第1章软饮料用水水质及水处理

第1讲软饮料用水水质及水处理地下水地表水自来水1.软饮料用水的水质要求水是软饮料中占比例最大的成分，因此水的质量也就关系到软饮料的质量。对于所采用的天然水要经过全面的处理。1.1天然水的分类及特点1.1.1地表水：溶解的矿物质较少，水的硬度在1~8mg/L；杂草，泥沙以及其它腐殖物，细菌，杂质含量多；所含杂质情况复杂而多变。1.1.2地下水：溶解的矿物质较多，水的硬度可高达25mg/L；杂质含量很少，水比较澄清。1.2天然水中的杂质1.3水的硬度和碱度1.3.1水的硬度：是指水中的离子沉淀肥皂的能力，其大小以Ca2+、Mg2+含量来衡量。硬脂酸钠（肥皂）+Mg2+、Ca2+→硬脂酸钙或镁（沉淀物）暂时硬度（碳酸盐硬度）：是指Ca、Mg的碳酸盐或酸式碳酸盐（重碳酸盐）所引起的硬度，该硬度可随煮沸而除去，（以水垢的形式存在）。永久硬度（非碳酸盐硬度）：是指水中的氯化物、硫酸盐、硝酸盐等构成的硬度，加热后不能去除。总硬度=暂时硬度+永久硬度硬度的单位：mmol/L、mg/LCaCO3或德国度，我国常采用德国度。一般软水的硬度为4~8度，硬水的硬度为16~30度。1mol/L=5.608度=100.09mg/LCaCO31.3.2水的碱度：取决于天然水中能与H+结合的OH-、CO3-和HCO3-的含量，以mol/L表示。2.软饮料用水的水处理水处理技术混凝沉淀过滤石灰软化电渗析反渗透、超滤离子交换2.1水的混凝澄清在水中加入混凝剂，中和胶体颗粒表面的电荷，破坏胶体稳定性，使水中细小悬浮物及胶体物质相互吸附接合成较大颗粒而从水中沉淀出来的过程。常用的混凝剂：铝盐：明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等。铁盐：硫酸亚铁，三氯化铁，硫酸铁等。明矾（硫酸钾铝）：在水中Al2(SO4)3发生水解作用生产溶解度很小的Al(OH)3，Al(OH)3带正电荷，与水中胶体负电荷中和，形成胶体粒子，吸附水中的自然胶体和悬浮物。用量：0.001%~0.02%铁盐（FeSO4•7H2O）：Fe(OH)3胶体。Fe(OH)3胶体在碱性水中稳定，故水处理前，需先加石灰去除水中的CO2。用FeSO4•7H2O时的有效剂量一般为14~70mg/L。Fe(OH)3胶体比同体积的Al(OH)3胶体重，因此沉淀速度较快。不适合处理含有机物多的水质。2.2水的过滤砂滤：常用作综合水处理中的初级过滤。原理：将原水通过粒状（滤料）过滤材料层，某些悬浮物和胶体由于阻力截留、重力沉降和接触凝聚等作用被截留在空隙中或介质表面的过滤方式。常用的过滤材料：细砂和无烟煤。砂滤棒过滤器：适用于原水水质基本满足软饮料用水要求，只含有少量有机物、细菌及其他杂质时。原理：原水在外压的作用下通过砂滤棒的微小空隙，水中存在的少量有机物、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。过滤材料：由雪松细微颗粒的硅藻土和骨灰等可燃性物质在高温下焙烧、熔化而成。微孔膜过滤器（高分子材料的滤膜）：达到精滤效果。活性碳过滤器：化学吸附去除氯，有机吸附去除可溶性有机物，除去水中的色和味。微孔膜过滤器活性炭过滤器2.3硬水软化2.3.1石灰软化法：水中加入石灰，在不加热的条件下，除去Ca2+、Mg2+，达到水质软化。常与混凝、消毒同时进行。原理将生石灰配成石灰乳：CaO+H2O→Ca(OH)2去除CO2：Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O去除重碳酸钙、重碳酸镁：Ca(OH)2+Ca(HCO3)2→2CaCO3↓+2H2OCa(OH)2+Mg(HCO3)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓Ca(OH)2+MgCO3→CaCO3↓+Mg(OH)2↓当水的碱度大于硬度时，会发生下述反应，再生碳酸硬度，因此，不适于非碳酸盐硬度较高的水。2NaHCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O2.3.2离子交换法利用离子交换剂把原水中人们所不需要的离子暂时占有，然后再释放到再生溶液中，从而使原水得以软化的方法。离子交换树脂是一种球形网状固体的高分子共聚体，不溶于酸、碱和水，但吸水膨胀。树脂分子含有极性基团和非极性基团，膨胀后，极性基团上可扩散的离子与溶液中的离子起交换作用，而非极性基团则为离子交换树脂的骨架。阳离子交换树脂：本体中常有酸性交换离子基团H+，可与水中的阳离子交换。阴离子交换树脂：本体带有碱性的交换离子，可与水中的阴离子交换。离子交换树脂软化水的原理离子交换树脂的处理、转型及再生（1）新树脂的处理及转型阳树脂由Na+型→H+型阴树脂由Cl-型→OH-型（2）离子交换树脂的再生老化树脂再生机理：水处理的逆反应离子交换柱2.3.3反渗透法（reverseosmosis,RO）利用半透膜选择性地只能透过溶剂的性质，通过对溶液施加一个大于该溶液渗透压的压力，迫使溶液中的溶剂透过半透膜而从溶液中分离出来的过程。原理：容器一边是纯水，一边是与纯水液位相等的盐水，中间是半透膜，这时淡水会自然地透过半透膜至盐水一侧（渗透）；盐水液面达到某一高度，产生一定压力，抑制了淡水进一步向盐水渗透（渗透压）；如在盐水一侧加上一大于渗透压的压力，盐水中的水份会透过半透膜至淡水一侧（反渗透）。反渗透与超滤：反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）和微滤（MF）都是以压力差为推动力的膜分离过程，它们没有本质区别，只是渗透膜的孔径大小不同，截留物质的相对分子量不同。2.3.4电渗析原理：通过具有选择透性和良好导电性的离子交换膜，在外加直流电场作用下，根据异性相吸、同性相斥原理，使原水中的离子分别透过阴离子和阳离子交换膜，从而降低水中溶解的固形物，达到净化的目的。常用于海水和咸水淡化用自来水制备初级纯水。阳离子交换膜：阳离子可过，阻止阴离子。阴离子交换膜：阴离子可过，阻止阳离子。结垢与去垢方法倒换电极定期酸洗浓度1%~2%碱洗0.1mol/LNaOH2.4水的消毒2.4.1氯消毒Cl2+H2O→HClO+H++Cl-HClO→H++ClO-HClO是中性分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并渗入体内，借氯的氧化作用破坏菌体内的酶，使细菌死亡；而OCl－带负电荷，难于靠近同样带负电荷的细菌，所以消毒作用远远低于HClO。2.4.2紫外线消毒利用营养细胞中的蛋白质和核酸吸收紫外光谱（光波在200~295nm）的能量，导致蛋白变性，微生物死亡。消毒时间短，杀菌力强，设备简单，操作管理方便，可连续生产；但没有持续的杀菌作用，灯管的使用寿命较短，成本略多。紫外线消毒系统2.4.3臭氧消毒臭氧在水中释放O2和O，O是强氧化剂能使水中的细菌和微生物失活。O3→O2+[O]臭氧不稳定，需随时制取当场应用臭氧的杀菌作用比氯快15~30倍，但成本高臭氧消毒器思考题1.概念：水的硬度（总硬度碳酸盐硬度非碳酸盐硬度）水的碱度2.常用的水处理方法有哪些？各自的原理、特点及适用条件。3.纯净水生产中常用的反渗透（RO）、超滤（UF）和微滤（MF）等有什么区别？4.水消毒的常用方法？各自的原理？思考题1.概念：水的硬度（总硬度碳酸盐硬度非碳酸盐硬度）水的碱度2.常用的水处理方法有哪些？各自的原理、特点及适用条件。3.纯净水生产中常用的反渗透（RO）、超滤（UF）和微滤（MF）等有什么区别？4.水消毒的常用方法？各自的原理？