核孔膜制备及其在茶水过滤中的应用研究

发布时间：2020-04-05 01:38

【摘要】：饮茶与人体健康密切相关,如何健康卫生地饮茶逐渐引起了人们的关注。造成茶垢的三类主要原因是:(1)茶叶加工和运输贩卖等环节中引入的茶灰,如毛发、泥灰、煤尘;(2)制茶过程中引入的碎茶渣和茶梗毛;(3)泡茶用水中的水垢等。对于去除茶垢,冲泡茶时常见的手法有不锈钢滤网过滤和洗茶两类,前者过滤精度低,后者导致茶味淡化。茶饮生产中的离心澄清和微滤过程都因澄清程度不够,需要进一步处理;超滤过程明显地导致茶汤滋味和汤色的损失。因而非常有必要去探索更合适过滤精度的新技术去解决这一问题。核孔膜是一类孔径均匀、膜厚度薄且通量大的聚合物薄膜,有许多典型的应用,如在精密输液器上使用,可减少异物进入血管而引发的输液疾病;在医疗生物领域被用作细胞检测的手段,可诊治多种疾病。制备核孔膜有两大步骤,分别为对聚合物薄膜的辐照和蚀刻过程。本研究于实验室中利用NaOH溶液和经Kr离子束(~(86)Kr~(26+),25 MeV·u~(-1))辐照的聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)薄膜,制备了一系列不同规格的核孔膜。核孔膜可以做到对孔密度、孔形大小、孔隙率等指标的严格控制,因而具备良好的截留特性。另外,PET核孔膜自身不脱落、不吸附的特点都与茶水过滤的要求相符合,因此将核孔膜作为过滤茶水的试验用膜。本研究中用螺旋平板小试仪搭配不同规格核孔膜对茉莉花茶汤进行了过滤。对过滤后的茶汤的浊度色度分析表明,4μm以上核孔膜对汤色影响很小甚至可忽略;粒度分析表明,经过40μm核孔膜过滤后茶汤中总颗粒物减少了1/5,达到基本过滤要求;经过15μm核孔膜过滤后茶汤中总颗粒物减少了2/3,达到精细过滤要求。扫描电镜分析显示出核孔膜过滤过程截留了茶汤中的茶梗毛而缓慢堵塞。跨膜流速衰减曲线表明:初始流速大,流速衰减快。针对这一特点,探索了控制初始流速对跨膜通量的影响,得出控制初始流速可以增加膜通量的结论。该操作策略可提升核孔膜经济性,对于工业生产有指导意义。此外,对于流量较大的15μm孔径的核孔膜进行了冲泡茶条件的使用耐久性和清洗试验,结果表明,15μm孔径核孔膜可以使用约2个星期,且严重堵塞后可被清洗恢复到原来性能的80%以上。结合核孔膜过滤茶汤的试验,开展了核孔膜过滤器的设计开发。采用超声波焊接方法制作了40μm核孔膜茶水过滤器,该过滤器过滤精度高、流量大且清洗方便。不锈钢内外滤筒配合的设计,可以满足大面积核孔膜的重力过滤要求。加压过滤装置,可以实现高精度和大流量过滤的要求。这些设计为产品的研发提供了实验数据和设计参考。
【图文】：

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图 1.1 残存杯底的茶垢（图片出自网络与实拍）注：图(a)(b)(c)均为茶渣残留杯底，图(d)为“冷后浑”。第二类是制茶工艺中产生的碎茶叶颗粒、茶梗毛等[15]，，这部分也是杯底较容易看见的颗粒物。一些体质稍微敏感的人，如果一天中喝茶的量大，就会觉得嗓子不舒服，这部分物质正是主要诱因。除此以外，茶汤清亮而杯底却残留渣子，是大部分人对此类颗粒物反感的主要原因，是视觉层面的忌讳。第三类则是泡茶用水引起的问题，即泡茶用水中的水垢以及水垢与茶渣等的团聚物。关于这一点，明代文人张大复就表示：“茶性必发于水，八分之茶，遇十分之水，茶亦十分矣；八分之水，试十分之茶，茶只八分耳”，充分说明了泡茶用水的重要性。研究也表明[16]，用同一地区的泉水、溪水、江水、自来水、井水等，冲泡出的茶口感滋味有高低之分，科学检验茶叶中有效浸出物的含量则佐证了口感和味觉所得结论。这其中就主要是不同水质硬度不同，水垢过多的水不

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茶的洗茶时间尽量不超过 20 s 为宜，至少使得茶叶有效浸出物更容易被浸泡出，达到了“醒茶”的目的。1.1.3 冲泡条件的洗茶与滤网不可避免地，快速淋洗或者将短暂时间的第一泡茶倒掉都会造成一部分茶叶有效成分的流失，同时难以保证将杂质去除干净[20,21]。比较大众的喝茶方式则选择用滤网隔离了茶叶与茶汤。市面上销售的各类滤网中，陶瓷茶过滤器和不锈钢过滤器较为常见（如图 1.2）。前者是将尼龙网包扎在底部开口的陶瓷杯下方，迎合了大众对于陶瓷产品的喜爱；但抛开尼龙网受热的安全性不谈，用肉眼可见孔洞的滤网，实在难以彻底清除茶垢。后者则采用材质上成熟的食品级 304 奥氏体不锈钢与同样材质的滤网焊接成型；但据调查，不锈钢滤网的孔径不过 300 目左右，过滤后的茶汤底部，仍有残存茶垢。另外，更多消费者则只是用带网孔的不锈钢滤筒简单分离一下茶叶和茶汤，以方便饮用，根本达不到过滤精度。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TS272;TQ028.8

【参考文献】