家用凈水器濾芯現狀與發展

陳子斌

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越關注飲用水對健康的益處，中國家庭對安全飲用水的要求也在不斷提高。飲用水安全對于保持身體健康至關重要。然而，由于工業和城市垃圾不斷增加，水源枯竭，污染源變得越來越復雜。此外，隨著人們越來越注重健康，他們對飲用水的質量要求也越來越高。家用凈水器正成為確保飲用水安全和維護公眾健康的重要工具。然而，工業污染和城市垃圾污染的不斷加劇導致了各種問題的出現。據市場數據統計[1-2]，2019年至 2022年，家用凈水器市場規模一直保持在200 億元以上，預測 2023年市場規模將達到 242 億元，增長率為 4.6 %。這一趨勢表明，人們對飲水健康問題的關注將繼續推動凈水器市場的增長，以滿足他們對高質量飲用水的需求。隨著5G 與物聯網的持續發展，家用電器正向著節能、環保、高效的方向邁進。高效的關鍵問題在于濾芯的選擇。本文旨在研究目前凈水器濾芯領域的現況，同時探討未來一段時間家用凈水器的發展趨勢。開發更高效、更節能的凈水系統。

1 家用凈水器工作原理

近年來，凈水器公司和高?？蒲腥藛T針對于凈水系統進行大量的改進優化，使凈水技術不斷趨于成熟。當前，市場上主流的凈水器構造通常包括一系列經典濾[3]。PP 棉濾芯和各類膜濾芯均用于過濾作用，活性炭濾芯則用于過濾和吸附的雙重作用。它們相互配合運作，是各類凈水器的核心所在。家用凈水器過濾流程圖如圖1所示。

圖1 家用凈水器過濾流程圖

2 家用凈水器濾芯研究

2.1 PP 棉濾

PP 棉過濾器的主要材料是無毒無味的聚丙烯顆粒。這些顆粒經專門裝置加熱液化后制成聚丙烯噴絲板，然后通過拉伸和纏繞過程變成管狀凈水器濾芯。這種濾芯主要用于過濾自來水中大于其孔徑的懸浮雜質，能夠有效截留80%以上的雜質。因此，在家用凈水器中，PP棉濾芯用于初級過濾，為后續的過濾作鋪墊并提高濾芯使用壽命，對凈化后的最終水質有較大的影響。

PP 棉濾芯采用的變徑結構，外層纖維粗，內層纖維細。PP 濾芯的水流從外側流向內側，隨著孔徑的減小，其過濾精度也會逐漸增加。濾芯壁厚度決定了過濾層的厚度，過濾層有一定厚度，由三個部分組成：精細過濾、紊流表面和收納污垢。其中，精細過濾層中孔隙的大小決定了過濾精度，過濾精度可高達 1 微米。通常，市場上常見的過濾精度約為 5 μm。大于公稱直徑的懸浮物質被PP 棉攔截，會導致孔隙被堵塞，孔徑變小，形成“架橋”現象[4]。

PP 棉濾芯采用了流體方向和過濾方向相互垂直的布置方式，有助于提高過濾效果。它具有流量穩定、壓差一致的特點。此外，由于采用符合食品衛生標準的潔凈聚丙烯材料，它不易造成二次污染。因此，聚丙烯棉過濾器被廣泛應用于家用凈水器的預過濾系統中。如圖2所示。

圖2 PP 棉濾芯

2.2 活性炭濾芯

活性炭具有很強的吸附性，水與活性炭接觸，可去除部分有機物和殘留消毒劑。這種過濾系統具有精致的孔隙結構，能有效去除飲用水中的渾濁度、顏色和氣味等感官雜質。此外，它還能有效去除砷、鉛、汞、氟化物、氰化物、鹵代烴和溴酸鹽等有害物質。不僅可以改善口感，最大限度減少對健康的危害，還可以保護其他水處理裝置?；钚蕴繛V芯放置與膜濾芯前后，前置活性炭濾芯可凈化水質，延長膜濾芯壽命。后置的活性炭濾芯可以進一步減少殘留的揮發性有機化合物和異味，這些物質在膜過濾階段可能尚未消除或已經產生。

活性炭是一種多孔材料，其表面積約為每克1 000 m2，因此具備良好的吸附能力[5]。將椰殼、煤和石油等經過炭化和活化后制成活性炭?；钚蕴烤哂胁煌讖?，其中微孔占活性炭比表面積的90 %以上，是吸附污染物的主要產所?；钚蕴客ǔＳ米魃a濾芯的原材料，濾芯通過壓縮和填充技術進行加工。市面上常見的活性炭濾芯主要有壓縮型和顆粒型兩種。如圖3所示。

圖3 常見的活性炭濾芯類型

2.2.1 有機物去除

公共供水中植物腐爛后產生的有機物，經過長時間的化學反應，使它們更容易溶于水，并以大分子量有機酸的形式存在。最終形成了分子量更小、大小不一的酸。有機酸分子的大小、數量和化學結構取決于許多因素（pH值和溫度等）。因此，存在巨大數量的有機酸使有機物去除困難。

一般來說，有機物可利用活性炭的吸附性進行凈化。碳表面（非極性）和污染物（非極性）之間有一定的吸引力。所以相當于活性炭對所有的分子都施加相互粘附的力。但其吸附力很弱，除非有機分子靠近碳的表面，否則不會發生吸附力。

2.2.2 殘留消毒劑去除

活性炭可以通過催化還原反應去除和殘留的消毒劑（氯和氯胺）。通過化學反應，使電子從活性炭表面轉移到殘留的消毒劑。其中活性炭起到還原劑的作用?；钚蕴客ㄟ^化學反應將氯還原為不氧化的氯離子。反應過程迅速（只需要幾秒鐘）?；钚蕴咳コ劝返姆磻獎t較為緩慢。城市供水（pH 值約為7～8）中氯胺的主要種類是單氯胺。單氯胺與活性炭反應也會產生不氧化氯離子。

活性炭會因為吸附的量飽和而達到使用壽命，其過濾有效性取決于水中雜質的濃度和類型、活性炭顆粒的大小和表面積、以及水通過過濾器的流速等。須定期更換或再生以保持其有效性。

2.3 膜濾芯

膜濾芯是一種常用于水處理和液體過濾的設備，它通常由多層膜組成，用于分離固體顆粒、懸浮物、微生物和溶解物等雜質，從而提供清潔和純凈的液體?？梢苑譃槲V膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜4 大類。這些膜濾芯基于不同的工作原理來完成過濾任務。

2.3.1 微濾膜（MF）

微濾膜的過濾精度在（0.1 ～1）μm 之間，能夠有效地將溶液中的較大分子或顆粒截留在膜表面，同時允許較小分子和溶質通過膜的孔隙，實現物質的分離和凈化。用于分離和過濾較大尺寸的顆粒、細菌、懸浮物和微生物等物質。微濾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、金屬等材料制成。通常用于預處理階段，以保護后續的膜或其他過濾設備。

2.3.2 超濾膜（UF）

超濾膜的過濾精度在（0.001 ～0.1）nm 之間，能夠截留較大的分子、顆粒和膠體，同時允許較小分子和溶質通過膜的孔隙。超濾膜可以有效去除微生物、蛋白質和其他大分子有機化合物以及重金屬。這一過程有選擇性地允許小分子和溶解固體（如鈣鎂化合物）通過超濾膜，而無需過濾。超濾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、金屬等材料制成。透過孔徑較小的膜來分離溶解物、細菌、病毒和大分子溶質，并保留對人體有益的一些礦物質元素，常用于飲用水凈化和工業用途。

超濾膜是一種多孔層，依靠靜壓差推動來進行污染物去除，利用壓差進行分離[6]，具體工作原理如圖4所示。在特定的入口壓力下，原水中的水分子和溶質通過超濾膜從高壓側移動到低壓側，原水中的大分子組分被超濾膜過濾出來，低壓側的凈水成為濾出液。高壓一側未通過膜的液體被稱為濃縮液?？傮w而言，反滲透膜的化學特性不會對其運行期間的分離效果產生重大影響。

圖4 超濾膜工作原理圖

2.3.3 納濾膜（NF）

納濾膜的過濾精度在（0.001 ～0.01）nm 左右，介于超濾和反滲透之間，可以分離較小的離子和有機分子，廣泛應用于水處理和色素分離等領域。

納濾芯由半透膜組成，對低分子量物質和某些廉價離子具有選擇性滲透特性。這種特殊類型的分離膜得名于其能夠有效截留納米級別的物質。納濾膜常用于去除水中的有機物和色素等雜質可以有效降低水的硬度。在操作時，納濾膜需要外部壓力，類似于反滲透膜所需的壓力。目前，納濾膜被廣泛用于生產工業純凈水[7,8]。

2.3.4 反滲透膜（RO）

反滲透膜的過濾精度優于納濾膜，是用特定的高分子材料制成的具有選擇性能的薄膜。其孔徑極小，是微生物的五千分之一，幾乎只有水分子可以通過。因此可以去除絕大部分溶解性固體和溶質，是目前市售最精細的一種膜分離產品。反滲透膜元件目前主要分為兩種類型，即螺旋卷式和中空纖維[9]。在使用時，需要施加電壓，實現水和溶質的分離，以達到清理水中雜質的效果。目前，這種技術在海水淡化和宇航員廢水回收領域非常普遍。因此，反滲透膜也被戲稱為體外高科技人工腎臟。

反滲透的原理如圖5所示：過濾時，原水在水泵壓力驅動下克服自然的壓力通過反滲透膜由高濃度一側流向低濃度一側，成為了凈化水。在滲透過程中，高濃度的一側液面上升，低濃度的一側液面下降，直到通過半透膜遷移的水分子產生的水柱壓力與滲透壓平衡，液液面變化停止。這時液柱的高度差被稱為溶液的滲透壓。反滲透膜需要滿足兩個工作條件：

圖5 反滲透膜工作原理圖

1）具有良好的透水性與選擇透過性

2）兩邊的滲透差小于靜壓差。

反滲透過濾裝置是現代家用水過濾系統的重要組成部分，能夠非常精確地去除各種雜質。然而，由于其制造成本較高，因此如何延長反滲透濾芯的使用壽命成為近年來廣受關注的研究領域。

3 家用凈水器的發展

家用凈水器的研究主要受到科技發展、環境變化和用戶需求等因素的影響。以下是當前和未來凈水器研究的一些方向[10]：

1）多技術融合：未來的家用凈水器可能會采用多種水處理技術的組合，以更全面地去除不同類型的污染物。例如，結合活性炭過濾、納濾和紫外線消毒等技術，提供更高效的水質凈化效果。

2）高效能耗比：在設計家用凈水器時，注重提高能耗效率，采用更節能的技術和材料，以減少能源消耗并降低使用成本。

3）智能化和自動化：家用凈水器可能朝著智能化方向發展，具備監測和自動控制功能，能夠根據水質狀況和使用需求自動調整運行模式，提供更便捷的使用體驗。

4）遠程監控和管理：部分家用凈水器可能會通過互聯網連接，允許用戶遠程監控水質狀況、濾芯壽命等信息，甚至進行遠程控制和維護。

5）節約材料和減少浪費：設計更可持續的凈水器，考慮材料的可再生性和可回收性，減少廢棄物產生，促進循環經濟。

6）緊湊型設計：設計更緊湊、輕巧的凈水器，適應不同戶型和空間限制，提高適用性和方便性。

7）多功能性：未來的家用凈水器可能會融合其他功能，如冷熱水供應、氣味去除、水氫氧生成等，滿足用戶多方面的需求。

8）環保技術應用：探索更環保、低污染的水處理技術，減少凈水過程中對環境的影響。

9）個性化定制：基于用戶的水質需求和健康狀況，提供個性化的水質處理方案和凈水器配置。

總的來說，未來家用凈水器將更加注重智能化、高效節能、多功能化和環?；?，以滿足人們對健康飲用水的不斷增長的需求，并適應社會和科技的發展。

4 結語

本文主要對家用凈水器的工作原理及關鍵部件的研究現狀進行闡述。得出以下結論：家用凈水器均向智能化、高效節能、多功能化和環?；l展。本文重點對凈水器的濾芯進行了研究，介紹了現階段主流的濾芯——PP 棉濾芯、活性炭濾芯以及膜濾芯。與此同時，我們還對家用凈水器的未來發展趨勢進行了分析，旨在幫助科研人員開展相關研究。目前，新型水處理技術的不斷開發和測試，為未來水過濾系統的發展提供了巨大的機遇。環境和能源問題仍將是人們關注的焦點，因此凈水器的開發必須以環保和節能為原則，以滿足公眾需求為目標。