*杜昊明

(宜昌市第一中學(xué) 湖北 443100)

新型直飲水凈化裝置系統(tǒng)的設(shè)計研究

*杜昊明

(宜昌市第一中學(xué) 湖北 443100)

飲用水水質(zhì)問題是直接影響人們生活和身心健康的重要問題,而直飲水的水質(zhì)更是社會關(guān)注的焦點.本文簡述了國內(nèi)外直飲水的意義和現(xiàn)狀,簡述直飲水系統(tǒng)的處理工藝.引入電容除鹽技術(shù),提出一種新型直飲水凈化裝置系統(tǒng).總結(jié)展望了未來直飲水水處理裝置的發(fā)展方向.

直飲水;水處理技術(shù);電容除鹽;裝置系統(tǒng)

引言

水是生命之源,對于人類的正常生活和生命健康都起到了決定性的作用.隨著經(jīng)濟快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提升,人們對關(guān)乎自身健康的引用水質(zhì)量要求也不斷提高,直飲水系統(tǒng)便成為提高生活飲用水水質(zhì)的有效手段.直飲水系統(tǒng)是將普通的生活飲水經(jīng)過吸附、膜分離、消毒等過程深度凈化處理,去除有機污染物、重金屬、細菌病毒及其他污染物,供給人們直接飲用的系統(tǒng).現(xiàn)在我國直飲水系統(tǒng)市場需求廣闊,新型直飲水處理技術(shù)的開發(fā)和凈化裝置系統(tǒng)更新設(shè)計便成為了當(dāng)前研究的熱點.

1.直飲水的現(xiàn)狀及意義

(1)直飲水的背景

1985年,中國頒布了《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-85),其中對飲用水的檢測指標僅有35項,對水源中的其他大量有害物質(zhì)并未做限定.近年來,國家經(jīng)濟的發(fā)展使人民的生活水平得到提高,與健康生活息息相關(guān)的飲用水的安全問題被人們廣泛關(guān)注.2006年我國正式頒布了新版的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006),在原有水質(zhì)指標的基礎(chǔ)上提高到106項,其中微生物指標增至6項、毒理指標中無機化合物增至21項、有機化合物增至53項,同時也嚴格限制了消毒劑指標、放射性指標、感官性狀、一般理化值等指標,這對生活飲用水提出了更高的要求.

直飲水系統(tǒng)是將普通的生活飲水經(jīng)過吸附、膜分離、消毒等過程深度凈化處理,去除有機污染物、重金屬、細菌病毒及其他污染物,可供給人們直接飲用.該系統(tǒng)對于水的深度處理技術(shù)優(yōu)于常規(guī)工藝,在去除有毒、有害物質(zhì)的同時,又保留對人體有益的微量元素和礦物質(zhì),并且應(yīng)用方便,成為新興的飲用水模式.

(2)直飲水的發(fā)展與現(xiàn)狀

直飲水的發(fā)展起源于美國等西方發(fā)達國家,當(dāng)時從事飲用水供應(yīng)的美國著名公司Filtrn認為現(xiàn)有的桶裝純凈水存在許多不足,所以提出了建筑物內(nèi)的直接飲用水系統(tǒng)概念.該系統(tǒng)在技術(shù)上、經(jīng)濟上的可行性大大推動直接飲用水在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用,迅速在歐洲、日本等國家廣泛使用.1993年我國首次出現(xiàn)直飲水概念,在《飲用凈水水質(zhì)標準》(CJ 94-1999)出臺后,直飲水開始在我國得到發(fā)展及應(yīng)用,直飲水工業(yè)成為了我國飲用水領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè).但是直飲水行業(yè)仍處于起步階段,對該系統(tǒng)水處理技術(shù)的開發(fā)和凈化裝置的更新仍是研究的緊要工作.

(3)直飲水系統(tǒng)介紹

直飲水系統(tǒng)主要包括預(yù)處理、核心處理和后處理.預(yù)處理保證了核心技術(shù)的正常運行,對于后續(xù)的深度處理極為重要.預(yù)處理工藝主要包含石英砂過濾、活性炭吸附及加藥系統(tǒng).核心處理是指對經(jīng)預(yù)處理后的水的深度水處理技術(shù).根據(jù)對原水水質(zhì)的分析,有效地選擇核心處理工藝,常見的核心處理工藝主要包括微濾、超濾、納濾和反滲透等技術(shù).后處理系統(tǒng)是把經(jīng)過核心處理后的直飲水進行消毒殺菌、恒壓輸送至各個飲水點.后處理是為了保證直飲水水質(zhì)的長期穩(wěn)定性,后處理系統(tǒng)一般包括氯消毒法、臭氧消毒法和紫外線消毒法.

2.新型水處理技術(shù)

(1)電容去離子技術(shù)

電容去離子技術(shù)(Capacitive Deionization, CDI)利用電化學(xué)理論和吸附分離技術(shù),在平行電極板上施加外加靜電場進而吸附水中的陰陽離子.具體操作是將一對電極加上直流電,在靜電場的作用下,電極與溶液界面處會產(chǎn)生很強的雙電層,原溶液在電極板之間流動,由于電場力的作用會使水中的陰陽離子或其他帶電粒子朝電極移動,被電極表面的雙電層吸附.離子不斷在電極表面濃縮和富集,使溶液中的溶解鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質(zhì)的濃度大大降低,從而實現(xiàn)脫鹽目的.當(dāng)電極表面吸附達到飽和時,除去外加電場或?qū)㈦姌O反接放電,通過沖洗,離子將脫離電極表面實現(xiàn)再生.電極板上交替的充放電會實現(xiàn)對溶液的多次吸附脫附,除鹽裝置即可長期使用.

電容去離子技術(shù)設(shè)備簡單,操作容易,所需電壓僅為1-2V,不發(fā)生電解水等電化學(xué)反應(yīng),是一種低能耗,無污染的新型水處理除鹽技術(shù).電容除鹽的作用原理是靜電吸附,所以對離子的選擇性不強,只要是帶有電荷的離子即可使用該設(shè)備,相對于傳統(tǒng)的沉淀法和膜過濾法,具有更廣闊的發(fā)展空間.電容除鹽技術(shù)雙電極間距通常為毫米級,所以不易堵塞.而且由于脫附作用,使其不會出現(xiàn)膜技術(shù)中的需要經(jīng)常清洗或更換的問題.

(2)電容去離子技術(shù)在直飲水系統(tǒng)中的運用

電容去離子技術(shù)廣泛應(yīng)用于水處理工業(yè)中,在去除水中無機離子、有機污染物,物質(zhì)的分離濃縮等領(lǐng)域都達到了比較滿意的效果.電容吸附應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域主要包括工業(yè)廢水的處理,提高家庭用水的質(zhì)量,家庭廢水的除鹽、去硬,海水和苦咸水的淡化及凈化等方面.同時電容吸附分離可以在低溫下進行,從而保護了生物分子的活性所以也廣泛的應(yīng)用在生物分子分離濃縮方面.

由于電容除鹽技術(shù)中電極之間溶液的流道較寬,不易堵塞,能夠有效地降低直飲水系統(tǒng)中對原水的預(yù)處理的要求.同時過程中也不需要酸堿等化學(xué)試劑地輔助,避免了加藥對水的二次污染.電容除鹽技術(shù)中只需要去除電場或?qū)㈦妶龇唇?然后用水進行沖洗,吸附的離子便可以從電極中脫附達到電極再生的目的,可以避免傳統(tǒng)直飲水處理技術(shù)中的二次污染.電容除鹽技術(shù)能最大程度的避免膜處理技術(shù)中微濾、超濾技術(shù)中的成本高、濾膜不易清理,反滲透技術(shù)中需要高壓能耗大的問題.所以將電容除鹽技術(shù)運用到直飲水系統(tǒng)中具有很強的可行性.

3.一種新型處理系統(tǒng)的設(shè)計

直飲水作為飲用水領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè),其水處理技術(shù)的開發(fā)和凈化裝置的更新必然是當(dāng)前的研究熱點.根據(jù)前文的概述,本文設(shè)計了一套新型直飲水處理系統(tǒng),其工藝流程可簡單分為兩個部分:前處理和后處理.其工藝流程示意圖如圖1所示.即quot;濾網(wǎng)--石英砂過濾--活性炭吸附--電容除鹽技術(shù)--納濾--紫外線消毒quot;.

圖1 新型直飲水處理系統(tǒng)工藝流程示意圖

在前處理過程中,濾網(wǎng)將水中混雜的大顆粒的固體物質(zhì)直接攔截,阻擋其進入凈水系統(tǒng)而干擾系統(tǒng)運行.前處理工藝主要包含濾網(wǎng)、石英砂過濾和活性炭吸附.石英砂有較好的截污能力,可以有效地去除水中泥巴、鐵銹、砂石等較大顆粒的懸浮物.活性炭是一種性能良好的吸附劑,具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu),對余氯、臭味及有機物有良好的去除作用,較好的預(yù)防系統(tǒng)中膜的污染.

水進入后處理系統(tǒng)之后,在運用了電容除鹽技術(shù)的電吸附模塊中,水中的離子及其他帶電物質(zhì)即被除去.電吸附不僅能夠達到除鹽的目的,而且由于其電極可再生,能夠避免定期更換帶來的不便,同時電容除鹽技術(shù)也減小了納濾膜的負擔(dān),有效地增長了系統(tǒng)使用的年限.

納濾是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離技術(shù).納濾所采用的納米膜孔徑范圍在幾個納米左右,同時膜體本身帶有電荷性,所以對有機物截留率很高,而且在去除水中小分子有機物、離子、微量有害化學(xué)物質(zhì)以及消毒副產(chǎn)物的同時能夠保留水中部分對人體有益的物質(zhì),該技術(shù)能耗低,耐污染,水處理能力強,有效改善水質(zhì)的色度、硬度和異味,是目前極有效水凈化手段.

紫外線消毒技術(shù)是基于現(xiàn)代防疫學(xué)、醫(yī)學(xué)和光動力學(xué)的基礎(chǔ)上,通過利用適當(dāng)波長的紫外線對微生物(細菌、病毒、芽孢等病原體)輻射損傷,破壞微生物機體細胞中的分子結(jié)構(gòu),使微生物致死以達到消毒的目的.工業(yè)上常以設(shè)計的高效率、高強度和長壽命的波段紫外光照射流水,將水中各種寄生蟲、水藻、細菌、病毒以及其他病原體殺死,達到殺菌消毒的效果.從納濾裝置中流出的水經(jīng)紫外線燈照射,可以達到對水消毒的目的,最后從直飲水管道流出的水則可被直接飲用.

在電吸附模塊中,由于電極反接,吸附的離子從電極中脫附,此過程中產(chǎn)生的濃水可以運用到生活中,比如澆花,引至水箱等.為了避免水在管道中流通時受到二次污染,管道可以選用優(yōu)質(zhì)、耐腐蝕、抑制細菌繁殖的有機或復(fù)合管材.

4.總結(jié)和展望

本文通過分析飲用水在人們生活中的重要性,簡述了直飲水的處理工藝,通過引用CDI技術(shù)模塊,設(shè)計并提出了一種新型直飲水凈化裝置的系統(tǒng).

直飲水是一種新興的飲用水的供水方式,其水處理技術(shù)的開發(fā)和凈化裝置系統(tǒng)的更新設(shè)計將會一直是研究的重點.通過本文對直飲水系統(tǒng)的研究,認為未來直飲水水處理裝置系統(tǒng)應(yīng)向著更加智能化、輕便化的方向發(fā)展,并且可以將新材料運用到電極、濾膜的創(chuàng)新設(shè)計中,使直飲水在飲用水產(chǎn)業(yè)中成為健康、便捷的首選.

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杜昊明,女,宜昌市第一中學(xué);研究方向:有機化學(xué)和材料化學(xué).

Design and Research of A New Purification Device for Direct Drinking Water

Du Haoming
(No. 1 Middle School of Yichang City, Hubei, 443100)

The problem of drinking water quality is an important problem that directly affects people's life and physical and mental health,and the water quality of direct drinking water is the focus of social attention. This paper expounds the significance and present situation of drinking water at home and abroad, and briefly expounds the treatment process of the direct drinking water system. A new type of purification device for direct drinking water is proposed by introducing the technology of capacitor desalination. And the development direction of the future direct drinking water treatment plant is summarized.

direct drinking water;water treatment technology;capacitive desalting;device system

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