凈水器濾料配比對凈水效果的影響研究及可調式濾芯的設計

宋奕程 蔣振東 段鋒

摘 要：我國幅員遼闊，地質情況復雜，導致各地水質差別巨大。而市場上各類凈水器內(nèi)的濾料都是事先填裝好的，并沒有考慮各地水質的差異，因此不能適應不同的水質從而達到最佳的凈化效果。另外，目前的凈水器濾芯一般是用過即丟棄，在造成白色污染的同時，濾料也不能通過再生重復利用。本文首先針對北京地區(qū)不同地方的飲用水，研究濾料配比對凈水效果的影響。之后對于前述研究結果可能的應用進行探討，提出了一種“按照水質不同動態(tài)調整濾料配比”的應用模式，為今后凈水器的設計提供了一種參考思路。最后設計了一種可按濾料配比調節(jié)與組裝的凈水器濾芯：根據(jù)濾料的數(shù)量調節(jié)濾芯的體積，根據(jù)濾料的種類確定組裝濾芯的過濾單元數(shù)目。這種濾芯的優(yōu)點是：1）可以依據(jù)水質的不同按需填裝不同配比的濾料，使凈水效果達到最佳;2）濾料可以按需要的數(shù)量填裝，避免浪費;3）濾芯殼體能夠重復使用，濾料也可以方便地清洗、再生和重復使用，從而能夠減少白色污染，降低使用成本。

關鍵詞：凈水器;濾料配比;凈水效果;可調式濾芯

1 緒論

水是生命之源，萬物之基，是人類賴以生存、不可或缺的自然資源。水資源是一個地區(qū)發(fā)展環(huán)境和生活質量的重要標志，也是最基本、最重要的民生保障。目前，我國的水資源狀況不容樂觀：隨著工農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展，工廠三廢、各類農(nóng)藥以及生活污水中所含的大量的有毒有害有機物和重金屬離子，嚴重地污染了飲用水源，水體中有毒有害化學污染物含量逐年上升，品種逐年增多。因此，研發(fā)各類有效的凈水技術勢在必行、刻不容緩。[1]

我國幅員遼闊，地質情況復雜，又由于各地發(fā)展狀況的不平衡，水資源污染的原因千差萬別，導致各地水質差別巨大，甚至同一地方枯水期、豐水期的水源水質都有可能不穩(wěn)定。[2]不同的凈水技術對于不同的水質凈化效果是不同的，因此，針對不同的水質，研究如何使凈水效果達到最佳，不僅具有重要的理論價值，也具有廣闊的應用前景。

為解決飲水可能給人體健康帶來的危害，目前主要采取的措施有：遠距離調集未受污染的水，水廠改造進行深度處理，在管網(wǎng)供水點至用戶水龍頭之間進行補充處理等。前面兩種措施存在不經(jīng)濟、難度大、改造需要時間、無法解決管路的二次污染等問題。使用凈水器解決飲水問題是可以接受且易于實現(xiàn)的，這種技術是可使當前飲水水質最佳的途徑之一。國外凈水器普及率很高。1998年，日本擁有50萬只，美國擁有600萬只，人口僅2500萬的加拿大，亦擁有每年10萬只的銷售量。在我國，自1997年至2007年，凈水器市場每年以20%以上的速度增加，至2011年，國內(nèi)生產(chǎn)家用凈水器企業(yè)約有3000余家，2011年產(chǎn)凈水器約3000萬臺。[3]

但是，經(jīng)過調查研究，發(fā)現(xiàn)市場上各類凈水器內(nèi)的濾料都是事先填裝好的，并沒有考慮各地水質的差異，因此不能適應不同的水質從而達到最佳的凈化效果，同時也由于可能過多填裝的濾料導致浪費。另外，目前的凈水器濾芯一般是用過即丟棄，而塑料制成的濾芯殼體會帶來白色污染。如果凈水器的濾料能夠根據(jù)水質的差異按需填裝，并根據(jù)水質變化動態(tài)調整，而且濾芯殼體能夠重復使用，則不但能夠達到更好的凈化效果，還能減少白色污染，節(jié)約成本。

本文首先針對北京地區(qū)不同地方的飲用水，研究濾芯中濾料配比（種類與數(shù)量）對凈水效果的影響，然后基于上述研究結果，設計出一種能夠按濾料配比調節(jié)與組裝的凈水器濾芯。具體來說，就是能夠依據(jù)水質的不同按需填裝不同配比的濾料，能夠依據(jù)濾料的數(shù)量動態(tài)調節(jié)濾芯的體積，能夠依據(jù)濾料的種類動態(tài)組裝濾芯，濾芯殼體能夠重復使用，濾料能夠方便地取出進行清洗、再生以便多次使用。

2 濾料配比對凈水效果的影響研究

2.1 實驗材料

（1）pH試紙，（2）礦化度（TDS）檢測筆，（3）總硬度測試盒，（4）硝酸鹽測試盒，（5）電子天平（量程500克），（6）活性炭，（7）離子交換樹脂（陰/陽），（8）試管，（9）純凈水。

此外，還選用了一個市場上常見的家用濾壺式凈水器作為實驗設備。通過在該凈水器的濾芯中添加不同配比的濾料來研究其對凈水效果的影響。圖1和圖2分別是凈水器和濾芯的圖片：

2.2 實驗步驟

（1）制備濾料，加入濾芯中。

（2）將一定體積原水導入濾壺，并開始計時。

（3）原水完全通過濾芯后計時結束。

（4）檢測過濾后的水質，并分析其與活性炭、離子交換樹脂的配比之間的關系。

2.3 實驗水質檢測方法

pH采用pH試紙，TDS采用TDS檢測筆，總硬度采用總硬度測試盒，硝酸鹽采用硝酸鹽測試盒。

2.4 實驗數(shù)據(jù)及分析

實驗對象是采自北京不同地區(qū)的3個飲用水水樣。首先對原水水質進行檢測，之后針對每個水樣進行多組實驗，研究凈水器濾料配比對凈水效果的影響，為后文設計可按需調節(jié)與組裝的濾芯提供實驗依據(jù)。

2.4.1 1號水的實驗數(shù)據(jù)及分析

2.4.2 2號水的實驗數(shù)據(jù)及分析

2.4.3 3號水的實驗數(shù)據(jù)及分析

2.5 實驗研究的結論

（1）通過對比3個原水的水樣可知，即使同在北京地區(qū)，飲用水的水質差別也是很大的，可以推斷，我國各地的水質差別將會更加巨大。

（2）濾料的配比，即濾料的種類和數(shù)量，影響凈水效果。

（3）如果能根據(jù)原水的不同水質而采用不同的濾料配比，則不但能達到滿意的凈水效果，還能節(jié)省濾料。

3 可按需調節(jié)與組裝的濾芯設計

3.1 背景概述

目前，我國水資源污染狀況較為嚴重，[1]并且各地水質差別巨大，[2]使用凈水器解決飲水問題成本較低、易于實現(xiàn)、簡便易用，是改善當前飲用水水質的最佳途徑之一。[3]當前對于凈水器凈水方法的研究主要集中在以下幾個方面：

（1）對于不同的濾料及其組合的凈水效果研究，如文獻[1]和文獻[3]和文獻[4]。

（2）同類凈水器對不同水質的凈化效果研究，如文獻[5]。

（3）不同種類凈水器對不同水質的凈化效果研究，如文獻[6]。

以上研究或者沒有考慮不同水質，如（1），或者只針對市場上現(xiàn)有的凈水器，如（2）、（3），都沒有考慮針對不同水質，動態(tài)調整凈水器濾料的配比達到更好的凈水效果。

另一方面，經(jīng)過調查研究，發(fā)現(xiàn)市場上各類凈水器內(nèi)的濾料都是事先填裝好的，并沒有考慮各地水質的差異，因此不能適應不同的水質從而達到最佳的凈化效果。

3.2 設計說明

針對當前的水質狀況以及凈水器面臨的問題，如果能夠首先根據(jù)水質的不同確定凈水器濾料的配比，然后根據(jù)濾料配比按需調節(jié)與組裝凈水器的濾芯，之后將濾料填裝進入濾芯，則不但能夠達到更好的凈化效果，還能節(jié)約成本。因此，本文打算設計一個具有上述功能的可調式凈水器濾芯。

3.3 濾芯的結構與功能

濾芯包含一個或多個過濾單元，過濾單元的外觀圖如圖3所示：

（1）過濾單元用來填裝濾料，包含上下兩個部分，這兩個部分通過螺紋聯(lián)結，并可以通過旋轉來調節(jié)體積的大小。

（2）上半部分的頂端和下半部分的底端，可以通過螺紋來聯(lián)結過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)用來過濾較大顆粒的雜質以保護濾料，用來防止濾料泄漏，還可以用來聯(lián)結兩個不同的過濾單元。

3.4 濾芯的使用方法

（1）首先檢測要凈化的原水水質指標，然后根據(jù)水質指標計算出達到理想凈化效果所需的濾料配比：即需要哪幾種濾料，以及每種濾料的數(shù)量。（2）將不同種類的濾料分別填裝入不同的過濾單元，根據(jù)每個過濾單元自身填裝的濾料體積來調節(jié)過濾單元的體積，使之與濾料的體積匹配。（3）將若干個過濾單元組裝在一起，形成一個濾芯。

3.5 濾芯的優(yōu)點

本文設計的可按需調節(jié)與組裝的濾芯，就是能夠根據(jù)濾料的數(shù)量調節(jié)濾芯的體積，根據(jù)濾料的種類確定組裝濾芯的過濾單元數(shù)目。濾芯具有如下優(yōu)點：

（1）依據(jù)水質的不同按需填裝不同配比的濾料，使凈水效果達到最佳。（2）濾料按需要的數(shù)量填裝，避免浪費。（3）濾芯殼體能夠重復使用，可以減少白色污染，降低成本。（4）不同種類的濾料填裝入不同的過濾單元，便于采用不同方式進行清洗、再生和重復使用，可以減少環(huán)境污染并降低使用成本。

3.6 濾芯的應用模式探討

當前的凈水器濾芯內(nèi)的濾料都在出廠前填裝，并一次性封裝，主要考慮的是降低生產(chǎn)復雜性，減少生產(chǎn)成本。因此，可調式濾芯并不是立即全部取代原有的濾芯，而是希望生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)原有濾芯的同時，也生產(chǎn)可調式濾芯，在此基礎上，建議采用以下3類應用模式：

（1）生產(chǎn)廠家將可調式濾芯發(fā)往各地的銷售部門，銷售部門首先檢測所在地各個水廠的水質指標，然后根據(jù)不同的水質按需組裝不同濾料配比的凈水器，再根據(jù)用戶的供水水廠按需銷售。（2）用戶將自家飲用水采樣送到凈水器銷售部門，由銷售部門檢測水質后按需組裝相應的凈水器。（3）用戶買來可調式濾芯，根據(jù)自家飲用水的水質，用DIY的方式組裝凈水器。

4 展望

下一步的工作應該采用更先進的儀器設備，并經(jīng)過更多次的實驗，來建立水質指標（如TDS、硝酸鹽、總硬度等）的范圍與濾料（如活性炭、離子交換樹脂等）配比之間的對應表格，以便于在檢測出水質指標之后能夠便捷地計算出所需的濾料配比，從而有助于可動態(tài)調整式凈水器的進一步推廣。

參考文獻：

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[4]傅修軍，楊闖，牛翰彬.活性炭濾芯凈水效果的影響因素研究[J].山西化工，2017，37（4）：140-152.

[5]趙專科，何繼亮.QY 家用凈水器對不同水質源水凈化效果觀察[J].浙江預防醫(yī)學，2005，15（6）：36-37.

[6]蔡之峰，肖燕，劉莉，等.小型家用凈水器的應用初探[J].中國設備工程，2016（11）：171-174.