中空纖維膜家用凈水器工藝改良設計的探討

翟睿辰

（合肥工業大學建筑與藝術學院，合肥 230601）

引言

隨著社會的發展和人民生活水平的提高，人們對日常飲用水的質量要求也越來越高。目前，市場上有多種多樣的灌裝水，以及各種品牌的家用凈水器。當社會大眾意識到飲用灌裝水并不能完全消除他們對飲水健康問題的擔憂時，家用凈水器憑借在水質和制水成本方面具有的絕對優勢，很有可能逐步成為灌裝水的替代品。

從產品的使用情況來看，灌裝水由于成本原因，通常被直接飲用，很少用于做飯等家用。家用凈水器則不同，其主要成本是折舊，而折舊類的成本只在消費者購買時受到關注，日常使用時人們通常只會把它當作廚房里的一個水龍頭，做飯時會毫不猶豫地使用它。這意味著即使家用凈水器制水水質與灌裝水水質相當或略低時，仍具有綜合使用效果（平均水質）方面的優勢。并且若能正確選擇適合本地區水質的凈水器產品，凈水器凈化后的水質還會優于（至少不低于）桶裝水。

家用凈水器中對水質起決定性作用的核心元件是纖維膜濾芯組件，該組件通常由大型公司規模化生產，質量控制的成本較低，也容易形成社會的有效監管。桶裝水則多由中小型企業（甚至是小作坊）生產，社會監管難度大，水質很難保證。

中空纖維膜家用凈水器自20世紀末進入我國。短短15年時間，市場上已經涌現出數百個品牌的產品，其中國外品牌多為高端形象，售價相對較高，通常在1000～5000元之間；而國產品牌售價相對較低，最低不足200元。通常銷售單價在1000元以上的國產著名品牌或進口品牌的產品，由于質量好，有效工作時間最少為5年，期間只需要更換一次售價約為200～500元的濾芯。一只凈水器5年的實際制水總量（非極限制水總量，極限制水總量需要參考具體規格）視使用人數和頻率而不同，可以達到500～1500桶（5加侖桶）。按此條件計算出的單桶水價為0.8～3元，遠遠低于任何一款桶裝水的售價。

但目前國內原有的市場格局并未像眾多家用凈水器制造商預期的那樣被很快打破，灌裝水仍占據著絕對優勢的市場份額。這當然有多方面的原因，筆者試著以產品設計師的視角，從凈水器產品的工作原理、功能以及消費者需求等方面加以分析和論述。

1 中空纖維膜凈水器的性能和工作原理

目前市售的家用凈水器主流產品，均以中空纖維膜（hollow fiber membrane）超濾作為核心處理單元，這項技術最初是應用于工業用高純水的制備等領域。隨著中空纖維膜材料科技的進步和制造成本的大幅度降低，現已完全具備了進入大眾消費群體的基本條件。

中空纖維膜是纖維壁具有微孔的選擇透過性中空纖維的分離膜，家用凈水器多采用微孔尺寸為10納米的中空纖維膜。當原水（自來水）通過這樣的中空纖維膜時，水中大于10納米的顆粒會被攔截在進水端（顆粒越大，截留率越高），被截留的物質主要包括高分子有機物、細菌以及一些以膠體狀態存在于水中的雜質顆粒。而水中小于10納米的顆粒則會與水一道通過濾膜（顆粒越小，通過率越高），主要包括水中以離子形態存在物質、少量低分子量有機物以及病毒等。

中空纖維膜超濾的凈化效果雖十分明顯，但仍不能完全去除水中對人體有害的物質，包括微生物、重金屬離子以及有機物與氯等消毒劑反應所產生的對人體健康構成潛在威脅的各種消毒副產物（三鹵甲烷、鹵乙酸和鹵代芳香有機物等）。為彌補中空纖維膜超濾的這個缺陷，出現了多單元串聯方式組合過濾的模式（見圖1）。粗濾通常采用不銹鋼網或/和陶瓷過濾元件，目標是去除偶發的較大顆粒的雜質，如砂粒等，防止后續過濾單元損壞。前置過濾通常采用PP棉或活性炭等，主要作用是減輕中空纖維膜超濾單元的負荷。后置過濾通常采用活性炭，用以去除中空纖維膜超濾不能去除的有害雜質。如果原水與優質活性炭（碘值高、比表面積大和孔隙結構發達等）有足夠的接觸時間，飲用水中絕大部分的有機物會得到有效去除，并幾乎能完全去除多環芳烴類有機物。有實驗數據證實，當水與活性炭接觸時間大于6～8分鐘時，可以達到或接近最佳處理效果。

圖1 多單元串聯方式組合過濾的模式

2 依據使用需求優化產品結構

通過上述分析可知，凈水器采用中空纖維膜超濾作為核心處理單元，活性炭過濾作為輔助處理單元，是當前技術條件下達到或接近最佳凈化效果的組合方式。圖2展示的是目前國內制造商運用的主流組合方式，串聯的各個水處理單元等流量運行，活性炭裝填容積為0.3～0.5升。下表列出了在接觸時間為6分鐘時，裝滿1升水所耗用時間與活性炭裝填容積的對應關系。

圖2 組合方式過濾模式

對應關系表

若完成一次注水耗用的時間不超過10秒鐘，這種方便的操作是可以被使用者接受的。但如果等待時間超過30秒，使用者會表現出反感和不適的情緒。而在家用凈水器內裝填12升活性炭則是一件不可能的事情。如果只裝填0.3升活性炭，處理1升水達到最佳凈化效果需要的時間長達20分鐘，完全不能滿足使用者的需求。即便使用者能夠等待1分鐘以取得1升水，但在活性炭裝填容積為0.3升的情況下，活性炭與水的接觸時間僅為0.3分鐘，過濾效果接近于零。可見圖2所示的這種組合式家用凈水器的活性炭處理單元基本沒有發揮作用。

并不是所有的家用凈水器制造商都不了解這一事實，但諸多廠商仍堅持沿用原有的技術，原因是他們還沒有更好的解決方案，不得不選擇這種存在誤導消費者的做法。有些制造商改進了原有的設計，用一個貯水桶將制水和用水分離開來（如圖3），采用較低的濾速制水并貯存在貯水桶中，供使用者隨時使用。

圖3 利用貯水桶將制水和用水分離

在上述組合配置中，與中空纖維膜配套使用的活性炭過濾單元，也可以用納米級的反滲透膜（RO）替代。雖然成本有所提高，但由于反滲透膜可以過濾掉水中幾乎全部2價離子，濾后的水質更接近于純凈水，更加適合在自來水中含有重金屬或有機污染物的地區使用。

雖然這項改進措施極大地提升了組合凈水器的凈化功能，但是在沒有增加成本和提高銷售價格的情況下，還是得不到消費者的認可。究其原因，國內消費者對水質凈化方面的知識甚少，對凈化功能方面的差別了解不足，對于并不美觀的造型和相對復雜的反沖洗操作表現出了抗拒心理。面對包含專項技術和知識的新產品，由于消費者得到的與產品相關的信息基本上來自于產品的銷售過程，所以多數人顯現出的是盲從，或因更多關注價格等因素而忽視了產品的功能。

3 結語

涉及家用凈水器快速市場化的技術細節還有很多，例如可采取降低原水中的游離余氯和提高沖洗效果等措施來延長濾膜的使用壽命等。本文僅重點探討在確保產品的基本凈化功能的前提下，如何提升產品的使用功能。消費者在面對商品的功能、造型、安裝及操作難易程度、品牌形象、產品質量、價格和服務質量等眾多特征元素時，會表現出多元化取向。只有兼具更多優質特征的產品，才會受到消費者的青睞。完善家用凈水器的凈化功能是設計的主題，筆者歸納出產品的改進建議有：

（1）完善凈化功能，最大限度地提升濾后水質；

（2）將產品的所有單元集成到一起，不要分開放置，以達到最大限度節省空間的目標；

（3）貯水桶與外部空間隔離，防止因灰塵、昆蟲及其它異物滲入而引發二次污染；

（4）簡化產品的安裝和操作，可考慮應用一鍵或自動反沖洗功能；

（5）產品應具備穩壓功能，防止水壓波動對產品內部結構造成損壞；

（6）針對不同的安裝位置、安裝條件和不同水質的需求，進行系列化產品設計；

（7）產品應便于維修和更換易損配件，外觀造型要簡潔時尚。

陳旭紅，許建華.粒狀活性炭(GAC)家用凈水器凈化飲用水的研究[J].給水排水，1993（9）：38-41.