探析飲用水的凈化機(jī)理與材料方法

鄭 昆，楊 紅

（1.吉林化工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，吉林吉林 132000；2.吉林通用航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132000）

飲用水與人體代謝、人體健康有著密切的關(guān)系，受主客觀因素的綜合影響，目前水源污染與運(yùn)輸中的二次污染問題較為嚴(yán)峻。近年來，飲用水凈化技術(shù)類型逐漸增多，過濾及凈化材料研究逐步深入，顯著推動了飲用水處理事業(yè)的發(fā)展。但不同類型的凈化工藝、材料具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需進(jìn)一步創(chuàng)新和優(yōu)化。

1 飲用水凈化的必要性

近年來，飲用水污染問題受到全社會充分的關(guān)注。由于農(nóng)村地區(qū)大量使用化學(xué)農(nóng)藥，導(dǎo)致水源地遭到污染。城市地區(qū)普遍使用桶裝飲用水，但桶裝飲用水存在著較大的質(zhì)量問題，部分商家出售的桶裝飲用水不符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。同時，家庭飲水機(jī)經(jīng)過長期使用后，也會出現(xiàn)污染情況，隨之影響到飲用水質(zhì)量。針對這種情況，需積極應(yīng)用飲用水凈化及過濾技術(shù)，保證飲用水與相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)相符合。飲用水凈化是指利用過濾材料、凈化工藝等對水源水中的懸浮物質(zhì)、膠體顆粒等進(jìn)行去除，促使水的濁度與凈度與飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)相符合[1]。同時，依托凈化工藝對水中可能存在的原蟲包囊進(jìn)行清除，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對水中微生物含量進(jìn)行控制，避免威脅到人們的身體健康。

2 飲用水的過濾方法及凈化機(jī)理

2.1 過濾方法

現(xiàn)階段，飲用水過濾技術(shù)日趨成熟，主要分為以下兩種。①活性炭過濾。此技術(shù)是指利用活性炭的多孔性對水中的微細(xì)物質(zhì)進(jìn)行吸附，既可實(shí)現(xiàn)脫色、脫氯等目的，又可將有機(jī)物、重金屬、細(xì)菌和病毒等污染物質(zhì)去除掉?；钚蕴康目紫栋l(fā)達(dá)，比表面積較大，吸附特性優(yōu)良。由于活性炭技術(shù)的去污效率較高、使用便捷，目前被廣泛應(yīng)用于自來水廠凈化處理及家庭凈化水設(shè)備中。但活性炭過濾技術(shù)的吸附范圍影響到水凈化效果，且活性炭表面具有較大的空隙，在長期運(yùn)行過程中很容易滋生病菌，大量繁殖微生物，導(dǎo)致飲用水遭到二次污染。②膜分離技術(shù)。此技術(shù)是指利用半透膜選擇性分離不同粒徑分子的混合物。和其他過濾技術(shù)相比，膜分離技術(shù)能夠在常溫環(huán)境下應(yīng)用，不需要添加化學(xué)試劑，物質(zhì)分離可在分子級內(nèi)完成，且具有良好的適應(yīng)性，操作難度較小。目前，膜分離技術(shù)在飲用水凈化領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，涵蓋微濾、超濾、納濾以及反滲透等技術(shù)。微濾是指利用微濾膜凈化處理飲用水，一般采用聚丙烯、醋酸纖維素等有機(jī)膜及金屬、陶瓷等無機(jī)膜，微濾膜能夠?qū)︼嬘盟械奈⒘?、?xì)菌及其他污染物進(jìn)行截留[2]。超濾采用超濾膜凈化、分離飲用水，超濾膜通過截留比膜孔徑大的小分子物質(zhì)，有效實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。納濾技術(shù)可分離水和小分子有機(jī)物，具有較高的截留率。反滲透技術(shù)能夠?qū)λ须x子進(jìn)行截留，可促使水中的膠體粒子、有機(jī)物、細(xì)菌等得到有效去除。但在飲用水凈化中應(yīng)用膜分離技術(shù)時，容易產(chǎn)生污染問題，隨之降低膜的過濾性能。

2.2 凈化機(jī)理

①吸附機(jī)理?；钚蕴窟^濾技術(shù)利用吸附機(jī)理凈化飲用水，根據(jù)作用力差異可從物理吸附與化學(xué)吸附兩個角度劃分吸附類型。物理吸附是將范德華力作為活性炭分子與污染物分子的作用力，依托活性炭微孔結(jié)構(gòu)對飲用水中的雜質(zhì)進(jìn)行吸附。需注意的是，雜質(zhì)分子只有小于活性炭孔徑，才能夠被有效吸附?；瘜W(xué)吸附是將化學(xué)鍵作為作用力，通過影響到污染物分子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吸附目的。②截留機(jī)理。膜分離技術(shù)主要利用截留機(jī)理過濾凈化飲用水，膜孔徑的大小直接影響到污染物的截留效果。由于微濾、超濾、納濾以及反滲透膜具有差異化的孔徑，隨之產(chǎn)生了不同的截留效果。例如，微濾膜具有0.1～1.0 μm 的孔徑范圍，可有效截留大直徑的懸浮固體、菌體等污染物。超濾膜具有0.05 μm～1.00 nm 的孔徑范圍，可有效截留膠體、蛋白質(zhì)、細(xì)菌等污染物[3]。納濾膜的孔徑范圍用nm 表示，可有效截留小分子有機(jī)物。反滲透膜能夠?qū)λ须x子進(jìn)行截留，可將飲用水凈化為無離子水。需注意的是，如果溶質(zhì)分子大小幾乎等同于膜孔徑尺寸，膜孔很容易遭到溶質(zhì)分子的堵塞，對膜的截留效果造成不利影響。③氧化機(jī)理。結(jié)合研究表明，水中溶入的臭氧具有十分復(fù)雜的分解機(jī)理，水中化學(xué)成分會對臭氧的反應(yīng)速率產(chǎn)生直接影響，且會生成不同的產(chǎn)物。通常情況下，可從有機(jī)物與無機(jī)物兩個方面劃分臭氧的氧化機(jī)理。前者依托臭氧反應(yīng)改變有機(jī)物分子，如改變分子量、極性、可生化性等。后者則將臭氧的強(qiáng)氧化性利用起來，依托還原反應(yīng)去除飲用水中的雜質(zhì)。例如，臭氧能夠氧化水中的二價鐵、二價錳，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)物質(zhì)，進(jìn)而順利去除這些雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)過濾凈化目的。

2.3 殺菌消毒技術(shù)

目前，氯消毒與臭氧消毒是飲用水殺菌消毒的主要技術(shù)類型。氯消毒是指利用液氯、漂白粉等氯制劑實(shí)施飲用水消毒處理，可對飲用水中細(xì)菌性、病毒性微生物進(jìn)行殺滅，避免傳播水致疾病。此消毒方法的應(yīng)用效果受諸多因素影響，如水溫、水的渾濁度與pH 值、加氯量以及微生物種類等。同時，在應(yīng)用氯消毒技術(shù)時容易產(chǎn)生副產(chǎn)物，威脅到人體健康。例如，一些人員為改善消毒效果，會增加消毒劑的使用量，隨之生成更多的副產(chǎn)物。臭氧消毒是指利用臭氧這一強(qiáng)氧化劑進(jìn)行飲用水凈化，當(dāng)臭氧在水中溶化后會生成大量羥基自由基，可對水中的無機(jī)物、有機(jī)物進(jìn)行氧化，促使飲用水水質(zhì)得到凈化。臭氧消毒具有更好的消毒效果，且能夠?qū)︼嬘盟挠^感、口感等進(jìn)行改善，目前應(yīng)用較為廣泛。其中，消毒時間、水量以及溫度等是影響臭氧消毒的主要因素。

3 飲用水的凈化材料

3.1 吸附材料

通過在飲用水凈化中應(yīng)用吸附類材料，能夠?qū)⑺械闹亟饘匐x子去除掉，促使水中有毒物質(zhì)濃度降低?，F(xiàn)階段，碳纖維應(yīng)用最為廣泛，由于碳纖維結(jié)構(gòu)的比表面積、空隙面積較大，隨之形成了極強(qiáng)的吸附能力，可對水中氮磷物質(zhì)有效吸附和去除，順利實(shí)現(xiàn)凈化目的。近年來，石墨烯材料也被逐漸應(yīng)用于飲用水處理等環(huán)境領(lǐng)域。石墨烯具有極大的比表面積和極強(qiáng)的吸附能力，在飲用水凈化中具有較高的應(yīng)用價值。當(dāng)氧化石墨烯薄膜接觸到水環(huán)境后，將會有納米級的通道形成，截留大于此尺寸的離子或分子[4]。在未來發(fā)展過程中，通過對石墨烯薄膜中的孔徑大小、毛細(xì)通道尺寸等進(jìn)行控制與壓縮，可更好地滿足飲用水凈化需求。

3.2 環(huán)保材料

為規(guī)避常規(guī)材料在飲用水凈化處理中可能出現(xiàn)的污染問題，人們積極研究和應(yīng)用環(huán)保類材料。其中，殼聚糖纖維的性能優(yōu)良，抗菌環(huán)保優(yōu)勢明顯，且能夠被降解，成為應(yīng)用和研究的重點(diǎn)。殼聚糖的氨基經(jīng)過酸性處理后，能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子化，利用表面正電荷抑制大腸桿菌等細(xì)菌。但需注意的是，如果單獨(dú)使用殼聚糖，則難以保證其成膜性與穩(wěn)定性。由于殼聚糖纖維缺乏良好的可紡性，因此一般會混紡具備良好可紡性的纖維，但要避免混紡對殼聚糖纖維的抗菌性造成不利影響。結(jié)合研究表明，通過涂覆處理纖維膜，能夠改善殼聚糖纖維的應(yīng)用效果。例如，通過在殼聚糖基納米材料上涂覆活性炭，可有效去除細(xì)菌等微生物[5]。和其他消毒劑相比，此種材料具備更佳的抗菌性能與去離子性能。

4 飲用水凈化技術(shù)的發(fā)展趨勢

活性炭、膜分離、臭氧殺菌等凈化技術(shù)具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為持續(xù)改善飲用水凈化效果，需進(jìn)一步深化研究工作。

4.1 活性炭與膜相結(jié)合

為規(guī)避活性炭吸附與膜分離技術(shù)的不足，在飲用水凈化實(shí)踐中可組合應(yīng)用活性炭與膜分離技術(shù)，先利用活性炭吸附飲用水中的雜質(zhì)，改善飲用水的色度與濁度，再利用膜分離技術(shù)進(jìn)一步去除水中的污染物及雜質(zhì)，這樣不但飲用水凈化效果得到改善，膜阻塞、膜污染問題也可得到有效解決，促使膜的使用壽命延長，降低整體凈化成本。此外，通過結(jié)合兩種技術(shù)，能夠彌補(bǔ)活性炭吸附的不足，更徹底地清除水中細(xì)菌，促使飲用水質(zhì)量得到提高。

4.2 光氧化技術(shù)

此技術(shù)在是向纖維、硅膠等多孔材料中投射太陽光、紫外線等，利用電子能量吸附飲用水的雜質(zhì)，且在半導(dǎo)體材料中沉淀水體中的微粒，促使飲用水凈化效果得到改善。實(shí)踐表明，光氧化技術(shù)能夠更好地凈化水中有機(jī)物，可高效降解CHCl3等物質(zhì)?，F(xiàn)階段，光激發(fā)氧化、光催化氧化是研究的重點(diǎn)。前者結(jié)合采用光化學(xué)輻射方式與水、氧等氧化劑對飲用水中的雜質(zhì)進(jìn)行氧化處理。后者則利用TiO2半導(dǎo)體催化劑等在氧化處理水中有機(jī)物。

4.3 超聲空化技術(shù)

此種技術(shù)是利用超聲波對水體中的微小泡核進(jìn)行激化，在微小泡核的變化過程中，水中有機(jī)物將會向有機(jī)酸、氧氣、水等轉(zhuǎn)化，促使殺菌目的得以實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用超聲空化技術(shù)時，超聲波需控制在15 kHz 以上，以便保證凈化效果。和其他凈化技術(shù)相比，此技術(shù)基本上不會產(chǎn)生污染，具有極為突出的應(yīng)用價值和發(fā)展意義。

5 結(jié)語

綜上所述，通過凈化處理飲用水，能夠?qū)⒏踩?、更?yōu)質(zhì)的飲用水提供給人們，避免因飲用水不符合相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)而增加人體疾病的發(fā)生率。近年來，飲用水凈化技術(shù)、材料的類型逐漸增多，對飲用水凈化領(lǐng)域發(fā)展起到了明顯推動作用。在未來發(fā)展中，相關(guān)人員要綜合分析飲用水凈化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，明確各類技術(shù)、材料的優(yōu)勢與不足，進(jìn)一步深化研究工作，不斷提升我國飲用水凈化處理水平。