家用凈水器濾芯研究

嚴(yán) 桃 李宗舟 張啟花 鞏建樂

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著人們對(duì)健康越來越重視，對(duì)品質(zhì)生活的要求也越來越高，水污染對(duì)人體的傷害越來越明顯。城市水廠凈水通過混合反應(yīng)、沉淀、凈化過濾及消毒幾個(gè)過程使凈化后的水能滿足生活飲用及工業(yè)生產(chǎn)的需要，其中除去物包含懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、細(xì)菌及其他有害成分。而居家飲用水主要是自來水，它是通過供水公司的處理后經(jīng)過管道運(yùn)輸?shù)角Ъ胰f戶的，管道運(yùn)輸可能對(duì)自來水產(chǎn)生二次污染，可以產(chǎn)生細(xì)菌病毒、膠體、鐵銹、雜質(zhì)等，實(shí)際到達(dá)用戶家中的自來水含有大量的污染物質(zhì)，長(zhǎng)期飲用嚴(yán)重威脅著人體健康。為了改變不斷惡化的水質(zhì)，家用飲水器越來越受消費(fèi)者喜愛，成為居家生活中不可缺少的必需品[1]。濾芯是家用凈水器重要組成部分，也是凈水器品質(zhì)的關(guān)鍵零部件，直接影響凈水器水質(zhì)的優(yōu)良。

1 凈水器工作原理

凈水器通過多種濾芯組合過濾和吸附的物理方式去除城市自來水中的氯氣和因二次污染所產(chǎn)生的細(xì)菌病毒、膠體、鐵銹、雜質(zhì)等各種對(duì)人體有害的有機(jī)污染[2,3]。

圖1為常規(guī)的凈水器濾芯組成：前置濾芯+反滲透膜+后置炭濾芯，前置濾芯包括PP濾芯與活性炭濾芯，主要除去水中大分子固體顆粒，吸附余氯、異味、顏色及有機(jī)物等，反滲透膜（RO）濾芯能隔離無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)，后置活性炭濾芯能進(jìn)一步深層次除異味，余氯，改善出水口感。本文新型濾芯取代了常規(guī)凈水器的濾芯組合，以一根濾芯形式存在；但是該新型濾芯包含常規(guī)濾芯組合的所有材料，包含前置濾芯、RO膜與后置活性碳棒。該新型濾芯化繁為簡(jiǎn)，功能化更強(qiáng)，大大縮減了該濾芯應(yīng)用的凈水器的空間大小。

圖1 凈水器濾芯的組成

1.1 凈水器濾芯

常規(guī)凈水器濾芯主要為PP濾芯、活性炭濾芯、超濾膜和RO反滲透膜。

1）PP濾芯：又稱熔噴濾芯，是一種采用無毒無味聚丙烯為原料，經(jīng)過加熱熔融，噴射、牽引、接收成型而制成的濾材。PP濾芯為粗過濾，孔徑一般都在0.5～1 μm，能有效地除去液體中的懸浮物、微粒、鐵銹等雜質(zhì)。

2）活性炭濾芯產(chǎn)品有兩大類：壓縮型活性炭濾芯、散裝型活性炭濾芯?；钚蕴紴V芯具有良好的吸附作用，能有效除去水中的余氯、異味，顏色及有機(jī)物等。

3）超濾：簡(jiǎn)稱UF，也叫中空纖維，是利用超濾膜孔徑的一種物理篩分過程。超濾膜主要由醋酯纖維或與其性能類似的高分子材料制得，其孔徑一般為0.1～0.01 μm，可以過濾細(xì)菌、病毒、炭粉等大分子有機(jī)物，但對(duì)于低分子的有機(jī)物如農(nóng)藥、除草劑、洗滌劑等、重金屬以及在自來水運(yùn)輸過程中產(chǎn)生二次污染的鐵、錳離子等不能有效去除。

4）RO反滲透（簡(jiǎn)稱RO）：即孔徑只有0.000 1 μm，運(yùn)用特制的高壓水泵，增加原水壓力，使原水在壓力的作用下滲透過孔徑只有0.000 1 μm的逆滲透膜?；瘜W(xué)離子和細(xì)菌、真菌、病毒體均不能通過，隨廢水排出，只允許小于0.000 1 μm的純水分子通過，由于RO滲透膜過濾率高，被多數(shù)凈水器選用使用。

凈水器中的各種濾芯使用壽命不一樣，到了一定時(shí)間均需要更換，常用濾芯更換時(shí)間見表1。

表1 常用濾芯更換時(shí)間

由于各種濾芯更換時(shí)間不一致，用戶一定時(shí)間就需要更換濾芯，給用戶使用帶來很大的不便；而且濾芯定期不更換易造成阻隔物污染濾芯材料，進(jìn)而造成濾芯材料二次污染，影響凈水器出水水質(zhì)質(zhì)量。

1.2 新型濾芯

本文所述新型濾芯為一種復(fù)合濾芯，即一根濾芯取代常規(guī)的濾芯組合。該復(fù)合濾芯包含前置濾芯、RO膜與抗菌碳棒組成，其中前置濾芯在該濾芯的外層，采用PP+碳纖維+PP層層包裹,大大提高了過濾效果，延長(zhǎng)前置濾芯壽命；內(nèi)層為RO膜與抗菌碳棒組成。其中抗菌碳棒主要材料為抗菌碳粉與氧化鋅晶須組成。圖2為該新型濾芯的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 新型濾芯的結(jié)構(gòu)圖

2 新型濾芯試驗(yàn)及結(jié)果

針對(duì)本文復(fù)合濾芯，筆者設(shè)計(jì)成400 G的通量要求，進(jìn)行了相關(guān)的凈水測(cè)試，測(cè)試情況如表2。

表2 凈水器的性能測(cè)試要求及驗(yàn)證結(jié)果

從表2結(jié)果來看，該濾芯的出水質(zhì)量?jī)?yōu)良，出水源無雜質(zhì)、酸堿度合格，脫鹽率不差于目前行業(yè)水平（反映了該濾芯RO膜的脫鹽效益）；從凈水流量與總量來看，該復(fù)合濾芯保證了凈水器的通量要求，提高了濾芯的殺菌能力，延長(zhǎng)了濾芯的更換周期（據(jù)統(tǒng)計(jì)用戶平均一天用水10 L，一年需要用3 650 L，11.8*1 000/3650=3.2 年）。

具體測(cè)試數(shù)據(jù)見圖3，由數(shù)據(jù)可以看出，該濾芯長(zhǎng)期運(yùn)行至第22天后，平均凈水量低于標(biāo)準(zhǔn)要求1.0，可以測(cè)算出該濾芯滿足標(biāo)準(zhǔn)要求工作運(yùn)行時(shí)間為10 910 min，相當(dāng)于運(yùn)行濾芯工作三年的時(shí)間，從運(yùn)行時(shí)間來看，該復(fù)合濾芯延長(zhǎng)了換芯時(shí)間，且出水流量保證。

圖3 復(fù)合濾芯測(cè)試數(shù)據(jù)

3 新型濾芯抗菌原理

新型抗菌濾芯選用無機(jī)抗菌劑，該抗菌劑為氧化鋅晶須，其抗菌除了本身金屬離子抗菌原理以外，由于晶須特殊的晶體結(jié)構(gòu)和納米效應(yīng)，還可以與空氣里面的水和空氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基以及超氧化物自由基共同左右殺滅細(xì)菌，大大提高了其抗菌性。

圖4 抗菌機(jī)理

3.1 抗菌材料的特點(diǎn)

1）無機(jī)抗菌長(zhǎng)期抗菌，不遷移；

2）是銀系抗菌劑價(jià)格的三分之一，成本優(yōu)勢(shì)很明顯；

3）因氧化鋅晶須獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，比普通納米鋅分散性好，抗菌效能高；

4）根據(jù)國(guó)標(biāo)飲用水設(shè)備有害物質(zhì)析出標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋅的最高容忍量為銀系最高容忍量的40倍，該類抗菌劑安全性更好。

3.2 抗菌實(shí)現(xiàn)方式

該抗菌劑添加方式簡(jiǎn)單易操作，只需要混合均勻抗菌劑與炭粉即可，其他按照正常操作擠出壓制即可；相比于以前的制作工序只增加了一道粉料混合工序，不需要對(duì)碳棒制作工序額外增加工序。

3.3 抗菌測(cè)試

抗菌碳棒抗菌測(cè)試選用的菌種為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，抗菌率達(dá)到99.99%以上（見表3，參考標(biāo)準(zhǔn)：ASTME2149-13a動(dòng)態(tài)條件下的抗菌劑活性測(cè)定），抗菌效果優(yōu)秀。

表3 新型抗菌濾芯的抗菌性能測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合濾芯是凈水器行業(yè)中目前最重要的創(chuàng)新，換芯更便捷，減少了用戶的售后費(fèi)用，是凈水器行業(yè)應(yīng)用的一個(gè)趨勢(shì)，深受廣大用戶喜歡且在疫情期間供不應(yīng)求；濾芯材料抗菌避免了濾芯的二次污染，提高了水質(zhì)質(zhì)量，該技術(shù)應(yīng)用會(huì)快速吸引用戶眼球及提高產(chǎn)品市場(chǎng)份額。本文從濾芯復(fù)合與濾芯抗菌兩方面進(jìn)行了測(cè)試分析，希望對(duì)從事相關(guān)技術(shù)人員有些許啟發(fā)。