當(dāng)原水通過濾層時，眾多的濾料顆粒提供了大量的沉

14、降面積，例如1克球形砂粒，可供懸浮物沉淀的有效面積約400m2。當(dāng)原水經(jīng)過濾料層時，只要速度適宜，其中的懸浮物就會向這些沉淀面沉淀。v（）接觸凝聚接觸凝聚：砂粒等物質(zhì)具有巨大的表面積，它和懸浮物的微小顆粒之間有著吸附作用，因此砂粒在水中時帶有負電荷，能吸附帶正電的微粒（如鐵、鋁的膠體微粒及硅酸），形成帶正電荷的薄膜，因而能使帶負電荷的膠體（粘土及其它有機物）凝聚在砂粒上。v 接觸凝聚和重力沉淀是發(fā)生在濾料深層的過濾作用，而阻力截留主要發(fā)生在濾料表層。過濾的工藝過程過濾的工藝過程v過濾的工藝過程基本上由兩個過程組成，即過濾和沖洗兩個循環(huán)過程。過濾為生產(chǎn)清水的過程，而沖洗是從濾料表面沖洗掉污物，使

15、之恢復(fù)過濾能力的過程。多數(shù)情況下，沖洗 和過濾的水流方向相反，因而一般把沖洗稱為反沖或反洗。硬水軟化硬水軟化v石灰軟化法石灰軟化法v 前面已論及，水中Ca2+、Mg2+含量的總和叫水的總硬度，含有鈣、鎂鹽類的水稱硬水。v隨著水溫、壓力的升高，鈣、鎂的碳酸氫鹽的溶解度因其發(fā)生化學(xué)變化而下降，到了100，它們將以CaCO3和Mg(OH)2的形式沉淀出來。這些化合物溶解度很小，分別為13mg/l和5mg/l。因此，水中大部分的鈣、鎂離子都可隨CaCO3和Mg(OH)2沉淀而除去，但大量的工業(yè)用水不可能靠加熱方法使其軟化，而且也不可能解決非碳酸鹽的硬度問題。在水中加入化學(xué)藥劑如石灰（CaO）等，可以在

16、不加熱條件下除去鈣、鎂離子，達到水質(zhì)軟化的目的。這種方法稱之為石灰軟化法，是工業(yè)上常用的一種軟化水的方法。v適用于碳酸鹽硬度較高，非碳酸鹽硬度較低，不需高度軟化的原水，也可用于離子交換水處理的預(yù)處理。（一）石灰軟化的有關(guān)反應(yīng)將生石灰CaO配制成石灰乳： CaO+H2OCa(OH)2用石灰乳除去水中重碳酸鈣Ca(HCO3)2、重碳酸鎂Mg(HCO3)2和CO2：vCO2+Ca(OH)2CaCO3+H2O (a)Ca(HCO3)2+Ca(OH)2CaCO3+2H2O (b) Mg(HCO3)2+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaCO3 (c) MgCO3+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaCO3

17、(d) 2NaHCO3+Ca(OH)2CaCO3+Na2CO3+2H2O (e)v反應(yīng)(a)先去除水中的CO2，CO2去除后才完成(b)(d)軟化反應(yīng)，不然水中CO2會和CaCO3、Mg(OH)2這些沉淀物重新化合，會再產(chǎn)生碳酸鹽硬度，反應(yīng)如下： Ca(CO3)2+H2O+CO2Ca(HCO3)2Mg(OH)2+CO2MgCO3+H2O Mg(CO3)2+H2O+CO2Mg(HCO3)2v反應(yīng)式(e )是當(dāng)水中的堿度大于硬度時才出現(xiàn)的。如果化合物NaHCO3中的HCO3沒有被除去，這部分HCO3仍然會和Ca+和Mg+生成碳酸鹽硬度,反應(yīng)(b)(d)仍然不能完成。與以上反應(yīng)同時還生產(chǎn)下述反應(yīng)：v

18、Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2 4Fe(OH)3+8CaCO3+6H2O Fe2(SO4)3+3Ca(OH)2 2Fe(OH)3+3CaSO4H2SiO3+Ca(OH)2CaSiO3+2H2Om H2SiO3+n Mg(OH)2 n Mg(OH)2.m H2SiO3 因此，通過石灰處理可以除去水中部分鐵和硅的化合物。v軟化方法主要有間歇法、渦流反應(yīng)法和連續(xù)法三種。軟化方法主要有間歇法、渦流反應(yīng)法和連續(xù)法三種。v經(jīng)石灰處理后，水中暫時硬度大部被除掉，殘余暫時硬度可降至0.40.8毫克當(dāng)量l，殘余堿度降至0.81.2毫克當(dāng)量l；有機物除去25%；硅酸化合物降低3035%，原水中鐵殘留量

19、小于0.1mg/l。v石灰純堿軟化處理 此法適用于總硬度大于總堿度的水；用石灰除去水中碳酸鹽硬度，蘇打除去非碳酸硬度。處理后的軟水，殘留硬度降低為0.250.35毫克當(dāng)量升。反應(yīng)原理：CaSO4+Na2CO3CaCO3+Na2SO4CaCl2+Na2CO3CaCO3+2NaClMgSO4+Na2CO3MgCO3+Na2SO4MgCl2+Na2CO3MgCO3+NaClv生成的碳酸鎂可與熟石灰作用而被除去，反應(yīng)如下：MgCO3+Ca(OH)2CaCO3+Mg(OH)2 由以上反應(yīng)可以看出，雖然水中的暫時硬度和永久硬度被除去，但由此產(chǎn)生了很多可溶性物質(zhì)，如Na2SO4、NaCl，特別當(dāng)原水中永久硬

20、度較高時，純堿就不能降低原水中的溶解固體含量，因此，目前此法已不常用。離子交換軟化法離子交換軟化法v離子交換法即用離子交換劑，把原水中人們所不需要的離子暫時占有，然后再將它釋放再生液中，使水得到軟化。離子交換劑的種類很多，按來源的不同可分為：v三大類礦物質(zhì)離子交換劑:如泡沸石(Na2O.nAl2O3.Fe2O3.xSiO2.yH2O)碳質(zhì)離子交換劑:如磺化煤有機合成離子交換樹脂v 前兩類一般用于水質(zhì)軟化處理，如鍋爐用水、冷卻水及洗瓶水的水質(zhì)軟化。v 飲料生產(chǎn)用水的水處理都采用有機合成離子交換樹脂。離子交換樹脂是一種形網(wǎng)妝固體的高分子共聚物，不溶于酸，堿和水，但吸水膨脹。樹脂分子含有極性基團和非

21、極性基團兩部分，膨脹后，極性基團上可擴散的離子與溶液的離子起交換作用，而非極性基團則為離子交換樹脂的骨架。 v電滲析法、反滲透法水處理電滲析法、反滲透法水處理 許多國家飲料廠愿意采用反滲透法，因為反滲透膜能除去膠體。v一、電滲析法一、電滲析法 電滲析技術(shù)常用于海水和咸水的淡化，或用自來水制備初級純水。它是通過具有選擇透過性和良好導(dǎo)電性的離子交換膜，在外加直流電場的作用下，根據(jù)異性相吸、同性相斥的原理，使原水中陰、陽離子分另通過陰離子交換膜和陽離子交換膜而達到凈化作用的一項技術(shù)。v二、反滲透二、反滲透 反滲透是六十年代發(fā)展起來的一項新型膜分離技術(shù)，近年來在工藝研究方面取得很大進展。反滲透和電滲析

22、都屬于膜分離范疇，電滲析是通過離子交換膜把溶液中鹽份分離出來；反滲透是通過反滲透膜把溶液中的溶劑(水)分離出來。水的消毒水的消毒v在水質(zhì)處理過程中，會有相當(dāng)數(shù)量的致病微生物被除去。例如：混凝、沉淀、過濾、石灰法軟化等都能除去一定量的致病微生物。v消毒是指殺滅水里面的致病菌，防止因水中的致病菌導(dǎo)致消費者產(chǎn)生疾病。消毒并非將所有微生物全部殺滅。水的消毒方法很多，而目前國內(nèi)外常用的是： 氯消毒氯消毒 臭氧消毒臭氧消毒 紫外線消毒紫外線消毒 一、氯消毒一、氯消毒v（一）基本原理氯在水中反應(yīng)如下： Cl2+H2O HOCl +H+Cl- HOCl OCl +H+ HOCl為次氯酸，OCl為次氯酸根。以上

23、二個反應(yīng)很快達到平衡。由于H能被水中堿度中和掉，因此反應(yīng)極易向右進行，最后水中只剩下次氯酸HOCl和次氯酸根OCl對于氯所能起到的消毒作用，有不同的看法。比較合理的看法是： 氯的消毒作用是通過它產(chǎn)生的次氯酸HOCl的作用，而不是氯氣的本身，也不是氫離子或次氯酸根（OCl）的作用。加氯方法和加氯量加氯方法和加氯量v、加氯方法、加氯方法濾前加氯：原水水質(zhì)差，有機物多，可在原水過濾前加氯，可防止沉淀池中微生物繁殖，但加氯量要多。濾后加氯：原水經(jīng)沉淀和過濾后加氯，加氯量可比濾前添加的少，且消毒效果好。v、加氯量、加氯量 加入水中的氯分為兩部分，即作用氯（吸氯）和余氯。作用氯是和水中微生物、有機物及有還

24、原作用的鹽類（如亞鐵、亞硝酸等）起作用的部分；余氯是為了保持水在加氯后有持久的殺菌能力、防止水中微生物萌發(fā)和外界微生物侵入的部分。v我國水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在管網(wǎng)端自由性余氯保持在0.10.3mg/l之間，小于0.1mg/l時不安全，大于0.3mg/l時則水含有明顯的氯臭。為了要使管網(wǎng)最遠點保持0.1mg/l的余氯量，一般總投氯量為0.52.0mg/l。幾種常用氯消毒法幾種常用氯消毒法v、氯胺 氯胺是水中的氨和氯化合產(chǎn)生的，是一種有效的氯消毒試劑。在實際進行消毒時，是在投氯前或者投氯后，在水中按比例加入少量氨或胺鹽生成氯胺。v其反應(yīng)式如下：生成一氯胺（NH2Cl）時 NH3+HOCl NH2Cl+H2O生成二氯胺（NHCl2）時 NH3+2HOCl NHCl2+2H2O 或 NH2Cl+HOCl NHCl2+H2O 生成三氯胺（NCl3）時 NH3+3HOCl NCl3+3H2O NH2Cl+2HOClNCl3+H2Ov氯胺在水中分解緩慢，能逐步放出HOCl，容易保證管網(wǎng)末端的余氯含量，并且避免了自由性余氯HOCl產(chǎn)生的較重的氯臭。因此很多大城市的自來水廠由氯消毒改為氯胺消毒。 用氯胺消毒時，氯與氨用量要按比例添加，一般采用2:15:1范圍內(nèi)，當(dāng)氯氨比小于時有剩余氨存在，可防止氯臭味。 氨的來源有液氨、(NH4)2SO4、NH4Cl等。v、漂白粉 漂白粉是由氯氣