黃征青， 徐洪濤， 黃光斗
(湖北工學院化工系， 湖北武漢 430068)

　　摘　要： 將模擬礦泉水溶液以一定的流速通過正交磁場和超濾膜循環處理，考察了原水、透過液、濃縮液的pH值、電導率和Ca²⁺濃度的變化。試驗結果表明，磁化與超濾協同處理在一定程度上能減少和延緩碳酸鈣沉淀的生成。?
　　關鍵詞：礦泉水；CaCO₃；磁化；超濾
　　中圖分類號：O646
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)08-0033-03

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

1 試驗藥品與儀器 ?

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

2 試驗方法

　　① 試驗流程
　　試驗流程見圖1，磁處理器的磁場強度為6040×10^-4T，運行壓力約為0.1MPa。

　　② 試驗步驟
　　a.配制溶液：稱取一定量的無水氯化鈣配成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閥3，啟動泵并在無磁場作用下運行，倒入配好的氯化鈣水溶液后循環1 min停泵，取原水樣數個。
　　c.關閥3、開閥4、9，啟動泵并在磁場作用下加壓循環運行，分別取不同作用時間的濃縮液樣和透過液樣。測出流速后用稀鹽酸水溶液清洗系統，再用純水洗至溶液電導率恒定后排凈系統中的水。

3 結果與討論

3.1 碳酸鈣體系
　　驗結果見表1。

表1 碳酸鈣體系試驗結果 磁化時間(min) 0 10 20 水樣 原水1 濃縮液2 透過液3 濃縮液4 透過液5 經磁處理后 pH值 9.98 9.73 9.70 9.57 9.69 溫度(℃) 8.2 8.2 8.2 8.5 8.3 電導率(μS/cm) 296 305 300 306 300 熱處理過程 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。 觀察結果 底部有很多粘附沉淀 底部有一些粘附沉淀 底部無粘附沉淀 底部有少許粘附沉淀 底部無粘附沉淀 經熱處理后 pH值 7.88 7.80 7.88 7.78 7.73 溫度(℃) 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 電導率(μS/cm) 320 345 360 340 365 放置25d后電導率(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。

　　為比較經磁處理后溶液電導率的差異，將溶液冷卻到相同溫度以便消除溫度對電導率的影響。從表1可以看出，經熱處理后電導率大小順序為透過液→濃縮液→原水，這說明磁處理能減少垢的形成，經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后原水的電導率增加較多，而磁化水的變化不大，說明原水產生的沉淀能溶解(有一定的可逆性)，而磁化能影響這一過程。對其他濃度的碳酸鈣體系也能得到相似的結果。
3.2 碳酸氫鈣體系
　　試驗結果見表2。
　　從表2可以看出，磁化水與原水的電導率相差很小，這說明溶液均未因過飽和而產生沉淀，這與天然礦泉水相似(實際生產的重碳酸鈣型礦泉水在開始時也無沉淀產生，只是貯藏過程中才緩慢產生沉淀)，為此在試驗中另取原水250mL及磁化時間為20～32 min的透過液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，透過液瓶底第23天才開始有少許沉淀；第48天時觀察原水瓶底有一層細密的沉淀，而透過液瓶底沉淀較少(約為原水的1/3～1/4)，此時測得水溫為32.5℃，原水pH值為7.82，電導率為730μS/cm，Ca²⁺為61.11mg/L；透過液pH值為7.62，電導率為724μS/cm，Ca²⁺為59.05mg/L，從中可以看出經磁化后的超濾透過液在長時間放置過程中較原水結垢量要少，溶液中的Ca²⁺含量也低些，說明磁化與超濾協同處理不僅能提高防垢效果，也有輕微的軟化作用。

表2 碳酸氫鈣體系試驗結果 磁化時間(min) 0 5 12 20 40 項目 原水 透過液1 濃縮液1 透過液2 透過液2 透過液3 透過液3 透過液4 透過液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 磁化與超濾協同處理對Ca²⁺濃度的影響

　　對于重碳酸鈣體系的溶液，磁化與超濾協同處理后的透過液在長時間放置過程中較原水不易產生沉淀。若磁化能使溶液中立即產生微晶，那么溶液在磁化與超濾協同處理后Ca²⁺濃度應有變化，為此進行了相應的試驗(結果見表3)。

表3 溶液中Ca²⁺濃度的變化 體系 560.2 mgCaCl₂+1 074.2 mgNaHCO₃+3 000 mLH₂O 內容 原水1磁化0 min 透過液2磁化7 min 濃縮液2磁化7 min 透過液3 磁化14 min 濃縮液3磁化14 min 透過液4磁化21 min 濃縮液4磁化21 mi n 透過液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 內容 原水1磁化0 min 透過液2磁化7 min 濃縮液2磁化7 min 透過液3 磁化14 min 濃縮液3磁化14 min 透過液4磁化21 min 濃縮液4磁化21 mi n 透過液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：無論溶液中是否含SO₄^2-，透過液的Ca²⁺濃度比濃縮液的Ca²⁺濃度都低，且均隨磁化處理時間的增加而增大；在磁化的開始階段，透過液的Ca²⁺濃度與濃縮液的Ca²⁺濃度均比原水中的低些，說明磁化可能促進了溶液中微晶的生成，從而消耗了溶液中少量的Ca²⁺；隨著磁化時間的增加，溶液的濃度也增加，但此時微晶的數量并不增加，故透過液與濃縮液的Ca²⁺均增加。

5 結論 ?

　　碳酸(氫)鈣型的溶液經磁化與超濾協同處理后透過液的電導率或Ca²⁺濃度比濃縮液和原水的要低些，這是磁化促進了溶液中微晶的產生而超濾截留微晶后的結果，這也說明磁化與超濾協同處理有一定的軟化作用；同時，經磁化與超濾協同處理后的透過液在貯藏過程中較未磁化的原水不易產生沉淀。由于試驗體系與易產生無機沉淀的天然礦泉水的離子濃度接近，故這種方法應適用于礦泉水生產工藝，如配合其他方法在一定程度上應能解決礦泉水的沉淀問題，只是磁作用的最佳條件還有待進一步研究。

參考文獻：

[1]黃征青，鄭淑琴.礦泉水中微生物沉淀的研究[J].水處理技術，1999，23( 5)：285-287.
[2]潘思軼，王可興，劉睿.瓶裝礦泉水沉淀原因及解決方法[J].食品科學，1999，(5)：29-32.
[3]Pach L,Duncans R R，et al?.Effects of a magnetic field on the precipitation of calcium carbonate[J].Journal of Materials Science Letters,1996 ,(15):613-615.
[4]Wang Y,Babchin A J,Chernyi L T,et al.Rapid onest of calcium carbonate crystallization under the influence of a magnetic field[J].Wat Res,1997,31(2):346-350.
[5]黃征青，黃光斗，徐洪濤.水的磁處理防垢與除垢的研究[J].工業水處理，2001，2(1)：5-8.

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