家用净水器滤芯研究

严 桃 李宗舟 张启花 巩建乐

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

随着人们对健康越来越重视，对品质生活的要求也越来越高，水污染对人体的伤害越来越明显。城市水厂净水通过混合反应、沉淀、净化过滤及消毒几个过程使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要，其中除去物包含悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分。而居家饮用水主要是自来水，它是通过供水公司的处理后经过管道运输到千家万户的，管道运输可能对自来水产生二次污染，可以产生细菌病毒、胶体、铁锈、杂质等，实际到达用户家中的自来水含有大量的污染物质，长期饮用严重威胁着人体健康。为了改变不断恶化的水质，家用饮水器越来越受消费者喜爱，成为居家生活中不可缺少的必需品[1]。滤芯是家用净水器重要组成部分，也是净水器品质的关键零部件，直接影响净水器水质的优良。

1 净水器工作原理

净水器通过多种滤芯组合过滤和吸附的物理方式去除城市自来水中的氯气和因二次污染所产生的细菌病毒、胶体、铁锈、杂质等各种对人体有害的有机污染[2,3]。

图1为常规的净水器滤芯组成：前置滤芯+反渗透膜+后置炭滤芯，前置滤芯包括PP滤芯与活性炭滤芯，主要除去水中大分子固体颗粒，吸附余氯、异味、颜色及有机物等，反渗透膜（RO）滤芯能隔离无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质，后置活性炭滤芯能进一步深层次除异味，余氯，改善出水口感。本文新型滤芯取代了常规净水器的滤芯组合，以一根滤芯形式存在；但是该新型滤芯包含常规滤芯组合的所有材料，包含前置滤芯、RO膜与后置活性碳棒。该新型滤芯化繁为简，功能化更强，大大缩减了该滤芯应用的净水器的空间大小。

图1 净水器滤芯的组成

1.1 净水器滤芯

常规净水器滤芯主要为PP滤芯、活性炭滤芯、超滤膜和RO反渗透膜。

1）PP滤芯：又称熔喷滤芯，是一种采用无毒无味聚丙烯为原料，经过加热熔融，喷射、牵引、接收成型而制成的滤材。PP滤芯为粗过滤，孔径一般都在0.5～1 μm，能有效地除去液体中的悬浮物、微粒、铁锈等杂质。

2）活性炭滤芯产品有两大类：压缩型活性炭滤芯、散装型活性炭滤芯。活性碳滤芯具有良好的吸附作用，能有效除去水中的余氯、异味，颜色及有机物等。

3）超滤：简称UF，也叫中空纤维，是利用超滤膜孔径的一种物理筛分过程。超滤膜主要由醋酯纤维或与其性能类似的高分子材料制得，其孔径一般为0.1～0.01 μm，可以过滤细菌、病毒、炭粉等大分子有机物，但对于低分子的有机物如农药、除草剂、洗涤剂等、重金属以及在自来水运输过程中产生二次污染的铁、锰离子等不能有效去除。

4）RO反渗透（简称RO）：即孔径只有0.000 1 μm，运用特制的高压水泵，增加原水压力，使原水在压力的作用下渗透过孔径只有0.000 1 μm的逆渗透膜。化学离子和细菌、真菌、病毒体均不能通过，随废水排出，只允许小于0.000 1 μm的纯水分子通过，由于RO渗透膜过滤率高，被多数净水器选用使用。

净水器中的各种滤芯使用寿命不一样，到了一定时间均需要更换，常用滤芯更换时间见表1。

表1 常用滤芯更换时间

由于各种滤芯更换时间不一致，用户一定时间就需要更换滤芯，给用户使用带来很大的不便；而且滤芯定期不更换易造成阻隔物污染滤芯材料，进而造成滤芯材料二次污染，影响净水器出水水质质量。

1.2 新型滤芯

本文所述新型滤芯为一种复合滤芯，即一根滤芯取代常规的滤芯组合。该复合滤芯包含前置滤芯、RO膜与抗菌碳棒组成，其中前置滤芯在该滤芯的外层，采用PP+碳纤维+PP层层包裹,大大提高了过滤效果，延长前置滤芯寿命；内层为RO膜与抗菌碳棒组成。其中抗菌碳棒主要材料为抗菌碳粉与氧化锌晶须组成。图2为该新型滤芯的结构图。

图2 新型滤芯的结构图

2 新型滤芯试验及结果

针对本文复合滤芯，笔者设计成400 G的通量要求，进行了相关的净水测试，测试情况如表2。

表2 净水器的性能测试要求及验证结果

从表2结果来看，该滤芯的出水质量优良，出水源无杂质、酸碱度合格，脱盐率不差于目前行业水平（反映了该滤芯RO膜的脱盐效益）；从净水流量与总量来看，该复合滤芯保证了净水器的通量要求，提高了滤芯的杀菌能力，延长了滤芯的更换周期（据统计用户平均一天用水10 L，一年需要用3 650 L，11.8*1 000/3650=3.2 年）。

具体测试数据见图3，由数据可以看出，该滤芯长期运行至第22天后，平均净水量低于标准要求1.0，可以测算出该滤芯满足标准要求工作运行时间为10 910 min，相当于运行滤芯工作三年的时间，从运行时间来看，该复合滤芯延长了换芯时间，且出水流量保证。

图3 复合滤芯测试数据

3 新型滤芯抗菌原理

新型抗菌滤芯选用无机抗菌剂，该抗菌剂为氧化锌晶须，其抗菌除了本身金属离子抗菌原理以外，由于晶须特殊的晶体结构和纳米效应，还可以与空气里面的水和空气发生反应，产生羟基自由基以及超氧化物自由基共同左右杀灭细菌，大大提高了其抗菌性。

图4 抗菌机理

3.1 抗菌材料的特点

1）无机抗菌长期抗菌，不迁移；

2）是银系抗菌剂价格的三分之一，成本优势很明显；

3）因氧化锌晶须独特的晶体结构，比普通纳米锌分散性好，抗菌效能高；

4）根据国标饮用水设备有害物质析出标准，对锌的最高容忍量为银系最高容忍量的40倍，该类抗菌剂安全性更好。

3.2 抗菌实现方式

该抗菌剂添加方式简单易操作，只需要混合均匀抗菌剂与炭粉即可，其他按照正常操作挤出压制即可；相比于以前的制作工序只增加了一道粉料混合工序，不需要对碳棒制作工序额外增加工序。

3.3 抗菌测试

抗菌碳棒抗菌测试选用的菌种为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，抗菌率达到99.99%以上（见表3，参考标准：ASTME2149-13a动态条件下的抗菌剂活性测定），抗菌效果优秀。

表3 新型抗菌滤芯的抗菌性能测试

4 结语

复合滤芯是净水器行业中目前最重要的创新，换芯更便捷，减少了用户的售后费用，是净水器行业应用的一个趋势，深受广大用户喜欢且在疫情期间供不应求；滤芯材料抗菌避免了滤芯的二次污染，提高了水质质量，该技术应用会快速吸引用户眼球及提高产品市场份额。本文从滤芯复合与滤芯抗菌两方面进行了测试分析，希望对从事相关技术人员有些许启发。