净水器滤料配比对净水效果的影响研究及可调式滤芯的设计

宋奕程 蒋振东 段锋

摘 要：我国幅员辽阔，地质情况复杂，导致各地水质差别巨大。而市场上各类净水器内的滤料都是事先填装好的，并没有考虑各地水质的差异，因此不能适应不同的水质从而达到最佳的净化效果。另外，目前的净水器滤芯一般是用过即丢弃，在造成白色污染的同时，滤料也不能通过再生重复利用。本文首先针对北京地区不同地方的饮用水，研究滤料配比对净水效果的影响。之后对于前述研究结果可能的应用进行探讨，提出了一种“按照水質不同动态调整滤料配比”的应用模式，为今后净水器的设计提供了一种参考思路。最后设计了一种可按滤料配比调节与组装的净水器滤芯：根据滤料的数量调节滤芯的体积，根据滤料的种类确定组装滤芯的过滤单元数目。这种滤芯的优点是：1）可以依据水质的不同按需填装不同配比的滤料，使净水效果达到最佳;2）滤料可以按需要的数量填装，避免浪费;3）滤芯壳体能够重复使用，滤料也可以方便地清洗、再生和重复使用，从而能够减少白色污染，降低使用成本。

关键词：净水器;滤料配比;净水效果;可调式滤芯

1 绪论

水是生命之源，万物之基，是人类赖以生存、不可或缺的自然资源。水资源是一个地区发展环境和生活质量的重要标志，也是最基本、最重要的民生保障。目前，我国的水资源状况不容乐观：随着工农业飞速发展，工厂三废、各类农药以及生活污水中所含的大量的有毒有害有机物和重金属离子，严重地污染了饮用水源，水体中有毒有害化学污染物含量逐年上升，品种逐年增多。因此，研发各类有效的净水技术势在必行、刻不容缓。[1]

我国幅员辽阔，地质情况复杂，又由于各地发展状况的不平衡，水资源污染的原因千差万别，导致各地水质差别巨大，甚至同一地方枯水期、丰水期的水源水质都有可能不稳定。[2]不同的净水技术对于不同的水质净化效果是不同的，因此，针对不同的水质，研究如何使净水效果达到最佳，不仅具有重要的理论价值，也具有广阔的应用前景。

为解决饮水可能给人体健康带来的危害，目前主要采取的措施有：远距离调集未受污染的水，水厂改造进行深度处理，在管网供水点至用户水龙头之间进行补充处理等。前面两种措施存在不经济、难度大、改造需要时间、无法解决管路的二次污染等问题。使用净水器解决饮水问题是可以接受且易于实现的，这种技术是可使当前饮水水质最佳的途径之一。国外净水器普及率很高。1998年，日本拥有50万只，美国拥有600万只，人口仅2500万的加拿大，亦拥有每年10万只的销售量。在我国，自1997年至2007年，净水器市场每年以20%以上的速度增加，至2011年，国内生产家用净水器企业约有3000余家，2011年产净水器约3000万台。[3]

但是，经过调查研究，发现市场上各类净水器内的滤料都是事先填装好的，并没有考虑各地水质的差异，因此不能适应不同的水质从而达到最佳的净化效果，同时也由于可能过多填装的滤料导致浪费。另外，目前的净水器滤芯一般是用过即丢弃，而塑料制成的滤芯壳体会带来白色污染。如果净水器的滤料能够根据水质的差异按需填装，并根据水质变化动态调整，而且滤芯壳体能够重复使用，则不但能够达到更好的净化效果，还能减少白色污染，节约成本。

本文首先针对北京地区不同地方的饮用水，研究滤芯中滤料配比（种类与数量）对净水效果的影响，然后基于上述研究结果，设计出一种能够按滤料配比调节与组装的净水器滤芯。具体来说，就是能够依据水质的不同按需填装不同配比的滤料，能够依据滤料的数量动态调节滤芯的体积，能够依据滤料的种类动态组装滤芯，滤芯壳体能够重复使用，滤料能够方便地取出进行清洗、再生以便多次使用。

2 滤料配比对净水效果的影响研究

2.1 实验材料

（1）pH试纸，（2）矿化度（TDS）检测笔，（3）总硬度测试盒，（4）硝酸盐测试盒，（5）电子天平（量程500克），（6）活性炭，（7）离子交换树脂（阴/阳），（8）试管，（9）纯净水。

此外，还选用了一个市场上常见的家用滤壶式净水器作为实验设备。通过在该净水器的滤芯中添加不同配比的滤料来研究其对净水效果的影响。图1和图2分别是净水器和滤芯的图片：

2.2 实验步骤

（1）制备滤料，加入滤芯中。

（2）将一定体积原水导入滤壶，并开始计时。

（3）原水完全通过滤芯后计时结束。

（4）检测过滤后的水质，并分析其与活性炭、离子交换树脂的配比之间的关系。

2.3 实验水质检测方法

pH采用pH试纸，TDS采用TDS检测笔，总硬度采用总硬度测试盒，硝酸盐采用硝酸盐测试盒。

2.4 实验数据及分析

实验对象是采自北京不同地区的3个饮用水水样。首先对原水水质进行检测，之后针对每个水样进行多组实验，研究净水器滤料配比对净水效果的影响，为后文设计可按需调节与组装的滤芯提供实验依据。

2.4.1 1号水的实验数据及分析

2.4.2 2号水的实验数据及分析

2.4.3 3号水的实验数据及分析

2.5 实验研究的结论

（1）通过对比3个原水的水样可知，即使同在北京地区，饮用水的水质差别也是很大的，可以推断，我国各地的水质差别将会更加巨大。

（2）滤料的配比，即滤料的种类和数量，影响净水效果。

（3）如果能根据原水的不同水质而采用不同的滤料配比，则不但能达到满意的净水效果，还能节省滤料。

3 可按需调节与组装的滤芯设计

3.1 背景概述

目前，我国水资源污染状况较为严重，[1]并且各地水质差别巨大，[2]使用净水器解决饮水问题成本较低、易于实现、简便易用，是改善当前饮用水水质的最佳途径之一。[3]当前对于净水器净水方法的研究主要集中在以下几个方面：

（1）对于不同的滤料及其组合的净水效果研究，如文献[1]和文献[3]和文献[4]。

（2）同类净水器对不同水质的净化效果研究，如文献[5]。

（3）不同种类净水器对不同水质的净化效果研究，如文献[6]。

以上研究或者没有考虑不同水质，如（1），或者只针对市场上现有的净水器，如（2）、（3），都没有考虑针对不同水质，动态调整净水器滤料的配比达到更好的净水效果。

另一方面，经过调查研究，发现市场上各类净水器内的滤料都是事先填装好的，并没有考虑各地水质的差异，因此不能适应不同的水质从而达到最佳的净化效果。

3.2 设计说明

针对当前的水质状况以及净水器面临的问题，如果能够首先根据水质的不同确定净水器滤料的配比，然后根据滤料配比按需调节与组装净水器的滤芯，之后将滤料填装进入滤芯，则不但能够达到更好的净化效果，还能节约成本。因此，本文打算设计一个具有上述功能的可调式净水器滤芯。

3.3 滤芯的结构与功能

滤芯包含一个或多个过滤单元，过滤单元的外观图如图3所示：

（1）过滤单元用来填装滤料，包含上下两个部分，这两个部分通过螺纹联结，并可以通过旋转来调节体积的大小。

（2）上半部分的顶端和下半部分的底端，可以通过螺纹来联结过滤网。过滤网用来过滤较大颗粒的杂质以保护滤料，用来防止滤料泄漏，还可以用来联结两个不同的过滤单元。

3.4 滤芯的使用方法

（1）首先检测要净化的原水水质指标，然后根据水质指标计算出达到理想净化效果所需的滤料配比：即需要哪几种滤料，以及每种滤料的数量。（2）将不同种类的滤料分别填装入不同的过滤单元，根据每个过滤单元自身填装的滤料体积来调节过滤单元的体积，使之与滤料的体积匹配。（3）将若干个过滤单元组装在一起，形成一个滤芯。

3.5 滤芯的优点

本文设计的可按需调节与组装的滤芯，就是能够根据滤料的数量调节滤芯的体积，根据滤料的种类确定组装滤芯的过滤单元数目。滤芯具有如下优点：

（1）依据水质的不同按需填装不同配比的滤料，使净水效果达到最佳。（2）滤料按需要的数量填装，避免浪费。（3）滤芯壳体能够重复使用，可以减少白色污染，降低成本。（4）不同种类的滤料填装入不同的过滤单元，便于采用不同方式进行清洗、再生和重复使用，可以减少环境污染并降低使用成本。

3.6 滤芯的应用模式探讨

当前的净水器滤芯内的滤料都在出厂前填装，并一次性封装，主要考虑的是降低生产复杂性，减少生产成本。因此，可调式滤芯并不是立即全部取代原有的滤芯，而是希望生产厂家在生产原有滤芯的同时，也生产可调式滤芯，在此基础上，建议采用以下3类应用模式：

（1）生产厂家将可调式滤芯发往各地的销售部门，销售部门首先检测所在地各个水厂的水质指标，然后根据不同的水质按需组装不同滤料配比的净水器，再根据用户的供水水厂按需销售。（2）用户将自家饮用水采样送到净水器销售部门，由销售部门检测水质后按需组装相应的净水器。（3）用户买来可调式滤芯，根据自家饮用水的水质，用DIY的方式组装净水器。

4 展望

下一步的工作应该采用更先进的仪器设备，并经过更多次的实验，来建立水质指标（如TDS、硝酸盐、总硬度等）的范围与滤料（如活性炭、离子交换树脂等）配比之间的对应表格，以便于在检测出水质指标之后能够便捷地计算出所需的滤料配比，从而有助于可动态调整式净水器的进一步推广。

参考文献：

[1]李宪平.净水器滤芯材料的制备与性能测试[J].湖南人文科技学院学报，2006（3）：34-37.

[2]伍仟新，伍桃英.我国农村居民生活饮用水现状分析[J].现代农业科技，2018（14）：175-176.

[3]齐龙，刘友良.净水器用活性炭的选择与评价[J].城市公用事业，2013，27（1）：31-35.

[4]傅修军，杨闯，牛翰彬.活性炭滤芯净水效果的影响因素研究[J].山西化工，2017，37（4）：140-152.

[5]趙专科，何继亮.QY 家用净水器对不同水质源水净化效果观察[J].浙江预防医学，2005，15（6）：36-37.

[6]蔡之峰，肖燕，刘莉，等.小型家用净水器的应用初探[J].中国设备工程，2016（11）：171-174.