2饮料用水的要求及处理.doc

旧知复习：饮料生产常用辅料及包装材料。课题引入：饮料的含量最多的成分是什么？水。饮料用水要用什么样的水呢？项目二 包装饮用水生产技术任务一 饮料用水的要求及其处理一、饮料用水的种类及要求1、饮料用水的来源地下水：井水、泉水、自流井水等。地表水：指河水、江水、湖水、水库水、池塘水等。自来水：经过适当的水处理工艺，水质达到一定要求并贮存在水塔中。2、饮料用水的种类（1）饮料生产用水：主要是指用于饮料生产的水，要求不仅要符合生活饮用水的标准，还要对水进行软化，去除水中溶解的盐类。水中溶解的盐类对饮料的影响表现在：水中溶解的盐类会影响碳酸饮料的形态和风味；在果蔬生产中，果蔬中的花色素与Ca2+、Mg2+、Fe2+、 Fe3+、Al3+、Mn2+等金属离子形成蓝色络合盐；茶和咖啡浸提用水的水质对浸提液的色泽和风味也会产生影响。（2）一般用水：主要是指饮料生产中的辅助用水，用于饮料原料和包装容器的清洗、饮料设备及附属器具的清洗等。这种水必须符合生活饮用水的标准，要求无色透明、无臭无味、安全卫生，不得含有有害离子，细菌总数要求在允许范围内。（3）冷却用水：冷却用水水质要求不太严格，只要不混入饮料，水质无须达到生活饮用水的标准，没有必要除去其色泽、气味等。但是需要注意由于硬水容易结垢，用前考虑进行软化。由于冷却水用量较大，工厂多进行循环利用。二、天然水中的杂质.悬浮物质天然水中凡是料度大于0.2um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、砂料之类的无机物质，也在浮游生物（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。 .胶体物质 胶体物质的大小大致为0.0010.20m。具有两个很重要的特性： （）光线照射上去，被散射而呈混浊的丁达尔现象。 （）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。 .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。 （）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饮料中CO2的溶解量及产生异味。 （）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，因地区不同差很大。这些无机盐构成了水的硬度和碱度。二、水质对饮料品质的影响1、浊度：是指水中悬浮物杂质对光线透过时所产生的障碍程度，1mgSiO2/L为1度。形成浊度的物质主要是微生物、泥土、沙粒、原生生物等悬浮物质。对饮料的影响：在饮料贮存时升至瓶颈处或从饮料中沉淀出来，导致瓶颈积垢，出现一种絮状沉淀的蓬松黏性微粒，或者在瓶底沉淀；在生产汽水中，会在灌装时造成CO2迅速消耗，导致灌装后瓶内汽水高度不一致。生产中多采用混凝过滤法除去。2、色度：是指除去悬浮物后水样的颜色。1mg铂/L为1度。形成色度的物质主要是腐殖质、腐殖酸，铁、锰离子等有色物质。对饮料的影响：影响饮料的外观和味道。多采用活性炭吸附法除去。3、臭气和异味：H2S有臭鸡蛋味，铁铜有金属味等影响饮料的香气和味道，甚至出现沉淀影响饮料外观。脱臭脱味方法：铁锰可做除铁除锰处理；气体或还原性物质可做氧化处理；微量的臭气和异味可用活性炭吸附。4、硬度：饮料用水的水质硬度要求8.5 d（1L水中含有10mgCaO为1德国度）。硬度过大对饮料的影响：水的总硬度高会对茶汤的色泽和滋味不利；Ca(HO3)2等与有机酸反应产生沉淀；非碳酸盐硬度过高时会使饮料呈现盐味；洗瓶时形成水垢增加烧碱用量。除去方法：软化。5、碱度：对饮料的影响：与有机酸反应改变风味；降低酸度，使微生物容易生存；与果汁中的某些成分反应，产生沉淀；与金属离子反应形成水垢；影响二氧化碳溶解度。6、铁和锰：地下水中含量较高。Fe2+Fe3+Fe(OH)3使水带有黄褐色，而且变得混浊，有金属味，锰的影响同铁。铁（Fe计）0.1 mg/L，锰（Mn计）0.1 mg/L。生产中将亚铁盐氧化成铁盐，凝聚沉淀过滤除掉；石灰软化法也可以除去水中的铁和锰；如果水中铁、锰含量较高，可用专门的设备除去。7、余氯：消毒残留的余氯，会使饮料的颜色和味道发生变化，多用活性炭法除去。8、微生物：影响保质期，使饮料外观和味道受到影响。可用氯、紫外线、臭氧消毒法处理。四、饮料用水的处理水处理实质： 去除水中固体物质； 降低硬度和碱度； 杀死微生物； 除异味。水处理程序：混凝-过滤-软化-消毒（一）混凝与过滤取一杯混浊的水进行观察。首先，发现一些粗大的泥沙颗料迅速沉到杯底，水逐渐澄清，杯底的下沉物渐渐增多。但在一定时间以后，水就不容易进一步澄清。这是悬浮物和胶体所致。 要去除水中细小悬浮物和胶体物质，需进行水处理。水处理过程中有两种途径。一种是在水中加入混凝剂，使水中细小悬浮物及胶体物质互相吸附结合成较大的颗粒，从水中沉淀出来，此过程称混凝（凝聚）。另一种方法是细小悬浮物和胶体物质直接吸附在一些相对巨大颗粒表面，然后把水中的沉淀物去除的工艺过程，这就是过滤P4。若两种途径并用时，则过滤过程在混凝过程之后。1、混凝P341）混凝剂胶体物质在水中能保持悬浮分散不易沉降的稳定性。其原因是同一种胶体的颗粒带有相同电性的电荷，彼此间存在着电性斥力，使颗粒之间相互排斥。这样它们就不可能互相接近并结合成大的团粒，因而也就不易沉降下来。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，从而得到澄清的水。 常用的铝盐有明矾 KAl(SO4)212H2O或K2SO4Al2(SO4)324H2O，它是一种复盐。在水中Al2(SO4)3发生水解作用生成氢氧化铝，氢氧化铝带正电荷，而天然水中的胶体物质大都带负电荷，因此，两者发生电性中和作用。同时，氢氧化铝的胶体又能吸附水中的自然胶体和悬浮物，在中和与吸附的共同作用下，水中的胶体微粒逐渐凝聚成大的絮状物沉淀下来，在沉淀过程中，水逐渐变得澄清透明。 明矾的加入量一般为0.0010.02，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12min。碱式氯化铝 铁盐 常用的是硫酸亚铁(FeSO47H2O)，另外也用氯化铁(FeCl36H2O)和硫酸铁。国内用于水处理的是前两种，铁盐在水中发生水解产生了Fe(OH)3胶体。Fe(OH)3的混凝作用及过程与铝盐相似。 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。助凝剂本身不起凝聚作用，仅帮助凝絮的形成,如用来调节pH值的碱、酸、石灰等。有时水中混浊度不高，为了加速完成这一过程，可以投入粘土。 近来发展的有机混凝剂，多为丙烯酸的化合物，有带正电荷和带负电荷的两种 3)加速凝聚 适当的搅拌，可以加速凝聚和沉淀的过程。 4)电凝聚 用铝电极在适宜pH值的水中产生铝离子，从而形成胶体而凝聚的一种方法。2、过滤1） 过滤原理及工艺过程过滤原理原水通过粒状料层时，其中一些悬浮物和胶体物质被截留在孔隙中或介质表面上，这种通过粒状介质层分离不溶性杂质的方法称为过滤。 过滤过程是一系列不同过程的综合，包括阻力截留（筛滤）、重力沉降和接触凝聚。 （）阻力截留：单层滤料层中粒状滤料的级配特点是上细下粗，也就是，上层孔隙小，下层孔隙大，当原水由上而下流过滤料层时，直径较大的悬浮杂质首先被截留在滤料层的孔隙间，从而使表面的滤料的孔隙越来越小，拦截住后来的颗粒，在滤层表面逐渐形成一层主要由截留的颗粒组成的薄膜，起到过滤作用。 （）重力沉降：当原水通过滤层时，众多的滤料颗粒提供了大量的沉降面积，例如1克球形砂粒，可供悬浮物沉淀的有效面积约400m2。当原水经过滤料层时，只要速度适宜，其中的悬浮物就会向这些沉淀面沉淀。 （）接触凝聚：砂粒等物质具有巨大的表面积，它和悬浮物的微小颗粒之间有着吸附作用，因此砂粒在水中时带有负电荷，能吸附带正电的微粒（如铁、铝的胶体微粒及硅酸），形成带正电荷的薄膜，因而能使带负电荷的胶体（粘土及其它有机物）凝聚在砂粒上。接触凝聚和重力沉淀是发生在滤料深层的过滤作用，而阻力截留主要发生在滤料表层。 过滤的工艺过程 过滤的工艺过程基本上由两个过程组成，即过滤和冲洗两个循环过程。过滤为生产清水的过程，而冲洗是从滤料表面冲洗掉污物，使之恢复过滤能力的过程。多数情况下，冲洗和过滤的水流方向相反，因而一般把冲洗称为反冲或反洗。2）过滤方式池式过滤：将过滤介质（滤料）填于池（罐）中。特点：“粗滤”的一种，能除去大部分悬浮物、胶体和微生物。结构简单、处理量大，但不能除去致病菌。 常见滤料：砂、石英砂、磁铁矿石、石头、无烟煤等。 砂滤棒过滤 特点：属于“精滤”，适用于水量较少，只含少量有机物、细菌及其它杂质时。基本原理：原水在外压下通过砂滤棒，有机物及微生物被微孔截留在砂滤棒表面，滤出的水可达到基本无菌。 使用中应注意问题 砂滤棒使用一段时间后，砂芯外壁逐渐挂垢而降低滤水量。这时则必须停机，卸出砂芯，对砂芯进行处理。方法是堵住滤芯出水嘴，浸泡在水中，用水砂纸轻轻擦去砂芯表面被污染层，至砂芯恢复原色，即可安装重新使用。 若使用洗涤剂，也可以作到封闭冲洗，不用卸出砂芯。 砂滤棒在使用前均需消毒处理，一般用75%酒精或0.25新洁尔灭，或10%漂白粉，注入砂滤棒内，堵住出水口，使消毒液和内壁完全接触，数分钟后倒出。安装时，凡是与净水接触的部分都要进行消毒。活性炭过滤特点：可以吸附异味、有机物、细菌、铁、锰等杂质，特别是去除残氯。 基本原理：活性炭具多孔性，经煤或果木高温烧结而成，有煤质炭、果壳炭或椰壳炭。 基本结构：外观圆筒状，内装 8 一 10 目颗粒状活性碳。底部可装填卵石或石英砂作为支持层。 微滤（ MF )特点：膜孔在 0 . 05 一 10 微米，在水处理中用于微小杂质、微生物的去除，或置于超滤、反渗透、电渗析装置前用于保护性过滤。 基本原理：微滤（ MF ）又称微孔过滤，其基本原理是筛孔分离过程。在压差的推动下，大的粒子组分被膜截留，达到溶液的净化目的。 超滤（ UF ) 特点：能彻底滤除水中细菌、铁锈、胶体、大分子有机物等物质。对小分子物质不起作用。 基本原理：利用膜表面孔径机械筛分作用。（二）水的软化与除盐1、石灰软化法适用于碳酸盐硬度较高，非碳酸盐硬度较低，不需高度软化的原水，也可用于离子交换水处理的预处理。 1）石灰软化的有关反应 将生石灰CaO配制成石灰乳： CaO+H2OCa(OH)2 用石灰乳除去水中重碳酸钙Ca(HCO3)2、重碳酸镁Mg(HCO3)2和CO2： CO2+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(d)2NaHCO3+Ca(OH)2CaCO3+Na2CO3+2H2O (e)反应(a)先去除水中的CO2，CO2去除后才完成(b)(d)软化反应，不然水中CO2会和CaCO3、Mg(OH)2这些沉淀物重新化合，会再产生碳酸盐硬度，反应如下：Ca(CO3)2+H2O+CO2Ca(HCO3)2Mg(OH)2+CO2MgCO3+H2OMg(CO3)2+H2O+CO2Mg(HCO3)2反应式(e)是当水中的碱度大于硬度时才出现的。如果化合物NaHCO3中的HCO3-没有被除去，这部分HCO3-仍然会和Ca2+和Mg2+生成碳酸盐硬度,反应(b)(d)仍然不能完成。与以上反应同时还生产下述反应： Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O24Fe(OH)3+8CaCO3+6H2O Fe2(SO4)3+3Ca(OH)22Fe(OH)3+3CaSO4H2SiO3+Ca(OH)2CaSiO3+2H2O m H2SiO3+n Mg(OH)2n Mg(OH)2.m H2SiO3 因此，通过石灰处理可以除去水中部分铁和硅的化合物。 经石灰处理后，水中暂时硬度大部被除掉，残余暂时硬度可降至0.40.8毫克当量l，残余碱度降至0.81.2毫克当量l；有机物除去25%；硅酸化合物降低3035%，原水中铁残留量小于0.1mg/l。4、离子交换法1）离子交换树脂软化水的原理 离子交换树脂在水中是解离的，如阳树脂: RSO3HRSO3H 阴树脂：R4NOHR4N+OH若原水中含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子时，当原水通过阳树脂层时，水中阳离子被吸附，树脂上的阳离子H+被置换到水中： 若原水中含有SO42-、Cl、HCO3、HSiO3等阴离子时，水中阴离子被吸附，树脂上的阴离子OH置换到水中： 从上述反应中看出，水中溶解的阴阳离子被树脂吸附，离子交换树脂中的H+和OH进入水中，从而达到水质软化的目的。2）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23倍的57%HCl处理阳树脂，用23倍的58%NaOH溶液处理阴树脂。然后用去离子水分别洗至pH值为3.04.0和8.09.0，使树脂重新转变为H型和OH型。再生液应适当加温（不得超过50），再生效果更好。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。一种再生方法称顺流再生， 另一种是逆流再生，即再生液的流向和运行水和流向相反。出水的水质比较好，但工艺稍复杂。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。3、 电渗析 适用特点：可以脱除原水中的盐分和提高其纯度，从而降低其硬度。常用于海水和咸水的淡化，或用自来水制备初级纯水。 基本原理：在外加直流电场的作用下，根据异性相吸、同性相斥的原理，使原水中阴、阳离子分别通过阴离子和阳离子交换膜而达到净化作用。 结构：有立式和卧式两种形式。其基本部件均是浓淡水室的隔板、离子交换膜、电极、水隔板、锁紧装置等。4、反渗透 基本原理：如在盐水一侧加上一个大于渗透压的压力，盐水中的水份就会从盐水一侧透过半透膜至淡水一侧，此现象就称为反渗透。 反渗透膜的性能及种类：醋酸纤维素膜（简称CA膜）；芳香聚酞胺纤维膜（简称 PA 膜） 反渗透装置及其流程装置：主要包括膜组件和泵。膜组件主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式四种。水处理系统常用中空纤维式四种。工艺流程：一级一段、一级多段、多级多段，饮料水处理通常采用一级或二级反渗透。 5、 离子交换膜法（3） 水的消毒常用方法有：氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒，消毒并非将所有微生物全部杀灭。1、氯消毒1）基本原理氯在水中反应如下： Cl2+H2O HClO +H+Cl- HClO ClO +H+ HClO为次氯酸， ClO为次氯酸根。以上二个反应很快达到平衡。由于H能被水中碱度中和掉，因此反应极易向右进行，最后水中只剩下次氯酸HClO和次氯酸根ClO。对于氯所能起到的消毒作用，有不同的看法。比较合理的看法是： 氯的消毒作用是通过它产生的次氯酸HClO的作用，而不是氯气的本身，也不是氢离子或次氯酸根（ClO）的作用。HClO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。而次氯酸根ClO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。2）加氯方法和加氯量加氯方法滤前加氯：原水水质差，有机物多，可在原水过滤前加氯，可防止沉淀池中微生物繁殖，但加氯量要多。滤后加氯：原水经沉淀和过滤后加氯，加氯量可比滤前添加的少，且消毒效果好。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）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。我国水质标准规定，在管网端自由性余氯保持在0.10.3mg/l之间，小于0.1mg/l时不安全，大