CN1169732C - 饮用天然矿泉水预沉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饮用天然矿泉水预沉方法，其方法以所提出的极限介稳钙或重碳酸根浓度作为预沉方法控制参数，采用无二氧化碳空气曝气、返投CaCO₃沉淀、自然沉降与织物过滤两步分离沉淀、空气混入恢复碳酸-碳酸盐酸碱平衡等技术手段，有效地解决了矿泉水加热饮用时析出CaCO₃沉淀的问题。所发明的预沉方法系统由空压机、气水分离器、空气净化缓冲罐、碱液洗气罐、曝气罐、沉淀储槽、过滤机、气液混合泵、气液分离罐、盐液洗气罐、加压泵、储水罐及其连接管路、阀门等构成；应用本方法处理后的矿泉水清澈透明，加热饮用时不再有矿物盐沉淀析出；最大限度地保留了矿泉水的固有矿物成分，保证了其饮用价值。

Description

饮用天然矿泉水预沉方法

技术领域

本发明涉及一种饮用天然矿泉水预沉方法。

背景技术

某些含有特定矿物组份的矿泉水，由于地下赋存环境与开采后所处地表环境的差异，常常会析出CaCO₃沉淀和铁、锰的水合氧化物等矿物盐沉淀。桶装矿泉水在加热饮用时析出矿物盐沉淀的现象更具普遍性。虽然国家《饮用天然矿泉水》技术标准(GB8537-1995)规定产品中“允许有极少量的天然矿物盐沉淀”，但却不被消费者认可。特别是桶装矿泉水在加热饮用时所析出的矿物盐沉淀往往不再是“极少量”，这些悬浮在矿泉水中的矿物盐沉淀给消费者的感觉是“不干净”，这极大制约了矿泉水在桶装水市场上的竞争力。因此，许多矿泉水生产厂家多年来一直关注着矿泉水预沉方法的研究开发进程。

去除矿泉水中铁、锰的预沉方法已很成熟，有多种方案可供选择。而解决矿泉水析出CaCO₃沉淀问题的预沉方法却还没有可供选择的成熟方案。由于矿泉水析出CaCO₃沉淀(特别是在加热饮用时)具有普遍性，所以在业内与矿泉水生长藻类问题并称水处理方法的两大技术难题。

用化学法解决矿泉水析出CaCO₃沉淀的问题应是容易的，有多种成熟方法(如石灰软化法)可供选择。但因这些方法须添加“药剂”，会使矿泉水失去天然性，所以不能采用。处理矿泉水水质，应遵循以下两条原则：

1.处理方法必须是“物理的”：处理后的矿泉水所含矿物成分应是原水中所固有的，即不能引入任何非天然化学组份(CO₂除外)。

2.所去除的矿物成份必须是在一定条件下不稳定的部分。

第2条原则要求我们在水处理方法中必须最大限度地保留矿泉水的固有矿物成分。如对于在一定温度下析出CaCO₃沉淀的矿泉水，我们只能定量地去除在该温度下能生成CaCO₃的那部分Ca²⁺和HCO₃ ^-，而不能过多地去除在该温度下稳定存在的部分。国标《饮用天然矿泉水》(GB8537-1995)规定“允许曝气、倾析、过滤和除去或加入二氧化碳”，结合第1条原则，曝气方法应是我们解决矿泉水析出CaCO₃沉淀问题的唯一选择。

事实上，许多水处理设备厂家曾尝试用曝气方法解决矿泉水析出CaCO₃沉淀的问题，一般只是使产品析出的沉淀有所减少，并未能保证沉淀不再析出，效果不是很好；究其原因，应有下列两点：

①没有通过对晶体沉淀析出原理与规律性的研究，给出曝气方法控制参数。即不知道究竟应该去除多少Ca²⁺(或HCO₃ ^-)才能保证待处理矿泉水在一定温度下不再析出CaCO₃沉淀。

②简单的应用地下热水或污水曝气方法，没有对这些方法预沉CaCO₃的原理及可行性进行深入研究，致使虽发现没有达到预想的预沉效果，也无从下手解决。

如果某一矿泉水在某一环境条件(温度、压力)下有CaCO₃沉淀析出，那么当我们在该条件下用传统曝气法曝气时，CaCO₃的极限沉淀量与不曝气时的极限沉淀量相等，即用传统曝气法曝气不会增大极限沉淀量，其作用只是加快了CaCO₃沉淀析出并最终建立动态平衡的速度。并且这个速度也并非我们想象的那样大，有时需要历时10个小时以上。既然曝气是在一定的环境条件下进行的，即使建立了CaCO₃的沉淀—溶解动态平衡，也只是在该环境条件下的平衡，当矿泉水加热饮用时，原有的平衡必将被打破，CaCO₃沉淀的继续析出也就难免了。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供了一种饮用天然矿泉水预沉方法，本方法在保证矿泉水不析出矿物盐沉淀的前提下，最大限度地保留其固有矿物成分，使处理后的矿泉水既清澈透明，又不改变其所固有的饮用价值。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：饮用天然矿泉水预沉方法，其方法如下：

(1)将全无油空气压缩机输出的带压空气经碱液洗去二氧化碳及二氧化硫气体后，作为气源供给曝气罐；

(2)将前期曝气过程析出的部分碳酸钙沉淀储存于沉淀储槽中，在向曝气罐注入源水前首先注入沉淀储槽中的碳酸钙沉淀，然后注入源水并曝气；

(3)待曝气水的钙或重碳酸根浓度越过指定温度下的极限介稳钙或重碳酸根浓度值后，停止曝气；

(4)曝气罐中静置曝气水，使碳酸钙沉淀自由沉降，待浑液面下沉速度开始减缓即越过了临界沉淀点时，将曝气罐下部压实区部分碳酸钙沉淀转入沉淀储槽中直到注满储槽；

(5)将过渡区上部的曝气水通过过滤机内的滤布过滤，去除残留碳酸钙沉淀；

(6)在过滤后的清水中混入经盐液洗去尘埃的空气后，将其泵入储水罐。

本发明取得的技术进步是：

①、本发明通过对CaCO₃沉淀析出机理的研究，提出了预沉方法控制参数——极限介稳钙或重碳酸根浓度，即在一定条件下，当处于敞开体系的水体中的Ca²⁺和HCO₃ ^-浓度按化学反应方程式

给出的计量关系发生变化时，保证水体不自发析出CaCO₃沉淀的最大Ca²⁺(HCO₃ ^-)浓度称为该水体在该条件下的极限介稳Ca²⁺(HCO₃ ^-)浓度。

计算：

通过解一元三次方程

${\left[\mathrm{HC}{O}_3^{-}\right]}_{1,c}^3+(2{\left[{\mathrm{Ca}}^{2+}\right]}_i-{\left[{\mathrm{HCO}}_3^{-}\right]}_i){\left[{\mathrm{HCO}}_3^{-}\right]}_{1,c}^2-\frac{2\left[{\mathrm{CO}}_2\right]}{K}=0$

可求出极限介稳重碳酸根浓度。

式中：[HCO₃ ^-]_1，c——极限介稳重碳酸根浓度，mol/L；

      [Ca²⁺]_i——源水中的Ca²⁺浓度，mol/L；

      [HCO₃ ^-]_i——源水中HCO₃ ^-浓度，mol/L；

      [CO₂]——平衡CO₂浓度，mol/L；

K——常数。

[CO₂]按下式计算：

式中：[CO₂]_T2——即所求平衡CO₂浓度[CO₂]，mol/L；

         ΔH⁰——CO₂溶解在水中所产生的焓变，8.66×10³J/mol；

            R——气体常数，8.314J/(mol·K)；

       T₁，T₂——绝对温度，K；

      pH_e，T1——温度T₁时的平衡pH值；

    [HCO₃ ^-]_T1——温度T₁时的HCO₃ ^-浓度，mol/L；

      (I)_T1——离子强度的函数，其值查表得到；

     K_a1，T1 ⁰——温度T₁时的碳酸一级离解常数；

K按下式计算：

$K={10}^{[{\mathrm{pK}}_c^0+{\mathrm{pK}}_{a1}^0-{\mathrm{pK}}_{a2}^0-6\mathrm{\φ}\left(I\right)]}$

式中：K_c ⁰——CaCO₃的临界常数；

     K_a1 ⁰——碳酸的一级离解常数；

     K_a2 ⁰——碳酸的二级离解常数；

    (I)——离子强度的函数，其值查表得到；

②、用除去二氧化碳的空气曝气，从而能在常温下预沉足够量的CaCO₃，保证处理后的矿泉水的Ca²⁺(HCO₃ ^-)浓度低于较高温度(如95℃)时的极限介稳Ca²⁺(HCO₃ ^-)浓度，加热饮用时不再析出沉淀；

③、将前期曝气累积析出的CaCO₃沉淀作为晶种返入曝气罐中，加快了预沉速度(耗时成倍缩短)；

④、在预沉和过滤后的矿泉水中混入大量空气(通过气液混合泵得以实现)，使碳酸—碳酸盐酸碱平衡得以恢复，从而保证灌装后的矿泉水不再继续析出CaCO₃沉淀；

⑤、将沉淀分离过程分为自然沉降和织物过滤两步进行，加快了沉淀分离速度；

这样本方法未引入非天然化学组份，保持了矿泉水的天然性；除锶含量略有降低(不超过5％)外，其它指标元素不发生变化；处理后的矿泉水清澈透明，加热饮用时不再有矿物盐沉淀析出；最大限度地保留了矿泉水的固有矿物成分，保证了其饮用价值。

附图说明

图1是本发明专用设备的结构示意图。

其中，A-全无油空压机，B-空气净化缓冲罐，C-碱液洗气罐，D、E-曝气罐，F-沉淀储槽，G-沉淀过滤机，H-气液混合泵，I-气液分离罐，J-盐液洗气罐，K-加压泵，L-储气罐，M-气水分离器，1、4-气压表，2、3、5、6、7、28-过气阀门，8、9、12、13、14、15、16、17、23、24、30、31、32-过液阀门，10、11、33、34-液位计，20、27-液压表，25-真空表，19、21、26-排气阀，22-净水视窗，29-流量计，18、36、37、38、43-排液口，35-通气口，39-源水入口，40、41、42溢水口。

具体实施方式

结合图1以某赋存于上第三系中新统峰山组河流相沉积砂岩之中的水源为例，本发明具体实施方式如下：该水源水质、水量稳定，锶含量为0.39-0.43mg/L，偏硅酸含量为49.4-58.0mg/L，属含锶、偏硅酸的重碳酸钠钙型矿泉水。所产生的矿物盐沉淀为碳酸钙(CaCO₃)，40℃和90℃时极限沉淀量分别为27.4mg/L和122.6mg/L。假设最高饮用温度为95℃，则极限介稳钙浓度为39.5mg/L，极限介稳重碳酸根浓度为320.3mg/L。以此二值之一作为方法控制参数。

操作步骤如下：

(1)、检查气路和水路阀门，使其全部处于关闭状态；

(2)、接通空压机电源，通过气压表1观察排气压力，确认排气压力上升至1.0MPa时能自动停机，打开阀门2；

(3)、检查CaCO₃沉淀是否已注入曝气罐D，如未注入，按步骤(16)完成注入操作；

(4)、打开曝气罐D进水阀8，通过液位计10观察水位上升情况，当水位上升至标志线时，打开该曝气罐的进气阀6；

(5)、打开空气净化缓冲罐进气阀3，观察气压表4，待指示压力越过0.4MPa时，缓缓开启碱液洗气罐进气阀5，当听到洗气罐中有鼓气声时，将该阀门开至最大；

(6)、观察曝气罐D溢水口，发现有水溢出时，立即关闭进水阀8，此时开始计时，曝气40分钟；

(7)、40分钟后，依次关闭空气净化缓冲罐进气阀3、碱液洗气罐进气阀5和曝气罐D进气阀6，此时开始计时，使沉淀沉降30分钟(此时打开曝气罐E进水阀9，开始与曝气罐D平行操作，操作步骤与对曝气罐D的操作相同。)；

(8)、30分钟后，打开曝气罐D沉淀排放阀12，将沉淀注入沉淀储槽(事先确认储槽已放空)，当储槽溢水口42有水溢出时，关闭沉淀排放阀12；

(9)、依次打开沉淀过滤机进水阀14、气液混合泵进水阀24和储水罐进水阀30；

(10)、依次接通沉淀过滤机电源和气液混合泵电源；

(11)、通过旋转沉淀过滤机机体上方的排气阀19和净水视窗22上方的排气阀21检查机内是否存在气体，并将气体全部排除；

(12)、逐渐调小气液混合泵进水阀24，直到阀后真空表25指示压力为0.03-0.02Mpa；

(13)、开启气液混合泵吸气阀28，调节流量计29的旋钮，使流量指示为800L/h(旋钮调节好后若不再动，以后可略去此项操作)。检查气液分离罐上的排气阀26是否打开；

(14)、调节储水罐进水阀30，直到阀前液压表27指示压力为0.35-0.45Mpa；

(15)、观察曝气罐D上的液位计10，待水位下降至标志线时，依次关闭气液混合泵吸气阀28、储水罐进水阀30、气液混合泵电源、沉淀过滤机电源、气液混合泵进水阀24和沉淀过滤机进水阀14；

(16)、打开沉淀储槽下方的沉淀注入阀16，待观察到流经透明管路的液体变清时，则将该阀门关闭；

(17)、打开沉淀储槽下方的排液阀18，待余液排空后将此阀关闭；

(18)、在沉淀过滤机运转过程中，应经常观察机体上方的液压表20，若指示压力超过0.4MPa，则在完成步骤(16)的操作后，启动加压泵，打开沉淀过滤机净水注入阀23和机体下方的排液阀43，待排放出的液体变清时，依次将排液阀43、净水注入阀23和加压泵关闭(如果灭菌处理系统在运转状态，此步骤则无开启与关闭加压泵的操作)。

Claims (1)

1、饮用天然矿泉水预沉方法，其特征是方法如下：

(1)将全无油空气压缩机输出的带压空气经碱液洗去二氧化碳及二氧化硫气体后，作为气源供给曝气罐；

(2)将前期曝气过程析出的部分碳酸钙沉淀储存于沉淀储槽中，在向曝气罐注入源水前首先注入沉淀储槽中的碳酸钙沉淀，然后注入源水并曝气；

(3)待曝气水的钙或重碳酸根浓度越过指定温度下的极限介稳钙或重碳酸根浓度值后，停止曝气；

(4)曝气罐中静置曝气水，使碳酸钙沉淀自由沉降，待浑液面下沉速度开始减缓即越过了临界沉淀点时，将曝气罐下部压实区部分碳酸钙沉淀转入沉淀储槽中直到注满储槽；

(5)将过渡区上部的曝气水通过过滤机内的滤布过滤，去除残留碳酸钙沉淀；

(6)在过滤后的清水中混入经盐液洗去尘埃的空气后，将其泵入储水罐。

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