| 净水器滤材的选择和应用试验 |
| 时间: 2011年10月09日 来源:本站原创 作者: 赵飞虹 浏览次数: |
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一、水质恶化带来家庭净水器的发展空间
随着人类的文明的进步，人口的激增，工业化程度的提高，天然水体受到不同程度的污染，水环境中的污染物的种类和含量的增加已经威胁到了人类自身的健康。从2002面中国环境状况公报，我国七大水系检测的752个重点断面中，Ⅰ—Ⅲ类水质占29.5%，Ⅳ类水质占17.7%，Ⅴ类和劣Ⅴ类水质占52.8%。全国湖泊达到富营养化水体已经达到66%。
根据2003年我国地下水资源评价与战略问题研究表明，我国地下水可以供直接饮用的占63%，17%可以经过处理后再饮用，2%不能饮用但是可以作为工业和农业使用，8%的不能直接利用，需要经过特殊处理才能利用。
自然水体的污染主要有以下几种
生物性污染
主要是指生活污水、垃圾、工厂、医院等排出的废水含有大量的细菌、病毒、支原体、寄生虫等，未经过无害化处理后直接排到环境中，引起水源的污染。
化学性污染
各种化学物质进入水体，有些对人类的健康具有一定的危害性，在美国饮水标准和健康建议书中列出了170多种有机物，其中有些具有致癌性。从研究中发现有些化学物质不仅具有致癌性还会严重干扰人类和动物的生殖功能，这些物质被称为“内分泌干扰物质”。在2004年美国EPA水质标准列出了60多种确定的内分泌干扰物质。我国这些污染现状也不容忽视。
水处理技术的应用已有几前年的历史，例如公元2000年前，古印度人就将脏水直接煮沸，经过太阳暴晒，用烧热的铜片向水中浸七次，经过过滤和冷却后贮存在陶罐里头……。氯制剂作为消毒剂应用在饮用水中被认为是20世纪最伟大的公共卫生的进步，特别是在近二十年间水处理的工艺有了突飞猛进的进展，例如膜过滤技术、新型絮凝剂等产品和技术的使用，自来水的加工工艺不断的改进。虽然自来水的加工工艺和技术取得了如此大的进展，但是面对如此严重的水源污染，特别是氯气在使用了百年之后，氯气等卤素与水中有机物作用产生的消毒副产物，已经超过了百种，其对人的危害性也逐渐被人们所发现，有些物质具有很强的致癌和致突变性。从世界卫生组织和环保署等机构都要求将消毒的副产物尽量除去。
另一方面，由于城市化的进程的加快，高层建筑不断的增加，有些采用二次供水设施由于种种原因出现了二次污染的问题。城市的输配管道的老化也是造成了水质的二次污染的原因，例如美国2004年华盛顿州管道的铅的污染问题，引起了EPA的高度重视，铅影响儿童的智力和身体大发育，长期饮用铅含量高的水，会引起肾病和高血压病，虽然现在安装了无铅的水管但依然存在着铅污染的威胁。另外有些居民的水龙头里出现铁锈、红虫、浑浊、水垢、异味和异嗅等现象，污染严重时，还影响了居民的健康。
正因为自来水存在种种问题，从二十一世纪以来，自来水的深度处理，其中包括净水器、管道分质供水悄然地进入了家庭。管道分质供水是以楼盘或社区为单位，共用一个水处理设备，将深度处理后的水由饮水专用管道送入家庭。有些居民则选择净水器，从2003年美国的市场调查来看，家庭净水器的市场占有率约为20%。
二、家用净水器常见滤材的类型
目前我国的家用净水器品种繁多，功能各异。按进水方式分，可以分为间接式和直接式。所谓间接式净水器，其进水的方式要依赖于人工将水倒到净水器中；而直接式净水器则是将净水器与自来水管道直接相连，饮用多少水，生产多少水。
在各种净水器中所采用的滤材按照功能分，常见有以下几种：
1.以过滤为主
⑴微孔过滤膜，主要截留微粒等污染物，达到净化的目的。这种类型的膜大部分由具有一定刚性和均匀性的纤维素、高分子聚合材料、无机材料等制成。例如陶瓷滤芯类、聚丙烯类、聚偏二氟乙烯类等。
⑵超滤膜 大部分是多孔膜，可以将水中细菌和一些大分子的物质从水中分离出来。近年来膜材料有了长足的进步，用于制造膜的材料很多。根据膜的外型可以将其分为卷式、管式、中空等类型。
⑶反渗透膜
2.以交换为主
⑴软化为主的
在家用净水器中最常见的是软化除盐用的离子交换树脂，属于Na型强酸性阳离子交换树脂，一般树脂母体为苯乙烯系。主要是用钠离子交换水中的钙和镁离子，降低水中的硬度，当饱和后用食盐水再生，但是水中的含盐量并没有降低。
⑵KDF
美国ＫＤＦ液体处理公司生产的ＫＤＦ过滤介质是一种高纯度的铜锌合金，其中ＫＤＦ55是50%为铜和50%为锌的合金，当这种材料与水接触后会与水和水中的杂质产生氧化还原反应。该材料在1980年发明之初，就发现了这种材料也具有很好的去除游离余氯效果。水中游离氯的去除是通过电化学(氧化和还原)反应完成的，氧化还原反应的发生是因为ＫＤＦ55是由两种不同的金属组成的，与水发生直接的电接触，合金中电位正的铜成为阴极，而电位负的锌为阳极，在阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应，锌阳极在反应中失去电子，锌离子成为牺牲者进入溶液，由于游离氯的还原反应铜阴极被钝化，而不会发生金属的溶解，结果水和余氯成为电子接受者，同时产生的还有氢、羟基和氯化物离子。
3.以吸附为主
在二十世纪，人们对水中的浊度的注意力比较高，进入二十一世纪后，随着人们生活条件的提高，饮水健康的问题也被人们所关注。特别是近年来，自来水中的消毒副产物的危害性以及它们的毒副作用普遍被消费者认识。人们对水中的异味和异嗅提出更高的要求，尤其是氯的味道。所采用的滤材主要是活性炭。活性炭是优良的吸附剂，对非极性的有机物有很好的吸附能力，常用于吸附水中的有机物、色、嗅和味，特别是吸附水中的余氯。根据活性炭的原料的不同，分为果壳、椰壳、木材、磺化煤等类型。根据加工的工艺，可以分为载银和非载银活性炭。
4.消毒为主
⑴紫外线
在净水器中最常见的是采用紫外线消毒，其最主要的特点是：⑴能灭活大多数的病原体；⑵消毒过程反应过程是物理反应，无毒性、蓄积性毒性和腐蚀作用；⑶操作简单；⑷消毒所需要的时间比较短。由于不同的微生物对紫外线的敏感性不同，修复能力也不同，因此紫外线的消毒有效性与照射的剂量问题近年来备受关注。研究表明，当紫外线的注量在300 J/㎡ 时，水中微生物的光复活现象完全消失，而低于此注量时，有不同程度的复活率产生。因此近年来，世界许多国家和地区对紫外线消毒系统进行了大量的深入研究，由于在紫外线的灯源制作方面有了很大的突破，许多国家已经生产出高强度并长寿命的紫外线消毒系统。虽然紫外线的应用前景广阔，但是还是存在一些缺点，在低剂量下，微生物存在光复活现象；成本高，当水中的杂质较多时，会影响紫外线的灭菌效果。
⑵臭氧
在净水器中臭氧的使用受到一定的限制，但是广泛用于工厂化的水处理。臭氧是一种有刺激气味的灰兰色的气体，在水中的溶解度比氧大10倍。除了杀灭水中的微生物以外，还可以除去水中有色和有味的有机物。相同浓度的臭氧对微生物的杀灭浓度随着时间的不同而不同。正是由于它的刺激气味，所以在净水器中使用时，受到限制。
⑶碘
碘属于卤素消毒剂，消毒主要是依赖碘的本身，它可以直接卤化菌体蛋白，与蛋白质上的氨基结合，使得菌体蛋白质和酶受到破坏，微生物因为代谢机能发生障碍而死亡。在水中可以直接用碘来消毒，但是在净水器中无法使用。所以常见的碘离子交换树脂。它是将碘载在非溶性的强碱性阴离子树脂上，可形成一种性能稳定、消毒效果好的三碘化季胺盐树脂消毒剂，它属于一种接触性消毒剂，可以过滤消毒水用。由于碘不容易与水中的氨起反应，所以在饮水中的消毒比较受到人们的重视，但是碘树脂的价格比较昂贵。
三、家用净水器滤材试验比较
各种滤材的作用机理的不同，以及工艺参数的设计的差异，使得我国的净水器的种类繁多，功能各异。下表1为美国环保署2004年对几种水处理器的评价表。我们在2004年重点对间接式净水器进行了一些试验。在市售的间接式净水器中滤材最常见的有活性炭、离子交换树脂、KDF、陶粒和超滤膜。
表1 美国EPA对几种水处理器的评价
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净水设备 |
处理功能 |
处理功能的限制 |
|
活性炭过滤器 |
吸收导致味道和气味问题的有机污染物；
有些设计可以去除氯化过程的副产品；
某些型号可以去除清洁剂和杀虫剂。 |
对去除铅和铜等金属效果不佳；
无法去除硝酸盐、细菌或可溶解矿物质。 |
|
离子交换器
（以及含活性矾土的型号） |
去除矿物质，尤其是水中的钙和镁；
有些设计可以去除镭和钡；
去除氟化物。 |
如果水中有氧化铁或铁细菌，离子交换树脂会被堵塞或覆盖，从而丧失其对水软化功能。 |
|
反渗透器 |
去除硝酸盐、钠、其他可溶解无机物和有机物；
去除臭味或颜色；
也可能降低某些杀虫剂、戴奥辛、氯仿和石油化学品的含量。 |
无法去除所有的无机和有机污染物。 |
|
蒸馏器 |
去除硝酸盐、细菌、钠、水的硬度、溶解性总固体、多数的有机物、重金属以及放射性核素；
杀死细菌 |
无法去除一些易挥发的有机污染物、某些杀虫剂和易挥发的溶剂；
细菌可能在机器暂停期重新在冷凝管上繁殖。 |
试验一：比较KDF、碘树脂和活性炭在间接式净水器中的应用效果。
从市场购买间接式净水器，实验用内芯的体积为340㎜3，按容积量放置不同数量的滤材。
组1：KDF55占总容积的2/3，共计610克，活性炭占总容积的1/3，共计80克，碘树脂30克。
组2：KDF55占总容积的1/3，共计260克，活性炭占总容积的2/3，共计140克。
对照组：未经处理的自来水
试验期：30天
水通量：每日20公斤
测定指标：余氯、细菌总数、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮
试验结果：
表2 试验一 硝酸盐和亚硝酸盐氮以及细菌总数
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|
硝酸盐氮(mg/L) |
亚硝酸盐氮(mg/L) |
细菌总数（cfu/ml） |
|
自来水 |
组1 |
组2 |
自来水 |
组1 |
组2 |
自来水 |
组1 |
组2 |
|
20 |
0.102 |
1 |
0.6 |
0.0109 |
0.0016 |
0.00156 |
0 |
0 |
0 |
|
80 |
1.64 |
3.12 |
1.82 |
0.0084 |
0.0018 |
0.0435 |
0 |
0 |
0 |
|
1402 |
1.04 |
1.26 |
1.2 |
0.0018 |
0.011 |
0.2676 |
0 |
0 |
3 |
|
200 |
1.42 |
1.38 |
1.28 |
0.0032 |
0.0013 |
0.0548 |
- |
- |
- |
|
260 |
- |
1.54 |
1.68 |
- |
0.0017 |
0.051 |
0 |
0 |
1×102 |
|
3201 |
1.32 |
1.6 |
1.36 |
0.002 |
0.0014 |
0.124 |
0 |
0 |
0 |
|
380 |
1.7 |
1.34 |
1.4 |
0.014 |
0.0015 |
0.0246 |
0 |
0 |
8×102 |
|
4401 |
- |
1.6 |
1.44 |
- |
0.0014 |
0.0015 |
0 |
0 |
1×102 |
|
500 |
2.04 |
2 |
1.3 |
0.0012 |
0.0012 |
0.0213 |
0 |
0 |
18×102 |
|
560 |
- |
2.06 |
1.96 |
- |
0.0016 |
0.031 |
0 |
1 |
13×102 |
|
620 |
1.74 |
1.74 |
1.72 |
0.002 |
0.0014 |
0.0084 |
0 |
0 |
37×102 |
注：1为组1和组2同时清洗滤芯;2为组2清洗滤芯
表3 试验一 余氯和总余氯含量
|
|
余氯(mg/L) |
总余氯(mg/L) |
|
自来水 |
组1 |
组2 |
自来水 |
组1 |
组2 |
|
20 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.20 |
|
80 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.01 |
0.05 |
|
1402 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.05 |
0.01 |
|
200 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.01 |
0.05 |
|
260 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.03 |
0.05 |
|
3201 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.05 |
0.10 |
|
380 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.05 |
0.10 |
|
4401 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.05 |
0.10 |
|
500 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.05 |
0.01 |
|
560 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.05 |
0.01 |
|
620 |
0.01 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
0.01 |
0.03 |
从试验一的测定结果可以看出：
随着微生物数量的增加，产水中的亚硝酸盐氮的含量逐渐增加，在水通量为320公斤时，组2亚硝酸盐氮的含量比自来水高87倍。当滤芯经过消毒剂—过氧化氢处理后，水中的亚硝酸盐氮和细菌总数降低，但是很快地又被污染。
从余氯和总余氯的结果中可以看出，间接式净水器中所使用的活性炭不能有效地将余氯除去。组1和组2中总余氯的含量均高于自来水，但是经过清洗和消毒后，可以适当降低。从本次实验中未发现间接式净水器可以除去余氯或总余氯。因此间接式净水器的清洗频率最好在通水量达到100公斤左右时进行清洗，才能使出水达到安全的要求。
在组1中由于加入了2/3的KDF，因此有助降低细菌和亚硝酸盐的含量，特别是加入了碘树脂后，可以使水中的细菌总数达到卫生标准。在使用中发现KDF容易板结，在水通量达到100公斤左右时，KDF发生板结，需要进行机械的晃动，否则就影响了水的流量。
试验二：市售间接式净水器，滤芯由离子交换树脂、KDF、活性炭和碘树脂（20克）组成。
组别：对照组为自来水
试验组为间接式净水器
试验期：30天
水通量：每天20公斤
测定指标：总硬度、钙、镁、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和细菌总数
试验结果：
表4 试验二 部分试验结果
|
公斤 |
总硬度 |
钙 |
镁 |
硝酸盐氮 |
亚硝酸盐氮 |
|
对照 |
试验 |
对照 |
试验 |
对照 |
试验 |
对照 |
试验 |
对照 |
试验 |
|
20 |
293.0 |
217.9 |
68.1 |
51.2 |
25.1 |
19.1 |
1.02 |
1.03 |
0.006 |
0.004 |
|
120 |
293.0 |
131.5 |
65.8 |
24.8 |
31.2 |
17.8 |
|
|
0.001 |
0.001 |
|
220 |
255.5 |
224.5 |
59.4 |
48.5 |
26.9 |
24.4 |
0.83 |
0.82 |
0.001 |
0.003 |
|
320 |
293.9 |
200.4 |
60.4 |
37.4 |
28.9 |
23.6 |
0.72 |
0.85 |
0.0046 |
0.058 |
|
420 |
292.7 |
274.9 |
67.2 |
54.0 |
30.1 |
31.6 |
0.86 |
0.99 |
0.0032 |
0.0854 |
|
520 |
294.1 |
181.6 |
63.8 |
39.7 |
31.6 |
19.6 |
0.96 |
0.98 |
0.0038 |
0.047 |
|
620 |
287.8 |
286.8 |
63.8 |
63.1 |
30.5 |
31.9 |
0.79 |
0.76 |
0.0034 |
0.018 |
本次试验中，自来水和净水器的出水细菌总数均为0cfu/ml。
从试验二的结果中可以看出：
现在市售的一些净水器中都将离子交换树脂放在进水口，在本次试验中发现当水通量达到100公斤左右，树脂开始板结，正如EPA所总结的，可能是氧化铁和铁细菌的存在使得水的流量明显降低。
每使用100公斤水后，离子交换树脂的再生需要用10%的盐水再生，在使用一个月后，再生的效率明显降低，有可能是由于铁细菌等的影响。
在本次试验中可以看出，由于使用了碘树脂作为消毒剂，所以试验组的产水的微生物指标达到国家饮用水的卫生标准。
虽然在水通量为300—400公斤时，亚硝酸盐的含量超过了国家标准（0.005mg/L），比自来水提高的倍数为27，然后逐渐下降。
净水器对硝酸盐的去除没有效果。
试验三：卡提斯直接式净水器，滤芯由微滤膜、紫外线和卡提斯介质组成。
组别：对照组为自来水
试验组1为直接式净水器未通紫外线
试验组2为直接式净水器通紫外线
试验期：30天
水通量：每天40公斤，流速为0.9升/min
测定指标：硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、细菌总数、溶解氧和余氯
试验结果：
表5 试验三 直接式净水器硝酸盐和亚硝酸盐试验结果
|
公斤 |
硝酸盐氮 |
亚硝酸盐氮 |
|
自来水 |
无紫外 |
有紫外 |
自来水 |
无紫外 |
有紫外 |
|
40 |
1.12 |
1.62 |
0.78 |
0.01 |
0.0096 |
0.0188 |
|
240 |
0.9 |
1.172 |
1.204 |
0.0116 |
0.0124 |
0.0148 |
|
440 |
1.048 |
1.248 |
1.06 |
0.0428 |
0.0488 |
0.026 |
|
640 |
0.84 |
1.24 |
0.848 |
0.0062 |
0.0084 |
0.0064 |
|
840 |
1.0 |
0.872 |
0.76 |
0.0192 |
0.0128 |
0.016 |
|
1040 |
0.952 |
0.616 |
0.90 |
0.013 |
0.0142 |
0.0206 |
|
1240 |
0.824 |
0.8 |
0.828 |
0.0118 |
0.0116 |
0.0196 |
溶解氧测定：
水中溶解氧的含量随着放置的时间不同而不同。通过卡提斯介质的水溶解氧可以比自来水提高14—50%。
细菌总数：
从实验结果中可以看出，无论通过紫外线消毒还是不通过紫外线消毒，产水中的细菌总数均为0 cfu/ml。说明卡提斯介质可以有效地杀灭水中的微生物，并可以防止微生物在活性炭上的生长。从而使得水中的亚硝酸盐的含量没有明显的提高。
四、结论
从以上三个实验中可以看出以下几点：
1.由于间接式净水器大部分以活性炭为主，如果不采用消毒措施，从第4天就开始出现细菌，当13天后，细菌就可达100多个，随着使用的天数的增加细菌的总数逐渐增加。
2.采取碘树脂进行消毒后可以有效地对水进行消毒，从而提高了饮水的安全性，但是碘树脂有一定的碘味，所以在使用时，应该与活性炭纤维结合使用，使活性炭纤维能将析出的碘进行吸附。
3.由于在间接式净水器中的活性炭上，细菌的生长快速，所以造成出水中的亚硝酸盐急剧增加，我国瓶（桶）装水质标准中规定，水中的亚硝酸盐的含量不得超过0.005mg/L，但是从第四天开始就超过国家水质标准。因此在使用活性炭为主的间接式净水器在使用第四天开始就应该对活性炭进行清洗，否则出水的细菌和亚硝酸盐均会超过国家水质标准。
4.在间接式净水器在加入KDF，与活性炭的比例应为3：1，才可以有效地抑制细菌的生长，使得出水中的亚硝酸盐氮的增长量减少。
5.由于净水器中加入的活性炭的数量过少，对余氯的清除方面净水器的出水与自来水无差异。
6.法国的卡提斯介质，由于有效地抑制了细菌的生长，所以经过一个月的使用后，其硝酸盐和亚硝酸盐的含量均没有很大的变化，同时还有效地抑制细菌的污染。卡提斯介质还可以提高水中的溶解氧的含量，一般在14—50%。
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