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民用饮水终端水质安全保障技术研究
王书华
北京西格尔科技开发有限公司总工程师 饮用水深度净化研究室研究员
   1.材料与方法
  1.1 材料:炭基分子筛、沸石分子筛、矿料分子筛等合成为“广谱”分子筛。
  1.2 设计依据与方法:对地表水或地下水(饮用水)中所含的已知物质分类,找出各类物质的属性特征。水体中的溶解性物质广义的可以分为三类:一是微生物类,二是分子类,三是离子类。在离子类中又可以分为:有益矿物质类和有害重金属(砷、汞、镉、铅、六价铬、等)类。
  1.2.1针对有害微生物类设计水过滤介质的额定孔径:我们以有害微生物大肠菌(≥0.45微米)为参照物作为依据,将饮用水过滤介质的额定孔径设定在0.4微米内。依靠单一的膜孔机械筛分机理,只可以滤除大于其膜孔的物质,小于其膜孔的物质将不能被滤除;水中细菌的大小一般在0.2-80μm之间,病毒0.01-0.3μm之间。所以,我们将该标准介质的平均孔径设定在0.1微米,这样对常见病毒的去除率可达到99.99%。也就是说,该标准介质的孔径范围还包括小于0.1微米的孔径,直至少量的纳米级孔径。
  水过滤介质的孔径设定,是依据净化水的用途需要来制定的。如果是工业用水,纯度越纯越好,水过滤介质的孔径越小越好,反渗透膜既如此;如果是日常饮用水,设定的水过滤介质的孔径越小,该过滤介质的阻力就越大,产水效率就越低,使用成本就越高,甚至去除了水中有益于人体健康的矿物质。所以,将水过滤介质的孔径设计在额定孔径0.4微米,平均孔径0.1微米是最理想的设计。
  1.2.2针对有害分子类的质量和形态设计相应的水过滤介质:科学家们在水体中已经发现了两千多种新物质,已知对人体有害的物质近百种,而这些有害物质大都以分子的形式存在于饮水中,我们对这些有害物质合并同类项,找出他们的共性和个性,分别取之。
  1.2.3针对有害重金属类的质量和核外电子数量设计相应的电荷引力:对砷、汞、镉、铅、铬、铁、锰等等作为研究课题,确定其质量和电场的强弱… …找出他们的共性和个性,分别取之。
  2、术语、概念
  2、1  什么是分子筛
顾名思义就是能够筛除分子的筛子,一般指沸石分子筛。沸石分子筛的骨架结构呈规律性分布,是利用机械筛分的机理,只能截留大于其孔径的分子,小于其孔径的分子不能被截留;其对部分物质有一定的吸附能力,所以,沸石分子筛也称之为“窄谱”分子筛。
目前人类已发现的天然分子筛有30多种,人工合成120多种。如:沸石分子筛、碳基分子筛、微孔玻璃分子筛、矿料分子筛等等。
  2.2  什么是“广谱”分子筛
顾名思义就是对水分子以外的各种分子,均可以以全物理的方式分离截留的筛子。它可以根据其分子的质量和形状的不同,以分子为单位,将其分别吸附、截留在属于各自的分子吸附室中。这样的分子筛称之为“广谱”分子筛
  2.3  什么是“广谱”分子筛结构滤芯
“广谱”分子筛结构滤芯,是一种立体的微滤、超滤孔径的压力驱动水过滤介质。它是通过机械筛分、截留的机理;“广谱”分子筛吸附的机理;荷电引力、静电动力选择吸附的机理;以诸元合成的广谱选择功能,来完成高端饮用水深度处理的水过滤介质。“广谱”分子筛结构滤芯技术可以将水中颗粒物、分子型污染物、离子型有害污染物、离子型有益矿物质等目标进行分别锁定,然后以高科技材料设计和制作手段实现对不同锁定目标的截留和保留。
“广谱”分子筛结构滤芯中的静电动力选择吸附功能,是在广谱分子筛结构滤芯内设置带正、负电荷的介质,其介质永久性地呈带电(正、负电荷)状态,其电荷的大小、数量的多少与已知重金属核外电子的电荷相同并相互吸引,犹如电波的发射与接收,频点是关键,从而高效地截留水体中的砷、汞、镉、铅、六价铬、锰等重金属;不截留水体中对人体有益的矿物质。选择性截留是“广谱”分子筛结构滤芯的基本特征。
  3.“广谱”分子筛结构滤芯剖面图
  3.1“广谱”分子筛结构滤芯剖面图描述
  “广谱”分子筛结构滤芯的额定进水压力为:0.2~0.3Mpa ,其工作压力范围:0.08~0.8Mpa。
  当原水在工作压力范围内由进水口处进入水质处理器内部时,原水的分子团状态被挤压分散后快速到达结构滤芯中心孔道,同时水分子团中溶解的离子态溶质(重金属离子例外)也一同进入“广谱”分子筛结构滤芯中心孔道;而水体中的有害分子,则根据其分子的质量和形状的不同,以分子为单位,将其分别吸附在各自的分子吸附室中;水体中溶解的重金属(砷、汞、镉、铅、六价铬、锰)离子,在通过“广谱”分子筛结构滤芯的通道时,由于其自身的电荷引力,被分子吸附室中的永久性电荷的电子引力进行选择吸附,绝不会错过能吸附到的重金属物质。从而得到卫生安全的含丰富矿物质的回归大自然的优质饮用水。其水质转化的过程,始终以全物理的方式完成。
  4“广谱”分子筛结构滤芯水质转化机理
  4.1  立体的微滤至超滤结构
  这是一个额定精度为0.4-0.1微米的微孔过滤结构,最小的分子筛孔径可达到Å量(纳米)级,其平均孔径设定在0.1微米。所以,它可以100%地滤除水体中的有害微生物和粒径大于0.4-0.1微米的物质,滤芯在使用过程中,平均孔径会逐渐从微滤向超滤过渡,因此,滤芯在额定使用寿命中,出水水质会逐渐提高,出水流量会逐渐降低。
  4.2  “广谱”分子筛吸附结构
  这是一个精心配制的广谱分子筛吸附结构。它可根据有害分子的质量和形状的不同,以分子为单位将其分别吸附在属于各自的分子吸附室中。水体中对人有害的物质多以分子的形式存在,而有益于人体健康的物质则是以离子(重金属离子例外)的形式存在于水体中,所以,不会被去除。“广谱”分子筛具有更大的纳污容量,是同体积优质活性炭滤芯吸附能力的n×10倍。可高效吸附化肥、农药、杀虫剂、除草剂、工业溶液以及消毒副产物、有机污染物,高效吸附各种色素、异臭、异味等。
  4.3  静电动力选择吸附结构
  
这恰是一个精心配制的静电动力选择吸附结构,只选择吸附重金属离子。分子吸附室中永久性的呈带电状态,用带正、负电荷的电子引力进行选择吸附,绝不会错过能吸附到的重金属(砷、汞、镉、铅、六价铬、锰等)物质,而对人体有益的常量元素、微量元素、特殊元素都可以通过。
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