集成应用静电吸附等技术的净水工艺研究

孙誉宁孙王虎

摘要：针对目前市场上的净水机功能单一、净水效果有限、水资源浪费严重等问题，本文通过集成应用静电吸附、强磁场磁化、紫外线杀菌、多重过滤等技术，构建了一套分类处理、分流利用、自动清洗、自动排污和智能控制的净水工艺，实验表明该工艺具有高效、节水、环保、经济、安全等特点。

关键词：静电吸附；磁化；净水；过滤

1引言

目前，国内外在水处理方面主要围绕硬水软化法、活性炭吸附法、去离子法、反渗透法、超过滤法、蒸馏法、还原法、紫外线消毒法、生物化学法和混合离子交换法等展开不同层次的研究，也取得了大量的研究成果，并进行了产业化推广。但在这些方法中，有的能耗太高，如蒸馏法、还原法、紫外线消毒法等，浪费能源严重；有的浪费水资源严重，如反渗透法、超过滤法等，2015年2月5日《人民日报》就报道了“我国净水机尾水浪费惊人每年流失约10亿吨水”；有的会产生二污染和固体废弃物，如生物化学法产生的生物污泥、过滤法和吸附法更换下来的各种滤材等；有的需要还原、更新与更换，如各种离子法、吸附法等。

在理论上，静电吸附/脱附利用电离层的同性相斥、异性相吸原理，能高效除去自来水中的重金属离子、余氯及其他有害物质；紫外线杀菌具有快速、便利、无二次污染等优点；强磁场能改变水分子（团）结构，杀灭细菌，具有经济实用、节能环保的特点。但是，集成利用静电吸附、紫外线杀菌、强磁场磁化等方法进行水处理的研究，目前鲜有报道。

2净水工艺组成

鉴于上述，静电吸附、紫外线、光触媒和磁化等技术具有节能、环保、高效的特点，就有必要通过技术集成，将这些技术综合应用到水质净化的工艺中来。

2.1磁化处理

利用磁化技术将原来缔合链状的大分子水断裂成单个小分子水，提高后续静电吸附和中空超滤膜的净化效率，并改善水分子结构，杀灭细菌，产生磁化水，有关技术参数与作用机理如下：

让原水以2.0～2.5m/s的流速，在磁感应强度0.315～0.420T的磁场中，沿着与磁力线垂直的方向流动，普通水就会变成磁化水。一方面，由于水流切割磁力线产生感应电流，在洛仑兹力的作用下，弱极性的水分子和其他杂质带电离子作反向运动，正负离子或颗粒相互碰撞形成一定数量的离子缔合体；另一方面，磁场的极化作用也使微粒子极性增强、凝聚力减弱，破坏了离子间的静电吸引力，改变了结晶条件，使原有较长的缔合分子链被截断为较短分子链和带电离子的变形，形成分散的稳定小晶体。以这些缔合体为核心的晶体颗粒提高了在缓流沉淀中净化效果；带电离子的增加提高了静电吸附的效率。

此外，强磁场还会引起水中盐类分子或离子的磁性力偶的磁滞效应，改变部分盐类在水中的溶解性，使其分子间的亲和性消失；磁场影响在一定基团反应中成对的磁力矩重新取向，进而影响其他物理、化学反应；磁场对水的偶极分子发生定向极化作用后，电子云会发生改变，造成氢键的弯曲和局部短裂，使单个水分子的数量增多，进而抑制晶体形成，提高后续超滤效率。

2.2紫外线杀菌

细菌吸收紫外线后会引起DNA链断裂，核酸和蛋白的交联破裂，杀灭核酸的生物活性，从而导致细菌死亡。细菌中的DNA、RNA和核蛋白的吸收紫外线的最强峰在254～257nm。因此，本工艺中选用波长为253.7nm的冷阴极紫外线灯。

2.3静电吸附

水中的阴阳离子在静电作用下向正负两极移动，被吸附在电极表面和水液体界面间形成的双电层上，随着离子与带电粒子在电极表面富集，水中的离子含量降低，从而除去自来水中的重金属、余氯及其他有害带电粒子。在断电，尤其是倒极（即电极正负对调）的情况下，电极表面及其双电层上的原来吸附的带电离子就会脱落，并随冲洗水流排出。

2.4分流利用

当前，净水器多为一端进水一端出水。这类结构不仅导致净水器内部分部位污染物浓度高，无法实现自动清洗、自动排污，容易引发二次污染等问题，而且出水水压低，流量小。少数净水器设有一个进水口、一个净水出口、一个废水出口。由于水分子结构没有改善，超滤膜出水量小，废水水量大，造成水资源的浪费。

为了解决上述问题，本文根据家庭用水的水质、水量、水压要求，构建了分类处理、分流利用的净水工艺。该工艺将自来水处理为三类用水：冲洗水主要进行磁化、紫外线杀菌等处理，出水水压高，流量大，不仅包含了脱附物质，也带走缓流沉淀中的沉淀物，以及分离过滤出的污染物，水中沉淀物、颗粒物、重金属、余氯等污染物浓度会略高于自来水原水，主要用于家庭洗衣、浇花、冲洗马桶、拖把，以及洗浴等用水；清洁水是经过了磁化、紫外线杀菌、静电吸附、缓流沉淀、分离过滤、活性碳吸附、水质改良等工艺处理后的水，出水水量适中，适用于烹饪等厨房用水，也可用作沐浴、洗脸用水；直饮水是在清洁水的基础上进行了超滤膜过滤，可以直接饮用，出水量较小。

由于采用了上述分类处理、分流利用，污染物较高的水当作冲洗水利用，不仅满足能满足使用要求，实现无废水排放，节约了宝贵的水资源，而且还实现了自动清洗和自动排污。

3实验

根据上述工艺，扬州智光环保科技发展有限公司研制出了实验样机，并已获得发明专利（ZL201410376716.1）。该样机接到自来水管道后，经过反复清洗后，从清洁水出水口取水样5组，利用离子色谱仪（戴安ICS-1600型离子色谱仪，美国）等设备进行检测与分析。检测结果表明，该净水机对自来水中的铅离子等污染物除去率达90%。

4结论与建议

该工艺具有显著的技术优势和环保特点，市场应用前景广阔。由于清洁水、直饮水经过电吸附，水中的金属离子被大量吸附，OH-处理后的水呈弱碱性，有利于人体健康；冲洗水包含脱附物质，不仅离子浓度比较高，而且呈弱酸性水，能提高冲洗、去污、杀菌效果。

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基金项目：本文由扬州市重点研发计划——社会发展项目（YZ2015074）资助。