第五章 花卉饮料加工工艺（三）

2018-04-15 作者： 樊建；赵天瑞

第五章 花卉饮料加工工艺（三）

③活性炭过滤

活性炭是一种多孔性物质，具有很强的吸附性，能吸附水中的气体、臭味、氯离子、有机物、细菌及铁、锰等杂质，一般可将水中的有机物除去90%以上。Www.Pinwenba.Com 吧

活性炭是一种以木炭、木屑、果核壳、焦炭等为原料制成的高纯度高吸附能力的炭。它为黑色固体，无臭、无味，具有多孔结构，表面积十分庞大，对气体、蒸汽或胶状固体有强大的吸附能力，1g粉状活性炭的总表面积可达1000m2。

活性炭在水溶液中能吸附溶质分子，是由于溶质分子的疏水性和对溶质分子的吸引力所致。活性炭与溶质分子间的吸引力是由于静电吸附、物理吸附和化学吸附三种力联合作用的结果。同时，还兼有机械过滤的作用。

水处理过程中所用的活性炭通常为颗粒状。

④超滤膜过滤

超滤是一种能将溶液进行净化和分离的膜分离技术。超滤膜系统是以超滤膜丝为过滤介质，膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超滤膜只允许溶液中的溶剂、无机盐及小分子有机物透过，而将溶液中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留，从而达到净化和分离的目的，其切割分子质量1~500ku，孔径＜100nm。

目前超滤膜被大量用于水处理工程。超滤技术在反渗透预处理、饮用水处理、中水回用等领域发挥着越来越重要的作用。超滤技术在酒类和饮料的除菌与除浊，以及食品及制药物浓缩过程中均起到关键作用。

超滤过滤孔径和截留分子量的范围一直以来定义较为模糊，一般认为超滤膜的过滤孔径为0.001～0.1μm，截留分子量为1000～1000000Dalton。严格意义上来说超滤膜的过滤孔径为0.001～0.01μm，截留分子量为1000～300000Dalton。若过滤孔径大于0.01μm，或截留分子量大于300000Dalton的微孔膜就应该定义为微滤膜或精滤膜。

一般用于水处理的超滤膜标称截留分子量为30000～300000Dalton，而截留分子量为6000～30000Dalton的超滤膜大多用于物料的分离、浓缩、除菌和除热源等领域。

⑤微滤膜过滤

微滤又称微孔过滤，它属于精密过滤，微滤可以有效地去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预处理处理饮用水越来越引起人们的关注，最普遍的方法是投加金属盐混凝剂和粉末活性炭，混凝和吸附作为微滤的预处理不仅可以提高膜通量，降低天然有机物以获得高质量的出水，还可以减缓膜污染，延长清洗周期。混凝预处理所需反应时间很短，投加混凝剂后，絮体尺寸很快大于膜孔径，不需要长时间混凝，经混凝处理后的水即可进入膜分离单元。

微滤膜过滤的基本原理是筛分过程，操作压力一般在0.7～7kPa，原料液在静压差作用下，透过一种过滤材料。过滤材料可以分为多种，比如折叠滤芯、熔喷滤芯、布袋式除尘器、微滤膜等。透过纤维素或高分子材料制成的微孔滤膜，利用其均一孔径，来截留水中的微粒、细菌等，使其不能通过滤膜而被去除。

决定膜的分离效果的是膜的物理结构，孔的形状和大小。

微孔膜的规格目前有10多种，孔径范围为0.1～75μm，膜厚120～150μm。膜的种类有：混合纤维酯微孔滤膜；硝酸纤维素滤膜；聚偏氟乙烯滤膜；醋酸纤维素滤膜；再生纤维素滤膜；聚酰胺滤膜；聚四氟乙烯滤膜以及聚氯乙烯滤膜等。

水的软化

含有Ca2+、Mg2+的水叫做具有硬度的水，当Ca2+、Mg2+的含量较高时，就叫做硬水。把Ca2+、Mg2+的含量降低或去除叫做软化。饮料用水对水的要求很高。特别是配制饮料用水、锅炉用水和洗瓶用水，都要求用软水。因为过硬的水配制饮料时会影响成品饮料的外观质量。洗瓶用水硬度过高会与洗瓶所用的苛性碱溶液起反应，导致洗瓶机内冲洗喷嘴形成水垢发生堵塞而影响洗瓶效率，使瓶子得不到有效的洗涤和冲洗，甚至还会使瓶子蒙上一层水垢而使玻璃瓶发暗，影响洗瓶效果和瓶子外观。锅炉用水对水的硬度要求更高。在锅炉中如果水的硬度过高而产生的水垢会形成隔热体，阻止热量的传递，甚至引起锅炉爆炸。因此，为满足生产饮料用水要求，不仅要除去水中的悬浮杂质，还要采取物理或化学手段改善水质，降低水中的溶解性杂质。即硬水的软化处理，一是降低水中的Ca2+和Mg2+的含量，二是降低全部阳离子和全部阴离子的含量。硬水软化的方法主要有石灰软化法、离子交换法、电渗析法、反渗透法和电法去离子法。

1.石灰软化法

原理：在原水总硬度中碳酸盐硬度较高的情况下，在水中加入生石灰CaO，可降低碳酸盐硬度和碱度，相关反应为：

将生石灰CaO配制成石灰乳：CaO+H2OCa2

用石灰乳除去水中重碳酸钙Ca2、重碳酸镁Mg2和CO2：

CO2+Ca2CaCO3↓+H2O

Ca2+Ca22CaCO3↓+2H2O

Mg2+Ca2Mg2↓+CaCO3↓

MgCO3+Ca2Mg2↓+CaCO3↓

2NaHCO3+Ca2CaCO3↓+Na2CO3+2H2O

反应先去除水中的CO2，CO2去除后才完成→软化反应，否则水中CO2会和CaCO3、Mg2这些沉淀物重新化合，会再产生碳酸盐硬度，反应如下：

Ca2+H2O+CO2Ca2

Mg2+CO2MgCO3+H2O

Mg2+H2O+CO2Mg2

反应式是当水中的碱度大于硬度时才出现的。如果化合物NaHCO3中的HCO-3没有被除去，这部分HCO-3仍然会和Ca2+和Mg2+生成碳酸盐硬度，反应~仍然不能完成。

与以上反应同时还产生下述反应：

4Fe2+8Ca2+O24Fe3↓+8CaCO3+6H2O

Fe23+3Ca22Fe3↓+3CaSO4

H2SiO3+Ca2CaSiO3+2H2O

mH2SiO3+nMg2nMg2·mH2SiO3↓

因此，通过石灰处理可以除去水中部分铁和硅的化合物。

石灰乳软化法处理水时投加石灰量要准确，少了达不到软化的效果，多了会增加永久性钙的硬度。

石灰添加量可按下式计算：

G=56D×K×103

式中G为投入的石灰量；D为处理水量；HCa为原水钙的硬度，HMg为原水镁的硬度；CO2为原水中游离的CO2量；0.175为石灰的过剩量；K为石灰纯度；56为CaO的摩尔质量。

根据经验，每降低1m3水中暂时硬度1度，需添加纯的氧化钙10g，每降低1m3水中二氧化碳的浓度1mg/L，需添加纯的氧化钙1.27g。

软化处理设备

石灰软化法处理水常结合混凝、消毒过程同时进行，其运行过程原理。石灰软化设备分为三层，原水从上部进入，中间的搅拌器具有桨叶的作用，可以使内层的水由下向上移动。石灰水从侧面进入内层后，在水流的带动下，一边发生软化反应，一边向上移动与新注入的原水汇合，使原水软化。在上部进水的同时还有混凝剂、消毒剂进入。在设备的中层，水由上向下流动，混凝反应、软化反应以及消毒作用充分进行。当水到达底部时，在外层的水流折返向上，由于外层的直径远大于中层，水流上升的速度大大减缓，当水流上升的速度小于凝聚颗粒的重力所引起的下沉速度时，颗粒就沉降聚集于设备的底部，聚集的凝聚物形成了一层疏松的过滤层，中层的水通过过滤层进入外层，外层的水升至顶部，从同一出口流出，基本完成水的软化、混凝、消毒和澄清。

2.离子交换软化法

离子交换法是利用离子交换剂，把原水中所不需要的离子暂时占有，然后再将其释放到再生液中，使水得到软化的方法。

按离子交换剂来源的不同，可将其分为：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等三大类。

前两类一般用于水质软化处理，如锅炉用水、冷却水及洗瓶水的水质软化。饮料生产用水的水处理则采用有机合成离子交换树脂。

离子交换树脂的分类

离子交换树脂分子含有极性基团和非极性基团两部分，不溶于酸、碱和水，但吸水膨胀。树脂膨胀后，极性基团上可扩散的离子与溶液的离子发生交换作用，而非极性基团则为离子交换树脂的骨架。

一般常用的离子交换树脂，按其所带功能基团的性质，通常分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。

树脂本体中带有酸**换基团的称阳离子交换树脂。即在交换过程中，能与阳离子进行交换者。按其交换基团酸性的强弱，又可以分为强酸性、中酸性和弱酸性三类。

而本体中带有碱**换基团的称阴离子交换树脂。同样可按其交换基团碱性的强弱，分为强碱性和弱碱性两类。另外还有螯合、两性、氧化、还原树脂等。

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：RSO3HRSO-3＋H＋

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：

RSO-3H++Na+RSO3Na+H+

若原水中含有SO-4、Cl－、HCO-3、HＳiO-3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：

R≡N+OH－+Cl－R≡NCl+OH－

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。

离子交换树脂的性能

离子交换树脂的主要性能有密度、含水率、溶胀性、机械强度、耐热性、酸性、碱性、选择性和交换容量等。

溶胀性：干树脂浸入水中体积变大的现象，它与树脂的交联度、交换基团性能、周围溶液电解质浓度等有关，如交联度愈小，交换基团越易离解，溶胀率愈大。周围电解质浓度愈高，由于渗透压增大，双电层被压缩，溶胀率就愈小。

根据可交换离子水合半径的大小，强酸性阳树脂和强碱性阴树脂，其溶胀率的大小顺序为：H+>Na+>NH+4>K+>Ag+

OH－>HCO-3>CO-3->SO-4->Cl－

一般强酸性阴树脂从Na+型变成NH+4型、强碱性阴树脂从Cl-变成OH-型，其体积均会增加5%。由于树脂具有溶胀性，因而在交换和再生过程中会发生涨缩现象，多次涨缩会使树脂颗粒破裂，因此应尽可能加长树脂工作时间，或减少再生次数，以延长其使用寿命。

离子交换树脂的选择性：对某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。

水中离子所带电荷越多，越易被离子交换树脂所交换。

当离子所带电荷相同时，原子序数越大，即离子水合半径越大，则越易被离子交换树脂所交换。

在弱酸阳树脂或弱碱阴树脂中，则上述顺序正好相反。

交换容量：树脂交换容量可分为总交换容量和工作交换容量。

总交换容量：单位质量或单位体积树脂的交换总容量。

工作交换容量：树脂在动态工作状态下的交换容量，一般只有总容量的60%~70%。

离子交换树脂的选择原则

如何根据水中的溶解物质和处理后水质的要求，正确选择离子交换树脂，使树脂在生产中发挥最大的效能，这是离子交换水处理工作的关键。一般可以按照以下几方面进行选择：

①选择大容量，高强度树脂

交换容量是离子交换树脂的一项极为重要的指标。交换容量越大，同体积的树脂所能交换吸附的离子就越多，处理的水量也越大。一般同类型树脂中，弱型比强型交换容量大，可是机械强度一般较差。

另外，同类型的树脂，由于树脂的交联度不同，交换容量也不相同。交联度小的树脂，交换容量大，交联度大的树脂，交换容量小。

②根据原水中需要除去的离子种类选择

如果只需除去水中吸附性较强的离子，可选用弱酸性或弱碱性树脂。例如对原水进行软化时，如果其中的碳酸盐硬度大，即可选择弱酸性树脂进行软化。

但是，当必须除去原水中吸附性能比较弱的阳离子或阴离子时，用弱酸或弱碱树脂就较困难，甚至不能进行交换反应。此时必须选用强酸性或强碱性树脂。

所以在处理高硬度或高盐分的水质时，先进行弱酸性树脂处理，再用强酸性树脂进行处理，更为经济合理。

离子交换水处理装置

离子交换器的结构：一般的离子交换器具有锅形底及圆筒形的顶，其筒体的长度与直径之比值为2~3，筒体用不锈钢板卷焊而成，上、下部都设有人孔。筒体中部开有视镜孔，以观察反洗强度、树脂层表面污染情况和耗损，筒体底部开有树脂装卸孔。进水管安在筒体顶部。为使原水分布均匀，在出口处一般安有挡板分配装置。树脂层高度占筒体高度的50％~70％，不能装满，以备反洗时树脂层膨胀。在树脂层上面是再生液分配器，它与树脂层接近，以便在再生时保持再生液浓度，有利于提高再生效率。排水管安在筒体底部，通过多孔板集水后排出。

固定床离子交换器

单床是固定床中最简单的一种方式。

多床是同一种离子交换剂，两个单床串联的方式。当单床处理水质达不到要求时可采用多床。

复床是两种不同的离子交换剂的交换器的串联方式。

混合床是将阴阳离子交换树脂置于同一柱内，相当于很多级阴阳离子柱串联起来。处理水质量较高。

多层床是在一个交换柱中装有两种树脂，上下分层不混合。

连续式离子交换，可分移动床式和流动床式。