專利名稱：飲用天然礦泉水預沉工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種飲用天然礦泉水預沉工藝。
去除礦泉水中鐵、錳的預沉工藝已很成熟，有多種方案可供選擇。而解決礦泉水析出CaCO3沉淀問題的預沉工藝卻還沒有可供選擇的成熟方案。由于礦泉水析出CaCO3沉淀(特別是在加熱飲用時)具有普遍性，所以在業內與礦泉水生長藻類問題并稱水處理工藝的兩大技術難題。
用化學法解決礦泉水析出CaCO3沉淀的問題應是容易的，有多種成熟方法(如石灰軟化法)可供選擇。但因這些方法須添加“藥劑”，會使礦泉水失去天然性，所以不能采用。處理礦泉水水質，應遵循以下兩條原則1.處理方法必須是“物理的”處理后的礦泉水所含礦物成分應是原水中所固有的，即不能引入任何非天然化學組份(CO2除外)。
2.所去除的礦物成份必須是在一定條件下不穩定的部分。第2條原則要求我們在水處理工藝中必須最大限度地保留礦泉水的固有礦物成分。如對于在一定溫度下析出CaCO3沉淀的礦泉水，我們只能定量地去除在該溫度下能生成CaCO3的那部分Ca2+和HCO3-，而不能過多地去除在該溫度下穩定存在的部分。國標《飲用天然礦泉水》(GB8537-1995)規定“允許曝氣、傾析、過濾和除去或加入二氧化碳”，結合第1條原則，曝氣工藝應是我們解決礦泉水析出CaCO3沉淀問題的唯一選擇。
事實上，許多水處理設備廠家曾嘗試用曝氣工藝解決礦泉水析出CaCO3沉淀的問題，一般只是使產品析出的沉淀有所減少，并未能保證沉淀不再析出，效果不是很好；究其原因，應有下列兩點①沒有通過對晶體沉淀析出原理與規律性的研究，給出曝氣工藝控制參數。即不知道究竟應該去除多少Ca2+(或HCO3-)才能保證待處理礦泉水在一定溫度下不再析出CaCO3沉淀。
②簡單的應用地下熱水或污水曝氣工藝，沒有對這些工藝預沉CaCO3的原理及可行性進行深入研究，致使雖發現沒有達到預想的預沉效果，也無從下手解決。
如果某一礦泉水在某一環境條件(溫度、壓力)下有CaCO3沉淀析出，那么當我們在該條件下用傳統曝氣法曝氣時，CaCO3的極限沉淀量與不曝氣時的極限沉淀量相等，即用傳統曝氣法曝氣不會增大極限沉淀量，其作用只是加快了CaCO3沉淀析出并最終建立動態平衡的速度。并且這個速度也并非我們想象的那樣大，有時需要歷時10個小時以上。既然曝氣是在一定的環境條件下進行的，即使建立了CaCO3的沉淀—溶解動態平衡，也只是在該環境條件下的平衡，當礦泉水加熱飲用時，原有的平衡必將被打破，CaCO3沉淀的繼續析出也就難免了。
本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是飲用天然礦泉水預沉工藝，其工藝如下
(1)將全無油空氣壓縮機輸出的帶壓空氣經堿液洗去二氧化碳及二氧化硫等其它酸性氣體后，作為氣源供給曝氣罐；(2)將前期曝氣過程析出的部分碳酸鈣沉淀儲存于沉淀儲槽中，在向曝氣罐注入源水前首先注入沉淀儲槽中的碳酸鈣沉淀，然后注入源水并曝氣；(3)待曝氣水的鈣(重碳酸根)濃度越過指定溫度下的極限介穩鈣(重碳酸根)濃度值后，停止曝氣；(4)曝氣罐中靜置曝氣水，使碳酸鈣沉淀自由沉降。待渾液面下沉速度開始減緩時即越過了臨界沉淀點時，將曝氣罐下部壓實區部分碳酸鈣沉淀轉入沉淀儲槽中(注滿儲槽)；(5)將過渡區上部的曝氣水通過過濾機內的濾布過濾，去除殘留碳酸鈣沉淀；(6)在過濾后的清水中混入經鹽液洗去塵埃的空氣后，將其泵入儲水罐。
本發明取得的技術進步是①、本發明通過對CaCO3沉淀析出機理的研究，提出了預沉工藝控制參數——極限介穩鈣(重碳酸根)濃度，即在一定條件下，當處于敞開體系的水體中的Ca2+和HCO3-濃度按化學反應方程式給出的計量關系發生變化時，保證水體不自發析出CaCO3沉淀的最大Ca2+(HCO3-)濃度稱為該水體在該條件下的極限介穩Ca2+(HCO3-)濃度。
計算通過解一元三次方程[HCO3-]l,c3+(2[Ca2+]i-[HCO3-]i)[HCO3-]l,c2-2[CO2]K=0]]>可求出極限介穩重碳酸根濃度。式中[HCO3-]1，c——極限介穩重碳酸根濃度，mol/L；[Ca2+]——源水中的Ca2+濃度，mol/L；[HCO3-]i——源水中HCO3-濃度，mol/L； ——平衡CO2濃度，mol/L；K——常數。
按下式計算 式中 ——即所求平衡CO2濃度[CO2]，mol/L；ΔH0——CO2溶解在水中所產生的焓變，8.66×103J/mol；R——氣體常數，8.314J/(mol·K)；T1，T2——絕對溫度，K； ——溫度T1時的平衡pH值； ——溫度T1時的HCO3-濃度，mol/L； ——離子強度的函數，其值查表得到； ——溫度T1時的碳酸一級離解常數；K按下式計算K=10[pKc0+pKa10-pKa20-6φ(I)]]]>式中Kc0——CaCO3臨界常數；Ka10——碳酸的一級離解常數；Ka20——碳酸的二級離解常數；(I)——離子強度的函數，其值查表得到；②、用除去二氧化碳的空氣曝氣，從而能在常溫下預沉足夠量的CaCO3，保證處理后的礦泉水的Ca2+(HCO3-)濃度低于較高溫度(如95℃)時的極限介穩Ca2+(HCO3-)濃度，加熱飲用時不再析出沉淀；③、將前期曝氣累積析出的CaCO3沉淀作為晶種返入曝氣罐中，加快了預沉速度(耗時成倍縮短)；④、在預沉和過濾后的礦泉水中混入大量空氣(通過氣液混合泵得以實現)，使碳酸—碳酸鹽酸堿平衡得以恢復，從而保證灌裝后的礦泉水不再繼續析出CaCO3沉淀；⑤、將沉淀分離過程分為自然沉降和織物過濾兩步進行，加快了沉淀分離速度；
這樣本工藝未引入非天然化學組份，保持了礦泉水的天然性；除鍶含量略有降低(不超過5％)外，其它指標元素不發生變化；處理后的礦泉水清澈透明，加熱飲用時不再有礦物鹽沉淀析出；最大限度地保留了礦泉水的固有礦物成分，保證了其飲用價值。
其中，A-全無油空壓機，B-空氣凈化緩沖罐，C-堿液洗氣罐，D、E-曝氣罐，F-沉淀儲槽，G-沉淀過濾機，H-氣液混合泵，I-氣液分離罐，J-鹽液洗氣罐，K-加壓泵，L-儲氣罐，M-氣水分離器，1、4-氣壓表，2、3、5、6、7、28-過氣閥門，8、9、12、13、14、15、16、17、23、24、30、31、32-過液閥門，10、11、33、34-液位計，20、27-液壓表，25-真空表，19、21、26-排氣閥，22-凈水視窗，29-流量計，18、36、37、38、43-排液口，35-通氣口，39-源水入口，40、41、42溢水口。
(4)、打開曝氣罐D進水閥8，通過液位計10觀察水位上升情況，當水位上升至標志線時，打開該曝氣罐的進氣閥6；(5)、打開空氣凈化緩沖罐進氣閥3，觀察氣壓表4，待指示壓力越過0.4MPa時，緩緩開啟堿液洗氣罐進氣閥5，當聽到洗氣罐中有鼓氣聲時，將該閥門開至最大；(6)、觀察曝氣罐D溢水口，發現有水溢出時，立即關閉進水閥8，此時開始計時，曝氣40分鐘；(7)、40分鐘后，依次關閉空氣凈化緩沖罐進氣閥3、堿液洗氣罐進氣閥5和曝氣罐D進氣閥6，此時開始計時，使沉淀沉降30分鐘(此時打開曝氣罐E進水閥9，開始與曝氣罐D平行操作，操作步驟與對曝氣罐D的操作相同。)；(8)、30分鐘后，打開曝氣罐D沉淀排放閥12，將沉淀注入沉淀儲槽(事先確認儲槽已放空)，當儲槽溢水口42有水溢出時，關閉沉淀排放閥12；(9)、依次打開沉淀過濾機進水閥14、氣液混合泵進水閥24和儲水罐進水閥30；(10)、依次接通沉淀過濾機電源和氣液混合泵電源；(11)、通過旋轉沉淀過濾機機體上方的排氣閥19和凈水視窗22上方的排氣閥21檢查機內是否存在氣體，并將氣體全部排除；(12)、逐漸調小氣液混合泵進水閥24，直到閥后真空表25指示壓力為0.03-0.02Mpa；(13)、開啟氣液混合泵吸氣閥28，調節流量計29的旋鈕，使流量指示為800L/h(旋鈕調節好后若不再動，以后可略去此項操作)。檢查氣液分離罐上的排氣閥26是否打開；(14)、調節儲水罐進水閥30，直到閥前液壓表27指示壓力為0.35-0.45Mpa；(15)、觀察曝氣罐D上的液位計10，待水位下降至標志線時，依次關閉氣液混合泵吸氣閥28、儲水罐進水閥30、氣液混合泵電源、沉淀過濾機電源、氣液混合泵進水閥24和沉淀過濾機進水閥14；(16)、打開沉淀儲槽下方的沉淀注入閥16，待觀察到流經透明管路的液體變清時，則將該閥門關閉；(17)、打開沉淀儲槽下方的排液閥18，待余液排空后將此閥關閉；(18)、在沉淀過濾機運轉過程中，應經常觀察機體上方的液壓表20，若指示壓力超過0.4MPa，則在完成步驟(16)的操作后，啟動加壓泵，打開沉淀過濾機凈水注入閥23和機體下方的排液閥43，待排放出的液體變清時，依次將排液閥43、凈水注入閥23和加壓泵關閉(如果滅菌處理系統在運轉狀態，此步驟則無開啟與關閉加壓泵的操作)。
權利要求
1.飲用天然礦泉水預沉工藝，其特征是工藝如下(1)將全無油空氣壓縮機輸出的帶壓空氣經堿液洗去二氧化碳及二氧化硫等其它酸性氣體后，作為氣源供給曝氣罐；(2)將前期曝氣過程析出的部分碳酸鈣沉淀儲存于沉淀儲槽中，在向曝氣罐注入源水前首先注入沉淀儲槽中的碳酸鈣沉淀，然后注入源水并曝氣；(3)待曝氣水的鈣(重碳酸根)濃度越過指定溫度下的極限介穩鈣(重碳酸根)濃度值后，停止曝氣；(4)曝氣罐中靜置曝氣水，使碳酸鈣沉淀自由沉降。待渾液面下沉速度開始減緩即越過了臨界沉淀點時，將曝氣罐下部壓實區部分碳酸鈣沉淀轉入沉淀儲槽中(注滿儲槽)；(5)將過渡區上部的曝氣水通過過濾機內的濾布過濾，去除殘留碳酸鈣沉淀；(6)在過濾后的清水中混入經鹽液洗去塵埃的空氣后，將其泵入儲水罐。
全文摘要
本發明公開了一種飲用天然礦泉水預沉工藝，其工藝以所提出的極限介穩鈣(重碳酸根)濃度作為預沉工藝控制參數，采用無二氧化碳空氣曝氣、返投CaCO
文檔編號C02F1/58GK1415559SQ02156279
公開日2003年5月7日 申請日期2002年12月16日 優先權日2002年12月16日
發明者齊繼祥 申請人:中國地質科學院水文地質環境地質研究所