净水器滤芯污染检测和处理现况

郭蕙萱

摘要：本文通过ICP-MS设备检验了市场上流通最广泛的活性炭滤芯，PP棉滤芯，RO反渗透膜滤芯使用3个月以上后所含污染物含量，分析其对环境的影响，对比国内外废旧滤芯处理现状并对国内废旧滤芯的治理提出建议。实验发现，因净水性能高而普及率最高的RO反渗透膜滤芯废弃后其中金属元素，尤其是铝，铁元素浓度最高，而我国相较国外，尤其是欧美地区，环保和回收的体系尚未完善，尚未重视对废弃滤芯的处理而是将其在垃圾填埋场中填埋，对水环境，产生污染，对植物，水生生物和人体产生较大影响，并由此提出建议，提倡我国完善垃圾分類标准，借鉴国外经验并加以改进，联合建立废旧滤芯回收处理体系。

关键词：净水器;滤芯;金属元素;污染治理

一、引言

如今，环境污染对人们日常生活造成的影响日益严重，水污染则是其中重要的一部分。化工厂和农业生产等产生的废水和土壤中所含污染物经水循环扩散到各类水体，随自来水取用进入广大家庭。虽然自来水需通过过污染物含量检测，污染物离子含量较低，但微量污染物难以代谢，容易在人体内长期积累，且自来水通过金属管道输送和杀菌过程中仍会出现不可避免的二次污染，对日常用水安全造成威胁。[1]

净水器通过引自来水通过其中的滤芯，滤去自来水中的微量污染物，进一步净化自来水，使其能够直接饮用和作其他高水质需求的用途，免去传统的煮沸自来水的步骤，节省时间且相比煮沸净化效果更好。近年来，相关技术的逐渐成熟和净水器功能的增加使各类净水器在市场上大量出现，越来越多人选择在家中配备净水器。

作为净水器中过滤污染物的部分，自来水中的污染物长期在滤芯中富集，堵塞滤芯并造成二次污染，导致滤芯的净水效果随时间推移而减弱，在有效期限过后则必须更换。替换下的废弃滤芯中污染物含量高，可能对环境造成危害。而随着净水器的使用数量增加，滤芯的使用量和废弃量也逐年增加。上述因素使废弃滤芯逐渐成为一类对环境影响较严重的污染物，应经由特殊手段处理，以免污染环境。

但实际生活中，各个地区对废弃滤芯的关注度和针对处理其污染采取的措施各不相同。许多地区并未对净水器废旧滤芯的处理作出详细规定，如我国在现有垃圾分类体系中并未对净水器滤芯进行准确划分。{2]少数地区的部分品牌虽然建立了废弃滤芯的回收处理体系，但由于地区和品牌限制难以普及。

在各类市场上流通的净水器中，滤芯的种类大致可分为活性炭滤芯，PP棉滤芯和RO反渗透膜滤芯三种。废弃滤芯所含的各类污染物中，金属离子占比较大，对环境造成的负面影响较严重，其含量较其他污染物也更易于测定。因此实验选定B，Al，Mn，Fe，As五种元素，测定其在上述三种废弃滤芯浸出液中的含量，估算其对环境可能造成的影响。同时通过网络和实地考察等手段，比较各地处理净水器滤芯污染的情况，提出可能的改善措施。

二、净水器常用滤芯介绍

（一）活性炭滤芯

活性炭滤芯主要分为压缩型活性炭滤芯和散装型活性炭滤芯。压缩型活性炭滤芯内外均包裹一层有过滤作用的无纺布以确保炭芯不会掉落炭粉，炭芯两端装有丁腈橡胶密封垫，使炭芯具有良好密封性。散装型活性炭滤芯将活性炭颗粒装入特制的塑料壳体中，用焊接设备将端盖焊接在壳体的两端面，壳体两端分别放入起无纺布滤片，确保炭芯在使用时不会掉落炭粉和黑水。

滤芯中的活性炭通常以优质果壳炭和煤质活性炭，辅以食品级粘合剂，采用特殊技术加工而成。果壳碳和煤质活性炭通过将炭在隔绝空气的环境下加热去除其中非碳杂质，再经化学或物理方法活化制备，[3]具有发达的孔隙结构，因此具有巨大的表面积，有很强吸附能力。

活性炭滤芯属于微晶形炭，过滤精度一般在1.5nm左右，以物理吸附为主，难以过滤细菌，病毒，重金属等，单独过滤后的水无法直接饮用，在家用多级净水器中一般置于第二级，PP棉滤芯之后，用于吸附水中异味，异色，有机污染物和固体杂质，或用于反渗透膜滤芯之后，改善纯水口感。最长使用期限一般为6个月。

（二）PP棉滤芯

PP棉滤芯是采用无毒无味的聚丙烯树脂为原料制成的管状滤芯。如果原料以聚丙烯为主，就可以称为PP溶喷滤芯。聚丙烯经熔喷、牵引、接收技术，使聚丙烯纤维依靠自粘合相互缠结，形成PP棉滤芯，不需使用其他材料。

PP棉的原料聚丙烯纤维依靠自粘合相互缠结，形成三维曲径微孔结构，外层的纤维较粗，而内层纤维较细，外层相对疏松，内层则紧密，组成了渐变径渐紧的多层梯度结构，每一层都能拦截，贮存水中的杂质。颗粒杂质在经过PP滤芯孔道时，由于个别孔隙被杂质堵塞导致孔径变小，会发生架桥现象，即便是小于孔道的颗粒，也能被阻拦住。PP棉滤芯强度大，当过滤进出口压差为0.4Mpa时，滤流量大，压差小，滤芯不变形。

PP棉滤芯孔径均匀而且密集，过滤最高精度可达1μm。由于其优秀的多层梯度过滤效果，抗压耐腐蚀，过滤流量大，孔隙空间大，纳污能力强的性质，PP棉滤芯一般作为家用多级净水器的第一级滤芯，可过滤自来水中80%以上的杂质。但过滤的杂质越多，滤芯就越容易堵塞，因而PP棉滤芯的寿命普遍较短，依不同地区水质而定，水质差的区域可能3到4个月就需要更换滤芯，而水质较好的区域也不超过6个月，否则易造成二次污染。

（三）RO反渗透膜滤芯

半透膜通过渗透作用，使膜两侧溶液中浓度较低的溶液中的溶剂自发透过半透膜进入浓度较高的溶液中，而溶质无法通过。反渗透作用通过人为在高浓度溶液侧加压，使压力大于原本渗透压之差。此时，溶剂从高浓度溶液进入低浓度溶液中。反渗透作用及相关技术已被广泛运用于海水淡化，高纯水制备等领域。[4]

反渗透膜的主要材料为醋酸纤维素或聚酰胺，市场上以芳香聚酰胺膜为主。醋酸纤维素膜通常以富含纤维素的植物作原材料，经过酯化，水解合成纤维素再制作成膜，芳香聚酰胺膜材料主要为芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺—酰肼以及一些含氮芳香聚合物。反渗透膜分为非对称膜和复合膜两种，非对称膜由单一材料构成，存在最低厚度限制，脱盐率和透水性的互相制约，抗压能力较弱等问题，而能够分别就脱盐与透水选择合适材料的复合膜则很好地解决了以上问题。

家用净水器中的反渗透膜主要由多叶膜袋组成，每一叶膜袋由两片正面相背的膜片、置于两片膜片间的产品水流道和放置在膜表面的湍流网格状进水流道组成，该膜袋三边用胶粘剂密封，第四边开口于有孔的产水收集管上。反渗透膜片复合结构膜片为复合结构，约120μm厚的聚酯材料增强无纺布，约40μm厚的聚砜材料多孔中间支撑层和约0.2μm厚的聚酰胺材料超薄分离层组成。[5]

反渗透膜过滤精度为0.1nm，是最精细的一种膜分离产品，能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物，同时允许水分子通过。反渗透膜滤芯一般作为家用净水器的核心部件，作第四级过滤，除去水中钙、镁、细菌、有机物、无机物、金属离子和放射性物质等。其使用寿命根据不同地区水质有所不同，一般在3到6个月之间。

三、净水器滤芯金属元素含量检测

（一）实验仪器介绍

本次实验中使用美国珀金埃尔默公司NexION 2000系列ICP-MS测定样本中金属离子含量。ICP-MS全称电感耦合等离子体质谱仪，一般用于痕量或超痕量多元素分析和同位素比值分析。ICP-MS由等离子体发生器、雾化室、矩管、四极质谱仪和一个快速通道电子倍增管等部件组成。

工作时，首先在等离子体发生器中以高压电磁场激发氩原子，点火形成电感耦合等离子体（ICP），再将样本处理为溶液，通过雾化装置形成样品气溶胶，导入等离子炬内，高温使其中金属元素电离成为正离子离子。通过铜或镍取样锥收集离子，在低真空下形成分子束，再通过截取板进入四极质谱分析器（MS），經滤质器质量分离后，到达离子探测器。根据探测器的计数与浓度的比例关系，可测出元素的含量或同位素比值。

由于检出限低，谱线简单，基体效应小，结合高温电离和快速灵敏扫描的优点，ICP-MS被广泛运用于生物学，地质学等领域，发挥重要作用。

（二）实验过程

1.样本制备

实验选取目前市场上流通最广的三种净水器滤芯，与当地废品回收站联系取得所需的活性炭，PP棉，RO反渗透膜废旧滤芯样本，均使用3个月以上。各取1支滤芯，除去外壳后将内容物完全浸没在25°C蒸馏水中，活性炭，PP棉滤芯均使用1L蒸馏水浸泡，RO反渗透膜滤芯使用2L蒸馏水。恒温静置24小时后过滤，取15支50mL平底离心管分为3组，分别编号，每支离心管装入50吗L浸出液。活性炭滤芯浸出液装入1-5号离心管，PP棉滤芯浸出液装入6-10号离心管，RO膜滤芯浸出液装入11-15号离心管，待用。

2.数据测定

首先，安装ICP-MS主机蠕动泵上的进样、排水及内标液进样管。配置标准空白溶液，标准溶液，选择72Ge作为内标。点击Work Flow模块下的Review界面，先在Method中选择碰撞反应池分析模式，再在Dataset中选择数据保存路径，然后在Report template中选择“Quant summary.rop”作报告模板。设置完毕后，点击Analyze模块中的Sample，选择手动模式。接下来标准空白，校准标样，平行标样，空白，5份样品的顺序，分别点击Analyze blank， Analyze standard， Analyze sample按钮进行测定。测定结束后，通过Report View窗口右下方的Export all按钮导出结果。

四、净水器滤芯的处理

（一）我国处理现状

我国虽然早已开始推行垃圾分类，倡导环保，但净水器作为近年才开始流行的产品，其滤芯污染尚未得到广泛重视与关注。我国在《生活垃圾分类制度实施方案》中将生活垃圾强制分类为有害垃圾，易腐垃圾，可回收物。有害垃圾主要包括废电池（镉镍电池、氧化汞电池、铅蓄电池等），废荧光灯管（日光灯管、节能灯等），废温度计，废血压计，废药品及其包装物，废油漆、溶剂及其包装物，废杀虫剂、消毒剂及其包装物，废胶片及废相纸等，易腐垃圾主要包括相关单位食堂、宾馆、饭店等产生的餐厨垃圾，农贸市场、农产品批发市场产生的蔬菜瓜果垃圾、腐肉、肉碎骨、蛋壳、畜禽产品内脏等，可回收物主要包括废纸，废塑料，废金属，废包装物，废旧纺织物，废弃电器电子产品，废玻璃，废纸塑铝复合包装等。[2]

其中，净水器滤芯并未被直接列于有害垃圾中，因而不会按照管理办法被收入专门的有害垃圾收纳装置中，经环保企业单独分类，收集，运输和处置。[2]而滤芯显然不属于易腐垃圾，因而在生活中，大部分人们将滤芯归于不属于上述三类垃圾的干垃圾，丢弃于干垃圾桶中，也有部分因其塑料外壳将其当作可回收垃圾。

丢弃于干垃圾桶中的滤芯通常与其他垃圾一起在垃圾填埋场中填埋或焚烧处理。垃圾填埋可分为不卫生填埋和卫生填埋。不卫生填埋通常指在地面上露天掘坑，不经任何隔离或净化措施将垃圾直接填埋于其中。这类填埋方式对环境污染很大，近年来采用这类填埋方式的填埋场已经大幅减少，但在我国郊区与乡村地区仍有出现。卫生填埋是为防止对环境造成污染，根据排放的环境条件，采取适当而必要的防护措施，以达到被处置废物与环境生态系统最大限度的隔绝的填埋方法，对环境危害较前者小，但技术难度大，投资高，填埋操作复杂，管理困难。

（二）国外现状与经验

净水器在欧美地区的许多国家的普及与我国相比较早，因而发展了较完善的滤芯回收体系。诸如Evenpure®， Mavea®， Brita®等都有自己的产品回收体系，其中包括净水器滤芯的回收。以Brita®为例，用户可以在其官网上免费注册账号用于记录和接受奖励。当收集足够多产品后，用户需要将它们晾晒3天以上并装入垃圾袋，装箱。随后用户需要填写一份表格。完成后，用户将获得一张出货标签。将出货标签打印贴在箱子上后用户需要将箱子送往UPS寄出，完成后用户将获得奖励。寄出的废旧产品由TerraCycle®处理。TerraCycle®是致力于回收生活中各类难以回收的材料，并开发其新用法，将其转化为有价值的产品的社会型企业。接收到废旧产品后，其中的塑料部分将被粉碎制成新产品，碳制滤芯则被用作多聚物的制作。

这类回收体系以家庭为单位，鼓励家庭自主进行分类回收，不必将废弃产品丢弃在公共垃圾桶中进行统一分类处理，减轻了公共垃圾处理的工作量从而提高处理效率。同时避免产品中可回收部分在统一处理过程中与其他垃圾中潜在污染物接触，减少了处理过程中的污染。回收的废旧产品经由环保组织处理，可用于本品牌产品的再生产，提高了本品牌的产品回收利用率，减少产品生产成本，提高企业利润。回收体系经知名度较高，用户团体较大的企业进行宣传，实施，参与人数较多，通过奖励体系提高用户参与积极性，有助于培养广泛的环保意识。

然而，这类体系有很强局限性。类似的滤芯回收项目大多需要积累一定数量的废弃产品后才能参与，易造成家庭的不便，可能导致居民对项目的参与度低下，项目无法如预期高效进行。且建立了回收体系的品牌总数较少，而体系通常只接受单一品牌的废旧产品，除此类品牌以外仍有大量废弃净水器滤芯无法回收。而即使建立了相关体系的品牌，也并未对滤芯单独分类，而是将其与其他塑料制品一起运输处理。

五、结果分析与讨论

（一）实验数据分析

实验选取三种市场上流通较广泛的废弃滤芯，通过ICP-MS进行B，Al，Mn，Fe，As五种元素在滤芯浸出液中含量的测定。实验结果如下表。

由表格可以看出，RO反渗透膜滤芯浸出液样本中Al，Mn，Fe元素含量均远高于其余两种样本，分别约为13.5倍，19倍，7.6倍，而制作RO反渗透膜滤芯浸出液样本时使用的蒸馏水体积是制作剩余两种样本的两倍，若使用相同体积的蒸馏水制作样本，则浓度比分别达到27倍，38倍，15.2倍。活性炭滤芯样本与PP棉滤芯样本中Al，Mn，Fe元素含量相近。三种滤芯中As，Mn，B元素含量均较低。

（二）滤芯金属污染的影响

1.金属离子的危害

1.1 铝

铝元素如今在各个领域运用广泛，也易通过各种渠道进入进入水环境，大气中，最终在人体中富集。铝难以被人体吸收，一般吸收率在1%以下[6]，但进入人体后易随血液循环沉积在各个器官中难以被代谢。铝元素具有多种生物毒性，可造成人体抗氧化能力减弱，离子平衡失调，扰乱人体产能机制，造成人体神经系统损害，引发神经退行性疾病如阿尔兹海默症，渗入骨细胞影响其发育造成软骨病等疾病，并对免疫系统造成严重影响。[7] 铝对水生生物毒性很强，水环境中铝元素的富集对水生动植物的影响很大[8]，能通过附着在鱼鳃上导致细胞渗透压失衡，对新陈代谢造成不可逆转的影响[9]，浓度高于0.5mg/L时就能使鱼类致死[10]。铝在土壤中也能随酸碱度改变形成胶体堵塞植物养分输送管道，阻碍植物对营养的吸收，抑制有丝分裂，影响酶的活性[11]，干扰植物中磷酸盐的代谢[12]，对植物造成不可逆转的损害。

1.2 铁

铁是人体必需的微量元素，促进人体生长发育，维持人体正常代谢，但过量铁元素可能抑制细菌杀菌机能，增加感染风险[13]，大鼠实验表明，过量铁元素会导致大鼠肠道菌群改变，造成小肠结膜炎性损伤，阻碍特定基因的表达，影响大鼠生长发育[14]。自然环境中，水体中铁化合物浓度为0.1～0.3毫克/升时，会影响水的色、嗅、味等，水体中所含的某些铁化合物的浓度达到0.04毫克/升，便会出现异味。印染工业用水中铁含量过高时，往往使产品出现难看的斑点，影響塑料，纺织，酿造，食品工业生产。[15]

2. 不同地区污染原因和途径

2.1 国内现状

我国目前主要将废旧净水器滤芯作为干垃圾在垃圾填埋场中填埋焚烧。在这一过程中，部分净水器滤芯被直接填埋，部分与其他垃圾一同先在填埋场中进行发酵，后加以焚烧。上述过程中，废旧滤芯均未经任何处理而与土壤直接接触。滤芯中所含金属离子通过渗透作用进入土壤所含水分，经长久时间逐渐在土壤中富集，或由自然降水等携带进入填埋场附近地下水与河流中，污染水环境。由于近年净水器普及率上升，各大城市中使用净水器的家庭增多，产生的废旧净水器滤芯数量显著增加，且由于RO反渗透净水器净水效果较好[16]，废弃滤芯多为RO反渗透膜滤芯，所含污染物浓度最高。较多的数量和土壤，水源的富集作用使废旧滤芯对土壤和水环境产生较严重的铝，铁污染，使附近地区水质恶化，严重影响附近植物生长，对水生生物造成危害，最终对人体产生影响。

2.2 国外现状

相较我国，欧美地区的许多国家的回收系统更加完善，因此垃圾填埋造成的污染较轻微，但未经处理的滤芯仍占多数。已建立的回收体系中，废旧滤芯并未作为潜在污染物单独分离，而是与其他塑料制品一起储存，运输。运输过程中，由于家庭操作不当，废旧滤芯浸出液可能渗出，污染整个包裹，在废旧滤芯塑料外壳的再利用过程中，滤芯所含金属离子可能对塑料造成一定污染，影响再生产品的品质。

（三）我国改善措施

我国应开始重视废弃滤芯污染，加强对垃圾填埋场的管控标准，积极处理垃圾填埋场泄漏物以减少其对周边环境的污染，在现有垃圾回收体系的基础上，由于市场上流通的滤芯大多难以拆分，我国可将废弃滤芯明确归入有害垃圾，经特殊流程处理避免其内容物对环境污染。我国也可借鉴国外经验，提倡净水器生产厂家建立滤芯回收体系。为避免受限于单一品牌的局限性，各类品牌可联合建立回收体系，或成立专业回收组织处理。在运输过程中，有关组织应提倡家庭在邮寄产品时将滤芯与其他可回收塑料产品隔离，回收处理时，应注意将废旧滤芯与其他部件隔离分开处理，并重视金属污染的除去。

六、总结与展望

本次研究发现各类废旧净水器滤芯对环境均能造成一定污染，其中RO反渗透膜滤芯对环境的影响最为严重。而相对地，国内外对废旧滤芯污染均未报以足够重视，其中我国尚未建立完善的环保回收体系，现有垃圾分类制度中也未对废旧滤芯加以分类，导致大量废旧滤芯被归为干垃圾在垃圾填埋场中处理，加重垃圾填埋场对周围环境的污染，并导致滤芯塑料外壳等可回收材料的浪费。研究发现了我国现有的垃圾分类体系中的一个盲点，并结合国外经验提出改善方法，对我国进一步完善垃圾分类制度和环保体系，提高可回收资源的利用率，减少再生产品的潜在污染，建立环境友好型社会有所帮助。

本次实验也有其缺陷。由于条件限制，实验仅能采取一组样本进行测定，由于水质不同，家庭使用净水器的方式不同，净水器滤芯中金属离子的含量因此可能有较大差异。恒温浸渍的实验条件与现实情况有所差距，实验结果仅能作为估测。我国幅员辽阔，不同地区，不同流域水质差异较大，希望今后的相关研究中能够从不同地区，不同家庭中采集样本，同时模拟更真实的渗透环境，以确认实验结果的普遍性。

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