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第1章饮料用水及水处理 1 本章主要解决三个问题 1 饮料生产用水为什么要处理 2 饮料生产用水怎样处理 3 处理后的水应达到什么标准 2 第一节 软饮料用水的水质要求第二节 软饮料用水的水处理 3 1 1饮料用水的水质要求 地表水地下水城市自来水 地下水 地表水 自来水 1 1 1水源的分类及其特点 4 地表水 来源 地球表面所存积的天然水包括江水 河水 湖水 水库水 池塘水和浅井水等 特点 水量丰富 矿物质含量较少 硬度为1 8mmol L 但是地表水水质不稳定 受自然因素影响较大 污染物 主要有黏土 砂 水草 腐殖质 昆虫 微生物 无机盐等 有时还会被有害物质 如工业废水等 污染 5 地下水 来源 经过地层的渗透 过滤 进入地层并存积在地层中的天然水 主要包括深井水 泉水和自流井水等 特点 水质较澄清 水温较稳定 但矿物质含量较高 地质层是一个自然过滤层 可滤去大部分悬浮物 水草 藻类 微生物等 因此使水质较澄清 此外 地下深处受气候影响较小 污染物 可溶性矿物质 如含Ca2 Mg2 Fe3 的碳酸氢盐 一般含盐量为100 5000mg L 硬度为2 10mmol L 有的高达10 25mmol L 6 城市自来水 来源 地表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的水 特点 水质好且稳定 符合生活饮用水标准 水处理设备简单 容易处理 一次性投资小 但水价高 经常性费用大 污染物 Cl Fe3 含量及碱度 微生物量 7 1 1 2水中杂质对饮料生产的影响 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 沉降 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 8 水的硬度 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 含量 沉淀物 总硬度 碳酸盐硬度 非碳酸盐硬度 饮料用水的水质 要求硬度小于 德国度 找一找吧 永久性硬度 暂时硬度 9 水硬度过大对饮料的影响 当水的硬度过大时 会产生碳酸钙沉淀和有机酸钙盐沉淀 对饮料生产会产生一些不良影响 例如Ca HC03 2等会与有机酸反应产生沉淀 影响产品感观品质 非碳酸盐硬度过高时 还会使饮料出现盐味 另外 在洗瓶时 在浸瓶槽上形成水垢 会增加烧碱的用量 10 水的碱度 是指水中能与H 结合的0H C032 和HC03 的含量 以mmol L表示 水中0H C032 和HC03 的总含量为水的总碱度 天然水中通常不含0H 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 C032 的含量也很小 因此 天然水中以HC03 存在为多 只有在含Na2C03或K2C03的碱性水中 才存在有C032 离子 天然水中的总碱度通常与该水中的暂时硬度大小相符合 11 碱度过大时对饮料生产的影响 和金属离子反应形成水垢 产生不良气味 和饮料中的有机酸反应 改变饮料的糖酸比与风味 影响CO2的溶入量 造成饮料酸度下降 使微生物容易在饮料中生存 生产果汁型碳酸饮料时 会与果汁中的某些成分发生反应 产生沉淀等 12 1 1 3饮料用水的水质要求 饮料用水 除应符合我国 生话饮用水卫生标准 GB5749 2006 表1 5 外 还应符合表1 6所列的指标 13 1 2饮料用水的水处理 目的 保持水质的稳定性和一致性 除去水中的悬浮物和胶体等杂质 去除有机物等 以消除异味和异色 降低硬度和含盐量 杀灭微生物 驱除异气 过程 分析水质 选择处理方法和程序 决定工艺设备原则 先易后难 先大后小 先不溶后溶解物 先过滤后软化消毒 一般方法 对不符合要求的水质进行改良 称为水处理 混凝沉淀过滤软化消毒 14 1 2 1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 浑浊 颜色 臭味 的细小粒子 胶体 水处理 15 混凝机理 胶体在水中保持悬浮不易沉降的原因 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 同一种胶体的颗粒带有相同电性的电荷 彼此排斥 不能结合成大颗粒 16 常用的混凝剂 常用的有铝盐和铁盐 作用机理 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 17 明矾 明矾是硫酸钾铝 是一种复盐 KAl SO4 2 12H2O或K2SO4 Al2 SO4 3 24H2O在水中A12 SO4 3发生水解作用生成氢氧化铝胶体 A12 SO4 3 2A13 3SO42 A13 H2O Al OH 2 H Al OH 2 H2O Al OH 2 H Al OH 2 H2O Al OH 3 H 18 Al OH 3凝聚机理 19 使用时的注意事项 一般要求待处理水的pH为6 5 7 5 中性 一般要求水温25 35 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 20 碱式氯化铝 PAC 或聚合氯化铝 Al2 OH nCl6 n m其中 n 1 5 10碱式氯化铝是一种新型的混凝剂 为我国多数水处理厂所采用 碱式氯化铝 21 作用机理 在水中由于羟基的架桥作用而和铝离子生成多核络合物 能使微生物吸附沉淀 带大量正电荷 能有效地吸附水中带有负电荷的胶粒 中和 因而与吸附的污物在一起形成大的聚体而沉淀除去 22 碱式氯化铝优点 一般用量0 005 0 01 pH值范围为6 8 温度适宜范围20 30 从目前发展情况来看 有代替前述明矾和硫酸铝而成为主要的无机凝聚剂的趋势 23 助凝剂 为了提高混凝的效果 加速沉淀 有时需加入一些辅助药剂 称助凝剂 助凝剂本身不起凝聚作用 仅帮助絮凝的形成 常用的助凝剂有 活性硅酸 海藻酸钠 羧甲基纤维素钠 CMC 及化学合成的高分子助凝剂 包括聚丙烯胺 聚丙烯酰胺 PMA 聚丙烯等 此外 还有用来调节pH值的碱 酸 石灰等 有时水中浑浊度不足 为了加速完成混凝过程 还可以投入黏土 新技术 新产品还在不断的创新发展中 24 混凝条件的确定 原水的状况 包括水的温度 PH值及其物理 化学性质混凝剂的性状及添加量助凝剂的性状及添加量混凝沉淀的装置混凝沉淀工艺 包括混凝剂 助凝剂等的添加顺序 搅拌强调及时间等 25 1 2 2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 26 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 27 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 28 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 过滤的形式 含污能力大 产水能力高 防止滤料进入配水系统 29 30 应用 31 2 砂滤棒过滤器 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 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 4 m的小孔 32 可达到基本无菌 33 砂芯过滤器的结构 外壳 金属铸成锅形的密封容器 内部 一至数根砂芯 34 3 活性炭过滤 PAC 特点能除去水中的异色 异味 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 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 实际生产中常把活性炭过滤和砂滤器串联使用 35 4 超滤膜过滤 UF 基本原理超滤是通过膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离的方法 当液体混合物在一定压力下流经膜表面时 溶剂及其它小分子溶质透过膜 超滤液 而大分子物质则被截留 使其在原液中的浓度逐渐提高 浓缩液 从而实现大 小分子间的分离 浓缩和净化 36 37 38 39 40 1 2 3硬水软化 溶解性杂质包括 六种含量大的离子 Ca2 Mg2 Na HCO3 SO4 Cl 两种含量小的离子 Fe2 SiO3 两种气体 O2CO2 41 Ca2 Mg2 含量的总和叫水的硬度 Ca2 Mg2 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 第一 只降低水中Ca2 和Mg2 含量的处理 叫水的软化 第二 降低全部阴 阳离子含量的处理 叫水的除盐 42 石灰软化法 原理将生石灰配成石灰乳 CaO H20 Ca 0H 2将石灰乳加入待处理水中 水中的C02首先形成CaCO3沉淀Ca OH 2 C02 CaC03 H20 43 之后去除水中的重碳酸钙 Ca HCO3 2 重碳酸镁 Mg HC03 2 产生大量的碳酸钙和氢氧化镁沉淀 其反应 Ca OH 2 Ca HC03 2 2CaC03 2H20Ca OH 2 Mg HC03 2 Mg 0H 2 CaC03 Ca OH 2 MgCO3 CaC03 Mg OH 2 Ca 0H 2 2NaHC03 CaC03 Na2C03 2H20 石灰乳法不仅能除去水中的碳酸盐硬度 还可以除去水中部分铁和硅的化合物 44 离子交换法 1 过程 利用离子交换树脂交换离子的能力 将不需要的离子通过交换而暂时占有 然后再将它释放到再生液中 使水得到软化的处理方法 45 2 原理 等电荷反应的过程 46 47 48 49 50 51 反渗透法 ReverseOsmosis简称RO 1 应用 海水淡化 硬水软化 化工制药领域 食品领域 果汁 牛乳 咖啡的浓缩 造纸工业 有机及无机物的分离 2 基本原理 以半透膜为介质 对被处理水一侧施加压力 使溶剂穿过半透膜 而达到脱盐的目的 52 反渗透原理示意图 a 水分子扩散经过半透膜进入浓溶液侧 以平衡溶液的离子强度 在平衡点 浓溶液和稀溶液间的高度差对应两侧建的渗透压差 b 施加超过渗透压的压力反向水分子的流动方向 因而定义为反渗透 反渗透作用的结果是 使浓溶液变得更浓 稀溶液变得更稀 最终达到脱盐 53 54 55 56 电渗析法 ED 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 57 58 59 1 2 4水的消毒 氯消毒紫外线消毒臭氧消毒 目的 杀灭水里治病菌和有害微生物 防止水传染疾病 消毒方法 60 氯消毒 1 原理次氯酸中性分子 扩散到带负电的细菌表面 进入菌体 破环酶系 使其死亡 2 常用的氯消毒剂氯胺漂白粉次氯酸钠3 适用范围饮用水消毒 没有采用自来水为水源的饮料厂的水处理 氯消毒 61 紫外线消毒