用于深度净化市供自来水的预处理装置

技术领域

本发明涉及一种用于深度净化市供自来水的预处理装置，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。

背景技术

水污染主要是由人类活动产生的污染物造成，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分。日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡，因此，水污染被称作"世界头号杀手"。

目前人们通常将自来水作为饮用源水，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成可饮用水。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，自来水厂已经不堪重负无能为力。再加上自来水从水厂经输水管网及高层储水箱到达饮用水终端所带来的附加污染，市政自来水已不敢说是卫生的了。尤其是，自来水加氯虽然可有效杀除病菌，但同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种疾病的重大根源，即使是把自来水煮沸，上述残留物仍驱之不去，还会使亚硝酸盐与三氯甲烷等致癌物增加。亦即，即便以市政自来水为源水的饮用开水的安全系数也是不高的。

日常生活中，饮用水需求往往具有分时段、间歇性特点。例如，家庭三顿饭用水及洗浴高峰主要集中在早中晚时间；洗衣用水则按周/次计算。日常生活中饮用水存储装置，通指带有储水箱（罐、容器）的饮用水终端，例如：1）管线净水系统终端壁挂机、台式或立式饮水机；2）RO纯水机出水储存压力桶（箱），以及饮水杯、壶；3）城市供水管网高层建筑顶层安装的高位水箱，甚至农村居民抽取地下水至屋顶的储水罐。目前该类系统存在的共性问题是储水箱内水中细菌微生物超标，严重影响水质甚至异味发臭。迄今尚无好的解决方法。

既然直接饮用自来水难保安全，净水器应运而生，成为民众硬性需求。然而，现有的以市供自来水为源水的水质净化产品或涉水产品，基本为介质吸附或采用各种孔径过滤膜将水中污染物加以拦截滤除的物理处理工艺。由于活性炭类吸附材料很容易饱和失效，而各种过滤膜又很容易被细菌污染或有机物阻塞或破损，因此实际情况是并不能如理论设计所期望那样作到对水中污染物的充分净化。面对日益严重的源水污染，现有的物理方式处理工艺已经远远不能保证水质达标。另外，传统的RO膜反渗透过滤方法对水资源的浪费非常严重，往往净化1升纯净水就需要排出3升浓缩废水。但是，物理方式水处理工艺也有可取之处：通常不生成毒副产物。

相比而言，化学水处理工艺虽具有廉价简单高效等诸多优点，却并不适宜于民用终端生活饮用水领域。究其原因，一是化学水处理工艺需要足够的反应时间，而在日常生活用水场合，净水器从开机进水到出水仅仅数秒钟乃至更短，污染物在净水器中停留时间太短，根本来不及完成相关化学反应处理；其二是，化学水处理工艺通常伴随一定的毒副作用。例如，尽管化学氧化反应可强效灭活细菌，深度降解有机物，去除水中的各种有害物质，但化学氧化法所生成的各类强氧化因子基本是无选择性、不可控的，若处理不当极可能生成源水中没有的新物质甚至强致癌物，反而危及饮水安全。而还原反应控制不当也会带来类似问题，例如硝酸盐可能转化为强致癌物亚硝酸盐；正因为如此，在民众日常生活饮用水净化处理场合，对于化学水处理工艺的应用可以说是忌讳莫深且慎之又慎。

申请人经过长期实验和实际实践发现，相对而言，电化学作为一种高级氧化水处理工艺，号称“21世纪绿色技术”，所附加毒副效应远较常规化学水处理工艺为小，而且电化学水处理工艺可以通过电参数的调整来强化处理强度减少反应时间。因此，电化学水处理技术应是克服物理水处理工艺软肋、可用于生活饮用水净化处理的首选。

但是，电化学本质上仍属化学处理工艺，哪怕毒副作用再小，仍有使水的生物指标降低之风险，比如阳极反应在水中会产生具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐等以及H₂O₂、O₃等致癌物。在水环境前所未有严重污染、传统物理净水器已力不从心的今天，重新审视研究化学水处理——尤其是电化学水处理技术在生活饮用水净化处理应用的可能性，创新开发一种既能高效除去水中污染物、又无毒副产物的电化学处理工艺、乃至电化学水处理工艺与物理吸附过滤工艺协同联用的全新水质净化方法与装置，具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种可灭活源水中细菌、降解源水中有机物且能够降低源水的硬度的净化市供自来水的预处理装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种用于深度净化市供自来水的预处理装置，包括阴阳成对的电极、为所述电极供电的电解电源和盛水容器，所述盛水容器设有进水口和出水口；所述成对的电极有两对，分别是第一电极对和第二电极对，所述第一电极对的阴、阳电极之间设有第一透水性隔膜，所述第二电极对的阴、阳电极之间设有第二透水性隔膜，所述第一、第二透水性隔膜均是非导电材料制成的透水性隔膜；所述第一透水性隔膜将第一电极对的阳电极与盛水容器隔开，所述第二透水性隔膜将第二电极对的阴电极与盛水容器隔开；在使用时，所述第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极均与盛水容器内的水直接接触，所述第一电极对的阳电极仅与盛水容器内通过所述第一透水性隔膜渗出的渗透水接触，所述第二电极对的阴电极仅与盛水容器内通过所述第二透水性隔膜渗出的渗透水接触。

需要说明的是，本发明装置处理的对像是市供自来水，正如背景技术中所述，现在水污染日益严重，市供自来水已经成为一种微污染水（或者说是特殊污染水），其污染源包括环境污染（如农药残留等）、氯消毒产生的污染以及管道二次污染等。

上述本发明公开的技术方案的工作机理及有益效果陈述如下。

本发明的结构特征是，所述盛水容器以第一、第二透水性隔膜为分界，所述第一电极对分设在第一透水性隔膜两侧，所述第一电极对的阴电极在盛水容器内，而其阳电极在盛水容器外；所述第二电极对分设在第二透水性隔膜两侧，所述第二电极对的阳电极在盛水容器内，而其阴电极在盛水容器外。当然，如盛水容器内部设有空腔，第一或第二透水性隔膜设置在空腔壳体上，则设置在空腔内的第二电极对的阴电极或第一电极对的阳电极视为设置在盛水容器外。

1）首先以第一电极对为例，第一电极对的阳电极仅与盛水容器内渗透通过第一透水性隔膜的渗透水接触（阳电极不与盛水容器的水直接接触），把阳极直接氧化反应转移到盛水容器外进行，阳极反应产物在容器外排走，不致再返回容器内污染水质。同时，水中的阴性污染物例如余氯、各种有害阴离子等，受阳极电压作用，也可以从容器内水中透过第一透水性隔膜，迁移到盛水容器外随渗透水排出。

本发明中第一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，形成如下的电压降落关系：第一透水性隔膜外阳电极（+）→阳电极与第一透水性隔膜之间水膜的电压降U1→透水性隔膜自身阻抗产生的压降U2→第一透水性隔膜与盛水容器内的阴电极之间水阻抗产生的电压降U3。

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，在第一透水性隔膜中及第一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。

2）第二电极对与第一电极对类似，但电压降落的方向相反。因此同样的，本发明中第二电极对的阴电极与第二透水性隔膜的渗透水接触可以用来保证第二电极对的电解反应正常进行，第二透水性隔膜也为非导电材料制成，因此也可以产生大量强杀菌能力的羟基自由基类暂态氧化因子。

同时，在第二电极对的作用下，盛水容器内源水中的钙镁离子、铁锰等金属阳离子等持续析出，穿过第二透水性隔膜排出，使得盛水容器中水的硬度持续下降，源水中有害重金属等逐步去除；而且基于盛水容器内第二电极对的阳电极的直接氧化作用，源水中的微生物被灭活，有机物得到降解。

3）第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极等效构成第三组电极对（阴、阳电极之间无隔膜），使源水中的微生物在其电场作用下被灭活，能够更好发挥电化学的净化作用。

综上可知，首先本发明将源水中钙镁离子、铁锰以及强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐从盛水容器中排出，并通过羟基自由基类暂态氧化因子对源水进行杀菌和有机物降解，从而得到相对纯净的水，可以作为现有物理吸附-过滤净化水装置（如传统的RO膜反渗透过滤净化水装置或者活性炭吸附装置等）的前端，通过现有物理净化水装置的物理吸附或过滤可以很容易的除去少量的毒副产物（毒副产物仅为少量的H₂O₂和O₃，H₂O₂和O₃的分解半衰期一般不超过半小时，不仅不会对后端的过滤组件或者吸附组件产生不良影响，而且可以对滤组件或者吸附组件进行杀菌消毒），从而得到深度的净化水。

其次，本发明作为现有物理吸附-过滤净化水装置的前端，可以大大减轻膜过滤组件或者吸附组件的工作负荷，保护物理过滤组件或者物理吸附组件等，从而大幅度延长物理吸附-过滤净净化水装置的使用寿命，达到治标又治本的效果（使用寿命长且产生的净化水水质好）。

最后，本发明中由于第一、第二透水性隔膜得到成对电极的夹持保护，试验证明，第一、第二透水性隔膜在使用过程中不会因破损或阻塞等提前失效报废，始终保持稳定可靠工作状态；即使在第一、第二透水性隔膜和电极表面偶有结垢也是较松散的浮垢，在电解过程中适当倒换施加给第一、第二透水性隔膜两侧的成对电极的电解电压极性，就可以很容易的去除阴、阳离子析出物在电极和透水性隔膜表面的沉积结垢。

本发明在实施时，还可以根据实际需要，将两个电极对的极性定期倒向，此时电压等级也可以不相同，从而使第一、第二透水性隔膜交替降解有机物、排出有害重金属离子，或者排出残留余氯、各种有害阴离子等，这样不但可以进一步提高净化水的质量，充分发挥电化学的净化作用，而且可以保护第一、第二透水性隔膜，延长其使用寿命。

另外，为了进一步提高膜中等离子放电特性，可以使所述第一、第二透水性隔膜均采用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。

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

本发明中，如果第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径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微孔的孔径过小（即微孔的透水孔径过小），会使电解产生的气体无法进入透水微孔的孔径（也就无法产生气泡），从而使等离子放电无法正常进行。因此，经过发明人的反复试验，确定第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径范围是小于2毫米且大于1纳米，且透水微孔的孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

另外，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，因此本发明中所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜优选在使用时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。

上述技术方案的进一步改进是：所述盛水容器的外侧设有包围盛水容器下部的壳体，所述壳体、盛水容器、第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间形成包围第一电极对的阳电极和第二电极对的阴电极的封闭空间，所述壳体上设有开口，所述开口形成所述盛水容器的进水口；所述壳体的底部设有排污口。

这样，市供自来水源水从外腔室透过第一、第二透水性隔膜的过滤进入盛水容器，水中污染物被拦截在外腔室，盛水容器中水为经膜过滤的净化水，之后将外腔室内的污水排空，从而可以提高处理效率以及处理效果。

上述技术方案的进一步改进是：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是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的用于深度净化市供自来水的预处理装置，参见图1，包括阴、阳成对的电极、为电极供电的电解电源2和盛水容器1，盛水容器1设有进水口1-1和出水口1-2，市供自来水从进水口1-1注入盛水容器1，出水口1-2可与现有的RO膜反渗透水过滤器的进水口连接，从而为RO膜反渗透水过滤器提供前置预处理。当然，也可以是连接其他物理吸附或膜过滤式净水器。

成对的电极有两对，分别是第一电极对和第二电极对，第一电极对的阴、阳电极3-1、3-2之间设有第一透水性隔膜5-1，第二电极对的阴、阳电极4-1、4-2之间设有第二透水性隔膜5-2，盛水容器1相对的侧壁上分别开设有第一窗口和第二窗口，第一透水性隔膜5-1满覆布设于第一窗口上，第二透水性隔膜5-2满覆布设于第二窗口上；第一电极对的阳电极3-2和阴电极3-1分别设于盛水容器1的外部和内部，第二电极对的阳电极4-2和阴电极4-1分别设于盛水容器1的内部和外部。

本实施例的第一、第二透水性隔膜5-1、5-2均采用非导电材质制成的单层纳滤膜过滤膜。

在使用时，盛水容器1内的水通过第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2渗出，并在第一透水性隔膜5-1与第一电极对的阳电极3-2之间以及第二透水性隔膜5-2与第二电极对的阴电极4-1之间分别夹持有一层水膜，即第一电极对的阴电极3-1和第二电极对的阳电极4-2均与盛水容器1内的水直接接触，第一电极对的阳电极3-2仅与盛水容器1内通过第一透水性隔膜5-1渗出的渗透水接触，第二电极对的阴电极4-1仅与盛水容器1内通过第二透水性隔膜5-2渗出的渗透水接触。这样，不仅能保证本实施例装置的电解反应正常进行，还特别减弱了源水电解在第一电极对的阳电极3-2以及第二电极对的阴电极4-1上的反应。

第一、第二透水性隔膜5-1、5-2夹持在阴电极和阳电极之间，在电化学作用下（例如阳极的直接氧化、间接氧化、阴极还原反应），对水中的细菌、微生物、有机物等等，起到极好的灭活、降解、转化（有毒转为无毒）作用，因此细菌被彻底灭活，有机物则趋于降解为二氧化碳和水，这样不仅对源水深度净化，而且对第一、第二透水性隔膜5-1、5-2起到极好的保护，大大改善了细菌污染和浓差极化，使隔膜的有效寿命大大延长。试验考核证明，本发明装置中第一、第二透水性隔膜5-1、5-2始终保持稳定可靠工作状态，即使在第一、第二透水性隔膜和电极表面偶有结垢也是较松散的浮垢。

作为本实施例的改进，为了使得在膜中等离子更好的放电，第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2均具有均匀孔径的透水微孔（即第一透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，第二透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状也基本相同）。优选的，第一、第二透水性隔膜5-1、5-2的透水微孔的孔径范围是小于2毫米且大于1纳米，而且第一、第二透水性隔膜5-1、5-2的透水微孔的孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

为了均匀孔径的透水微孔，可以通过对其进行改性制得，本实施例中第一、第二透水性隔膜5-1、5-2优选采用通过按照以下步骤制成的隔膜：

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。

通过本实施例对源水进行杀菌和有机物降解，残留余氯和各种有害阴离子向阳极迁移，穿出第一透水性隔膜5-1并排出掉，钙镁离子、铁锰等金属阳离子等持续析出，穿过第二透水性隔膜5-2排出，从而降低了水的硬度。本实施例可以彻底灭活源水中细菌、高效降解源水中有机物且能够降低源水的硬度。而水中少量的H₂O₂和O₃通过RO膜反渗透水过滤器除去，得到深度净化的纯净水，这样不但可以减轻RO膜的工作负荷，而且水中的H₂O₂和O₃可以对RO膜进行杀菌消毒。

本实施例在电解过程中，在第一、第二透水性隔膜的两侧阴、阳电极间生成氢气和氧气向上逸出，产生一定的气浮絮凝作用，加速盛水容器内水中析出离子等悬浮物聚集成团而沉淀，累积沉积在盛水容器的底部。可在盛水容器的底部设置排污口，定期排出积淀在底部的絮凝物。

本实施例进行电化学水处理所产生的氧化还原物质，通常包括以下几类：（1）具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐等；而氯酸盐、次氯酸盐具有负电性，可以很容易地穿过所述第一透水性隔膜排出，减少了毒副产物；（2）H₂O₂、O₃（标准电极电势2.07，半衰期30-60min）等强氧化因子，具有杀菌、降解有机物的功效；（3）源水中的钙镁离子、铁锰等金属阳离子等持续析出，穿过第二透水性隔膜排出，从而降低了源水的硬度；（4）电化学反应产生的强氧化性且寿命极短的中间体，包括e(溶剂化电子)、·OH、HO₂·、·O₂等自由基，以·OH为主，可以降解有机物。·OH具有高度活性，主要通过电子转移、亲电加成、脱氢反应等途径无选择地直接与各种有机化合物作用而将其降解为CO₂，H₂O和其他无害物质。它具有以下特点：1)氧化能力强，其标准电极电势达到2.80V，是一种氧化能力极强的氧化剂；2)反应速率常数大，·OH非常活泼，与大多数有机物反应的速率常数在106～1010mol-1·L·s-1；3)选择性低，且与反应物浓度无关；4)寿命短，在不同的环境介质中，其存在时间有一定的差别，一般小于10-4s，液相中仅10-9s；5)处理效率高，不产生二次污染。

本实施例还可以作以下改进：

1）电解电源2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。

2）盛水容器1为承压封闭容器。

3）优选的，第一透水性隔膜和第二透水性隔膜在使用时每个透水微孔中均形成等离子放电。这样可以尽可能多的在水中生成羟基自由基类暂态氧化因子的等离子体，更好的进行杀菌消毒等。

另外需要说明的是，本实施例在使用时第一电极对的阳电极与第一透水性隔膜可能夹持一层水膜，两者之间也可能通过渗透水点接触或面接触；第二电极对的阴电极与第二透水性隔膜也是同样设置。

实施例二

本实施例是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于：如图2所示，本实施例中盛水容器1的外侧设有包围盛水容器1下部的壳体20，壳体20、盛水容器1、第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2之间形成包围第一电极对的阳电极3-2和第二电极对的阴电极4-1的封闭空间，壳体1上设有开口20-1，该开口20-1形成盛水容器1的进水口；壳体的底部设有排污口20-2。

在使用时，市供自来水源水通过开口20-1经封闭空间并透过第一、第二透水性隔膜5-1、5-2的过滤进入盛水容器1，水中污染物被拦截在封闭空间内，盛水容器1中水为经膜过滤后的净化水，之后，通过排污口20-2将封闭空间内的污水排空，然后开始电解过程。其他内容与实施例一基本相同。

作为改进，第一、第二透水性隔膜5-1、5-2采用亲水性的透水性隔膜。

本发明的用于深度净化市供自来水的预处理装置不局限于上述实施例所述的具体技术方案，例如本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，等等。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。