CN105692815A - 中央净水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中央净水器，该净水器包括承压容器、成对的阴电极和阳电极、电解电源，所述承压容器包括竖直设置的金属筒体以及两端的绝缘密封端盖；所述承压容器内设有绝缘隔套管，所述绝缘隔套管中部开有若干透水孔，所述阴电极设置在绝缘隔套管的底部；所述绝缘隔套管向外依次包裹有第一透水性隔膜和第二透水性隔膜，所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间填充有物理吸附滤芯；所述金属筒体顶部的端盖上设有排污水口，所述金属筒体底部的端盖上设有进水口，所述第二透水性隔膜和金属筒体之间设有出水口；所述金属筒体与阴电极电连接。该净水器能够杜绝家庭饮用水管路系统的微生物和病毒菌等污染，又可改善降低水的硬度。

Description

中央净水器

技术领域

本发明涉及一种中央净水器，具体为一种安装在中小型用户（例如家庭、别墅等）入户总进水端的水质净化装置，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。

背景技术

当前，水环境加剧恶化，但国内外大多数自来水厂至今仍采用沉淀、过滤、加氯消毒的陈旧工艺方法，将江河水或地下水简单加工。然而，面对工业污水、农业污水和生活污水猖獗泛滥涌入生活水源并造成水源的一次污染，自来水厂已经不堪重负无能为力。

氯化消毒是我国沿用多年且仍然普遍采用的自来水消毒技术，对于灭活水中微生物、病毒菌等起到关键作用。故国家标准要求市供自来水到达居民饮用水终端时水中仍应保持适量的余氯。这不仅是为降低市供自来水经输水管网输送过程中的二次污染，也是防止市供自来水到达居民饮用水终端后在家庭饮用水管路系统内可能发生微生物、病毒菌的“三次污染”（注：“三次污染”系本发明为叙述方便所独创的专有名词）。

不幸的是，近二十年来人们逐渐发现，氯化消毒同时，氯还可与水中的有机物反应生成一系列消毒副产物（强致癌物），主要分为：（1）挥发性卤代有机物。主要有三卤甲烷类，包括氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷和溴仿；（2）非挥发性卤代有机物。主要有卤代乙酸类，如氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、溴乙酸、二溴乙酸、三溴乙酸、溴氯乙酸、二溴一氯乙酸、二氯一溴乙酸等；此外还有卤代醛、卤代酚、卤代腈，卤代酮、卤代羟基呋喃酮（如3-氯-4-二氯甲基-5-羟基-2(5氢)呋喃，简称MX）等，对人体健康构成潜在的危胁。另外，人体皮肤对氯几乎是全部吸收，长期洗浴含氯水，容易诱发多种皮肤疾病乃至癌症。因此，从健康角度考虑，市供自来水到达居民饮用水终端后，首先应将水中余氯彻底除去，其通常做法是在入户总进水端安装中央净水器。

早期的中央净水器仅仅是填充石英砂、活性炭等滤料，将水中肉眼可见物去除，同时吸附水中余氯，除色除臭。但随着供水水质严重恶化以及民众饮用水安全意识的增强，对中央净水器的水质净化性能要求越来越高，结构也越来越复杂，导致设备造价及制水成本越来越昂贵，还带来资源的无谓消耗（例如，家庭用水中，冲厕水占据总水量消耗的相当部分，完全可以利用家庭废水），故障频发、维护难度加大。但最根本的还是：余氯去除后，如何防止家庭饮用水管路系统内可能滋生的微生物、病毒菌“三次污染”，迄今尚未见有任何解决方案，或者说，这样的中央净水器尚未出现。

家庭用水的另一个问题是水的硬度。所谓水的硬度是指水中多价阳离子数量的总和，通常是指水中钙、镁离子的含量。饮水硬度高低也和健康息息相关。和饮水硬度关系最为密切的健康问题是心血管疾病，硬水也容易引起泌尿系统结石。除对健康的影响外，水的硬度过高，会给日常生活带来多方面的不利影响。如用硬水泡茶，会使茶水变味；用以烹调食物，会降低营养价值；用以洗衣，会增加肥皂消耗，并影响纺织物的色泽和柔软性；硬水煮沸，会在水壶和锅炉内沉积水垢，从而增加燃料消耗，并易使容器受损，等等。

现有中央净水器基本没有硬水软化能力，目前家庭中欲解决水硬度的主要手段是购买基于离子（树脂）交换技术的软水机。其主要问题是，所软化水只能用于洗涤，不宜饮用。因为离子交换除去水中钙镁离子的同时，向水中释放大量钠离子，不利健康。而且，软水机需经常用盐（氯化钠）反洗，费时费力费钱。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种能够杜绝家庭饮用水管路系统的微生物和病毒菌等“三次污染”并可改善降低水的硬度的中央净水器。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种中央净水器，包括承压容器、成对的阴电极和阳电极、为成对的阴电极和阳电极供电的电解电源，所述承压容器包括竖直设置的金属筒体以及设置在所述金属筒体两端的绝缘密封端盖；所述承压容器内设有与金属筒体两端的端盖均密封连接的绝缘隔套管，所述绝缘隔套管中部开有若干透水孔，所述阴电极设置在绝缘隔套管的底部；所述绝缘隔套管向外依次包裹有第一透水性隔膜和第二透水性隔膜，所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间填充有物理吸附滤芯，所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜均采用非导电材料制成的隔膜；所述金属筒体顶部的端盖上设有排污水口，所述金属筒体底部的端盖上设有进水口，所述第二透水性隔膜和金属筒体之间设有出水口；所述金属筒体与阴电极电连接。

本发明中所述物理吸附滤芯优选PP棉、多孔陶瓷微滤材料、颗粒活性炭、烧结活性炭或活性炭纤维制成的滤芯。

本发明装置工作过程及净化机理说明如下：

当排污水口关闭情况下，市供自来水源水从进水口进入到本发明装置，经下述多重净化处理后，从出水口供水至整个家庭管路系统。

（1）绝缘隔套管内轴向两端的阳电极和阴电极构成一个无膜电解池。市供自来水源水从进水口进入本发明装置无膜电解池，源水中污染物质在电极上直接被氧化或还原而从水中去除，或是利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性更小的物质。阴、阳电极间电压场、以及电解电泳综合作用，将处于电场内的水中微生物、致病菌灭活。

（2）上述无膜电解池中设置为阳电极在上、阴电极在下，主导反应的主要是阴极反应产物——氢气。由于氢气分子直径小、逃逸速度快，相较阳电极-阴电极左右放置氧气和氢气共同参与电絮凝方式，具有更好的气浮/絮凝效果。尤其向阴电极运动的水中钙镁阳离子，与上浮氢气流对冲，形成更充分絮凝沉淀下来，同时水中TDS总量下降。

经上述无膜电解池初步净化的水，从绝缘隔套管中部开孔处透过第一透水性隔膜→中间活性炭滤层→第二透水性隔膜，最后从出水口输出，水中污染物基于物理吸附滤芯和第一、第二透水性隔膜的过滤物理处理进一步得到净化去除。

（3）在绝缘隔套管内电解电压U，从阳极（上部）到阴极（底部）基本呈线性递减，中部圆周开孔处的电压（电位）值约为总电压的1/2。由于金属筒体与阴电极通过导线电连接即处于同电位，因此从绝缘隔套管中部开孔进水→第一透水性隔膜→中间物理吸附滤芯→第一透水性隔膜→金属筒体至出水，实际存在有一个电压降=1/2U。

由于绝缘隔套管中部电位1/2U的存在，实际上在上述区间构成一个隔膜电解方式的第二电解池，金属筒体为第二阴极，塑料隔套管中部电位1/2U等效于第二阳极。经无膜电解池处理后的水从绝缘隔套管中部开孔进入第二电解池再次电化学反应，且电化学处理与物理吸附滤芯附加上第一、第二透水性隔膜的膜过滤的物理吸附处理无缝对接有机集成，实现更深层次的水净化。

（4）本发明中第一、第二透水性隔膜的结构在微观上表现为无数透水微孔的过水通道区域，由于第一、第二透水性隔膜是非导电性材料制成，因而在透水微孔的过水通道内产生电压降，即当电解电源的电解电压施加于外电极（阳电极）和内电极（阴电极）后，在第一、第二透水性隔膜的透水微孔内形成电压降落关系。

而水电解时的析氢、析氧反应生成的气体很容易进入透水微孔的过水通道内并在过水通道内的水中生成气泡，在第一、第二透水性隔膜的透水微孔的过水通道内的狭小环境中气泡很容易破碎从而产生局部高温高压，进而以极小电压激发出高效的水体等离子放电，在第一、第二透水性隔膜中及第一、第二透水性隔膜周边区域水中生成羟基自由基类暂态氧化因子的等离子体（等离子体是和固态、液态、气态处于同一层次的物质第四态，低温等离子体富含电子、离子、自由基和激发态分子,电子与离子有很高的反应活性,可以使通常条件下难以进行或速度很难的化学反应变得十分迅速，通过水体放电生成等离子群，可以大大提高水体中污染物的降解效率），该羟基自由基暂态氧化因子的氧化性极强（超过臭氧），同时在水中的存在时间又极短，因此可以在产生后迅速对水中有机物（如细菌）等污染物形成极强的降解作用并自身迅速氧化后直接还原为水，不留任何毒副作用。

传统的水体等离子放电技术，为产生水体等离子放电往往通过外部向水中导入气体，并施以加高强度脉冲电压或高温条件。本发明则将等离子放电引导到第一、第二透水性隔膜的无数微小透水生孔内进行，依靠对水电解析氢、析氧反应生成的气体，进入第一、第二透水性隔膜中诱发水体自身气化，进而以极小电压激发出高效的水体等离子放电，即可激发出水体等离子放电，在水中生成极具杀菌能力的羟基自由基类暂态氧化因子。该羟基自由基暂态氧化因子的氧化性极强，具有非常好的杀菌效果，可以加入到出水中，同时在水中的存在时间又较短，可以直接还原为水从而在杀菌后不留任何毒副作用。

上述超低压等离子放电过程，在第二透水性隔膜中进行得尤为激烈，这是因为第二透水性隔膜与金属筒体构成的第二阴电极距离最近，可以吸收到阴电极释放的大量高能电子。

由于超低压等离子放电，从出水口向家庭饮用水管路系统内释放有相当数量的等离子群。这些离子群具有极强的氧化或还原性，对水中有机污染物、细菌、微生物有极强的降解或灭活作用；同时，这些离子群在水中的衰减期又很快，不至于长时间累积，尤其是极少存在毒副作用。从而确保中央净水器在除去水中作氯后，能够确保家庭内部的饮用水管路仍然彻底杜绝了发生微生物、病毒菌“三次污染”的可能。

（5）本发明装置排污水口的出水最优化的利用方式是作为冲厕用水，即排污水口与马桶的水箱相连接，由马桶冲水阀控制；当然排污水口的出水也可以用于家庭浇花或者拖地等。本发明的净水器在正常工作时，源水中污染物质会在阳电极附近聚集，因此将排污水口设置在阳电极处，这样排污水口的每次出水都相当于对净水器的一次自动清洗维护，同时绝缘隔套管中沉淀的絮凝物也可以在自来水水压的作用下从排污水口排出，既节约用水同时又实现了对本发明装置自动清洗维护。

优选的，所述第一透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，所述第二透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同。

本发明中，如果第一、第二透水性隔膜的透水孔径过大（即微孔空间过大）等效于变相增大了电极直径（电极曲率半径）致使水中放电起始激发电压增高，并且使产生气泡体积变大减小了气液两相接触反应的比表面积。而如果第一、第二透水性隔膜的透水孔径过小（即微孔空间过小），会使电解产气无法发生或是产气效率极其低下，小到一定程度会导致隔膜内各微孔中无数个小曲率半径电极的尖端放电无法正常进行。因此，经过发明人的反复试验，确定所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜的透水微孔的孔径尺寸范围是2毫米～1纳米，且孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

膜微孔的形状均匀性以及孔径大小的均匀性，对膜中等离子放电影响甚大。为了更好更多的生成羟基自由基等离子群，优选的，在使用时，所述第一、第二透水性隔膜的每个透水微孔中均形成等离子放电。这样在使用放电时，阴阳电极间的电场方向可以透过每个透水微孔的等离子群，将等离子放电引导到透水性隔膜的所有过水通道内进行，从而以极小电压即可激发出水体等离子放电，在水中生成大量极具杀菌能力的暂态氧化因子，可以大大提高水体中污染物的降解效率，更好的进行杀菌消毒等。

为使膜中放电易于进行，需要使得第一、第二透水性隔膜优选亲水性的透水性隔膜，亲水性膜表面能与水形成氢键有序结构，可以改善膜孔充水浸润状态，有利于膜中等离子放电过程持续进行。

上述技术方案的进一步改进是：所述绝缘隔套管内靠近顶部的端盖处设有絮凝格栅装置，所述阳电极设置在絮凝格栅装置与顶部的端盖之间，所述阳电极为铝或铁制成的电极。这样可以利用铝或铁阳电极在电流作用下溶解生成铝或铁的氢氧化物的凝聚性来凝聚水中的胶体物质从而使水获得净化，主要包含三个过程：（1）“牺牲阳电极”电解氧化产生混凝剂；（2）水中胶体颗粒的脱稳；（3）脱稳胶体形成絮凝体。其中，由于“牺牲阳电极”氧化产生的离子间相互作用使得胶粒双电层被压缩，同时电解产生的反离子与水中的离子发生电中和作用使得静电斥力减小，而使范德华吸附力占主导，促使胶体发生凝聚效应，并最终形成较粗大的絮凝体，藉重力作用从水中分离去除。本发明使用电絮凝技术能同时去除水中的有机物、细菌、浊度、有毒重金属等物质。与化学絮凝相比，由于阴极可以析出氢气具有浮选作用，不须向水中添加化学药剂，因而水中不会有SO₄ ^2-、Cl^-的大量聚集；与生物处理相比，因不需要培养微生物，只需要电子来实施水处理，因而水处理时间短，时效高。

优选的，所述金属筒体为不锈钢或钛材涂覆铂族氧化物制成的筒体。

优选的，所述阴电极紧贴金属筒体的底部端盖，所述阴电极开有通孔。

优选的，所述阳电极紧贴絮凝格栅装置，所述阳电极间隔开有若干通孔。

优选的，所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或正向电压电平大于反向电压电平的交变脉冲电源。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的中央净水器如图1所示，包括承压容器、成对的阴电极2和阳电极3、为成对的阴电极2和阳电极3供电的电解电源（图中未示出），承压容器包括竖直设置的金属筒体1-1以及设置在金属筒体1-2两端的绝缘密封端盖，分别是上端盖1-2和下端盖1-3；承压容器内设有与金属筒体1-1两端的上端盖1-2和下端盖1-3均密封连接的绝缘隔套管4，绝缘隔套管4中部开有若干透水孔4-1，阴电极2设置在绝缘隔套管4的底部；绝缘隔套管4向外依次包裹有第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2，第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2之间填充有物理吸附滤芯6,第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2均为非导电材料制成的隔膜；金属筒体1顶部的端盖（即上端盖1-2）上设有排污水口7-3，金属筒体1底部的端盖（即下端盖1-3）上设有进水口7-1，第二透水性隔膜5-2和金属筒体1之间设有出水口7-2；金属筒体1与阴电极2通过导线电连接。

物理吸附滤芯6优选PP棉、多孔陶瓷微滤材料、颗粒活性炭、烧结活性炭或活性炭纤维制成的滤芯。

本实施例在使用时，排污水口7-3通过阀门或者盖子密封，定期清理即可。因此，排污水口7-3优选与马桶的水箱连接，这样可以充分利用废水。当然排污水口7-3排出的水也可用于拖地等清洁工作用水。

本实施例还可以作以下改进：（1）绝缘隔套管4内靠近顶部的端盖（即上端盖1-2）处设有絮凝格栅装置8，阳电极3设置在絮凝格栅装置8与顶部的端盖之间，阳电极2为铝或铁制成的电极。这样可以利用铝或铁阳电极在电流作用下溶解生成铝或铁的氢氧化物的凝聚性来凝聚水中的胶体物质从而使水获得净化。

（2）本实施例的第一透水性隔膜5-1的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，第二透水性隔膜5-2的透水微孔的孔径大小和形状基本相同。优选的，第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2的透水微孔的孔径尺寸范围是2毫米～1纳米，且孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

（3）第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2为亲水性的隔膜。

（3）金属筒体1为不锈钢或钛材涂覆铂族氧化物制成的筒体。

（4）阴电极2紧贴金属筒体1的底部端盖，阴电极2上开有通孔。

（5）阳电极3紧贴絮凝格栅装置8，阳电极3间隔开有若干通孔。

（6）在使用时，第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2的每个透水微孔中均形成等离子放电。

作为优选方案，本实施例中第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2均优选采用以下改性方法制得的隔膜：

1）将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟；

2）由以下质量比的原料组成膜液：

PVDF：20%-30%

致孔剂：2-5%

步骤1）辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%

表面活性剂：3%-5%

溶剂：70%-80%；

3）将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟；

4）用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成透水性隔膜；

5）所述隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗；

6）将所述隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，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 (10)

1.一种中央净水器，其特征在于：包括承压容器、成对的阴电极和阳电极、为成对的阴电极和阳电极供电的电解电源，所述承压容器包括竖直设置的金属筒体以及设置在所述金属筒体两端的绝缘密封端盖；所述承压容器内设有与金属筒体两端的端盖均密封连接的绝缘隔套管，所述绝缘隔套管中部开有若干透水孔，所述阴电极设置在绝缘隔套管的底部；所述绝缘隔套管向外依次包裹有第一透水性隔膜和第二透水性隔膜，所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间填充有物理吸附滤芯，所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜均采用非导电材料制成的隔膜；所述金属筒体顶部的端盖上设有排污水口，所述金属筒体底部的端盖上设有进水口，所述第二透水性隔膜和金属筒体之间设有出水口；所述金属筒体与阴电极电连接。

2.根据权利要求1所述的中央净水器，其特征在于：所述第一透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，所述第二透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同。

3.根据权利要求2所述的中央净水器，其特征在于：所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜的透水微孔的孔径尺寸范围是2毫米～1纳米，且孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

4.根据权利要求1所述的中央净水器，其特征在于：所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜均是亲水性的透水性隔膜。

5.根据权利要求1-4之任一所述的中央净水器，其特征在于：所述绝缘隔套管内靠近顶部的端盖处设有絮凝格栅装置，所述阳电极设置在絮凝格栅装置与顶部的端盖之间，所述阳电极为铝或铁制成的电极。

6.根据权利要求1-4之任一所述的中央净水器，其特征在于：所述金属筒体为不锈钢或钛材涂覆铂族氧化物制成的筒体。

7.根据权利要求1-4之任一所述的中央净水器，其特征在于：所述阴电极紧贴金属筒体的底部端盖，所述阴电极开有通孔。

8.根据权利要求5所述的中央净水器，其特征在于：所述阳电极紧贴所述絮凝格栅装置，所述阳电极间隔开有若干通孔。

9.根据权利要求1-4之任一所述的中央净水器，其特征在于：所述物理吸附滤芯为PP棉、多孔陶瓷微滤材料、颗粒活性炭、烧结活性炭或活性炭纤维制成的滤芯。

10.根据权利要求1-4之任一所述的中央净水器，其特征在于：在使用时，所述透水性隔膜的每个透水微孔中均形成等离子放电。