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第1页：软饮料用水及水的硬度

第三章 软饮料用水和辅料

第一节 软饮料用水及处理方法

1. 水中的污染

（1）粒子；（2）可溶性无机物：Ca、Mg、Si，CO₂、N、P等；（3）可溶性有机物：如除草剂、杀虫剂、气溶胶、动植物组织腐蚀物；（4）微生物。

用水质量要求

凡与原料直接接触的用水，应符合饮用水标准。无色、澄清、无悬浮物质、无异味异嗅、无致病细菌、无耐热微生物及寄生虫，不含对人体健康有害、有毒的物质。此外，水中不应含有硫化氢、氨、硝酸盐及亚硝酸盐等，也不应有过多的铁、锰等。水的硬度也直接影响加工产品的质量。水中钙盐或镁盐的含量决定它的硬度，一般来说，1升水中含10mg CaO或MgO叫1°的水，通常用CaO含量表示。

2. 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0~4°为最软的水，4~8°为软水，8~16°为中等硬度的水，16~30°为硬水，30°以上为很硬的水。

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MgO 40mg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。

第2页：混凝过滤与软化

具体的讲，用途不同，加工品种类不同，对水的硬度要求亦不同。

3. 水的碱度

天然水中能与H⁺结合的OH⁻、CO₃²⁻和HCO₃⁻的含量。天然水中通常仅存在HCO₃⁻。

4. 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

• 明矾[KAl(SO₄)₂]24H₂O 用量：0.001%~0.02%
• 硫酸铝 Al₂(SO₄)₃18H₂O 要求pH近中性 有效剂量：20~100mg/L
• 聚合氯化铝（PAC）效果好 用量：0.005%~0.01%
• 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

（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。过滤工艺过程：过滤与冲洗。

②其他过滤器

• 砂滤棒过滤器：适用于水质较好的情况
• 微孔膜过滤器（高分子材料的滤膜）
• 活性炭过滤器
• 传统单一滤料
• 双层或多层滤料
• 理想级配滤

第3页：水软化方法与电渗析

（3）软化

降低水的硬度，以适合加工用水的要求，特别是锅炉用水对硬度要求更严。

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↑

石灰与碳酸钠法

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↓

加碳酸钠能使永久硬水软化：

CaSO₄+Na₂CO₃→CaCO₃↓+Na₂SO₄

MgSO₄+Na₂CO₃→MgCO₃+Na₂SO₄

石灰先配成饱和溶液，再与碳酸钠一同加于水中，搅拌，碳酸盐类沉淀后，再过滤除去沉淀物。

3. 离子交换法

硬水通过离子交换剂层软化，即得到软水，含钙量可降至0.01mmol/L以下。

5. 电渗析

（1）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。

（2）结垢与去垢方法

• 倒换电极 3~8h
• 定期酸洗：浓度1%~2%的HCl，2~3h，pH3~4；有机杂质污染阴膜用0.1mol/L NaOH
• 碱洗

第4页：反渗透与离子交换

6. 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。

（2）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：

• 透水率：单位时间通过膜面积的水的体积流量，单位：cm³/(cm²·s)，最常用cm³/(cm²·h)
• 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）。
• 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。

7. 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

a. 分类：强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性等

b. 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。

c. 离子交换树脂的选择原则

• 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。
• 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

第5页：离子交换装置与树脂再生

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）；阴树脂由Cl型→OH型。

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。

8. 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。

第6页：水的消毒方法

加工用水一般采用氯化法，常用漂白粉CaOCl₂、漂白精NaCl、液态氯等。漂白粉投入水中后生成次氯酸HOCl，再分解出[O]。

2CaOCl₂+2H₂O→Ca(OH)₂+CaCl₂+2HOCl

HOCl→HCl+[O] 或 HOCl→H⁺+OCl⁻

游离的[O]能氧化水中的微生物，使其生命活动停止。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水之间为宜，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（NaClO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。

消毒的方法：氯消毒、紫外线消毒、臭氧消毒。

（1）氯消毒：利用次氯酸（HOCl）的强氧化作用破坏微生物的酶系统。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⁻

（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。

• 臭氧的发生：3O₂→2O₃-148kJ/mol
• 臭氧不稳定，需随时制取当场应用
• 臭氧的加注装置：喷射法
• 臭氧的杀菌作用比氯快15~30倍，但成本高