凈水器濾料配比對(duì)凈水效果的影響研究及可調(diào)式濾芯的設(shè)計(jì)

宋奕程 蔣振東 段鋒

摘 要：我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，導(dǎo)致各地水質(zhì)差別巨大。而市場(chǎng)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(zhì)的差異，因此不能適應(yīng)不同的水質(zhì)從而達(dá)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(shí)，濾料也不能通過再生重復(fù)利用。本文首先針對(duì)北京地區(qū)不同地方的飲用水，研究濾料配比對(duì)凈水效果的影響。之后對(duì)于前述研究結(jié)果可能的應(yīng)用進(jìn)行探討，提出了一種“按照水質(zhì)不同動(dòng)態(tài)調(diào)整濾料配比”的應(yīng)用模式，為今后凈水器的設(shè)計(jì)提供了一種參考思路。最后設(shè)計(jì)了一種可按濾料配比調(diào)節(jié)與組裝的凈水器濾芯：根據(jù)濾料的數(shù)量調(diào)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(diǎn)是：1）可以依據(jù)水質(zhì)的不同按需填裝不同配比的濾料，使凈水效果達(dá)到最佳;2）濾料可以按需要的數(shù)量填裝，避免浪費(fèi);3）濾芯殼體能夠重復(fù)使用，濾料也可以方便地清洗、再生和重復(fù)使用，從而能夠減少白色污染，降低使用成本。

關(guān)鍵詞：凈水器;濾料配比;凈水效果;可調(diào)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(gè)地區(qū)發(fā)展環(huán)境和生活質(zhì)量的重要標(biāo)志，也是最基本、最重要的民生保障。目前，我國(guó)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(jī)物和重金屬離子，嚴(yán)重地污染了飲用水源，水體中有毒有害化學(xué)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(shù)勢(shì)在必行、刻不容緩。[1]

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，又由于各地發(fā)展?fàn)顩r的不平衡，水資源污染的原因千差萬別，導(dǎo)致各地水質(zhì)差別巨大，甚至同一地方枯水期、豐水期的水源水質(zhì)都有可能不穩(wěn)定。[2]不同的凈水技術(shù)對(duì)于不同的水質(zhì)凈化效果是不同的，因此，針對(duì)不同的水質(zhì)，研究如何使凈水效果達(dá)到最佳，不僅具有重要的理論價(jià)值，也具有廣闊的應(yīng)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(yuǎn)距離調(diào)集未受污染的水，水廠改造進(jìn)行深度處理，在管網(wǎng)供水點(diǎn)至用戶水龍頭之間進(jìn)行補(bǔ)充處理等。前面兩種措施存在不經(jīng)濟(jì)、難度大、改造需要時(shí)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(shí)現(xiàn)的，這種技術(shù)是可使當(dāng)前飲水水質(zhì)最佳的途徑之一。國(guó)外凈水器普及率很高。1998年，日本擁有50萬只，美國(guó)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(guó)，自1997年至2007年，凈水器市場(chǎng)每年以20%以上的速度增加，至2011年，國(guó)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(tái)。[3]

但是，經(jīng)過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)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(zhì)的差異，因此不能適應(yīng)不同的水質(zhì)從而達(dá)到最佳的凈化效果，同時(shí)也由于可能過多填裝的濾料導(dǎo)致浪費(fèi)。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(huì)帶來白色污染。如果凈水器的濾料能夠根據(jù)水質(zhì)的差異按需填裝，并根據(jù)水質(zhì)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，而且濾芯殼體能夠重復(fù)使用，則不但能夠達(dá)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(duì)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(duì)凈水效果的影響，然后基于上述研究結(jié)果，設(shè)計(jì)出一種能夠按濾料配比調(diào)節(jié)與組裝的凈水器濾芯。具體來說，就是能夠依據(jù)水質(zhì)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)濾芯的體積，能夠依據(jù)濾料的種類動(dòng)態(tài)組裝濾芯，濾芯殼體能夠重復(fù)使用，濾料能夠方便地取出進(jìn)行清洗、再生以便多次使用。

2 濾料配比對(duì)凈水效果的影響研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）pH試紙，（2）礦化度（TDS）檢測(cè)筆，（3）總硬度測(cè)試盒，（4）硝酸鹽測(cè)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(gè)市場(chǎng)上常見的家用濾壺式凈水器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)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(duì)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(shí)驗(yàn)步驟

（1）制備濾料，加入濾芯中。

（2）將一定體積原水導(dǎo)入濾壺，并開始計(jì)時(shí)。

（3）原水完全通過濾芯后計(jì)時(shí)結(jié)束。

（4）檢測(cè)過濾后的水質(zhì)，并分析其與活性炭、離子交換樹脂的配比之間的關(guān)系。

2.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)檢測(cè)方法

pH采用pH試紙，TDS采用TDS檢測(cè)筆，總硬度采用總硬度測(cè)試盒，硝酸鹽采用硝酸鹽測(cè)試盒。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象是采自北京不同地區(qū)的3個(gè)飲用水水樣。首先對(duì)原水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，之后針對(duì)每個(gè)水樣進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，研究?jī)羲鳛V料配比對(duì)凈水效果的影響，為后文設(shè)計(jì)可按需調(diào)節(jié)與組裝的濾芯提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.4.1 1號(hào)水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.4.2 2號(hào)水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.4.3 3號(hào)水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.5 實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論

（1）通過對(duì)比3個(gè)原水的水樣可知，即使同在北京地區(qū)，飲用水的水質(zhì)差別也是很大的，可以推斷，我國(guó)各地的水質(zhì)差別將會(huì)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(zhì)而采用不同的濾料配比，則不但能達(dá)到滿意的凈水效果，還能節(jié)省濾料。

3 可按需調(diào)節(jié)與組裝的濾芯設(shè)計(jì)

3.1 背景概述

目前，我國(guó)水資源污染狀況較為嚴(yán)重，[1]并且各地水質(zhì)差別巨大，[2]使用凈水器解決飲水問題成本較低、易于實(shí)現(xiàn)、簡(jiǎn)便易用，是改善當(dāng)前飲用水水質(zhì)的最佳途徑之一。[3]當(dāng)前對(duì)于凈水器凈水方法的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

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

（2）同類凈水器對(duì)不同水質(zhì)的凈化效果研究，如文獻(xiàn)[5]。

（3）不同種類凈水器對(duì)不同水質(zhì)的凈化效果研究，如文獻(xiàn)[6]。

以上研究或者沒有考慮不同水質(zhì)，如（1），或者只針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的凈水器，如（2）、（3），都沒有考慮針對(duì)不同水質(zhì)，動(dòng)態(tài)調(diào)整凈水器濾料的配比達(dá)到更好的凈水效果。

另一方面，經(jīng)過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)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(zhì)的差異，因此不能適應(yīng)不同的水質(zhì)從而達(dá)到最佳的凈化效果。

3.2 設(shè)計(jì)說明

針對(duì)當(dāng)前的水質(zhì)狀況以及凈水器面臨的問題，如果能夠首先根據(jù)水質(zhì)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(diào)節(jié)與組裝凈水器的濾芯，之后將濾料填裝進(jìn)入濾芯，則不但能夠達(dá)到更好的凈化效果，還能節(jié)約成本。因此，本文打算設(shè)計(jì)一個(gè)具有上述功能的可調(diào)式凈水器濾芯。

3.3 濾芯的結(jié)構(gòu)與功能

濾芯包含一個(gè)或多個(gè)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(gè)部分，這兩個(gè)部分通過螺紋聯(lián)結(jié)，并可以通過旋轉(zhuǎn)來調(diào)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(jié)過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)用來過濾較大顆粒的雜質(zhì)以保護(hù)濾料，用來防止濾料泄漏，還可以用來聯(lián)結(jié)兩個(gè)不同的過濾單元。

3.4 濾芯的使用方法

（1）首先檢測(cè)要凈化的原水水質(zhì)指標(biāo)，然后根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算出達(dá)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(gè)過濾單元自身填裝的濾料體積來調(diào)節(jié)過濾單元的體積，使之與濾料的體積匹配。（3）將若干個(gè)過濾單元組裝在一起，形成一個(gè)濾芯。

3.5 濾芯的優(yōu)點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的可按需調(diào)節(jié)與組裝的濾芯，就是能夠根據(jù)濾料的數(shù)量調(diào)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(diǎn)：

（1）依據(jù)水質(zhì)的不同按需填裝不同配比的濾料，使凈水效果達(dá)到最佳。（2）濾料按需要的數(shù)量填裝，避免浪費(fèi)。（3）濾芯殼體能夠重復(fù)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(jìn)行清洗、再生和重復(fù)使用，可以減少環(huán)境污染并降低使用成本。

3.6 濾芯的應(yīng)用模式探討

當(dāng)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(fù)雜性，減少生產(chǎn)成本。因此，可調(diào)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(shí)，也生產(chǎn)可調(diào)式濾芯，在此基礎(chǔ)上，建議采用以下3類應(yīng)用模式：

（1）生產(chǎn)廠家將可調(diào)式濾芯發(fā)往各地的銷售部門，銷售部門首先檢測(cè)所在地各個(gè)水廠的水質(zhì)指標(biāo)，然后根據(jù)不同的水質(zhì)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(cè)水質(zhì)后按需組裝相應(yīng)的凈水器。（3）用戶買來可調(diào)式濾芯，根據(jù)自家飲用水的水質(zhì)，用DIY的方式組裝凈水器。

4 展望

下一步的工作應(yīng)該采用更先進(jìn)的儀器設(shè)備，并經(jīng)過更多次的實(shí)驗(yàn)，來建立水質(zhì)指標(biāo)（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(duì)應(yīng)表格，以便于在檢測(cè)出水質(zhì)指標(biāo)之后能夠便捷地計(jì)算出所需的濾料配比，從而有助于可動(dòng)態(tài)調(diào)整式凈水器的進(jìn)一步推廣。

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