矿泉水分类以及工艺课件.ppt

第一节 天然矿泉水,一、矿泉水的发展历史 饮料矿泉水在欧洲自本世纪年代起，每年以0的增长率迅速发展。近几年来，德、意、前苏联等国矿泉水的发展速度正在赶超法国，德国近年来矿泉水的发展速度居欧洲诸国之首。 我国矿泉水资源丰富，但矿泉水饮料在我国仍属于起步阶段，真正受到消费一行重视不过是近几年的事。但随着环境污染的加剧和人民保健意识的增强，饮用天然矿泉水作为一种特殊饮料，必然会受到广大消费者的欢迎而迅速发展起来的。,1,我国第一家生产矿泉水的厂家是山东青岛汽水厂，它在年以前就已开始牛产。年以后，各种矿泉水饮料在我国相继发展，先后在全国各地都有了矿泉水生产家。 目前矿泉水饮料在国际市场上总的消费趋势是饮用天然矿泉水占主导地位。在某些国家，名牌矿泉水的销售量甚至超过了可乐类碳酸饮料。人们要求矿泉水低矿化度低等,由于矿泉水所具有的某些特殊功效，以及人们消费观念的不断更新，矿泉水已成为软饮料类中一种发展迅速的产品。钠，不含2气体，且希望矿泉水中含人体常易缺乏的元素片。铜、钡、铁、溴、碘。,2,二、天然矿泉水的定义和分类,（一）定义 不同国家有不同的定义，一般是根据生产矿泉水的目的而从不同角度来定义的。 原西德根据其所含可溶性盐类的多少来判断其好坏，定义为： 矿泉水是天然的，从天然的或人工开凿的泉水中获得的水； 1这种水中含有不少于1000g的溶解盐类或250g游离的二氧化碳； 它是在矿泉所在地用消费者使用的限定容器装瓶的。,3,英国对矿泉水作的严格规定：,天然矿泉水是指源于地下水体，由地下矿泉口、井口、钻孔或露头涌出而开采出来的； 需有水文地质方面的说明周围地形、地质情况、引水工艺设备。防护排水、防污措施等。 需有水质的理、化学特征说明治 自然流量、季节性变化、最大涌出量。水温。水质与地质岩石的关系、无机物成分的天然特征、蒸发残渣、电导率、阴阳离于及非离于化合物浓度、微量元素浓度、放射性同位素限量等。 需有毒性物质或元素的最大限量指标； 需有微生物的详细分析无寄生或病原微生物、粪便污染物指标、总活菌数指标等。需提供此水未受污染的数据；有证明此水的水位、水温和其他基本特征稳定于自然波动限额内的数据要求。,4,日本的矿泉定义为：矿泉是地下涌出温水或矿水的泉，它含有大量固形物质或气态物质，或特殊物质。 原苏联对餐桌饮用瓶装天然矿泉水的定义为： 总矿化度不低于2/L和（或）含具有生物活性为饮用矿泉水所采纳的微达成分，其含量不低于前苏联的沐浴标准。 总矿化度在 /L者为饮用医疗-餐桌矿泉水，但不包括矿化度接近的矿泉水。,5,联合国粮农组织及世界卫生组织（FAO/WHO）联合的食品法规委员会于年确立的瓶装天然矿泉水的定义为：以含有一定比例矿物盐和微量元素或其他组分为特征的；它是直接取自天然的或钻孔而获得的地下水层的水；由于天然矿泉水组成的恒定、流量和温度的稳定性，要适当考虑自然波动的周期性；天然矿泉水是在保证原水细菌学指标的条件下采集的；它是在靠近水源露头处并具备特定的卫生措施下装瓶的；除许可的规定外，不得进行任何其他处理；必须与相应的标准规定的所有条款相符。,6,我国新制定的国标 中对饮用天然矿泉水所作的定义是： 饮用天然矿泉水是从地下深处自然涌出的或经人工揭露的、未受污染的地下矿水； 含有一定量的矿物盐、微量元素或二氧化碳气体； 在通常情况下，其化学成分、流量、温度等动态指标在天然波动范围内相对稳定。我国要求饮用矿泉水中某些成分的最低和最高限量。,7,以上各国对矿泉水的定义概括起来主要有以下几点：天然矿泉水是从地下水源矿脉的若干天然露头开发出来的水；水中含有天然无机盐在1以上，或者含游离二氧化碳在50/L以上者；对人体生理具有有益健康的特性；矿泉水的微生物特性应符合世界卫生组织饮用水的国际标准。 由此可见，天然矿泉水作为饮用的矿产食品资源，各方面都有严格要求和规定。,8,（二）分类,目前世界上对矿泉水大致技水温、化学成分、用途、p值等进行了分类。 按水温分类 国际矿产水文学根据泉水温度把矿泉水分为： 冷泉(20) 低温泉(2037 ) 温泉(3742 ) 热泉(42 以上） 不过各国对温度界限划分不一，名称也不统一。,9,二按化学成分分类,天然矿泉水根据其含矿物质的多少可分为: 盐类矿泉水 淡矿泉水两类 矿物质含量大于1/L者称为盐类矿泉水 矿物质含量小于1/L者称为淡矿泉水,10,这两类矿泉水又可按它们所含的某种元素如锶、碘、锌或偏硅酸或二氧化碳气体已达到的有关国家的标准再进一步分类，大致可分为：碳酸氢盐型（含量要达到一定标准氯化物型儿一含量要达到一定标准硫酸盐型广含量要达到一定标准生物活性离子型（含等生物活性离子）含氯化物、碳酸氢盐硫酸盐同时含有上述种盐中的种的混合盐类矿泉水。而含2、2 S等及放射性气体的矿泉水则称为含气矿泉水。,11,12,.按用途分类,可分为以下几种： 医用矿泉水：包括 浴疗（含、2等） 饮疗（含、2等）两种，饮疗矿泉水必须符合饮用水卫生标准。 农用矿泉水：主要是以矿泉水中的某些特种元素改良土壤。饮料矿泉水：含有人体必需的微量元素或其他对人体有益的矿物质，清洁卫生，不含致病菌和有毒物质，可直接饮用的天然矿泉水。,13,按 值分类,强酸性矿泉水(p值以下)酸性矿泉水(p值 )弱酸性矿泉水(p值 ）中性矿泉(p值 .）碱性矿泉水(p值 .）碱性矿泉水(p值 .)强碱性矿泉水(p值 以上),14,三、天然矿泉水的理化特征,（一）矿泉水的化学组成 矿泉水所含的元素由产生矿泉水的不同的地质构造区域所决定。大致上可分为以下几类： 赋存于花岗岩裂隙中的矿泉水 大都富含偏硅酸，其次还会富含 u 、b、等金属元素及放射性元素,这类矿泉水属低矿化度的淡矿泉水。,15,火山岩类（玄武岩、安山石和凝灰岩等）裂隙中赋存的矿泉水 多为重碳酸钙或重碳酸钙镁型、低矿化度（ /L)、偏硅酸含量较高的淡矿泉水。与花岗岩类中的矿泉水相比，该类矿泉水的特征是具有低含量的氟和氡及高含量的钙、镁和锶。 赋存于碎屑岩孔（裂）隙内的矿泉 水多数是含偏硅酸和锶的重碳酸钙或重碳酸钙镁水，通常矿化度小于 /L。,16,赋存于碳酸岩溶蚀孔（裂）隙中的矿泉水 多为重碳酸硫酸钙和重碳酸钙镁水，随着温度的升高逐渐演变为重碳酸钠钙或重碳酸硫酸钠钙型水。这类矿泉水还常含有锶及偏硅酸，矿化度较高，大多超过 /L。 赋存于沉积盆地内的矿泉水 成分是从盆地边缘由重碳酸钠型逐步过渡为重碳酸氯化钠型和氯化钠型。该类矿泉水多为温泉，矿化度大于 /L，以含有溴、 碘为主要特征，同时含有锶、钾、偏硅酸等成分。,17,矿泉水中溶解的元素一般分为： 大量的元素，包括K、Na、Ca、Mg、Fe、Al、Cl、S、N、O、H、C、Si较少的元素，包括Li、S、Ba、Pb、Ni、Zn、Mn、Cu、Br、I、F、B、P、As、稀有元素，包括Cr、Co、U、Ni、Ga、Ge、Zr、Ti、V、Hg、Bi、Cd、W、Se、Mo、Ag、Au、Pt、Sn、Sb放射性元素，包括 、等。 矿泉水中所含的矿物质一般较稳定，因为矿泉水流动缓慢，矿物盐可以缓慢地溶解到水中，从而达到某一相对恒定的浓度。,18,（二）矿泉水气体成分的来源,矿泉水中的气体成分往往是决定矿泉水医疗价值的重要因素，特别是含硫和某些放射性气体的矿泉水的医疗价值更高。另外如含2气体的矿泉水则为优良的饮用矿泉水。 矿泉水中气体成分复杂，来源于多方面，如水的生化作用，大气的混入，以及因地层高温高压所发生的水的变质作用和放射性物质进入等。来自大气的气体主要是2和惰性气体等，这些气体渗入岩层深处溶解于水中。来自生化作用产生的气体主要有4、2 、2 、2、 3、2 、2 ，这些气体的形成与微生物对地层结构中的各种有机物的作用有关。另外在地层高温高压作用下，一些物质进行的化学变化同样也产生了气体，这些气体也可溶解到水中，这类化学变化主要有：,19,1.气体的转变,20,盐类的溶解,21,（三）矿泉水理化特征的表示方法,对矿泉水的理化特征一般采用前苏联的库尔洛夫式表示，其方法如下：式中： 所含气体或微量元素，要求含有一定级位方予列入； 总固体成分（总矿化度） 酸碱度； T矿泉温度（）； 泉水涌 出量（L/s或 ） 此种方法阴、阳离子的浓度单位为mmol/L。 一般含量在以上的元素才排列在式中，不过有人将含量超过5%的微量元素也列入式中。该式也可用于表示气体和特殊的元素。,22,如果测得某矿泉水中含：2.， .，总矿化度为.，阴离子（以计）为 3- 、 4 2- .、l - ，阳离子（以计）为 2+ .、2+ 、+ ，水的 值为 .，泉水温度则为 ，涌出量 。 该矿泉水可用库尔洛夫式表示如下：,23,四、饮用天然矿泉水的生产工艺,瓶装饮料矿泉水的生产工艺由矿泉水的引水。曝气、过滤、充气、灌装等工序组成，它涉及到水文、地质、食品卫生、食品机械等诸多方面。,24,（一）工艺流程,不含气体矿泉水的生产工艺流程 水源抽水贮存沉淀粗滤（砂滤、活性炭过滤） 精滤（微孔过滤等） 紫外线消毒灌装检验成品 含二氧化碳矿泉水的生产工艺流程,25,26,引水 引水工程一般分为地下和地上两部分。 地下部分主要是指从地下引取矿泉水到地上出口的部分，需对矿泉水进行加固，避免地表水的混入。目前多采用打井引水法。 地上部分是指把矿泉水从最适当深度引到最适当的地表，并进行后续加工工序的部分。在引水过程中应防止水温变化和水中气体的散失，防止周围地表水的渗入，防止空气中O2的氧化作用及有害物质的污染。,（二）工艺要点,27,在开采矿泉水的过程中应注意：,开采不同类型的矿泉水采取不同的工艺，如碳酸型矿泉水因含大量的气体成分而气体的含量随压力的改变而改变，因此要注意防止气体损失，应先了解地质条件后再决定引水方法。 矿泉水开采量也是应注意的，过度开采会对矿泉水的流量和组成产生不可逆的影响。开采矿泉水的水泵和输水管要用与泉水不起反应的材料制成，因为矿泉水对金属腐蚀性极强（如含二价铁的矿泉水与镀锌管接触时可使锌溶解）， 这主要是与矿泉水含盐分高，电导率高，电化学腐蚀强度大有关。,28,还有抽取矿泉水所用的泵以不用离心泵为好，离心泵的大力搅拌会促使CO2大量逸出，一般选用齿轮泵。 为了避免碳酸型矿泉水中有效成分的过度损失，取水时以自然流动泉水为佳 。 不可采用明渠式采水法，否则会导致矿泉水气体逸散，被有害成分污染等。,29,曝气,矿泉水中除含有CO2及2S在等多种气体外，还含有多种金属盐类，矿泉水在地层中因受压和不接触空气的原因，气体和盐类以饱和状态溶于水中，开采出来后压力下降，水与空气接触， CO2大量逸出，已溶解的盐类沉淀出来，水的p值发生变化，由于水中含有2 S在等气体以及铁等金属盐类，装瓶后必然会造成成品矿泉水存在异味和产生氧化物沉淀，影响产品感官质量。为了排除不愉快的气味，避免装瓶后产生氧化物沉淀，降低成品矿泉水中金属离子浓度，在不改变矿泉水的特性和主要成分的条件下，可对瓶装矿泉水采取曝气工艺，即使矿泉水和经过净化的空气充分接触，这样可脱去各种气体， CO2则可在灌装前重新补充，矿泉水硬度下降，达到饮用要求。,30,曝气工艺有自动曝气和强制曝气,自动曝气 是使矿泉水在一个容器内通过一条或多条装在支管上的喷嘴进行喷洒，自动与空气接触。 强制曝气 是矿泉水在喷洒时，以鼓风机强大气流强制曝气，提高曝气效率。,31,32,除铁,铁的存在会使水具有腥味，除去后可改善口味。矿泉水中铁一般以碳酸氢盐的形式存在，在水与空气接触（曝气）后，碳酸氢亚铁先分解成氢氧化亚铁及二氧化碳： 当水中CO2被除尽后，碳酸氢亚铁则可以完全分解成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁再与空气中的氧作用，生成氢氧化铁胶粒凝聚沉淀： 过滤即可除去沉淀物。,33,根据上述原理，首先利用各种曝气方法让矿泉水充分与空气接触，然后通过石英砂过滤，这样便可将水中所含的大部分铁除去。工厂实践证明，当原水的p值大于.，含铁量低于 ，铁呈重碳酸盐态存在时，曝气石英砂过滤法除铁效果良好，水中剩余的铁可减少到0.mg/L以下。,34,除锰 锰和铁往往同时存在于矿泉水中，多数情况下铁的含量高于锰。当水中含铁量较高而锰的含量较低时，可使原水先经过曝气，再用天然锰砂过滤，这样既可除去水中的铁，又可除去水中少量的锰，用天然锰砂除锰时的化学反应如下：,35,锰砂（O2）与 2+结合生成三氧化二锰（O2 ）后便失去除锰性能，需加入氧化剂再生，使二氧化二锰重新变成二氧化锰（O2）。通常用氯作氧化剂，因为氯具有较高的氧化还原电位，且价廉。氯与三氧化二锰作用的反应式如下：,36,当矿泉水中铁和锰的含量都较高时，若用天然锰砂同时处理铁和锰，由于2+氧化为4+的氧化电位比2+氧化为3+的氧化电位高，铁比锰易于氧化，铁的沉淀物降低了天然锰砂的除锰效果，所以一般采用二次过滤法，即先用曝气-天然锰砂过滤法除去原水中的铁，然后向已除去铁的水中加强氧化剂，用天然锰砂过滤第二次，将水中的锰去除。 当矿泉水中锰含量高、铁含量低时，可采用先曝气，然后加强氧化剂，再用天然锰砂过滤的方法处理，以去除铁和锰。,37,除氟,饮用天然矿泉水有时也会碰到原水中氟化物含量超标的情况，此时需采取除氟措施。常用的降低水中氟化物含量的方法是吸附过滤法。 吸附过滤法就是使含氟化物的水通过活性氧化铝滤料，使氟化物被吸附在活性氧化铝表面而得以除去。活性氧化铝是将氧化铝的水合物经灼烧而成，比一般氧化铝的表面积大，在水中具有离子交换性能。当活性氧化铝除氟能力降低到一定程度时，可用硫酸铝溶液或硫酸再生。另外，磷酸三钙颗粒也能作为除氟滤料，当含氟的水通过时，其分子中的羟基会与水中的氟离子进行交换。利用氢氧化钠的氢氧根离子与磷酸三钙上的氟离子进行交换则可使磷酸三钙再生。,38,过滤,矿泉水过滤的目的是除去水中的不溶性杂质及微生物，以使水质清澈透明，清洁卫生。按前面所讲的水处理形式进行，先砂滤再用砂芯棒精滤然后消毒。 目前诸多厂家在过滤时还使用助滤剂如硅藻土、活性炭等。 另外也可以使用微孔过滤和超滤方法进行精滤。,39,消毒,目前常用的消毒方法是紫外线消毒，因为用紫外线进行水质消毒时，具有接触时间短，杀菌能力强，处理后水无味、无色等优点。,40,充气,目前国内外饮料类矿泉水中有充气和不充气两大类。 充气饮料矿泉水是指矿泉水经过引水、曝气、过滤后再充入CO2气体； 不充气饮料矿泉水则在经过引水、曝气、过滤后直接装瓶。,41,无气产品和含气产品生产工艺中的不同,无气产品。无气产品生产时看原水是否含气，若不含气而产品又不要求含气可经引水、过滤、杀菌等处理后直接灌装，其中为保证不损失矿泉水中的有益成分，常添加少量的稳定剂。如果原水含2、2等气体，则要增加一道曝气工艺。 含气产品。含气产品则是将含 2的天然矿泉水抽出，在气水分离器中把矿泉和2分开，矿泉经净化处理（过滤、消毒）后，重新充入2若原矿泉中2不够纯净，则需净化或用钢瓶中的2 。这种含气产品中常添加 柠檬酸、 抗坏血酸作稳定剂。,42,43,第二节饮用纯净水,饮用纯净水是以符合生活饮用水卫生标准的水为水源，采用蒸馏法、电渗析法、离子交换法、反渗透法及其他适当的加工方法制得的水。 饮用纯净水水质纯净，安全卫生，没有工农业和人为污染，水的表面张力大，密度高，极易被人体吸收，解渴，特别适合只需补充水分者饮用。,44,二、生产工艺及设备,预处理 预处理的目的，主要是降低水的色度和混浊度。一般采用机械过滤或砂滤律过滤作为初滤，再用蜂房式或烧结管式微孔过滤。初滤 机械过滤：使水通过细小的粒状滤料层进行过滤，从而降低水的色度和混浊度。机械过滤设备通常分为重力式和压力式两种，在饮用纯净水制备中，常采用压力式机械过滤。机械过滤对原水水质适应性较大，但维护管理要求比较严格。,45,砂滤棒过滤 砂滤棒过滤器是一个装有特制砂滤棒的不锈钢密封容器。原水进入后，通过砂滤棒外壁进入棒内，滤出水由口部流出，从而达到净化目的。饮用纯净水处理水量较小，且原水水质较好，一般多采用砂滤棒过滤。该过滤器设备简单，操作方便，但工作压力不应大于 a 否则易影响流出水水质。,46,微孔过滤,微孔过滤是利用过滤介质微孔的截留作用，除去水中的机械杂质，使水得到净化。传统的微孔过滤，采用蜂房式过滤器，蜂房式过滤芯是一种效率高。阻小的深层过滤层，但容易堵塞，且清洗困难，所以运行周期短。管微孔过滤材料由低压超高相对分于质量聚乙烯通过烧结而成，截污负荷大，过滤精度高，并可利用“气水反吹法”脱渣及再生，在今后饮用纯净水预处理中，将逐步取代蜂房式过滤器。,47,活性炭过滤,活性炭过滤是利用活性炭吸附作用，脱除水中有机物、微生物、色素、臭味及余氯，其活性炭材料为颗粒活性炭。大中型活性炭过滤器是将颗粒活性炭装在器体内进行过滤，小型活性炭过滤器是采用一根或多根活性炭芯装在器体内进行过滤。,48,除盐（软化）,生活饮用水作为原水，水中溶解总固形物含量不超过1000/L相当于电导率不超过50，除盐的目的是除去水中的盐分，使电导率降低到1以下，达到饮用纯净水标准。,49,电渗析法,电渗析法是利用离子交换膜对离子的选择透过性，在直流电场作用下，以电位差作推动力，使水中阴阳离于定向移动，让一部分水中的离于进入到另一部分水中，从而达到除盐的目的。电渗析只要有电就可运行，不需要酸碱再生，除盐率一般只有90%。当原水电导率不超过 时，采用单一的电渗析制水，水质可达到饮用纯净水标准；当原水电导率超过 时，同时硬度较高，可采用原水预软化电渗析与离子交换除盐优化组合法制取饮用纯净水。,50,51,52,离子交换法,离子交换法除盐是让原水通过两种离子交换的复床、混合床，来达到除盐的目的。 该法出水纯度高，比蒸馏法简便、经济，采用单一的阴阳离子交换法，水质即可达到饮用纯净水标准；但离子交换法用酸、碱需再生，酸碱消耗量较大，而且再生操作比较繁琐复杂，因此，可采用离子交换与电渗析相结合的方式，生产饮用纯净水。,53,反渗透法,反渗透处理工艺近年来在我国也得到较快发展，现国内大部分饮用纯净水生产厂都采用这种新工艺。 反渗透与电渗析一样是一项膜分离技术，但反渗透不是靠电位差，而是利用压力差作为推动力。它以足够的压力使原水中的纯水通过反渗透膜分离出来，从而达到除盐的目的。反渗透过程由于分离过程不需加热，没有相的变化，具有能耗低、设备体积小、适应性强等优点。但反渗透的设备投资及维护费用较大，且操作压力较高，需要高压泵加压，压力一般为 a,不过随着低压反渗透膜的开发应用，压力可降到 a,反渗透法除盐率可达.。当原水电导率不超过100/m时，采用单一的反渗透法制水，水质即可达到饮用纯净水标准。为了适应不同的原水水质和减少设备投资，可采用反渗透与离子交换相结合方式生产饮用纯净水。,54,蒸馏法 蒸馏就是将原水加热蒸发，使其变成水蒸气，然后将水蒸气冷却凝结而得蒸馏水。蒸馏法是一种传统的纯水制作方法，也是最常见的饮用纯净水生产方法，国内一些较早的饮用纯净水生产厂多采用此法。此法成本较高，产水量少，水质不够稳定。因此已被电渗析、离子交换等方法所取代。,55,超滤,超滤是以压力为推动力，采用半透性的超滤膜，在动态条件下，能有效地截留水中大部分胶体、大分子化合物、热源物质和细菌类杂质等，但不能除去低相对分子质量的盐类。超滤能在较低压差条件下工作，一般工作压力为 MPa。,56,消毒,紫外线消毒。饮用纯净水的消毒可采用传统的紫外线杀菌工艺。它具有接触时间短、管理方便、投资小的优点，但紫外灯的使用寿命短，价格较贵。 臭氧消毒。近年来臭氧已用于饮用纯净水消毒。利用臭氧作为强氧化杀菌剂，具有对细菌及病毒等病原体杀灭效率高、无有害的卤代有机物产生等优点。但臭氧的制取及气水混合工艺较复杂，一次性投资大，而且运行安全防护要求较高，操作要求严格。臭氧消毒段宜放置于超滤段后，以保护中空纤维聚砜（P）膜不被氧化。,57,58,工艺流程,根据原水水质的不同，制取饮用纯净水可采用下列工艺流程：,59,