第二讲软饮料用水及水处理.docx
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第二讲软饮料用水及水处理
第一篇原料及辅料
第二讲软饮料用水及水处理
第一节软饮料用水的水质要求
在软饮料生产中水占软饮料的85%以上，是其主要原料，水质的好坏直接影响软饮料成品的质量和消费者的健康，因此，全面了解水的性质、掌握水的处理方法，对软饮料的生产具有十分重要的意义。
一．天然水的分类及其特点
软饮料用水一般由工厂直接取自天然水源或由城市自来水系统供给。
天然水源主要分为地表水和地下水。
（一）地表水
主要指江水、河水、湖水、水库水、浅井水等水源。
其特点为：
矿物质含量较少；储量丰富；取用方便。
同时易于受自然环境影响；泥沙、腐殖质、浮游生物以及微生物含量较高。
随着工业发展，地表水污染加重，应引起我们的高度重视。
（二）地下水
主要指泉水、井水、自流井以及地下岩层中的水。
其特点为：
水质澄清，泥沙、悬浮物、微生物含量较少；水温波动不大；含矿物质较多。
（三）城市自来水
自来水是指地表水经过适当处理，使水质达到生活饮用水标准。
其特点为：
水质好且稳定，再处理比较容易；水价高；使用时应注意CL-、Fe3+含量及碱、酸、微生物的含量。
二．天然水中的杂质
天然水在自然界循环过程中，不断与空气、陆地以及地下岩石接触，因此，自然界中没有绝对纯净的水，都受到不同程度的污染。
（一）天然水中杂质对水质的影响
天然水中的杂质大致可分为三类，悬浮物、胶体物质和溶解物质。
详见课本第9页表2。
（二）天然水中杂质的特征
1.悬浮物质
粒度大于0.2μm的杂质。
主要指泥沙、动物残屑、浮游生物以及微生物。
会引起饮料的沉淀和变质。
2.胶体物质
颗粒直径在0.001-0.2μm。
主要指粘土性无机胶体、动植物残骸分解的腐殖质、腐殖酸等有机胶体。
会引起混浊和变色。
3.水溶性杂质
粒径一般在0.001μm以下。
主要是一些溶解性盐类、低分子有机物和一些溶解性气体。
水体中主要存在的阳离子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+、NH4+、Al3+
水体中主要存在的阴离子有Cl-、SO42-、NO3-、H2PO4-、CO32-、HCO3-、SiO32-
上述离子的存在构成了水的硬度、碱度和色度。
a.水的硬度
水中离子沉淀肥皂的能力，一般指水中Ca2+、Mg2+盐类的含量。
单位mmol/L或mg/L。
总硬度：
碳酸盐硬度（暂时硬度）:
Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2、CaCO3、MgCO3
非碳酸盐硬度（永久硬度）：
CaCl2、MgCl2、CaSO4、MgSO4、Ca（NO3）2、Mg（NO3）2等
水的总硬度 小于8mg/L为软水，大于8mg/L为硬水
硬度过大的水不适宜作加工用水，因硬水中的钙盐与果蔬中的果胶酸结合生成果胶酸钙而使果肉变硬。
镁盐味苦，1升水中含有MgO40mg便可尝出苦味。
钙、镁盐还可与果蔬中的酸化合生成溶解度小的有机酸盐，并与蛋白质生成不溶性物质，引起汁液混浊或沉淀。
所以，除蜜饯制坯，半成品保存可用硬度较大的水，以保持果蔬的脆性和硬度外，其它加工品要求水的硬度不宜过高。
b.水的碱度
天然水中能与H+结合的OH-、CO3-和HCO3-的含量。
天然水中通常仅存在HCO3-。
c.水的色度
除去水中悬浮物后，水样的色泽深浅。
腐殖质、腐殖酸、微生物代谢物以及铁、锰等盐类都会使水产生一定的色度。
三．饮料用水的水质要求
生产高质量的饮料，就必须要有高品质的饮料用水。
饮料用水除应符合生活饮用水国家标准外（GB5749—2006），某些指标还应符合国家软饮料用水标准要求。
1.生活饮用水国家标准指标
表1水质常规指标及限值
指标
限值
1、微生物指标①
总大肠菌群（MPN/100mL或CFU/100mL）
不得检出
耐热大肠菌群（MPN/100mL或CFU/100mL）
不得检出
大肠埃希氏菌（MPN/100mL或CFU/100mL）
不得检出
菌落总数（CFU/mL）
100
2、毒理指标
砷（mg/L）
0.01
镉（mg/L）
0.005
铬（六价，mg/L）
0.05
铅（mg/L）
0.01
汞（mg/L）
0.001
硒（mg/L）
0.01
氰化物（mg/L）
0.05
氟化物（mg/L）
1.0
硝酸盐（以N计，mg/L）
10
地下水源限制时为20
三氯甲烷（mg/L）
0.06
四氯化碳（mg/L）
0.002
溴酸盐（使用臭氧时，mg/L）
0.01
甲醛（使用臭氧时，mg/L）
0.9
亚氯酸盐（使用二氧化氯消毒时，mg/L）
0.7
氯酸盐（使用复合二氧化氯消毒时，mg/L）
0.7
3、感官性状和一般化学指标
色度（铂钴色度单位）
15
浑浊度（NTU-散射浊度单位）
1
水源与净水技术条件限制时为3
臭和味
无异臭、异味
肉眼可见物
无
pH（pH单位）
不小于6.5且不大于8.5
铝（mg/L）
0.2
铁（mg/L）
0.3
锰（mg/L）
0.1
铜（mg/L）
1.0
锌（mg/L）
1.0
氯化物（mg/L）
250
硫酸盐（mg/L）
250
溶解性总固体（mg/L）
1000
总硬度（以CaCO3计，mg/L）
450
耗氧量（CODMn法，以O2计，mg/L）
3
水源限制，原水耗氧量＞6mg/L时为5
挥发酚类（以苯酚计，mg/L）
0.002
阴离子合成洗涤剂（mg/L）
0.3
4、放射性指标②
指导值
总α放射性（Bq/L）
0.5
总β放射性（Bq/L）
1
① MPN表示最可能数；CFU表示菌落形成单位。
当水样检出总大肠菌群时，应进一步检验大肠埃希氏菌或耐热大肠菌群；水样未检出总大肠菌群，不必检验大肠埃希氏菌或耐热大肠菌群。
② 放射性指标超过指导值，应进行核素分析和评价，判定能否饮用。
表2饮用水中消毒剂常规指标及要求
消毒剂名称
与水接触时间
出厂水
中限值
出厂水
中余量
管网末梢水中余量
氯气及游离氯制剂（游离氯,mg/L）
至少30min
4
≥0.3
≥0.05
一氯胺（总氯，mg/L）
至少120min
3
≥0.5
≥0.05
臭氧（O3，mg/L）
至少12min
0.3
0.02
如加氯，
总氯≥0.05
二氧化氯（ClO2，mg/L）
至少30min
0.8
≥0.1
≥0.02
表3水质非常规指标及限值
指标
限值
1、微生物指标
贾第鞭毛虫（个/10L）
＜1
隐孢子虫（个/10L）
＜1
2、毒理指标
锑（mg/L）
0.005
钡（mg/L）
0.7
铍（mg/L）
0.002
硼（mg/L）
0.5
钼（mg/L）
0.07
镍（mg/L）
0.02
银（mg/L）
0.05
铊（mg/L）
0.0001
氯化氰（以CN-计，mg/L）
0.07
一氯二溴甲烷（mg/L）
0.1
二氯一溴甲烷（mg/L）
0.06
二氯乙酸（mg/L）
0.05
1,2-二氯乙烷（mg/L）
0.03
二氯甲烷（mg/L）
0.02
三卤甲烷（三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷的总和）
该类化合物中各种化合物的实测浓度与其各自限值的比值之和不超过1
1,1,1-三氯乙烷（mg/L）
2
三氯乙酸（mg/L）
0.1
三氯乙醛（mg/L）
0.01
2,4,6-三氯酚（mg/L）
0.2
三溴甲烷（mg/L）
0.1
七氯（mg/L）
0.0004
马拉硫磷（mg/L）
0.25
五氯酚（mg/L）
0.009
六六六（总量，mg/L）
0.005
六氯苯（mg/L）
0.001
乐果（mg/L）
0.08
对硫磷（mg/L）
0.003
灭草松（mg/L）
0.3
甲基对硫磷（mg/L）
0.02
百菌清（mg/L）
0.01
呋喃丹（mg/L）
0.007
林丹（mg/L）
0.002
毒死蜱（mg/L）
0.03
草甘膦（mg/L）
0.7
敌敌畏（mg/L）
0.001
莠去津（mg/L）
0.002
溴氰菊酯（mg/L）
0.02
2,4-滴（mg/L）
0.03
滴滴涕（mg/L）
0.001
乙苯（mg/L）
0.3
二甲苯（mg/L）
0.5
1,1-二氯乙烯（mg/L）
0.03
1,2-二氯乙烯（mg/L）
0.05
1,2-二氯苯（mg/L）
1
1,4-二氯苯（mg/L）
0.3
三氯乙烯（mg/L）
0.07
三氯苯（总量，mg/L）
0.02
六氯丁二烯（mg/L）
0.0006
丙烯酰胺（mg/L）
0.0005
四氯乙烯（mg/L）
0.04
甲苯（mg/L）
0.7
邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（mg/L）
0.008
环氧氯丙烷（mg/L）
0.0004
苯（mg/L）
0.01
苯乙烯（mg/L）
0.02
苯并（a）芘（mg/L）
0.00001
氯乙烯（mg/L）
0.005
氯苯（mg/L）
0.3
微囊藻毒素-LR（mg/L）
0.001
3、感官性状和一般化学指标
氨氮（以N计，mg/L）
0.5
硫化物（mg/L）
0.02
钠（mg/L）
200
软饮料用水标准
项目名称
指标
项目名称
指标
浊度,度
＜2
高锰酸钾消耗量,mg/L
＜10
色度,度
＜5
总碱度（以CaCO3计）,mg/L
＜50
味及臭气
无味,无臭
游离氯,mg/L
＜0.1
总固形物,mg/L
＜500
细菌总数,个/mL
＜100
总硬度（以CaCO3计）,mg/L
＜100
大肠菌群,个/L
＜3
铁（以Fe计）,mg/L
＜0.1
致病菌
不得检出
锰（以Mn计）,mg/L
＜0.1
第二节水的处理
天然水中由于含有多种杂质，不能直接作为饮料生产的原料用水使用，必须进行必要的处理。
由于各饮料企业的水质要求不同，因此水处理程序与方法也就不尽相同。
1.混凝和过滤
（1）混凝
目的：
添加混凝剂，中和胶体颗粒表面的电荷，破坏胶体稳定性，促使小颗粒互相聚合成大颗粒而下沉。
水处理中常用的混凝剂：
铝盐和铁盐
a. 明矾[KAl（SO4）2]24H2O
用量：
0.001%-0.02%
b.硫酸铝 Al2（SO4）318H2O
要求pH近中性
有效剂量：
20-100mg/L
c. 聚合氯化铝（PAC）
用量：
0.005%-0.01%，效果好。
d. 铁盐（FeSO47H2O） 最常用
FeSO4+Ca（HCO3）2→Fe（OH）2+CaSO4+2CO2↑
4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3
Fe2（SO4）3+3Ca（HCO3）2→2Fe（OH）3+3CaSO4+6CO2↑
结合石灰处理：
Ca（OH）2+CO2→CaCO3↓+H2O
e. 助滤剂：
主要目的是为了提高凝聚的效果，近年来发展起来的混凝剂多为丙稀酸化合物，有带正电荷和带负电荷的两种。
（2） 过滤
①砂滤
过滤原理：
原水通过粒状（滤料）介质层时，其中一些悬浮物和胶体物被截留在孔隙中或介质表面。
过滤过程是阻力截留、重力沉降和接触凝聚综合的过程。
过滤介质：
也称滤料。
良好的滤料需具备的条件。
足够的化学稳定性；足够的机械强度；表面粗糙且表面积大；不溶于水且不产生有毒有害物质。
常用的介质有：
沙、石英砂、磁铁矿石、无烟煤、活性炭、玻璃纤维、烧结材料以及人工合成的高分子材料。
②其他过滤器
a.砂滤棒过滤器：
适用于水质较好的情况，主要过滤器件是砂滤棒，采用硅藻土和骨灰高温煅烧而成，表面具有２-４μm的小孔．
b ．活性炭过滤器过滤器
由于活性炭具有巨大的比表面积和极小的孔隙，因而具有强烈的吸附截留杂质的能力。
主要用于去除有机物、有机物和显色物质。
c．超滤
是一种膜分离技术，孔径为１.０-２０ｎｍ。
超滤膜一般由高分子材料组成。
其形式有平面膜、管式膜和中空纤维膜。
2.软化
过滤只能去除自然水中的悬浮物和胶体，降低水的硬度的方法叫软化。
a.加热法：
可除去暂时硬度、水中含钙、镁碳酸盐的称为暂时硬水。
含钙、镁硫酸盐或氯化物的称为永久硬水。
暂时硬度+永久硬度称总硬度。
加热法可除去暂时硬度：
Ca（HCO3）2 →CaCO3↓+H2O+CO2↑
Mg（HCO3）2→Mg（OH）2↓+H2O+CO2↑
b.石灰与碳酸纳法
加石灰可使暂时硬水软化：
Ca（HCO3）2+Ca（OH）2→2CaCO3↓+2H2O
Mg（HCO3）2+Ca（OH）2→MgCO3+CaCO3↓+2H2O
MgCO3+Ca（OH）2→Mg（OH）2↓+CaCO3↓
加碳酸纳能使永久硬水软化：
CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+ Na2SO4
MgSO4 + Na2CO3→MgCO3+Na2SO4
石灰先配成饱和溶液，再与碳酸纳一同加于水中，搅拌，碳酸盐类沉淀后，再过滤除去沉淀物。
（水中的钠离子数量增多）
c．电渗析
（1）原理
通过具有选择透过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。
（2）结垢与去垢方法
倒换电极 3-8h
定期酸洗 浓度1%-%的HCl、2-3h、pH3-4
碱洗 有机杂质污染阴膜 0.1mol/LNaOH
d.反渗透
（1） 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。
反渗透膜:
膜的种类：
醋酸纤维素膜（CA膜）；芳香聚酰胺膜；高分子电解质膜；无机质膜及其他。
膜的主要参数
①透水率 单位时间通过膜面积的水的体积流量，单位：
cm3/（cm2.s）.
②透盐率 盐通过膜的速率，与压力无关。
透盐率小好。
评价膜分离性能最常用的指标是脱盐率，其含义与透盐率相反（溶质截留百分率）。
③抗压实性 操作压力和温度引起，造成透水率不断下降。
压实系数m越小越好，反渗透膜要求m≯0.03。
（3）反渗透装置及流程
装置：
膜组件和泵，反渗透膜组件形式：
板框式、管式、螺旋式和中空纤维式。
e.离子交换
离子交换剂主要有：
矿物质离子交换剂；碳质离子交换剂；有机合成离子交换树脂。
（1）离子交换树脂软化水的原理
RSO3-•H++Na+→RSO3Na+H+
R≡N+OH-+Cl- →R≡NCl+OH-
（2）离子交换树脂的分类与性能
分类：
强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性等
性能：
密度、含水率、溶胀性、机械强度、耐热性、酸性、碱性、选择性和交换容量。
离子交换树脂的选择原则
①选择大容量、高强度树脂：
同类型树脂中，弱型比强型交换容量大，但机械强度差。
②根据原水中需除去离子的种类选择
吸附性较强的离子（Ca2+、Mg2+），弱酸性或弱碱性树脂
吸附性较弱的离子（K+、Na+、HCO3-、HSiO3-），强酸性或强碱性树脂
（3）离子交换水处理装置
单级离子交换器（单床）
多级（多床）
固定床
复合（复床）
混合（混合床）
双层（双层床）
连续床
移动床
流动床
（4） 离子交换树脂的处理、转型及再生
A 新树脂的处理及转型
阳树脂由Na型→H型（水浸泡→等量7%HCl浸泡1h→水洗至pH3-4→等量8%NaOH浸泡1h→水洗至pH8-9→3-5倍7%HCl浸泡2h→水洗至pH3-4）.
阴树脂由Cl型→OH型（水浸泡→等量8%NaOH浸泡1h→水洗至pH8-9→等量7%HCl浸泡1h→水洗至pH3-4→3-5倍8%NaOH浸泡2h→水洗至pH8-9）.
B 离子交换树脂的再生
老化树脂再生机理：
水处理的逆反应
阳树脂：
反冲→树脂质量2-3倍的5%-7%HCl→去离子水洗至pH3.0-4.0
阴树脂：
反冲→树脂质量2-3倍的5%-8%NaOH→去离子水洗至pH8.0-9.0
再生液适当加温（≯50℃）效果更好。
3.水的消毒
经澄清处理的水，仍含有大量微生物，特别是致病菌与抗热性微生物，须进行消毒。
消毒的方法：
氯消毒、紫外线消毒、臭氧消毒、加热法。
（1）氯消毒：
HOCl为中性分子，可以扩散到带负电荷的细菌表面，穿过细胞壁进入细菌内部，利用次氯酸（HOCl）的强氧化作用破坏微生物的酶系统，从而导致了细菌的死亡。
常用的氯消毒法：
氯胺、漂白粉、次氯酸钠和二氧化氯。
Cl2+H2O→ HOCl+H++Cl-；HOCl →H++OCl-
漂白粉的用量，以输水管的末端放出的余氯量为0.1～0.3mg/l之间为宜，如小于0.1mg/l水则消毒作用不完全，大于0.3mg/l水，会产生氯气味。
漂白精（NaOCl次氯酸钠）杀菌力强，性质稳定，在水中保持时间较长，不含悬浮物，不增加水的硬度，比用漂白粉好。
（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的能量，导致蛋白变性，使微生物死亡。
波长200-295nm，装置：
低压灯管
（3）臭氧消毒：
利用臭氧分解产生的原子氧（强氧化剂）与水中的细菌及其他微生物或有机物作用，使其失活。
a. 臭氧的发生：
3O2 →2O3 -148kJ/mol（高压放电）
b. 臭氧不稳定，需随时制取当场应用
c. 臭氧的加注装置：
喷射法
d. 臭氧的杀菌作用比氯快15-30倍，但成本高
（4）加热法
这是最传统也是最有效的灭菌方法。
复习题：
1.软饮料的概念及分类？
2.天然水怎么分类？
有何特点？
3.天然水中的杂质有哪些？
4.简述天然水软化的方法？
5.简述天然水消毒的方法？
6.简述紫外线消毒天然水的原理？
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