软饮料用水的水处理方法

2.2　软饮料用水的水处理

软饮料生产用水要求极为严格，因此必须对不符合软饮料用水要求的水质进行改良，这个过程称为水处理。在水处理之前，应首先对水质进行精密分析，了解水中杂质种类、状态，并确定用水量，以便决定水处理选用的工艺、设备。

2.2.1　混凝与过滤

在水处理过程中有两种途径:一种方法是混凝，即在水中加入混凝剂，使水中细小悬浮物及胶体物质互相吸附结合成较大的颗粒，从水中沉淀出来;另一种方法是过滤，即使细小悬浮物和胶体物质直接吸附在一些相对巨大的颗粒表面而除去。若两种途径并用，则过滤过程在混凝过程之后进行。

2.2.1.1　混凝

混凝(coagulate)的目的在于向水中加入一些药剂(混凝剂)，使水中的难以沉淀的细小悬浮物或胶体微粒互相吸附结合而成较大颗粒，从水中沉淀下来。

(1)混凝剂(coagulating agent)处理水质时所用的能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。常用的混凝剂主要有铝盐、铁盐等。铝盐主要包括明矾、硫酸铝、聚合氯化铝等，铁盐主要包括硫酸亚铁、硫酸铁、三氯化铁等。

1)明矾是硫酸钾铝［KAl(SO₄)₂］·12H₂O或K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·24H₂O，它是两种不同金属离子和一种酸根离子组成的一种复盐。在水中Al₂(SO₄)₃水解生成氢氧化铝胶体，反应式如下:

氢氧化铝是溶解度很小的化合物，它经过聚合后，以胶体的状态从水中析出。在天然水中，氢氧化铝胶粒带正电，水中的杂质胶粒及悬浮物微粒大多带负电，他们可以起到电性中和的作用。同时，氢氧化铝胶粒又可以吸附水中胶体和悬浮物，在这两种作用下，水中胶体杂质及悬浮物渐渐凝聚成较大的颗粒，产生沉淀，沉降过程中同时将其他杂质颗粒夹带一起沉淀，使水质达到澄清。明矾的用量一般为0.001%～0.02%。

2)硫酸铝硫酸铝加入水中的反应原理与明矾相同。因硫酸铝Al₂(SO₄)₃是强酸弱碱盐，它水解时会使水的酸度增加。而水解产物A1(OH)₃是两性化合物，水中pH值太高或过低都会促使其溶解，使水中残留的铝含量增加。

当pH值在5.5以下时，氢氧化铝有明显的碱性的作用。

Al(OH)₃+3H→⁺Al³⁺+3H₂O

当pH值在7.5以上时，又有酸的作用。

Al(OH)₃+OH→^－AlO^－2+2H₂O

当pH值＞9.0时，水中就不再有Al(OH)₃存在。当水中的pH值为5.5～7.5时，生成的Al(OH)₃量最大，所以在使用硫酸铝为混凝剂时，往往要用石灰、氢氧化钠或酸来调节原水的pH值近中性，一般采用pH值为6.5～7.5。

由于混凝过程不是单纯的化学反应，所需的混凝剂量不能根据计算来确定，而随实验数据确定，采用Al₂(SO₄)₃·18H₂O时的有效剂量为20～100mg/L。每投1mg/LAl₂(SO₄)₃需加0.5mg/L石灰(CaO)。

3)碱式氯化铝碱式氯化铝又称为羟基氯化铝、聚合氯化铝，为白色或黄色固体，也有无色或黄褐色的透明液体。碱式氯化铝是一种新型的混凝剂，反应迅速，沉淀较快，在相同的效果下，其用量仅为硫酸铝的1/4～1/2，碱式氯化铝一般用量为0.005%～0.01%，pH值范围为6.0～8.0，温度适应范围为20～30℃。

4)铁盐常用的是硫酸亚铁，俗称绿矾(FeSO₄·7H₂O)，也用氯化铁(FeCl₃·6H₂O)和硫酸铁［Fe₂(SO₄)₃］。一般把它们的化学反应表示如下:

FeSO₄+Ca(HCO₃)₂→Fe(OH)₂+CaSO₄+CO₂↑

4Fe(OH)₂+2H₂O+O₂→4Fe(OH)₃

Fe₂(SO₄)₃+3Ca(HCO₃)₂→2Fe(OH)₃+3CaSO₄+6CO₂↑

铁盐在水中发生水解产生了Fe(OH)₃胶体，Fe(OH)₃混凝作用及过程与铝盐相似。

由于Fe(OH)₂氧化产生Fe(OH)₃的反应在pH值＞8.0时才能完成，因此在用绿矾处理水时，需要加石灰调节pH值，并去除水中的CO₂。每投加1mg/L的FeSO₄，需要加0.37mg/L的CaO。用FeSO₄·7H₂O时的有效剂量一般为0.05～0.25mmol/L，相当于14～70mg/L。

当pH值＞6.0时，铁离子与水中的腐殖酸能生成不沉淀的有色化合物，所以对于含有机物较多的水质进行处理时，铁盐是不适合的。

(2)助凝剂(coagulant aid)助凝剂就是为了提高混凝的效果，加速沉淀，加入的一些辅助药剂的统称。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(聚丙烯胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯等)。此外，还有用来调节pH值的碱、酸、石灰等。助凝剂的添加种类及添加量是根据水质的情况、对水质的要求及添加的混凝剂特性决定的。适当地搅拌，也可以加速水中胶体物质的凝聚和沉淀过程。

(3)混凝条件的确定混凝反应的条件受以下几方面因素的影响:①原水的性质，包括水的温度、混凝时的pH值及其他物理化学性质;②混凝剂的种类及添加量;③助凝剂的种类及添加量;④混凝沉淀的装置;⑤混凝沉淀工艺(包括混凝剂、助凝剂等的添加顺序、搅拌强度及时间等)。总之，水处理时，合适混凝的反应条件需要经过反复实验才能确定。

2.2.1.2　过滤

(1)过滤原理　原水通过一种多孔性介质及由介质组成的具有孔隙结构的滤层时，水中一些悬浮物、胶体杂质等被截留在孔口或孔隙以及介质的表面上，从而使原水得到净化，这一过程称为水的过滤。水的过滤是一系列不同过程的综合，包括阻力截留(筛滤)、重力沉降和接触凝聚作用。

1)阻力截留　当原水由上而下流过介质(也称滤料)时，直径较大的悬浮杂质首先被截留在介质孔隙之间，使过滤介质表面滤料的孔隙越来越小，从而拦截住更多的杂质，在滤层表面逐渐形成一层主要由截留的颗粒组成的滤层，这层滤层同样也起到过滤作用。

2)重力沉降　介质及其构成的滤层有较大的沉降面积。当原水流经滤料层时，只要速度合适，悬浮物就会不断地沉淀到滤料颗粒的外表面上。

3)接触凝聚　过滤介质本身在水中带有负电荷，可以吸附带正电荷的颗粒物质(如铁、铝的胶体微粒及硅酸等)，形成带正电荷的薄膜。当原水流经时，水中微小的悬浮物、胶体及微生物等带负电荷的物质与其接触，可能被吸附，从而达到除去水中杂质的目的。

以上三种作用在同一过滤系统中是同时产生的。一般来说，阻力截留主要发生在过滤层的表面上，而重力沉降和接触凝聚则发生在过滤层的深处。

(2)过滤的工艺过程　过滤的工艺过程基本上由两个过程组成，即过滤和冲洗两个循环过程。过滤是生产清水的过程，而冲洗则是从滤料表面冲洗污物，使其恢复过滤能力的过程。大多数情况下，冲洗和过滤的水流方向是相反的，因而一般把冲洗称为反冲或反洗。

(3)过滤的形式　主要有以下几种。

1)池式过滤(沙石过滤)　主要是指过滤介质即滤料填于池中的过滤形式。主要的过滤介质有沙、石英砂、石头、无烟煤、磁铁矿等。为了改善滤料的性能，采用两种或多种滤料，造成具有孔隙上大下小特征的滤料层，如双层滤池或三层滤池结构，这样可以允许悬浮物穿透得更深，增加滤层的吸附表面积，进一步发挥整个滤层的吸附能力。为了防止过滤时滤料进入配水系统，以及冲洗时能均匀布水，在滤料层和配水系统之间还要设置垫层。常使用的是以等粒径石英砂形成砂床作为过滤载体进行立体深层过滤的沙石过滤器，用于一级过滤，可除去原水中的悬浮物、胶体物质、铁、锰、部分微生物和余氯。

2)砂滤棒过滤器　主要是利用多孔陶瓷滤棒(又称砂滤芯)的作用，待处理水在外压作用下，通过砂滤棒的微小孔隙，水中存在的少量有机物及微生物被微孔吸附截留在砂滤棒表面，滤出的水，符合国家饮用水标准。

砂滤棒过滤器外壳是用铝合金铸成锅形的密封容器，分上下两个区，即原水区和净水区。两个区中间用一块精密加工的带有封闭性能的隔板隔开，四周用定制橡胶圈密封，隔板上(或下)为待滤水。隔板下(或上)为过滤水，容器内安装一根至数十根砂滤棒。

砂滤棒有棒状和板状等形式，我国主要用棒状，日本和其他—些国家多用板状。

3)活性炭过滤　是通过炭床来完成的。组成炭床的活性炭颗粒有非常多的微孔和巨大的比表面积，具有很强的吸附能力。水通过炭床时，水中有机污染物被活性炭有效地吸附。活性炭在水中吸附杂质分子，也是由于溶质分子的疏水性和对溶质分子的吸引力所致。活性炭与溶质分子之间的吸引力是由于静电吸附、物理吸附以及化学吸附联合作用的结果，同时，还兼有机械过滤的作用。

活性炭过滤器有固定床式和膨胀床式两类。膨胀床式的处理效果要好于固定床式，但炭粒容易流失，而固定床式则较稳定。饮料水处理一般多采用固定床式。

4)其他过滤装置　主要有钛棒过滤器、化学纤维蜂房式过滤器、大孔离子吸附树脂过滤器等。

钛棒过滤器的过滤原理与砂滤棒类似，不同之处在于用来烧结的原材料不同。钛棒的优点是处理量大，不易破裂，可以作反冲清洗处理。

化学纤维蜂房式过滤器又称线绕式蜂房芯过滤器，过滤层是用各种化学纤维线缠绕而成的中空管状过滤器，这种过滤器对去除胶体物质和铁有很好的效果。

大孔离子吸附树脂是一种不溶于水的球状大孔聚合物，能利用吸附－解吸作用达到物理分离净化的目的。它不仅可以吸附有机大分子，而且具有良好的机械强度和化学稳定性，易于再生，可反复使用。

2.2.2　水的软化处理

饮料用水(包括洗瓶用水、锅炉用水、配制饮料用水、清洗用水、卫生用水等)对水的要求很高。因此，为满足生产饮料用水的要求，不仅要除去水中的悬浮物质，还要采取物理或化学手段改善水质，一方面降低水中钙离子、镁离子的含量，另一方面降低全部阳离子和全部阴离子(如、Cl^－等)的含量，即硬水的软化处理。常用的水软化处理方法主要有以下几种。

2.2.2.1　石灰软化法

在水中加入石灰等化学试剂，在不加热的条件下除去Ca²⁺、Mg²⁺，降低水的硬度，达到水质软化的目的，这种方法称之为石灰软化法。石灰软化法不仅可以去除水中的CO₂和大部分的碳酸盐硬度，而且可以降低水的碱度和含盐量。

将生石灰CaO配制成石灰乳，化学反应方程式如下:

CaO+H₂O→Ca(OH)₂　　　　　(1)

将石灰乳加入待处理水中以去除水中的重碳酸钙Ca(HCO₃)₂、重碳酸镁Mg(HCO₃)₂和CO₂。化学反应方程式如下:

CO₂+Ca(OH)₂→CaCO₃↓+H₂O　　　(2)

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂→2CaCO₃↓+2H₂O　　　(3)

Mg(HCO₃)₂+2Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓+2CaCO₃↓+2H₂O　　　(4)

MgCO₃+Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓+CaCO₃↓　　　(5)

2NaHCO₃+Ca(OH)₂→CaCO₃↓+Na₂CO₃+2H₂O　　　(6)

反应(2)先除去水中的CO₂，才能完成软化过程，否则水中的CO₂会与CaCO₃、Mg(OH)₂这些沉淀物重新化合，再产生碳酸盐硬度，使反应(3)～(6)不能进行下去，其反应方程式如下:

CaCO₃+H₂O+CO₂→Ca(HCO₃)₂

Mg(OH)₂+CO₂→MgCO₃+H₂O

MgCO₃+H₂O+CO₂→Mg(HCO₃)₂

反应式(6)是当水中碱度大于硬度时才会出现的。如果NaHCO₃中的没有被除去，则这部分仍会与Ca²⁺、Mg²⁺生成碳酸盐硬度，其他反应就不能完成。

与以上反应同时进行的反应还有如下几个:

4Fe(HCO₃)₂+8Ca(OH)₂+O₂→4Fe(OH)₃↓+8CaCO₃+6H₂O

Fe₂(SO₄)+3Ca(OH)₂→2Fe(OH)₃↓+3CaSO₄

H₂SiO₃+Ca(OH)₂→CaSiO₃↓+2H₂O

mH₂SiO₃+nMg(OH)₂→nMg(OH)₂·mH₂SiO₃

因此，石灰软化法不仅能降低水中的碳酸盐硬度，而且还可除去水中部分铁和硅的化合物。

石灰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:

式中　G——石灰添加量，kg/h;

　　　D——需要软化水的量，t/h;

　　　H_Mg——原水中镁的硬度，mol/L; H_Ca——原水中钙的硬度，mol/L;

　　　CO₂——原水中游离CO₂的量，mol/L;

　　　0.175——石灰过剩量;

　　　K——石灰纯度(一般质量分数为60%～85%);

　　　56——CaO的摩尔质量。

根据经验，一般每降低1m³水中暂时硬度1度，需要加入CaO10g，每降低1m³水中CO₂的质量浓度为1mg/L，需要加入CaO1.27g。

2.2.2.2　离子交换法

离子交换法是利用离子交换树脂交换离子的能力，按水处理的要求将原水中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，使水得到软化的水处理方法。常用的设备是离子交换器。

一般离子交换树脂所带的化学官能团能与水中阳离子进行交换的树脂叫阳离子交换树脂，能与阴离子进行交换的树脂叫阴离子交换树脂。根据树脂上化学官能团酸碱强弱程度不同，又可把阳离子交换树脂分为强酸性树脂(R—H⁺)和弱酸性树脂(R—COO^－H⁺)，把阴离子交换树脂分为强碱性树脂和弱碱性树脂，其中带伯、仲、叔胺基的树脂为弱碱性树脂，带季胺基的树脂为强碱性树脂。

离子交换树脂是一种由有机分子单体聚合而成的，具有三维网络结构的多孔海绵状球形的高分子共聚物，不溶于酸、碱、水，但吸水膨胀。树脂吸水膨胀后，化学官能团上结合的反离子能够与水中的离子进行交换。

离子交换树脂在水中是解离的，原水中含有K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子和、Cl^－等阴离子，当原水通过阳离子树脂层时，水中的阳离子被树脂所吸附，树脂上的阳离子(H⁺)置换到水中，反应式如下:

R—H⁺(—SO₃H⁺)+Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺→R—SO₃Ca(MgNa)+H⁺

当原水通过阴离子树脂层时，水中的阴离子被树脂所吸附，树脂上的阴离子(OH^－)置换到水中，反应式如下:(www.chuimin.cn)

也就是水中溶解的阴阳离子被树脂所吸附，离子交换树脂中的H+和OH－进入水中。

H⁺+OH^－→H₂O

经过几次树脂的反复交换，水的硬度和碱度都能得到较好控制，处理过的水含盐量可降至5～10mg/L，硬度接近0，pH值接近中性，从而达到水质软化的目的。

离子交换树脂对于水中的不同离子的交换能力是不一样的，这种对水中不同离子的亲和力的大小就是离子交换树脂的离子交换选择性。在常温、低浓度下，离子所带电荷越多，越容易被吸附交换，如三价离子比二价离子易被吸附。而同价离子原子序数越大，则越易被吸附交换。但是在高浓度溶液中，离子交换树脂的选择性消失，仅受高浓度离子的影响。

离子交换树脂处理一定水量后，交换能力下降，通称为树脂“失效”或“老化”，必须对离子交换树脂进行再生。树脂再生的方法有顺流式再生和逆流式再生两种。

离子交换树脂的种类很多，如何根据原水的离子组成和对处理水的水质要求，正确选择离子交换树脂，使树脂在生产中发挥最大效益，是离子交换水处理工作的关键。可以按照原水中需要除去离子的种类要求、树脂的交换容量、树脂的机械强度、树脂的交联度、膨胀度、颗粒度以及外观等几个方面进行选择。

2.2.2.3　反渗透法

反渗透(reverse osmosis，简称RO)是从20世纪50年代发展起来的一项新型膜分离技术，是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。我国对反渗透技术的研究始于二十世纪六七十年代，目前应用范围已发展到食品领域中果汁、牛乳的浓缩和饮料用水的净化等方面。

常规反渗透法工艺流程是:原水→预处理系统→高压水泵→反渗透膜组件→净化水。其中预处理系统视原水的水质情况和出水要求可采取粗滤、活性炭吸附、精滤等。另外，复合膜对水中的游离氯非常敏感，因而预处理系统中通常都配备活性炭吸附。

与其他水处理方法相比，采用反渗透法制造纯净水的优点是脱盐率高、产水量大、化学试剂消耗少、劳动强度低、水质稳定、终端过滤器寿命长，同时还具有无相态变化、常温操作、设备简单、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、适应范围广、自动化程度高和出水质量好等优点，出水水质优于我国生活饮用水的卫生标准。

(1)反渗透原理　在一个容器中用一层半透膜把容器隔成两部分，一边注入淡水，另一边注入盐水，并使两边液位相等，由于半透膜是一种只能让溶液中的溶剂单独通过而不让溶质通过的选择透性膜，当用半透膜隔开两种不同浓度的溶液时，溶液中的溶剂(纯水)就会通过半透膜进入浓溶液(盐水)一侧，这种现象叫渗透。由于渗透作用，溶液的两侧在平衡后会形成液面的高度差，产生一定的压力，这种高度差所产生的压力叫渗透压，抑制了纯水进一步向盐水方向的渗透。如果在浓溶液(盐水)一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂(纯水)就会从浓溶液(盐水)一侧通过半透膜进入稀溶液(纯水)中，这种现象称为反渗透，见图2.1。

反渗透作用的结果是使浓溶液变得更浓，稀溶液变得更稀，最终达到脱盐目的。

反渗透法主要利用溶剂或溶质对膜的选择性原理。反渗透膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关，还与膜的化学、物理性质有密切关系。

(2)反渗透膜的脱盐机制　到目前为止，对反渗透脱盐机制的解释很多，下面介绍几种较公认的机制。

图2.1　反渗透工作原理

1)氢键理论　最早是由雷德(Reid)等提出的，也叫孔穴式与有序式扩散(hole typealignment type diffusion)理论，是针对乙酸纤维膜提出的模型。此模型认为乙酸纤维素是一种具有高度矩阵结构的聚合物，当盐水中的水分子进入乙酸纤维膜的非结晶部分后，与羧基的氧原子形成氢键而构成结合水。在反渗透压力的作用下，与氢键结合进入膜内的水分子由第一个氢键位置断裂而转移到另一个位置而形成另一个氢键，这些水分子就这样通过一连串的氢键形成－断开过程，依次从一个极性基团移到下一个极性基团，直至离开表面层，进入膜的多孔层。这种结合水的结合强度取决于膜内的孔径。孔径越小结合越牢。由于牢固地结合水把孔占满，故不与乙酸纤维膜以氢键结合的溶质就不能扩散透过，但与膜能进行氢键结合的离子和分子(如水、酸等)都能穿过结合水层而有序的扩散通过。

2)优先吸附－毛细孔流理论　该理论是索里拉金(S.Sourirajan)在Gibbs吸附方程的基础上提出的，他认为膜是由含有适当亲水活性基团的多孔材料组成，在盐水溶液和聚合物多孔膜接触的情况下，膜界面上有选择性吸附的能力，即有优先吸附水排斥盐的性质，因而形成一负吸附层，它是一层已经被脱盐的纯水层，纯水的输送可通过膜中的小孔来进行，在反渗透压力推动作用下，此水层的纯水通过膜的毛细作用而连续不断地流出。纯水层厚度不仅与溶液的性质(如溶质的种类、溶液的浓度等)有关，也与膜的表面化学性质有关，索里拉金认为孔径必须等于或小于纯水层厚度的两倍，才能达到完全脱盐而连续地获得纯水，但在膜孔径等于纯水层厚度两倍时工作效率最高。根据膜的吸附作用有选择性，可以推知膜对溶质的脱除应有选择性。

(3)反渗透膜的种类及性质　当前常用的反渗透膜的种类及特性见表2.4。

表2.4　反渗透膜的种类及特性

2.2.2.4　电渗析法

电渗析(electro dialysis，简称ED)是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电的组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。

电渗析的研究始于20世纪初的德国，直至20世纪50年代离子交换膜的制造进入工业化生产后，电渗析法才进入实用阶段。目前电渗析法已经发展成为一个大规模的化工单元过程，在膜分离技术领域内占有重要地位，在食品、轻工行业制取纯水，电子、医药工业制取高纯水的前处理都得到了应用。

电渗析也是一种膜分离技术。电渗析是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，以电位差作为推动力，利用电解质离子同性相斥、异性相吸的原理，使溶液中电解质离子选择性的传递，透过电解质离子，而把非电解质离子截留下来，从而使一部分水淡化，另一部分水浓缩。

图2.2　电渗析工作原理

如图2.2所示，在阴极和阳极间交替地平行放置若干阳膜和阴膜，膜间保持一定的间距形成隔室，通电前各室水中的含盐量相等，通电后水中离子做定向迁移，阳离子(Na⁺)移向负极，阴离子(Cl^－)移向正极，由于离子交换膜的选择透过性，被迁移的离子不可能到达电极上，而是聚集在相应的室中，形成了相间的浓室和淡室，分别汇聚并引出各浓室与淡室的水，即得到浓水和需要的淡水。

采用电渗析脱盐法具有投资少、脱盐率高、耗电省、可连续处理、操作简单、检修比较方便和占地面积小等优点。但是，这个方法不能除去水中的不溶性杂质。因此，原水在电渗析处理前必须先进行预处理。要制备高纯水一般需与离子交换法结合使用。常使用的设备是电渗析过滤器。

2.2.3　水的消毒

在水处理过程中，原水经过混凝、沉淀、过滤、软化处理后，大部分微生物都随同悬浮物、胶体物质被除去，但仍会有部分微生物存在于水中，为了保证产品品质和消费者健康，达到软饮料用水微生物指标要求，对水还要进行严格的消毒处理。目前国内常用的水消毒的方法有氯消毒、臭氧消毒及紫外线消毒。

2.2.3.1　氯消毒

水的加氯消毒(chlorination)是当前世界各国最普遍使用的饮用水消毒法。由于此法操作简单、费用低、杀菌能力强、处理水量大，因此广泛用于日常生活水处理及没有采用自来水为水源的饮料厂的水处理。

(1)氯消毒工作原理氯在水中的反应如下:

HOCl为次氯酸，OCl^－为次氯酸根。以上两个反应很快达到平衡。由于H⁺能被水中的碱中和掉，因此反应易向右进行，最后水中只剩下次氯酸HOCl和次氯酸根OCl^－。

对于氯气能起消毒作用，有不同的看法。比较合理的看法是，氯的消毒作用是通过它产生次氯酸HOCl的作用，而不是氯气本身，也不是氢离子或次氯酸根OCl^－的作用。HOCl是一个中性的分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并穿过细菌的细胞膜进入细胞内部。HOCl分子进入细菌内部后，由于氯原子的氧化作用，破坏了细菌的某种酶系统，最后导致细菌的死亡。次氯酸根(OCl^－)虽然也包括一个氯原子，但它带负电，不能靠近带负电的细菌，所以不能穿过细菌的细胞膜进入细菌内部，因此其杀菌作用远远比不上次氯酸。

HOCl和OCl^－在水中存在平衡关系，两者存在的状态随pH值变化。当pH值呈酸性时，水中HOCl大部分保持分子状态。当pH值大于7.0时，OCl^－的比例随pH值的增大而增加，消毒效果也相应减少。利用氯消毒，水的pH值应控制在7.0以下才能获得较好的消毒效果。

(2)加氯方法和加氯量

1)加氯方法　主要有过滤前加氯和过滤后加氯两种。

过滤前加氯:如果原水水质差，有机物较多，可在原水过滤前加氯，以防止沉淀池中微生物繁殖，加氯量要大一些。

过滤后加氯:当原水水质较好，有机物含量较少时，可在原水经沉淀和过滤后再加氯进行消毒，加氯量可比过滤前少，且消毒效果好。

2)加氯量　要考虑两个方面:作用氯和余氯。作用氯是和水中微生物、有机物及有还原作用的盐类(如亚铁盐、亚硝酸盐等)起作用的部分。余氯是为了保持水在加氯后有持久的杀菌能力，防止水中残存和外界侵入的微生物生长繁殖的部分。

我国水质标准规定，管网末端自由余氯保持在0.1～0.3mg/L。小于0.1mg/L时不安全;大于0.3mg/L时，则水中含有明显的氯臭。为了使管网最远点保持0.1mg/L的余氯量，一般总投氯量为0.5～2.0mg/L。

(3)其他几种常用的氯消毒剂

1)氯胺(chloramine)　是水中的氨和氯化合产生的，是氨分子中的氢原子被氯原子取代后的产物，是一种有效的氯消毒试剂。在实际进行消毒时，在水中按比例加入少量氨盐或胺盐生成氯胺。有一氯胺(NH₂Cl)、二氯胺(NHCl₂)、三氯胺(NCl₃)三种，溶于水后会生成次氯酸。氯胺在水中分解缓慢，能逐步释放出次氯酸，容易保证管网末端的余氯量，并且避免自由余氯产生较重的氯臭。

2)次氯酸钠(sodium hypochlorite)　在水中解离成次氯酸，其杀菌能力较强，用于消毒后水质的净化，水溶液很纯净，不增加水的硬度，比漂白粉效果好。

它一般可采用电解氯化钠溶液，由电极产物反应而制得，反应式如下:

但制备次氯酸钠耗电多、费用高。

3)漂白粉(chloride of lime)　漂白粉消毒作用是由于漂白粉在水中产生次氯酸的结果。

2CaOCl₂+2H₂→OCa(OH)₂+2HOCl+CaCl₂

漂白粉是由氯气与熟石灰反应制得的混合物，包括氧氯酸钙(CaOCl₂)、氯化钙(CaCl₂)和氢氧化钙［Ca(OH)₂］等，其中氧氯酸钙(CaOCl₂)为主要有效成分，有效氯约为35%。漂白粉是白色粉末，微溶于水，有氯的气味。漂白粉易吸潮而分解失效，应密闭于阴凉干燥处。

2.2.3.2　紫外线消毒(ultraviolet sterilization)

微生物经紫外线照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外线光谱能量，使微生物细胞内核酸的结构发生裂变。另外，紫外线还可以造成微生物细胞膜受损，从而使微生物死亡。常用的设备是紫外线消毒器，它具有消毒速度快、不改变水的理化性质、不增加水的嗅和味、不产生有害卤代化合物等特点，其操作简单、管理方便、安全可靠。

(1)紫外线杀菌装置　采用发射波长250～260nm的紫外线高压汞灯和对紫外线透过率90%以上、污染系数小、耐高温的石英套管以及外筒、电气设施等组成的紫外线杀菌装置。杀菌器的外筒一般由铝镁合金和不锈钢材料制成。筒内壁有很高的光洁度，对紫外线反射率达85%左右。

(2)影响紫外线杀菌效果的因素

1)原水水质　因紫外线的穿透能力较弱，杀菌效果受水的色度、浊度、深度等因素影响。因此对原水的水质要求必须色度低于15度、浊度小于5度、铁质量浓度低于0.3mg/L，细菌总数小于900个/升。

2)水流量　在同一杀菌器中，相同的水质，流量越大，流速越快，则受紫外线照射的时间越短，杀菌的效果就越差。

3)灯管周围介质的温度　紫外灯周围介质温度越低，会使辐射的能量降低，影响杀菌效果。一般灯管周围的温度保持在25～35℃。

(3)紫外灯的运行管理　紫外灯在杀菌前应预热10～30min。应尽量减少开闭次数，保持电压稳定，波动范围不得超过额定电压的5%。

紫外线灯管使用一段时间后，石英套管上会沉积污垢，影响透光性，从而影响杀菌效果。应定时抽样检查水的消毒情况，及时更换。

2.2.3.3　臭氧消毒(ozone disinfection)

臭氧(O₃)是氧的一种变体，在常温下略带蓝色。通常是无色，液态臭氧是暗蓝色，是由3个氧原子组成的分子，是性质很不稳定的一种气态物质，在水中容易分解成为氧气(O₂)和原子氧〔O〕。原子氧是一种很强的氧化剂，能使水中细菌及其他微生物的酶、有机物等发生氧化反应。

臭氧的杀菌效果会因对象微生物的种类而有显著差异。臭氧对大肠杆菌、绿脓菌、荧光菌、乳酸菌的杀菌效果显著。臭氧由于稳定性差，很快会自行分解为氧气或单个氧原子，而单个氧原子能自行结合成氧分子，不存在任何有毒残留物，所以，臭氧是一种无污染的消毒剂。臭氧为气体，能迅速弥漫到整个灭菌空间，灭菌无死角。

除耐热性芽孢菌外，几乎所有微生物在与质量浓度为0.3～1.0mg/L的臭氧水接触20～30s时，就可达到杀菌目的。

臭氧消毒水的缺点是:经过一段时间后，水中臭氧全部分解成为氧气;正常情况下，臭氧在水中的半衰期为20min，pH值7.6时为1min，pH值10.4时为0.5min。富氧水比不经过臭氧处理的水更适宜于细菌的繁殖。因此，经过臭氧处理的水要防止二次污染。

思考题

1.天然水中的杂质及其对软饮料生产有何影响?

2.水的硬度、碱度概念?

3.混凝和过滤的定义、原理?

4.石灰软化法软化水的原理及其主要化学反应式?

5.离子交换树脂的选择原则有哪些?离子交换法的脱盐机制是什么?

6.简述电渗析法、反渗透法的脱盐机制及应用。

7.简述氯消毒、紫外消毒、臭氧消毒的基本原理及应用。

8.根据某饮料厂的水源，分析其中的杂质类型，设计该厂的水处理工艺。

【提要】本章主要介绍了软饮料加工中常用的辅料，如甜味剂、酸味剂、香精与香料、色素、防腐剂、抗氧化剂、增稠剂、乳化剂、酶制剂以及二氧化碳，介绍了这些辅料的特性、用途及应用时的注意事项。

【教学目标】

1.了解软饮料常用辅料的特性。

2.了解软饮料常用辅料在各类食品中的用途及应用。

3.了解软饮料常用辅料在各类食品中的科学使用方法及注意事项。

【重要名词及概念】甜味剂;酸味剂;乳化剂;增稠剂;酶制剂;香精与香料;食用色素;防腐剂;抗氧化剂。