家用净水器滤芯现状与发展

陈子斌

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

随着生活水平的不断提高，人们越来越关注饮用水对健康的益处，中国家庭对安全饮用水的要求也在不断提高。饮用水安全对于保持身体健康至关重要。然而，由于工业和城市垃圾不断增加，水源枯竭，污染源变得越来越复杂。此外，随着人们越来越注重健康，他们对饮用水的质量要求也越来越高。家用净水器正成为确保饮用水安全和维护公众健康的重要工具。然而，工业污染和城市垃圾污染的不断加剧导致了各种问题的出现。据市场数据统计[1-2]，2019年至 2022年，家用净水器市场规模一直保持在200 亿元以上，预测 2023年市场规模将达到 242 亿元，增长率为 4.6 %。这一趋势表明，人们对饮水健康问题的关注将继续推动净水器市场的增长，以满足他们对高质量饮用水的需求。随着5G 与物联网的持续发展，家用电器正向着节能、环保、高效的方向迈进。高效的关键问题在于滤芯的选择。本文旨在研究目前净水器滤芯领域的现况，同时探讨未来一段时间家用净水器的发展趋势。开发更高效、更节能的净水系统。

1 家用净水器工作原理

近年来，净水器公司和高校科研人员针对于净水系统进行大量的改进优化，使净水技术不断趋于成熟。当前，市场上主流的净水器构造通常包括一系列经典滤[3]。PP 棉滤芯和各类膜滤芯均用于过滤作用，活性炭滤芯则用于过滤和吸附的双重作用。它们相互配合运作，是各类净水器的核心所在。家用净水器过滤流程图如图1所示。

图1 家用净水器过滤流程图

2 家用净水器滤芯研究

2.1 PP 棉滤

PP 棉过滤器的主要材料是无毒无味的聚丙烯颗粒。这些颗粒经专门装置加热液化后制成聚丙烯喷丝板，然后通过拉伸和缠绕过程变成管状净水器滤芯。这种滤芯主要用于过滤自来水中大于其孔径的悬浮杂质，能够有效截留80%以上的杂质。因此，在家用净水器中，PP棉滤芯用于初级过滤，为后续的过滤作铺垫并提高滤芯使用寿命，对净化后的最终水质有较大的影响。

PP 棉滤芯采用的变径结构，外层纤维粗，内层纤维细。PP 滤芯的水流从外侧流向内侧，随着孔径的减小，其过滤精度也会逐渐增加。滤芯壁厚度决定了过滤层的厚度，过滤层有一定厚度，由三个部分组成：精细过滤、紊流表面和收纳污垢。其中，精细过滤层中孔隙的大小决定了过滤精度，过滤精度可高达 1 微米。通常，市场上常见的过滤精度约为 5 μm。大于公称直径的悬浮物质被PP 棉拦截，会导致孔隙被堵塞，孔径变小，形成“架桥”现象[4]。

PP 棉滤芯采用了流体方向和过滤方向相互垂直的布置方式，有助于提高过滤效果。它具有流量稳定、压差一致的特点。此外，由于采用符合食品卫生标准的洁净聚丙烯材料，它不易造成二次污染。因此，聚丙烯棉过滤器被广泛应用于家用净水器的预过滤系统中。如图2所示。

图2 PP 棉滤芯

2.2 活性炭滤芯

活性炭具有很强的吸附性，水与活性炭接触，可去除部分有机物和残留消毒剂。这种过滤系统具有精致的孔隙结构，能有效去除饮用水中的浑浊度、颜色和气味等感官杂质。此外，它还能有效去除砷、铅、汞、氟化物、氰化物、卤代烃和溴酸盐等有害物质。不仅可以改善口感，最大限度减少对健康的危害，还可以保护其他水处理装置。活性炭滤芯放置与膜滤芯前后，前置活性炭滤芯可净化水质，延长膜滤芯寿命。后置的活性炭滤芯可以进一步减少残留的挥发性有机化合物和异味，这些物质在膜过滤阶段可能尚未消除或已经产生。

活性炭是一种多孔材料，其表面积约为每克1 000 m²，因此具备良好的吸附能力[5]。将椰壳、煤和石油等经过炭化和活化后制成活性炭。活性炭具有不同孔径，其中微孔占活性炭比表面积的90 %以上，是吸附污染物的主要产所。活性炭通常用作生产滤芯的原材料，滤芯通过压缩和填充技术进行加工。市面上常见的活性炭滤芯主要有压缩型和颗粒型两种。如图3所示。

图3 常见的活性炭滤芯类型

2.2.1 有机物去除

公共供水中植物腐烂后产生的有机物，经过长时间的化学反应，使它们更容易溶于水，并以大分子量有机酸的形式存在。最终形成了分子量更小、大小不一的酸。有机酸分子的大小、数量和化学结构取决于许多因素（pH值和温度等）。因此，存在巨大数量的有机酸使有机物去除困难。

一般来说，有机物可利用活性炭的吸附性进行净化。碳表面（非极性）和污染物（非极性）之间有一定的吸引力。所以相当于活性炭对所有的分子都施加相互粘附的力。但其吸附力很弱，除非有机分子靠近碳的表面，否则不会发生吸附力。

2.2.2 残留消毒剂去除

活性炭可以通过催化还原反应去除和残留的消毒剂（氯和氯胺）。通过化学反应，使电子从活性炭表面转移到残留的消毒剂。其中活性炭起到还原剂的作用。活性炭通过化学反应将氯还原为不氧化的氯离子。反应过程迅速（只需要几秒钟）。活性炭去除氯胺的反应则较为缓慢。城市供水（pH 值约为7～8）中氯胺的主要种类是单氯胺。单氯胺与活性炭反应也会产生不氧化氯离子。

活性炭会因为吸附的量饱和而达到使用寿命，其过滤有效性取决于水中杂质的浓度和类型、活性炭颗粒的大小和表面积、以及水通过过滤器的流速等。须定期更换或再生以保持其有效性。

2.3 膜滤芯

膜滤芯是一种常用于水处理和液体过滤的设备，它通常由多层膜组成，用于分离固体颗粒、悬浮物、微生物和溶解物等杂质，从而提供清洁和纯净的液体。可以分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜4 大类。这些膜滤芯基于不同的工作原理来完成过滤任务。

2.3.1 微滤膜（MF）

微滤膜的过滤精度在（0.1 ～1）μm 之间，能够有效地将溶液中的较大分子或颗粒截留在膜表面，同时允许较小分子和溶质通过膜的孔隙，实现物质的分离和净化。用于分离和过滤较大尺寸的颗粒、细菌、悬浮物和微生物等物质。微滤膜一般采用聚合物材料制成，如聚丙烯、聚酯等，也可以使用陶瓷、金属等材料制成。通常用于预处理阶段，以保护后续的膜或其他过滤设备。

2.3.2 超滤膜（UF）

超滤膜的过滤精度在（0.001 ～0.1）nm 之间，能够截留较大的分子、颗粒和胶体，同时允许较小分子和溶质通过膜的孔隙。超滤膜可以有效去除微生物、蛋白质和其他大分子有机化合物以及重金属。这一过程有选择性地允许小分子和溶解固体（如钙镁化合物）通过超滤膜，而无需过滤。超滤膜通常由聚合物材料制成，如聚酰胺、聚酯等，也可以使用陶瓷、金属等材料制成。透过孔径较小的膜来分离溶解物、细菌、病毒和大分子溶质，并保留对人体有益的一些矿物质元素，常用于饮用水净化和工业用途。

超滤膜是一种多孔层，依靠静压差推动来进行污染物去除，利用压差进行分离[6]，具体工作原理如图4所示。在特定的入口压力下，原水中的水分子和溶质通过超滤膜从高压侧移动到低压侧，原水中的大分子组分被超滤膜过滤出来，低压侧的净水成为滤出液。高压一侧未通过膜的液体被称为浓缩液。总体而言，反渗透膜的化学特性不会对其运行期间的分离效果产生重大影响。

图4 超滤膜工作原理图

2.3.3 纳滤膜（NF）

纳滤膜的过滤精度在（0.001 ～0.01）nm 左右，介于超滤和反渗透之间，可以分离较小的离子和有机分子，广泛应用于水处理和色素分离等领域。

纳滤芯由半透膜组成，对低分子量物质和某些廉价离子具有选择性渗透特性。这种特殊类型的分离膜得名于其能够有效截留纳米级别的物质。纳滤膜常用于去除水中的有机物和色素等杂质可以有效降低水的硬度。在操作时，纳滤膜需要外部压力，类似于反渗透膜所需的压力。目前，纳滤膜被广泛用于生产工业纯净水[7,8]。

2.3.4 反渗透膜（RO）

反渗透膜的过滤精度优于纳滤膜，是用特定的高分子材料制成的具有选择性能的薄膜。其孔径极小，是微生物的五千分之一，几乎只有水分子可以通过。因此可以去除绝大部分溶解性固体和溶质，是目前市售最精细的一种膜分离产品。反渗透膜元件目前主要分为两种类型，即螺旋卷式和中空纤维[9]。在使用时，需要施加电压，实现水和溶质的分离，以达到清理水中杂质的效果。目前，这种技术在海水淡化和宇航员废水回收领域非常普遍。因此，反渗透膜也被戏称为体外高科技人工肾脏。

反渗透的原理如图5所示：过滤时，原水在水泵压力驱动下克服自然的压力通过反渗透膜由高浓度一侧流向低浓度一侧，成为了净化水。在渗透过程中，高浓度的一侧液面上升，低浓度的一侧液面下降，直到通过半透膜迁移的水分子产生的水柱压力与渗透压平衡，液液面变化停止。这时液柱的高度差被称为溶液的渗透压。反渗透膜需要满足两个工作条件：

图5 反渗透膜工作原理图

1）具有良好的透水性与选择透过性

2）两边的渗透差小于静压差。

反渗透过滤装置是现代家用水过滤系统的重要组成部分，能够非常精确地去除各种杂质。然而，由于其制造成本较高，因此如何延长反渗透滤芯的使用寿命成为近年来广受关注的研究领域。

3 家用净水器的发展

家用净水器的研究主要受到科技发展、环境变化和用户需求等因素的影响。以下是当前和未来净水器研究的一些方向[10]：

1）多技术融合：未来的家用净水器可能会采用多种水处理技术的组合，以更全面地去除不同类型的污染物。例如，结合活性炭过滤、纳滤和紫外线消毒等技术，提供更高效的水质净化效果。

2）高效能耗比：在设计家用净水器时，注重提高能耗效率，采用更节能的技术和材料，以减少能源消耗并降低使用成本。

3）智能化和自动化：家用净水器可能朝着智能化方向发展，具备监测和自动控制功能，能够根据水质状况和使用需求自动调整运行模式，提供更便捷的使用体验。

4）远程监控和管理：部分家用净水器可能会通过互联网连接，允许用户远程监控水质状况、滤芯寿命等信息，甚至进行远程控制和维护。

5）节约材料和减少浪费：设计更可持续的净水器，考虑材料的可再生性和可回收性，减少废弃物产生，促进循环经济。

6）紧凑型设计：设计更紧凑、轻巧的净水器，适应不同户型和空间限制，提高适用性和方便性。

7）多功能性：未来的家用净水器可能会融合其他功能，如冷热水供应、气味去除、水氢氧生成等，满足用户多方面的需求。

8）环保技术应用：探索更环保、低污染的水处理技术，减少净水过程中对环境的影响。

9）个性化定制：基于用户的水质需求和健康状况，提供个性化的水质处理方案和净水器配置。

总的来说，未来家用净水器将更加注重智能化、高效节能、多功能化和环保化，以满足人们对健康饮用水的不断增长的需求，并适应社会和科技的发展。

4 结语

本文主要对家用净水器的工作原理及关键部件的研究现状进行阐述。得出以下结论：家用净水器均向智能化、高效节能、多功能化和环保化发展。本文重点对净水器的滤芯进行了研究，介绍了现阶段主流的滤芯——PP 棉滤芯、活性炭滤芯以及膜滤芯。与此同时，我们还对家用净水器的未来发展趋势进行了分析，旨在帮助科研人员开展相关研究。目前，新型水处理技术的不断开发和测试，为未来水过滤系统的发展提供了巨大的机遇。环境和能源问题仍将是人们关注的焦点，因此净水器的开发必须以环保和节能为原则，以满足公众需求为目标。