水的澄清净化
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《软饮料工业手册》第15页（5599字）
水净化处理的目的是去除水中的悬浮物、有机物和胶体，主要是10μm以下的固体颗粒，包括0．001～0．1μm范围内的胶体颗粒，绝大部分的黏土颗粒(粒度上限为4μm)、大部分细菌(0．2～80μm)、病毒(10～300nm)和蛋白质(1～50nm)等。主要方法有凝聚、沉淀和过滤。
(一)凝聚沉淀
水中胶体颗粒一般具有保持分散的稳定性。这些胶体颗粒可分为憎水和亲水两大类。水中黏土等无机物属于憎水性胶体；有机物如蛋白质、淀粉和胶质等属于亲水性胶体。胶体表面是带电的，其中黏土、细菌、病毒等带负电，Al(OH)3、Fe(OH)3等的微晶体带正电。凝聚沉淀是在原水中添加凝聚剂或同时添加凝聚剂与助凝剂，中和水中胶体表面的电荷，破坏胶体的稳定性，使胶体颗粒发生凝聚并包裹悬浮颗粒而沉降，通过凝聚和静置的组合，使水中由微粒形成的悬浮物得到去除，从而使水得以澄清的一种方法。水处理用的凝聚剂可分为无机凝聚剂和有机凝聚剂，分别见表1－1－10和表1－1－11。通常使用的凝聚剂是铝盐和铁盐两类。铝盐有明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等。铁盐凝聚剂有硫酸亚铁、硫酸铁和三氯化铁，可根据被处理水的水质和目的进行选择。用于调整水的pH、促进凝聚的助凝剂有消石灰、氢氧化钠、藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC－Na)、氢氧化淀粉等。硬度高的水广泛用硫酸铝或硫酸亚铁进行凝聚沉淀。碳酸盐硬度每降低1度大致需要的凝聚剂量(g／m3)如下：
表1－1－10 无机凝聚剂
表1－1－11 高分子凝聚剂
硫酸铝［Al2(SO4)3］ 20．5
硫酸铁［Fe2(SO4)3］ 23．7
三氯化铁［FeCl3］ 19．3
1．明矾法
明矾是无色晶体或白色结晶性粉末，易溶于水，略有涩味，有收敛性，学名十二水合硫酸钾铝，分子式为KAl(SO4)2·12H2O，相对分子质量474．39。分子式有时也可写成K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O，是一种由两种不同金属离子和硫酸根离子组成的复盐。在水中，Al2(SO4)3水解生成氢氧化铝，其水溶液呈酸性。
Al3++H2O→Al(OH)2++H+
Al(OH)++H2O→Al(OH)3H+
氢氧化铝的溶解度小，聚合后以胶体状态从水中析出。氢氧化铝带正电荷，天然水中的胶体大都带负电荷，两者具有中和和凝聚作用。与此同时，由于氢氧化铝胶体吸附能力强，可以吸附水中的胶体和悬浮物，随之凝聚成粗大絮状物而沉降，使水澄清。因此明矾作为一种较好的净水剂广泛使用。明矾用量一般为0．001%～0．02%。
2．硫酸铝法
硫酸铝［Al↓（2(SO4)3］水溶液pH4．0～5．0，在水中的反应原理与明矾相同。由于Al2(SO4)3是强酸与弱碱形成的盐，为了能使硫酸铝形成氢氧化铝的凝胶，原水必须具有一定的碱度。在碱度不足时可以添加适量的消石灰和碳酸钠。反应原理如下：
Al2(SO4)3·18H2O+3Ca(HCO3)2=2Al(OH)3+CaSO4+6CO2+18H2O
Al2(SO4)3·18H2O+6NaHCO3=2Al(OH)3+3Na2SO4+6CO2+18H2O
Al2(SO4)3·18H2O+3Na2CO3=2Al(OH)3+3Na2SO4+3CO2+15H2O
Al2(SO4)3·18H2O+3Ca(OH)2=2Al(OH)3+3CaSO4+18H2O
反应生成氢氧化铝，形成凝胶，同时反应中碱度降低并降低了硬度。
硫酸铝的有效添加量为20～100mg／L，同时添加的石灰(CaO)量一般为硫酸铝用量的一半。
3．硫酸亚铁法
为了使硫酸亚铁形成Fe(OH)3的凝胶，需要同时使用消石灰Ca(HCO3)2。
FeSO4·7H2O+Ca(HCO3)2=Fe(HCO3)2+CaSO4+7H2O
FeSO4+Ca(OH)2=Fe(OH)2+CaSO4
反应生成的Fe(OH)2溶解度较高(6mg／L)，有必要氧化生成不溶于水的Fe(OH)3。氧化作用是通过普通水中溶解的氧进行的，如果同时加入氯化物，就可将生成的氢氧化亚铁立即氧化成氢氧化铁：
4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3
硫酸亚铁反应的最佳pH是8．5～11．0。硫酸亚铁法的优点是生成的凝胶重，沉降快。而且pH高时，凝胶也不会溶解。
在用凝聚沉淀法处理原水时，影响凝聚效果的因素有：凝聚剂的种类和添加剂，原水状况和pH，原水中是否有氯存在，以及搅拌与否、水温等，可根据具体情况，选择凝胶剂种类和反应条件。
(二)过滤
过滤是通过多孔层的过滤介质(滤料)，从悬浮液中截留和吸附不溶性固体物质从而将固体粒子与液体分离的操作。过滤也是用于水的除浊、改变水质的最为简单的方法。水过滤常用的过滤介质有粒状介质(砂粒等)、织状介质(织布、人造纤维等)、多孔性固体介质(多孔陶瓷管等)和滤膜。为了防止胶体微粒对滤孔的堵塞，有时根据情况还需使用助滤剂。助滤剂是一类颗粒均匀不可压缩的粒状物质，例如活性炭、硅藻土等。在过滤过程中，助滤剂或被过滤介质截留的物质形成助滤层，进行封闭过滤(Blocking filtration)，成为真正有效的过滤介质，这样过滤介质或助滤剂起机械和吸附两种作用。依靠过滤介质和助滤剂，或过滤介质及其吸附物质的电的或物理的吸附作用，不仅微粒大于介质滤孔的物质被机械性地截留和分离，而且小于滤孔的微粒，包括细小的悬浮物、胶体乃至细菌等也能被吸附滤除，可以获得较为理想的净水效果。过滤方式见表1－1－12。一般过滤可以截留10μm以上的不溶性固体物质，微滤可去除10～0．1μm的微粒，超滤可去除100～1nm的胶体、蛋白质和大分子物质，用于水的纯化。
表1－1－12 过滤方式
常用的过滤方法有以下几种。
1．砂滤
砂滤的过滤介质是石英砂，当含有悬浮物的水经过砂滤层时，水中的悬浮物等被截留，水得到澄清。砂滤层可用细砂、中砂和粗砂，也可用卵石，有时上面放滤砂，下面放卵石或碎石作垫层。水中固体杂质的去除效果与过滤介质的形状与粒度有关。选用砂粒大小时，不仅要考虑阻截悬浮颗粒的效果，还要使悬浮颗粒渗入滤层内一定深度，防止水的流速过快。一般砂粒直径0．45～0．70mm，砂滤层厚度600～800mm。砂滤有慢滤和速滤之分。高速砂滤器的过滤能力为(2．5×10－3)m3／s·m2。
在使用过程中，当水的净化效果变差或出水量变小时，需要定期将水反向流动或进行清洗。反清洗的流量为(1．0×10－2)m3／s·m2以上。
2．活性炭过滤
活性炭过滤的目的是为了去除水中的有机物、色度和余氯，也可作为离子交换的预处理工序。用氯处理过的水会损害饮料的风味，必须用活性炭脱氯。另一方面，当水质较差，出现一般异臭或异味时，用活性炭过滤也是有效的。
活性炭是含碳物质制成的多孔性物质，利用其表层或内部的无数微细孔吸附水中的不纯物质，使水得到净化。按其粒度可分为粉状和粒状两种类型。粒状活性炭以吸附柱形式使用，当吸附能力饱和后可以进行再生，以恢复其吸附能力。粉状活性炭可直接投于水中，经混合吸附后分离出来。由于再生技术尚未完善，用过的活性炭一般作为废物排除。
活性炭对于某一物质的吸附能力与活性炭的原材料性质、炭化及活化方法、吸附的环境因素以及再生过程都有密切关系。用椰壳炭、木炭、泥炭等原料制成的活性炭性能见表1－1－13。由表可见，椰壳炭的粗孔和中间孔小、微孔大。木炭粗孔和中间孔小、微孔大。泥炭粗孔大，而中间孔和微孔较小。水中COD和色素的分子质量大，适合用粗孔和中间孔吸附，因此宜用泥炭和木炭。而恶臭物质的分子质量小，适合使用微孔容量多的椰壳炭。
表1－1－13 几种活性炭性能的比较
与活性炭吸附能力最直接的因素是表面氧化物复体的性质。表面氧化物的成分主要受活化过程的影响，一般在300～500℃用湿空气制造的活性炭中，酸性氧化物占优势；而在800～900℃下，用空气、蒸汽或CO2为活化氧化剂制成的活性炭中，碱性氧化物占优势；在500～800℃之间活化的活性炭则具有两性性质。酸性氧化物使活性炭具有极性的性质，能吸附极性较强的化合物。由于像羧基带极性的基团易于吸附带极性的水，因而阻碍了在水溶液中吸附非极性物质的过程。为了避免形成类似羧基的基团，活性炭的活化温度必须在900℃左右。另外活性炭表面的金属离子部位带有正电荷，对那些带有过剩电子部位的分子有吸引力。活性炭可以吸附芳香族化合物，包括农药、除草剂、天然色素及酚类物质等。研究表明，除有机高分子物质外，活性炭对于无机物的吸附也有一定的潜力。例如粒状活性炭对于Ag+、Ca2+及
等离子的吸附去除率达85%以上。对水中大多数金属如砷、锡、铝、镍、铁等均有很好的吸附能力。活性炭对水中卤族分子Cl2、Br2及I2的吸附能力较强，Cl2及Br2并被还原。以Cl2表示如下：
C+2Cl2+2H2O→CO2+4HCl
但活性炭对卤族离子F－、Cl－、Br－和I－的吸附能力较差。
活性炭过滤后的脱氯水易受微生物的再污染，除了及时使用外，应定期检查输水管道内的细菌数，必要时用蒸汽或热水对活性炭及其后的管道进行灭菌，这点在碳酸饮料等的生产中特别应加注意。
3．烧结管微孔过滤
用微细颗粒的硅藻土、聚乙烯等为主要材料，成形为管状，高温焙烧使其表面形成0．5～10μm的微孔，用此作过滤介质，水从管外壁经微孔进入管内，可以滤除水中大部分微细杂质和细菌，微孔过滤一般作为碳酸饮料厂的澄清水的精密过滤。用于加压过滤时，操作压力应控制在规定的工作压力范围(0．02～0．2MPa)内。
硅藻土烧结管通常又称砂棒、砂芯。聚乙烯微孔烧结管是新产品。烧结管应是无毒、无味、化学性能稳定并允许用于食品的材料制成的。
砂棒的主要性能指标如下：气孔率47%～52%，吸水率25%～38%，微孔孔径＜2．5μm，过滤后水的浊度＜2度，微生物指标达到饮用水的卫生标准。国产砂棒过滤器和聚乙烯烧结管的规格见表1－1－14和表1－1－15。
表1－1－14 砂棒过滤器规格
表1－1－15 聚乙烯烧结管规格型号
微孔烧结管使用一段时间后需要清洗，砂棒可以用水砂纸擦磨，聚乙烯烧结管可用气反吹或水反冲进行再生。
4．精滤(Microfiltration，MF)
精滤又称微滤，精滤膜的孔径10nm至数微米，用于分离液体中100～10000nm的粒子，可以作无菌过滤。详细内容见第四节膜分离技术一节。