原创《净水滤芯材料设计的可行性》
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1引言
随着人们生活水平的提高,人们对饮用水的水质越来越重视.自来水虽然经过净化和消毒处理,是相对安全卫生的,且达到一定的标准,但某些指标也并非零指标【1】.如家庭自来水中一般还含有少量的氯、泥沙、重金属物质等,长期饮用会对人们身体造成危害.
家用净水器起始于20世纪中叶,到1970年始流行.目前,在发达国家已非常普及,一般家庭都使用自来水净水器.美国杜邦公司、日本日立公司等世界著名企业都致力于家用净水器的研制生产.
我国家用净水器的发展起步较晚,直到1980年代中期才有产品问世【2】.而目前的净饮水行业正处于一个井喷期.国务院研究发展中心市场经济研究所调查：未来5年市场需求量达到1 500多万台,市场潜力巨大.虽然净水设备得以广泛推广使用,但是我国的净水技术还明显落后于发达国家,净水效率不高、滤芯材料高、消耗快、不环保等问题一直使中国净水市场无法形成世界竞争力.因此,提高净水效率、优化净水设备结构、降低净水成本、采用环保滤芯材料已经成为科学界最艰巨而光荣,且最具有现实意义的课题研究.
2市场调研
2.1净水设备主要类型
净水设备若按照净水器净水材料（即滤芯）来进行分类,可以分为以下几类：
(1) RO反渗透膜：RO膜的孔径是头发丝的百分之五,一般肉眼无法看到,细菌、病毒是它的5000倍,只有水分子及部分有益人体的矿物离子能够通过【4】.此类净水器昂贵,体积大.
(2)PP棉：采用无毒无味的聚丙烯为原料,具有流量大、耐腐蚀、耐高压、低成本等特点,一般用在净水器的第一级,主要去处水中泥沙、铁锈、水藻等大颗粒物质,使用期限为2-6个月【4】.
(3)活性炭：材质、效果较好的是椰壳活性炭,主要作用在于能够去除余氯、异味、固体杂质.活性炭在滤芯组成中分前置和后置两种,前置活性炭一般属于二级过滤,用于重金属、挥发有机物等污染物,后置活性炭也称小T33,能够更好地改善水的口感.
(4)吸附型陶瓷：与活性炭类似,不过较活性炭相比过滤效果更好,使用寿命更长,相对来说也更高,属于中高档产品【5】.
(5)超滤膜：是由中空纤维丝膜制成的,过滤精度在0.5 - 0.01微米之间,可有效除去水中的细菌和大分子有害物质.
虽然我国家庭净水器起步晚,较欧美、日本、东南亚等国家与地区普及率较低,不过随着我国经济高速发展,净水器行业也处于一个飞速发展阶段,相信在不久的将来,我国家庭净水器的普及率也将达到一个前所未有的高点【6】.
2.2净水设备发展现状
现在市面上销售的净水器类型主要可分为直饮型和非直饮型.
直饮型净水器的特点是造价高,过滤纯度高,过滤膜多达5至7层且材料很昂贵,基本上能把对人体有害的余氯、溶于水的固体杂质、有害矿物质过滤掉,还能有效地将水的PH调到弱碱性.
非直饮型有两种,一种是直接安装在水龙头处的简易净水器,另一种是安装在厨房进水管道的厨房净水器.水龙头处的净水器效果几乎为零,只能过滤肉眼可见的杂质,但是我们使用的城市供水是不可能出现肉眼可见的杂质,并且滤芯材料过于简单,使用一段时间后,只是用自来水冲洗过后便再次使用,造成了二次污染,效果很微小；厨房管道净水器也属于一般的物理式净水,安装较为麻烦,滤芯使用寿命短,更换滤芯也很繁琐.
2.3净水设备品牌介绍
当前市场上主流产品为美的和四季沐歌,如表1所示,表中将主流品牌净水器的滤芯类型、过滤方式、、销量等参数加以对比,以此探求各品牌的滤芯、等综合优势.
从表1可以看出,市面上较为主流的净水设备一般采用RO膜进行过滤,并且过滤出来的水都可直接饮用,却相对较高.相对较低的净水设备的净水效果虽比高的稍差,但也能满足对市政水中的氯、有害菌和杂质起到良好的过滤作用,所以说市面上的净水设备基本可满足各类消费群体的需求.
3净水滤芯的可行性研究
现在市面上很多净水滤芯都有五级净水程序,虽说五级净水程序有效地去除了残余的有害物质,净化后的水质清澈,煮沸后无水垢,水质趋近于纯水.但水中有益矿物质和微量元素也几乎都被滤除.而纯净水不宜长时间饮用,过量饮用纯净水会导致人体酸碱失衡【1】.为此,本文计划研发的滤芯只有净水程序,的净水程序既能保证有效地去除自来水中残余的有害物质,又能保证水中对人体有益的矿物质不被去除,从而更有益于人们的健康.
本研究打算采用椰壳活性炭、树脂以及KDF制成三层净水材料.
以椰壳活性炭为一级滤芯,除去水中的异味,过滤水中的泥沙、铁锈和余氯等大颗粒物质；以树脂滤芯为二级滤芯,除去水中具有俗称硬水及茶垢的钠、钾、镁等离子,并可软化水质,延长家庭用水其的使用寿命；以KDF为滤芯,它是一种高纯度铜锌合金,可以有效过滤水中铅、镉等有害物质,抑制微生物的生长,调节水的酸碱度,活化水质.
从材料的安全性来说,选择三种原材料椰壳活性炭、树脂、KDF滤芯材料都不会对水造成二次污染,并且三种材料之间互相不会发生化学反应,不产生其他的有害物质.
从材料来说,椰壳活性炭、树脂滤芯以及KDF滤芯比起市面上RO膜成本会低很多,表2为不同材料市面上所销售的.由此可见,椰壳活性炭、树脂滤料和KDF三种净水材料组成的净水滤芯在上要低于市面上多数的五级净水滤层,比上将有较大优势.
从材料的净水功能来说,三种材料之间都能很好地发挥各自的作用,是净水设备的净水效果得到优化.由表2可看出,上述三种材料的净水效果已经能够满足日常生活中净水需求.
从滤芯制作技术来说,制作滤芯的成本主要是活性炭的凝结.众所周知,粉状活性炭在净水材料中有着举足轻重的地位,活性炭具有制备原料充足、比表面积发达且其孔径和表面性质可以调变,耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点【6】.但因其为粉末状小颗粒固体,无法直接运用在净水设备上,因此,利用粘结剂将其制备为成型的活性炭是目前最常用的滤芯制作技术.
4结论
经过对常用净水设备所用滤芯材料的市场调研和技术分析,本研究提出的净水材料(椰壳活性+炭树脂滤芯+KDF)的滤芯设计无论从安全性、净水功能、制作技术等方面上均可达到,净水效果要接近市面上大多数净水设备,此外,上要低于市面上多数的五级净水滤层,是一款性价比优势较大的净水材料,有望可以被当下大多数家庭所接受,使更多的家庭能够喝得上放心水.
可行性研究论文参考资料：
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