黃征青， 徐洪濤， 黃光斗
(湖北工學(xué)院化工系， 湖北武漢 430068)

　　摘　要： 將模擬礦泉水溶液以一定的流速通過(guò)正交磁場(chǎng)和超濾膜循環(huán)處理，考察了原水、透過(guò)液、濃縮液的pH值、電導(dǎo)率和Ca²⁺濃度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，磁化與超濾協(xié)同處理在一定程度上能減少和延緩碳酸鈣沉淀的生成。?
　　關(guān)鍵詞：礦泉水；CaCO₃；磁化；超濾
　　中圖分類(lèi)號(hào)：O646
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)08-0033-03

　　天然礦泉水生產(chǎn)中主要有兩類(lèi)沉淀產(chǎn)生：微生物沉淀和無(wú)機(jī)鹽沉淀，前者較易解決^[1]，后者中的鐵錳類(lèi)沉淀可采用曝氣法處理，但曝氣法對(duì)碳酸鈣沉淀處理效果不明顯^[2]。大量磁處理研究結(jié)果表明：飽和的CaCO₃或CaSO₄水溶液經(jīng)磁化后會(huì)立即產(chǎn)生晶粒較小(0.1～0.3μm)、數(shù)目較多的晶體^[3～5]，如果這些微晶被截留以后溶液就不易產(chǎn)生沉淀。根據(jù)這一原理，首先采用正交磁場(chǎng)作用于模擬礦泉水溶液，然后利用孔徑0.1μm的超濾膜 過(guò)濾磁化水，這種物理方法比較適合礦泉水的生產(chǎn)(只需在工藝中增加磁化裝置即可)，另外通過(guò)磁化還能提高礦泉水的品質(zhì)，因而有一定的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)藥品與儀器 ?

　　藥品：無(wú)水氯化鈣(AR)；十水碳酸鈉(AR)；碳酸氫鈉(AR)；純水(電導(dǎo)率為6.0μS/cm，pH值為6.72)。儀器(裝置)：PHS-3C數(shù)字式精密酸度計(jì)；DDS-11A電導(dǎo)儀；PS100型超濾膜(截留相對(duì)分子質(zhì)量為1×10⁴)；180-80原子吸收光度計(jì)。

2 試驗(yàn)方法

　?、?試驗(yàn)流程
　　試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1，磁處理器的磁場(chǎng)強(qiáng)度為6040×10^-4T，運(yùn)行壓力約為0.1MPa。

　?、?試驗(yàn)步驟
　　a.配制溶液：稱(chēng)取一定量的無(wú)水氯化鈣配成1000mL的水溶液，用一定量的碳酸(氫)鈉配制成2000mL的水溶液。
　　b.裝好膜后，將配好的碳酸(氫)鈉水溶液倒入貯水箱后開(kāi)閥3，啟動(dòng)泵并在無(wú)磁場(chǎng)作用下運(yùn)行，倒入配好的氯化鈣水溶液后循環(huán)1 min停泵，取原水樣數(shù)個(gè)。
　　c.關(guān)閥3、開(kāi)閥4、9，啟動(dòng)泵并在磁場(chǎng)作用下加壓循環(huán)運(yùn)行，分別取不同作用時(shí)間的濃縮液樣和透過(guò)液樣。測(cè)出流速后用稀鹽酸水溶液清洗系統(tǒng)，再用純水洗至溶液電導(dǎo)率恒定后排凈系統(tǒng)中的水。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳酸鈣體系
　　驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 碳酸鈣體系試驗(yàn)結(jié)果 磁化時(shí)間(min) 0 10 20 水樣 原水1 濃縮液2 透過(guò)液3 濃縮液4 透過(guò)液5 經(jīng)磁處理后 pH值 9.98 9.73 9.70 9.57 9.69 溫度(℃) 8.2 8.2 8.2 8.5 8.3 電導(dǎo)率(μS/cm) 296 305 300 306 300 熱處理過(guò)程 水浴中加熱至80℃，恒溫15min，取出后在室溫下冷卻20h。 在水浴中加熱至40℃，恒溫15min，在室溫下冷卻。 觀察結(jié)果 底部有很多粘附沉淀 底部有一些粘附沉淀 底部無(wú)粘附沉淀 底部有少許粘附沉淀 底部無(wú)粘附沉淀 經(jīng)熱處理后 pH值 7.88 7.80 7.88 7.78 7.73 溫度(℃) 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 電導(dǎo)率(μS/cm) 320 345 360 340 365 放置25d后電導(dǎo)率(μS/cm) 340 350 360 340 368 注：碳酸鈣體系的組成為0.6 gCaCl₂+0.4 gNa₂CO₃·10H₂O,流速為0.44 m/s。

　　為比較經(jīng)磁處理后溶液電導(dǎo)率的差異，將溶液冷卻到相同溫度以便消除溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響。從表1可以看出，經(jīng)熱處理后電導(dǎo)率大小順序?yàn)橥高^(guò)液→濃縮液→原水，這說(shuō)明磁處理能減少垢的形成，經(jīng)超濾截留后能提高溶液的防垢能力。加熱后的溶液在接觸空氣的條件下放置25d后原水的電導(dǎo)率增加較多，而磁化水的變化不大，說(shuō)明原水產(chǎn)生的沉淀能溶解(有一定的可逆性)，而磁化能影響這一過(guò)程。對(duì)其他濃度的碳酸鈣體系也能得到相似的結(jié)果。
3.2 碳酸氫鈣體系
　　試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
　　從表2可以看出，磁化水與原水的電導(dǎo)率相差很小，這說(shuō)明溶液均未因過(guò)飽和而產(chǎn)生沉淀，這與天然礦泉水相似(實(shí)際生產(chǎn)的重碳酸鈣型礦泉水在開(kāi)始時(shí)也無(wú)沉淀產(chǎn)生，只是貯藏過(guò)程中才緩慢產(chǎn)生沉淀)，為此在試驗(yàn)中另取原水250mL及磁化時(shí)間為20～32 min的透過(guò)液250mL分別裝在帶磨口塞的三角燒瓶中于室溫放置，原水瓶底部第4天即有明顯沉淀，透過(guò)液瓶底第23天才開(kāi)始有少許沉淀；第48天時(shí)觀察原水瓶底有一層細(xì)密的沉淀，而透過(guò)液瓶底沉淀較少(約為原水的1/3～1/4)，此時(shí)測(cè)得水溫為32.5℃，原水pH值為7.82，電導(dǎo)率為730μS/cm，Ca²⁺為61.11mg/L；透過(guò)液pH值為7.62，電導(dǎo)率為724μS/cm，Ca²⁺為59.05mg/L，從中可以看出經(jīng)磁化后的超濾透過(guò)液在長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)程中較原水結(jié)垢量要少，溶液中的Ca²⁺含量也低些，說(shuō)明磁化與超濾協(xié)同處理不僅能提高防垢效果，也有輕微的軟化作用。

表2 碳酸氫鈣體系試驗(yàn)結(jié)果 磁化時(shí)間(min) 0 5 12 20 40 項(xiàng)目 原水 透過(guò)液1 濃縮液1 透過(guò)液2 透過(guò)液2 透過(guò)液3 透過(guò)液3 透過(guò)液4 透過(guò)液4 0.5h后 pH值 8.00 7.94 7.81 7.95 7.80 7.90 7.83 7.99 7.91 溫度(℃) 26.8 26.8 28.0 27.5 30.5 28.5 31.8 31.0 34.0 電導(dǎo)率(μS/cm) 558 550 590 585 618 592 6 25 620 658 24h后 pH值 8.39 8.36 8.36 8.36 8.31 8.32 8.37 8.36 8.37 溫度(℃) 24.8 24.8 24.8 24.8 24.8 24.8 24.8 24.8 24.8 電導(dǎo)率(μS/cm) 548 530 550 550 550 550 550 550 550 96h后 pH值 8.23 8.44 8.49 8.48 8.48 8.49 8.49 8.49 8.49 溫度(℃) 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 電導(dǎo)率(μS/cm) 650 650 678 670 682 670 670 670 670 注：碳酸氫鈣體系的組成為0.6 gCaCl₂+0.6 gNaHCO₃,流速為0.6 m/s。

4 磁化與超濾協(xié)同處理對(duì)Ca²⁺濃度的影響

　　對(duì)于重碳酸鈣體系的溶液，磁化與超濾協(xié)同處理后的透過(guò)液在長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)程中較原水不易產(chǎn)生沉淀。若磁化能使溶液中立即產(chǎn)生微晶，那么溶液在磁化與超濾協(xié)同處理后Ca²⁺濃度應(yīng)有變化，為此進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)(結(jié)果見(jiàn)表3)。

表3 溶液中Ca²⁺濃度的變化 體系 560.2 mgCaCl₂+1 074.2 mgNaHCO₃+3 000 mLH₂O 內(nèi)容 原水1磁化0 min 透過(guò)液2磁化7 min 濃縮液2磁化7 min 透過(guò)液3 磁化14 min 濃縮液3磁化14 min 透過(guò)液4磁化21 min 濃縮液4磁化21 mi n 透過(guò)液5磁化28 min 濃縮液5磁化28 min Ca²⁺(mg/L) 65.84 63.52 65.48 64.77 65.66 65.22 64.32 65.48 66.56 體系 490.2 mgCaCl₂+1 074.3 mgNaHCO₃+263.7 mgNa₂SO ₄·10H₂O+3000 mLH₂O 內(nèi)容 原水1磁化0 min 透過(guò)液2磁化7 min 濃縮液2磁化7 min 透過(guò)液3 磁化14 min 濃縮液3磁化14 min 透過(guò)液4磁化21 min 濃縮液4磁化21 mi n 透過(guò)液5磁化28 min 濃縮液5磁化28 min Ca²⁺(mg/L) 48.42 46.46 47.88 48.33 49.85 48.24 50.03 48.78 50.12

　　從表3可以看出：無(wú)論溶液中是否含SO₄^2-，透過(guò)液的Ca²⁺濃度比濃縮液的Ca²⁺濃度都低，且均隨磁化處理時(shí)間的增加而增大；在磁化的開(kāi)始階段，透過(guò)液的Ca²⁺濃度與濃縮液的Ca²⁺濃度均比原水中的低些，說(shuō)明磁化可能促進(jìn)了溶液中微晶的生成，從而消耗了溶液中少量的Ca²⁺；隨著磁化時(shí)間的增加，溶液的濃度也增加，但此時(shí)微晶的數(shù)量并不增加，故透過(guò)液與濃縮液的Ca²⁺均增加。

5 結(jié)論 ?

　　碳酸(氫)鈣型的溶液經(jīng)磁化與超濾協(xié)同處理后透過(guò)液的電導(dǎo)率或Ca²⁺濃度比濃縮液和原水的要低些，這是磁化促進(jìn)了溶液中微晶的產(chǎn)生而超濾截留微晶后的結(jié)果，這也說(shuō)明磁化與超濾協(xié)同處理有一定的軟化作用；同時(shí)，經(jīng)磁化與超濾協(xié)同處理后的透過(guò)液在貯藏過(guò)程中較未磁化的原水不易產(chǎn)生沉淀。由于試驗(yàn)體系與易產(chǎn)生無(wú)機(jī)沉淀的天然礦泉水的離子濃度接近，故這種方法應(yīng)適用于礦泉水生產(chǎn)工藝，如配合其他方法在一定程度上應(yīng)能解決礦泉水的沉淀問(wèn)題，只是磁作用的最佳條件還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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