CN103723870B - 提高常规净水器性能的净水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高常规净水器性能的净水装置，属于水处理技术领域。该装置的封闭壳体的进水口和出水口分别连接供水接口和常规净水器进水口，壳体内设有至少一对的阴电极和阳电极，阳电极和阴电极分别连接电源的正负极，壳体内进水口处设置一个阳电极，壳体内出水口处设置一个阴电极，进水口与出水口之间设有至少一级的过滤层，过滤层具有导电性并位于阴电极和阳电极之间。该装置将电化学水处理与过滤集成，构成电化学处理与过滤处理密不可分协同作用高效处理的有机整体，将水中污染物分质过滤逐级去除，实现对源水的深度净化。
Description
技术领域
本发明涉及一种对生活用水（如市供自来水）进行净化的装置，属于水处理技术领域。
背景技术
水污染与民众生活水平提高催生了生活用水净化行业。然而迄今生活用水净化器的产品同质化严重，产品品质良莠不齐，质量问题层出不穷。我国卫生部虽年年监督抽检，但历年公告的净水器不合格产品及厂家反逐年递增。2010年，两种名牌超滤净水器因抽检细菌超标被通报；2011年卫生部公告不合格品增加到14家。技术创新已成为制约饮用水净化器产业发展的首要瓶颈。如何确保饮用水质的绝对安全，以及节水、环保、健康，成为政府、社会、民众共同关注的焦点。
纵观现有生活用水净化器（以下简称净水器）技术及产品的状况如下：
1、以“龙头水”为处理对象的现有净水器技术已难以适应因环境水污染加剧、市供自来水输送二次污染、自来水加氯消毒有害毒副物等等源水水质的恶化。近年来，自然灾害不断，水污染突发卫生事件频发，要求净水器应设计有一定的弹性负荷强化处理能力，以保证在饮用水突发卫生事件应急期间能够仍能保证出水水质达标。然而，现有市售净水器根本无法满足如此高的要求。
2、市场现有净水器的典型工艺结构为：①前处理（PP棉、陶瓷、不锈钢滤网等，主要用于去除源水中的悬浮颗粒、胶体物质）→②中间处理（均采用颗粒碳-烧结碳，用于除异味、降低色度、吸附余氯、阻隔大分子有机物并吸附小分子有机物、吸附去除重金属离子和除菌等等）→③膜过滤（过滤精度0.1～0.01微米的超滤膜，用于滤除水中所有的悬浮物、胶体、微生物与病毒、以及部分大分子有机物；过滤精度为纳米的纳滤膜，主要用于脱除三卤甲烷中间体、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶性有机物、Ca等硬度成分及蒸发残留物质；反渗透膜）→④后处理（载银活性炭等，主要为改善口感、抑菌等）。上述现有净水器的工艺结构存在的问题有：
2.1前处理尤其是中间环节—活性碳，起到承上启下的重要作用，却又极易受细菌污染等过早饱和失效，需要专业人士定期上门服务频繁更换，同时也增加了接头漏水的概率。
2.2由于前级预处理不能有效工作，大大加重了后级超滤（纳滤、反渗透）处理单元的负荷，以至其设计容量不得不加大，整机成本也相应增加。
2.3因前、中、后各级处理工作的负荷分配不合理，需频繁更换前级滤芯，导致现有净水器均为多级组装结构，无法集成到一个反应器中，性能价格比极低，同时还导致后级膜过滤单元提前破损失效，整机寿命短，这也是净水器不能真正成为家电商品的另一原因。
3、电化学水处理方法是以电化学电解过程的氧化还原反应基本原理为基础，利用电极反应及其相关过程，通过直接和间接的氧化还原、凝聚絮凝、吸附降解和协同转化等综合作用，对水中有机物、重金属、硝酸盐、胶体颗粒物、细菌、色度、嗅味等污染物具有优良的去除效果。但是，电化学水处理技术迄今难以应用到生活饮用水净化处理器中。这是因为，对于生活用净水器来说，水中污染物在净水器中停留接触时间仅仅是秒数量级，由于接触时间太短，因此根本来不及充分反应。目前较广泛应用的KDF（微生物抑制装置）水处理技术，算是电化学在生活用水净化处理器中一种比较好的尝试。但是KDF的比表面积不大，且价格较贵，通常是与活性碳组合使用；而且，KDF的自发原电池电位差太低，氧化还原效果不足。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提出一种串接在常规净水器和源水（市供水）之间可以深度净化生活用水，从而提高常规净水器的装置。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种提高常规净水器性能的净水装置，包括设有进水口和出水口的封闭壳体和和电源，所述壳体内设有至少一对的阳电极和阴电极，所述阳电极和阴电极分别连接电源的正负极，所述进水口连接外部供水接口，所述出水口连接常规净水器的进水口，所述壳体内靠近进水口处设置一个阳电极，所述壳体内靠近出水口处设置一个阴电极，所述壳体内的进水口与出水口之间设有至少一级的过滤层，所述过滤层具有导电性并位于所述阴电极和阳电极之间。
本发明提高常规净水器性能的净水装置的有益效果是：通过将电化学水处理工艺与过滤工艺集成，构成电化学处理与过滤处理密不可分协同作用高效处理的有机整体，在反应器内电极电场间沿水过滤方向，通过兼具电化学与物理过滤双重作用的导电过滤层组合，反应池内的电化学反应过程划分成若干个不同的反应区域，各级过滤层由于在其两侧产生电压降而使其两侧形成正、负极；工作负荷趋于平衡，将水中污染物分质过滤逐级去除，实现对源水的深度净化。
本发明的发明人在实践中进一步发现，如果进水口处的阳电极采用由可析出离子的金属材料制成，则会在进水口处的水中形成絮凝，从而增强水质净化效果。为此，作为对本发明的净水器的进一步改进是：所述壳体内靠近进水口处的阳电极采用由可析出离子的金属材料制成的阳电极。
本发明的发明人在实践中更进一步发现，若使源水进入本发明装置前后产生微涡旋紊流，可以显著改善对源水的净化和活化效果。为此，作为对本发明的净水器的更进一步改进是：所述进水口处的阳电极上开有使进水产生涡旋的透水孔。
上述本发明技术方案的完善如下：
1、所述过滤层是二级以上时，其沿水流方向过滤精度由低到高。
2、所述壳体作为阴电极。
3、所述壳体进水口处的阳电极是由铝或铁制成的阳电极，所述阴电极是采用钛或不锈钢制成的阴电极。
4、所述过滤层是由第一级的陶瓷滤片和第二级的多功能复合净水滤料组成的二级过滤层。
5、所述过滤层是活性炭与有机材料过滤膜采用压接或粘接方法制成的复合膜。
6、所述透水孔的直径大小不等。
7、所述电源采用非对称交变脉冲电解电源，包括环氧树脂防水封装的两块1430毫安时3.7V的锂电池和220V充电附件。
特注：上述本发明技术方案中提到的过滤层既然称为过滤层，则必然是透水性的，而且必然封盖壳体内全部水流的通路或者说过滤层成为壳体内全部水流的通路（即壳体内全部水流都应通过过滤层）。
附图说明
下面结合附图对本发明的净水装置作进一步说明。
图1是本发明实施例一的净水装置结构示意图。
图2是本发明实施例二的净水装置结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的提高常规净水器性能的净水装置参见图1，串接在常规进水器进水口与外部供水进口之间，主要用于强化杀菌能力。该净水装置包括分别设有进水口8和出水口9的封闭壳体1和电源4，壳体1采用食品级PE塑料封装制作。壳体1内设有一对的阴电极2-1和阳电极2-2，阴电极2-1采用均布φ3透水孔的304不锈钢板（也可以棒状或其他形状）制成，阳电极2-2采用均布使进水产生涡旋的φ3透水孔的铝板或铁板（也可以棒状或其他形状）制成；阳电极2-2和阴电极2-1分别连接电源4的正负极。进水口8连接外部供水接口，出水口9连接常规净水器的进水口，进水口8和出水口9的接口规格视外部供水和常规净水器而定，有标称2分口与4分螺纹口可选，可直接与日用生活的用水（供水）口和常规净水器进水口对接。阳电极2-2设置在壳体1内靠近进水口8处，阴电极2-1设置在壳体1内靠近出水口9处，壳体1内的进水口8与出水口9之间设有沿水流方向过滤精度由低到高的二级透水性过滤层，分别是第一级的陶瓷滤片3-4和第二级的多功能复合净水滤料3-5，第一级的陶瓷滤片3-4和第二级的多功能复合净水滤料3-5位于阴电极2-1和阳电极2-2之间并布满壳体1内与水流方向垂直的横截面，从而成为壳体内全部水流的通路使壳体内全部水流都从这二级过滤层通过。
第一级的陶瓷滤片3-4作了导电物质添加改性，具有导电性，厚度5毫米，平均过滤孔径100微米；第二级的多功能复合净水滤料3-5是由多种合金烧结而成，具有导电性，粒径30～80目，堆积容重0.5-0.6g/cm3，比表面积≥900m2/g，碘吸附值≧800mg/g，亚甲蓝吸附值≧120mg/g，压结封装于壳体1内，滤层堆积高度50毫米。
本实施例的电源4采用非对称交变脉冲电解电源，是本发明申请人自制的装置，作环氧树脂防水封装，以两块1430毫安时3.7V的锂电池叠加供电，并附带有220V充电附件。当然，本实施例电极的电源也可以采用直流电源或者其他现有可用于电解水的电源。
杀菌实验：
将本实施例的净水装置与容积为2升的隔水式细菌培养水箱串接，用泵打循环，流速约2.2升/分钟。大肠杆菌细菌总数加标至约32万个/毫升，依据国家环保总局2002年《水和废水监测分析方法》第四版，实验结果见下表1。
表1
| 检测项目 | 细菌总数 |
| 单位 | 个/ml |
| 0分钟 | 320000 |
| 5分钟 | 3300 |
| 10分钟 | 21 |
| 20分钟 | 0 |
| 30分钟 | 1 |
下面分析本实施例净水器对源水净化的工作原理
1、影响过滤层导电性的因素：
经电改性后过滤层材料的电阻率；孔径；体积参数，如面积、厚度。
2、在直流电解电源供电时，影响反应池中阴极和阳极间电流大小的因素：
①各个过滤层的等效电阻。在电化学反应过程中，因过滤层的材质及几何参数导致的电阻可以认为基本是个常数，而水的性质引起的电阻变化则是个变化的量。随着源水中污染物被逐级去除，源水的电阻逐渐增大。
②源水中TDS（溶解性总固体）对电解电流（电阻）的变化：
TDS指水中全部溶质的总量，包括无机物和有机物两者的含量。一般可用电导率值大概了解溶液中的盐份，一般情况下，电导率越高，盐份越高，TDS越高。
在无机物中，除开溶解成离子状的成分外，还可能有呈分子状的无机物。
典型溶解阴离子有：碳酸氢根(HCO3 -),碳酸根(CO3 2-),氢氧根(OH-),硫酸根(SO4 2-),氯离子(Cl-),氟离子(F-),硝酸根离子(NO3 -),硫离子(S2 -)，磷酸根(PO4 4-)
典型溶解阳离子有：钙离子(Ca2+),镁离子(Mg2+),钠离子(Na+),钾离子(K+),铁离子(Fe2+或Fe3+),锰离子(Mn2+),铝离子(Al3+),钡离子(Ba2+),锶离子(Sr2+),铜离子(Cu2+)和锌离子(Zn2+)。
水中有机化合物大多呈负电性。
水中悬浮胶体物（通常包括细菌、黏土、硅胶体和铁腐蚀产物）也大多呈负电性。
③水本身在电解中的导电性
水在自然情况下，也能电离出少量的H＋和OH-，所以水也是电解质，只不过是一种弱电解质而已。在外施电压对水电解的情况下，不仅会生成大量的H＋和OH-离子，还会因阳极的间接氧化等因素，在水中生成相当的羟基自由基离子等非稳态强氧化剂离子，也同时参与导电过程。
综合上述分析，本实施例在其中设置有二级导电过滤层组件的电解反应池（壳体）中，在阳极和阴极之间，施加电压对水电解产生电流，从电的角度看，二级导电过滤层的组合，等效于一个二级电阻串联的封闭直流电路，在每级导电过滤层上形成相应的电压降。
3、本实施例二级导电过滤层在电化学反应中所起到的作用
3.1从每个过滤层结构看，由于具有一定的导电层厚度，相当于一个复合电化学反应池。
3.2、整个二级过滤层组件，相当于2个微型电解反应池的串联。
3.3从整个净水器看，相当于加入有隔离膜分割成阴极区、阳极区的电化学反应池，过滤层组件在电化学反应中又起到一个隔离分区的作用。兼具有电化学与过滤层的双重功能的导电过滤层，构成电解氧化还原反应中不可或缺的元件之一。
3.4本实施例通过对传统过滤层的电改性并按不同过滤精度分级组合，再与净水器内所设的电解电极组组合起来，已经赋予了传统的单一电化学、单一过滤层所完全不同的崭新特性。通过在过滤层内部、以及过滤层之间、电极与过滤层之间的多重电化学反应及膜的物理筛分过滤作用，将电化学水处理与过滤的各自优势发挥到极致，却又同时克服了各自单一使用时的弊病，使得对源水净化的质量与效率大大提高，各级过滤层工作负荷基本平衡，实现对源水水质的分质净化。
显然，上述本实施例三级导电过滤层可以是一级、三级、四级、五级或N级。实施例二
本实施例的提高常规净水器性能的净水装置参见图2，是在实施例一基础上的进一步改进，除了与实施例一相同以外所不同的是：1）壳体1直接采用0.8毫米厚304不锈钢冲压外壳整体封装，并且直接作为阴电极2-1，即壳体1与阴电极2-1合二为一；2）阳电极2-2与壳体1间加设食品级硅胶垫圈11与壳体1形成绝缘隔离；3）在阳电极2-2上的均布φ3透水孔改为直径不等的透水孔，当然也可以采用其他可以使进水产生涡旋的结构；4）第二级的多功能复合净水滤料3-5改为PVCF,并在PVCF的支撑层外侧面喷涂有经纳米活化处理后的竹炭粉层，粒径约80～100目，涂层厚度约2毫米。
将本实施例净水器串接在一台处理流量为380L/h不锈钢超滤净水器的出水端，外部源水为市供（深圳）自来水，测试时保持出水流量为4L/分钟，从出水口处测试结果见下表2。
表2
| TDS mg/L | pH | ORP mv | |
| 出水-0分钟 | 113 | 7.2 | 312 |
| 出水-5分钟后 | 108 | 7.6 | -67 |
| 出水-10分钟后 | 97 | 7.5 | -69 |
| 出水-20分钟后 | 88 | 7.5 | -65 |
| 出水-30分钟后 | 88 | 7.5 | -72 |
本发明的净水装置不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：过滤层也可以是活性炭与有机材料过滤膜通过压接或粘接制成的复合膜，等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种提高常规净水器性能的净水装置，包括设有进水口和出水口的封闭壳体和电源，所述壳体内设有至少一对的阳电极和阴电极，所述阳电极和阴电极分别连接电源的正负极，所述进水口连接外部供水接口，所述出水口连接常规净水器的进水口，其特征在于：所述壳体内靠近进水口处设置一个阳电极，所述壳体内靠近出水口处设置一个阴电极，所述壳体内的进水口与出水口之间设有过滤层，所述过滤层具有导电性并位于所述阴电极和阳电极之间，所述过滤层是由第一级的陶瓷滤片和第二级的多功能复合净水滤料组成的二级过滤层。
2.根据权利要求1所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述壳体内靠近进水口处的阳电极是由可析出离子的金属材料制成的阳电极。
3.根据权利要求2所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述进水口处的阳电极上开有使进水产生涡旋的透水孔。
4.根据权利要求1、2或3所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述过滤层是二级以上时，其沿水流方向过滤精度由低到高。
5.根据权利要求1、2或3所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述壳体作为阴电极。
6.根据权利要求2或3所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述壳体进水口处的阳电极是由铝或铁制成的阳电极，所述阴电极是采用钛或不锈钢制成的阴电极。
7.根据权利要求1、2或3所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述过滤层是活性炭与有机材料过滤膜采用压接或粘接方法制成的复合膜。
8.根据权利要求3所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述透水孔的直径大小不等。
9.根据权利要求1、2或3所述提高常规净水器性能的净水装置，其特征在于：所述电源采用非对称交变脉冲电解电源，包括环氧树脂防水封装的两块1430毫安时3.7V的锂电池和220V充电附件。
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