家用凈水器濾芯研究

嚴(yán) 桃 李宗舟 張啟花 鞏建樂(lè)

（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(lái)越重視，對(duì)品質(zhì)生活的要求也越來(lái)越高，水污染對(duì)人體的傷害越來(lái)越明顯。城市水廠凈水通過(guò)混合反應(yīng)、沉淀、凈化過(guò)濾及消毒幾個(gè)過(guò)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(lái)水，它是通過(guò)供水公司的處理后經(jīng)過(guò)管道運(yùn)輸?shù)角Ъ胰f(wàn)戶的，管道運(yùn)輸可能對(duì)自來(lái)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(lái)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(lái)越受消費(fèi)者喜愛(ài)，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(guò)多種濾芯組合過(guò)濾和吸附的物理方式去除城市自來(lái)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(wú)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(wú)毒無(wú)味聚丙烯為原料，經(jīng)過(guò)加熱熔融，噴射、牽引、接收成型而制成的濾材。PP濾芯為粗過(guò)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。活性碳濾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(guò)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(guò)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(lái)水運(yùn)輸過(guò)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(guò)孔徑只有0.000 1 μm的逆滲透膜。化學(xué)離子和細(xì)菌、真菌、病毒體均不能通過(guò)，隨廢水排出，只允許小于0.000 1 μm的純水分子通過(guò)，由于RO滲透膜過(guò)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(lái)看，該濾芯的出水質(zhì)量?jī)?yōu)良，出水源無(wú)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(lái)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(jiàn)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(lái)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(wú)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(wú)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(jiàn)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)。