CN105948317A - 一种饮用水碳纤维过滤器及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种饮用水碳纤维过滤器及其制备方法与应用，从上到下依次包括进水口、混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层和储水罐体，储水罐体内设置加热元件，混杂纤维过滤层由热塑性纤维和活性碳纤维长丝混杂编织而成；抑菌过滤层包括第一层活性炭纤维长丝织物和涂覆在其表面的纳米银附着层；重金属过滤层包括第二层活性碳纤维长丝织物和喷涂在其表面的KDF铜锌合金涂层。将目前通用的颗粒物过滤芯材替换为活性碳纤维织物结构形式，活性碳纤维织物自身的多孔结构形式，使得滤芯材料与颗粒芯材相比具有更好的渗透性，同时织物结构也赋予了过滤材料较高的分布均匀性，有效避免颗粒过滤材料堆积而导致的水源净化过程的水流量不通畅的问题。

Description

一种饮用水碳纤维过滤器及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种饮用水碳纤维过滤器及其制备方法与应用，特别涉及一种利用活性碳纤维织物为载体复合各种功能性涂层的多级滤芯结构、同时带有碳纤维远红外电加热功能的饮用水过滤器，该过滤器可对水中各种复杂污染物进行有效过滤净化，同时配有碳纤维远红外加热装置可对饮用水进行快速加热，达到方便舒适饮用的特点。
背景技术
自远古开始，水就是世间万物的源泉，水也是生命的第一要素。在当今世界经济飞速发展的同时，环境污染问题已经相当严重，由于农业、工业活动大幅机械化以及人类活动的无序化，水源环境的破坏和水质的污染日趋严重。当各种泥沙、重金属、浮游生物和有害菌类进入到饮用水源中，在造成水质降低的同时，也带来了水中成分分布的失衡和正常结构的改变。近年来许多科研人员已经开始研制各种家庭饮用水的净化装置，主要利用各种颗粒吸附材料来改善水质成分、净化水中污染物，现有的浸水设备所用的滤芯材料主要是颗粒状净化材料，主要有活性炭、陶瓷微球、矿物微球等，这些滤芯材料虽然有吸附有害物质、活化水质成分的作用，但是颗粒净化物自身的形态造成了净化装置对水源的净化过程不均匀，有时甚至会因为大量微小净化颗粒堆积而出现净化器中水流停滞堵塞等问题，虽有一定的处理效果但是影响处理的效率，对家庭饮用水的使用造成了影响。
碳纤维是一种纤维状的柔性碳材料，利用高温活化技术也可以赋予高强度、高模量碳纤维以及表面发达微孔结构，这种纳米或微米级别的微孔结构也赋予了碳纤维极强的吸附特性，称之为活性碳纤维。利用活性碳纤维自身的吸附性可制成具有过滤功能的净化滤芯，同时利用其吸附性也可作为各种功能材料的载体，对水源进行不同类型的抑菌或消毒以及控制微生物的作用。但是，现有技术中的利用活性炭纤维制备的过滤器一般寿命较短，过滤总水量以及净水流量相对较小，过滤效果较差的弊端。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种饮用水碳纤维过滤器及其制备方法与应用，该过滤器是利用热塑性纤维混杂碳纤维和活性碳纤维织物为载体复合各种功能性涂层的多级滤芯结构，同时带有碳纤维远红外电加热功能的饮用水过滤器，具有过滤效果好、使用寿命长、净水流量大的特点。
为了解决以上问题，本发明的技术方案为：
一种饮用水碳纤维过滤器，从上到下依次包括进水口、混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层和储水罐体，储水罐体内设置加热元件，混杂纤维过滤层由热塑性纤维和活性碳纤维长丝混杂编织而成；抑菌过滤层包括第一层活性炭纤维长丝织物和涂覆在其表面的纳米银附着层；重金属过滤层包括第二层活性碳纤维长丝织物和喷涂在其表面的KDF铜锌合金涂层。
优选的，混杂纤维过滤层中，所述热塑性纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维；所述活性碳纤维长丝为高强型碳纤维T300、T700或T800经过高温活化制备。
进一步优选的，所述活性碳纤维长丝的比表面积为500-3000m2/g。
进一步优选的，热塑性纤维和活性碳纤维的混杂比例为1:1至10:1之间可调。
进一步优选的，所述混杂纤维过滤层的目数为60-500目，厚度为1-10mm。
混杂纤维过滤层主要利用热塑性纤维与活性碳纤维混杂，使一级过滤层兼备热塑性纤维的力学韧性和活性碳纤维的吸附性，不仅对饮用水中大颗粒的污染物，例如泥沙、铁锈、浮游微生物进行过滤和吸附处理，而且会大大提高混杂纤维过滤层的使用寿命。
优选的，抑菌过滤层中，活性碳纤维长丝采用高强型碳纤维T300、T700或T800经过高温活化制备，活性碳纤维长丝的比表面积为500-3000m2/g。
进一步优选的，第一层活性炭长丝织物为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹织物形式的任意一种或多种形式的叠层。
更进一步优选的，抑菌过滤层的厚度为1-10mm，目数为100-500目，织物面密度为20-100g/m2。
进一步优选的，所述纳米银颗粒的粒径为25-50nm，纳米银颗粒的质量为抑菌过滤层总质量的5-30％。
抑菌过滤层主要利用活性碳纤维自身的高吸附性对饮用水中的致病微生物进行吸附净化，同时利用表面附着的纳米银颗粒层对饮用水中的多种致病菌(大肠杆菌、霍乱菌、痢疾菌、淋球菌、沙眼衣原体等)进行抑制或杀灭处理，相比单纯的活性碳纤维织物和单纯的纳米银，本发明的抑菌过滤层的过滤杀菌效果更好。
优选的，重金属过滤层中，活性碳纤维长丝采用高强型碳纤维T300、T700或T800经过高温活化制备，活性碳纤维长丝的比表面积为500-3000m2/g。
进一步优选的，第二层活性炭长丝织物为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹织物形式的任意一种或多种形式的叠层。
进一步优选的，所述KDF铜锌合金为KDF55或KDF85，铜锌合金涂层占重金属过滤层总质量的5-30％。
进一步优选的，重金属过滤层的厚度为1-10mm，目数为100-500目，织物面密度为20-100g/m2。
重金属过滤层主要以活性碳纤维为载体，在其表面附着致密的KDF铜锌合金涂层，利用该合金涂层表面发生的氧化还原反应，达到对水中的氯、化学毒素、农药、水溶性重金属等的过滤，尤其对去除铁、硫化氢、氯气、氟化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐以及锅垢等均有明显效果，主要用于生活用水的深度净化，相比单纯的KDF铜锌合金涂层和单纯的活性碳纤维织物，本发明的重金属过滤层的深度净化效果更好，净化效率更好，单位体积的重金属过滤层在单位时间内可以净化更大流量的水。
优选的，所述加热元件为碳纤维远红外电热元件。
内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体，用于对净化后的水源进行短期储存，同时利用碳纤维自身通电加热以及发射2-15微米远红外线的特性，对储水罐体内的净化水进行暖化加热处理，有效避免净化饮用水过凉的问题。
所述碳纤维过滤器的制备方法，包括如下步骤：
1)混杂纤维过滤层的制备
使用热塑性纤维和活性炭纤维长丝混杂编织，得到混杂纤维过滤层；
2)抑菌过滤层的制备
将活性碳长丝编织成织物，在织物表面制备纳米银颗粒附着层，得到抑菌过滤层；
3)重金属过滤层的制备
将活性碳长丝编织成织物，在织物表面制备KDF铜锌合金涂层，得到重金属过滤层；
步骤1)-3)的顺序可以交换；
4)在过滤器壳体的储水罐体内安装加热元件，并将混杂纤维过滤层、抑菌过滤层和重金属过滤层按照从上到下的顺序安装在过滤器壳体内，得到过滤器。
上述碳纤维过滤器在水过滤中的应用，尤其在饮用水过滤中的应用。
本发明的有益效果为：
第一，将目前通用的颗粒物过滤芯材替换为活性碳纤维织物结构形式，活性碳纤维织物自身的多孔结构形式，使得滤芯材料与颗粒芯材相比具有更好的渗透性，同时织物结构也赋予了过滤材料较高的分布均匀性，有效避免颗粒过滤材料堆积而导致的水源净化过程的水流量不通畅的问题。
第二，充分利用活性碳纤维长丝织物微孔结构赋予其的超强吸附性，同时以活性碳纤维长丝织物作为载体制备成纳米银附着层或铜锌合金涂层，以其作为抑菌过滤层或重金属过滤层，将活性碳纤维的吸附过滤特性与其它材料的抑菌性或氧化还原性相结合，达到净化饮用水中重金属或有害菌类的功能。
第三，活性碳纤维长丝具有高强型碳纤维的优异力学性能，可以有效延长净化过滤芯材的使用寿命，经过该过滤器净化的水源可达到直接饮用的级别而无需烧开杀毒。
第四，净化水储罐中内置碳纤维电热元件，利用碳纤维自身通电加热以及发射2-15微米远红外线的特性，对储水罐体内净化水进行暖化加热处理，避免净化饮用水过凉的问题。
附图说明
图1是本发明的活性碳纤维过滤器的结构示意图。
其中：1、混杂纤维过滤层，2、抑菌过滤层，3、重金属过滤层，4、储水罐体，5、碳纤维远红外电热元件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种饮用水碳纤维过滤器分为三级过滤结构并配有碳纤维远红外电加热装置，其中三级过滤结构包括：混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层，在三级过滤装置之后的底部配有储水罐体，内置碳纤维远红外电热元件，对处理后的净化水进行加热暖化处理。
第一，混杂纤维过滤层的制备。混杂纤维使用聚乙烯纤维热塑性纤维和高强型碳纤维T300经高温活化制备的活性碳纤维混杂编织制成无纺布织物，T300制备的活性碳纤维比表面积为500m2/g，热塑性纤维和活性碳纤维混杂比例为1:1。最终制备的织物面密度为20g/m2，混杂纤维过滤层的织物目数为60目，织物厚度为1mm。混杂纤维过滤层用于对饮用水中大颗粒的污染物，例如泥沙、铁锈、浮游微生物进行过滤和吸附。
第二，抑菌过滤层的制备。采用高强型碳纤维T700经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成无纺布织物，活性碳纤维织物的比表面积为1000m2/g，在纤维织物表面通过浸渍或喷涂技术与震荡技术结合制备粒径为25nm纳米银颗粒附着层，附着层占抑菌过滤层总质量的5％，最终活性碳纤维长丝抑菌层的厚度为1mm，织物目数为100目，织物面密度为20g/m2。活性碳纤维表面附着的纳米银颗粒层对饮用水中的多种致病菌(大肠杆菌、霍乱菌、痢疾菌、淋球菌、沙眼衣原体等)进行抑制或杀灭处理。
第三，重金属过滤层的制备。采用高强型碳纤维T700经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成网眼布织物，活性碳纤维织物的比表面积为1200m2/g，在纤维织物表面通过电弧喷涂或等离子体喷涂等技术制备KDF55铜锌合金涂层，铜锌合金涂层占重金属过滤层总质量的15％。最终活性碳纤维长丝重金属过滤层的厚度为2mm，织物目数为100目，织物面密度为28g/m2。利用该合金涂层表面发生的氧化还原反应，达到对水中的氯、化学毒素、农药、水溶性重金属等的过滤，尤其对去除铁、硫化氢、氯气、氟化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐以及锅垢等均有明显效果，主要用于生活用水的深度净化。
第四，内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体的制备。在三级过滤装置底部配有内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体，用于对净化后的水源进行短期储存，同时利用碳纤维自身通电加热以及发射2-15微米远红外线的特性，对储水罐体内的净化水进行暖化加热处理，有效避免净化饮用水过凉的问题，经该过滤器净化的水源可达到直接饮用级别无需烧开杀毒。
使用寿命为4年，过滤后的水符合世界卫生组织健康饮用水标准。
实施例2
一种饮用水碳纤维过滤器分为三级过滤结构并配有碳纤维远红外电加热装置，其中三级过滤结构包括：混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层，在三级过滤装置之后的底部配有储水罐体，内置碳纤维远红外电热元件，对处理后的净化水进行加热暖化处理。
第一，混杂纤维过滤层的制备。混杂纤维使用聚丙烯纤维热塑性纤维和高强型碳纤维T700经高温活化制备的活性碳纤维混杂编织制成无纺布织物，T700制备的活性碳纤维比表面积为1200m2/g，热塑性纤维和活性碳纤维混杂比例为2:1。最终制备的织物面密度为80g/m2，混杂纤维过滤层的织物目数为80目，织物厚度为7mm。混杂纤维过滤层用于对饮用水中大颗粒的污染物，例如泥沙、铁锈、浮游微生物进行过滤和吸附。
第二，抑菌过滤层的制备。采用高强型碳纤维T800经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成平纹织物，活性碳纤维织物的比表面积为1900m2/g，在纤维织物表面通过浸渍或喷涂技术与震荡技术结合制备粒径为30nm纳米银颗粒附着层，附着层占抑菌过滤层总质量的20％，最终活性碳纤维长丝抑菌层的厚度为4mm，织物目数为200目，织物面密度为60g/m2。活性碳纤维表面附着的纳米银颗粒层对饮用水中的多种致病菌(大肠杆菌、霍乱菌、痢疾菌、淋球菌、沙眼衣原体等)进行抑制或杀灭处理。
第三，重金属过滤层的制备。采用高强型碳纤维T800经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成斜纹织物，活性碳纤维织物的比表面积为1400m2/g，在纤维织物表面通过电弧喷涂或等离子体喷涂等技术制备KDF85铜锌合金涂层，铜锌合金涂层占重金属过滤层总质量的22％。最终活性碳纤维长丝重金属过滤层的厚度为3mm，织物目数为300目，织物面密度为90g/m2。利用该合金涂层表面发生的氧化还原反应，达到对水中的氯、化学毒素、农药、水溶性重金属等的过滤，尤其对去除铁、硫化氢、氯气、氟化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐以及锅垢等均有明显效果，主要用于生活用水的深度净化。
第四，内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体的制备。在三级过滤装置底部配有内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体，用于对净化后的水源进行短期储存，同时利用碳纤维自身通电加热以及发射2-15微米远红外线的特性，对储水罐体内的净化水进行暖化加热处理，有效避免净化饮用水过凉的问题，经该过滤器净化的水源可达到直接饮用级别无需烧开杀毒。
实施例3
一种饮用水碳纤维过滤器分为三级过滤结构并配有碳纤维远红外电加热装置，其中三级过滤结构包括：混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层，在三级过滤装置之后的底部配有储水罐体，内置碳纤维远红外电热元件，对处理后的净化水进行加热暖化处理。
第一，混杂纤维过滤层的制备。混杂纤维使用聚酯纤维热塑性纤维和高强型碳纤维T800经高温活化制备的活性碳纤维混杂编织制成无纺布织物，T800制备的活性碳纤维比表面积为1100m2/g，热塑性纤维和活性碳纤维混杂比例为5:1。最终制备的织物面密度为70g/m2，混杂纤维过滤层的织物目数为140目，织物厚度为4mm。混杂纤维过滤层用于对饮用水中大颗粒的污染物，例如泥沙、铁锈、浮游微生物进行过滤和吸附。
第二，抑菌过滤层的制备。采用高强型碳纤维T300经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成斜纹织物，活性碳纤维织物的比表面积为2100m2/g，在纤维织物表面通过浸渍或喷涂技术与震荡技术结合制备粒径为25nm纳米银颗粒附着层，附着层占抑菌过滤层总质量的23％，最终活性碳纤维长丝抑菌层的厚度为8mm，织物目数为500目，织物面密度为100g/m2。活性碳纤维表面附着的纳米银颗粒层对饮用水中的多种致病菌(大肠杆菌、霍乱菌、痢疾菌、淋球菌、沙眼衣原体等)进行抑制或杀灭处理。
第三，重金属过滤层的制备。采用高强型碳纤维T800经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成缎纹织物，活性碳纤维织物的比表面积为2400m2/g，在纤维织物表面通过电弧喷涂或等离子体喷涂等技术制备KDF55铜锌合金涂层，铜锌合金涂层占重金属过滤层总质量的30％。最终活性碳纤维长丝重金属过滤层的厚度为10mm，织物目数为500目，织物面密度为100g/m2。利用该合金涂层表面发生的氧化还原反应，达到对水中的氯、化学毒素、农药、水溶性重金属等的过滤，尤其对去除铁、硫化氢、氯气、氟化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐以及锅垢等均有明显效果，主要用于生活用水的深度净化。
第四，内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体的制备。在三级过滤装置底部配有内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体，用于对净化后的水源进行短期储存，同时利用碳纤维自身通电加热以及发射2-15微米远红外线的特性，对储水罐体内的净化水进行暖化加热处理，有效避免净化饮用水过凉的问题，经该过滤器净化的水源可达到直接饮用级别无需烧开杀毒。
实施例4
一种饮用水碳纤维过滤器分为三级过滤结构并配有碳纤维远红外电加热装置，其中三级过滤结构包括：混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层，在三级过滤装置之后的底部配有储水罐体，内置碳纤维远红外电热元件，对处理后的净化水进行加热暖化处理。
第一，混杂纤维过滤层的制备。混杂纤维使用聚丙烯纤维热塑性纤维和高强型碳纤维T300经高温活化制备的活性碳纤维混杂编织制成无纺布织物，T300制备的活性碳纤维比表面积为1700m2/g，热塑性纤维和活性碳纤维混杂比例为10:1。最终制备的织物面密度为100g/m2，混杂纤维过滤层的织物目数为400目，织物厚度为50mm。混杂纤维过滤层用于对饮用水中大颗粒的污染物，例如泥沙、铁锈、浮游微生物进行过滤和吸附。
第二，抑菌过滤层的制备。采用高强型碳纤维T700经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成缎纹织物，活性碳纤维织物的比表面积为2900m2/g，在纤维织物表面通过浸渍或喷涂技术与震荡技术结合制备粒径为21nm纳米银颗粒附着层，附着层占抑菌过滤层总质量的20％，最终活性碳纤维长丝抑菌层的厚度为10mm，织物目数为450目，织物面密度为90g/m2。活性碳纤维表面附着的纳米银颗粒层对饮用水中的多种致病菌(大肠杆菌、霍乱菌、痢疾菌、淋球菌、沙眼衣原体等)进行抑制或杀灭处理。
第三，重金属过滤层的制备。采用高强型碳纤维T800经高温活化制备的活性碳纤维长丝，编织制成无纺布织物，活性碳纤维织物的比表面积为3000m2/g，在纤维织物表面通过电弧喷涂或等离子体喷涂等技术制备KDF85铜锌合金涂层，铜锌合金涂层占重金属过滤层总质量的25％。最终活性碳纤维长丝重金属过滤层的厚度为5mm，织物目数为500目，织物面密度为30g/m2。利用该合金涂层表面发生的氧化还原反应，达到对水中的氯、化学毒素、农药、水溶性重金属等的过滤，尤其对去除铁、硫化氢、氯气、氟化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐以及锅垢等均有明显效果，主要用于生活用水的深度净化。
第四，内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体的制备。在三级过滤装置底部配有内置碳纤维远红外电热元件的储水罐体，用于对净化后的水源进行短期储存，同时利用碳纤维自身通电加热以及发射2-15微米远红外线的特性，对储水罐体内的净化水进行暖化加热处理，有效避免净化饮用水过凉的问题，经该过滤器净化的水源可达到直接饮用级别无需烧开杀毒。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种饮用水碳纤维过滤器，其特征在于：从上到下依次包括进水口、混杂纤维过滤层、抑菌过滤层、重金属过滤层和储水罐体，储水罐体内设置加热元件，混杂纤维过滤层由热塑性纤维和活性碳纤维长丝混杂编织而成；抑菌过滤层包括第一层活性炭纤维长丝织物和涂覆在其表面的纳米银附着层；重金属过滤层包括第二层活性碳纤维长丝织物和喷涂在其表面的KDF铜锌合金涂层。
2.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：混杂纤维过滤层中，所述热塑性纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维；所述活性碳纤维长丝为高强型碳纤维T300、T700或T800经过高温活化制备。
3.根据权利要求2所述的碳纤维过滤器，其特征在于：所述活性碳纤维长丝的比表面积为500-3000m2/g；
或热塑性纤维和活性碳纤维的混杂比例为1:1至10:1之间可调；
或所述混杂纤维过滤层的目数为60-500目，厚度为1-10mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：抑菌过滤层中，活性碳纤维长丝采用高强型碳纤维T300、T700或T800经过高温活化制备，活性碳纤维长丝的比表面积为500-3000m2/g。
5.根据权利要求4所述的碳纤维过滤器，其特征在于：第一层活性炭长丝织物为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹织物形式的任意一种或多种形式的叠层；
或抑菌过滤层的厚度为1-10mm，目数为100-500目，织物面密度为20-100g/m2；
或所述纳米银颗粒的粒径为25-50nm，纳米银颗粒的质量为抑菌过滤层总质量的5-30％。
6.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：重金属过滤层中，活性碳纤维长丝采用高强型碳纤维T300、T700或T800经过高温活化制备，活性碳纤维长丝的比表面积为500-3000m2/g。
7.根据权利要求6所述的碳纤维过滤器，其特征在于：第二层活性炭长丝织物为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹织物形式的任意一种或多种形式的叠层；
所述KDF铜锌合金为KDF55或KDF85，铜锌合金涂层占重金属过滤层总质量的5-30％；
重金属过滤层的厚度为1-10mm，目数为100-500目，织物面密度为20-100g/m2。
8.根据权利要求1所述的碳纤维过滤器，其特征在于：所述加热元件为碳纤维远红外电热元件。
9.权利要求1-8任一所述的碳纤维过滤器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)混杂纤维过滤层的制备
使用热塑性纤维和活性炭纤维长丝混杂编织，得到混杂纤维过滤层；
2)抑菌过滤层的制备
将活性碳长丝编织成织物，在织物表面制备纳米银颗粒附着层，得到抑菌过滤层；
3)重金属过滤层的制备
将活性碳长丝编织成织物，在织物表面制备KDF铜锌合金涂层，得到重金属过滤层；
步骤1)-3)的顺序可以交换；
4)在过滤器壳体的储水罐体内安装加热元件，并将混杂纤维过滤层、抑菌过滤层和重金属过滤层按照从上到下的顺序安装在过滤器壳体内，得到过滤器。
10.权利要求1-8任一所述碳纤维过滤器在水过滤中的应用，尤其在饮用水过滤中的应用。
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