探析饮用水的净化机理与材料方法

郑 昆，杨 红

（1.吉林化工学院 生物与食品工程学院，吉林吉林 132000；2.吉林通用航空职业技术学院，吉林吉林 132000）

饮用水与人体代谢、人体健康有着密切的关系，受主客观因素的综合影响，目前水源污染与运输中的二次污染问题较为严峻。近年来，饮用水净化技术类型逐渐增多，过滤及净化材料研究逐步深入，显著推动了饮用水处理事业的发展。但不同类型的净化工艺、材料具有各自的优缺点，需进一步创新和优化。

1 饮用水净化的必要性

近年来，饮用水污染问题受到全社会充分的关注。由于农村地区大量使用化学农药，导致水源地遭到污染。城市地区普遍使用桶装饮用水，但桶装饮用水存在着较大的质量问题，部分商家出售的桶装饮用水不符合卫生标准。同时，家庭饮水机经过长期使用后，也会出现污染情况，随之影响到饮用水质量。针对这种情况，需积极应用饮用水净化及过滤技术，保证饮用水与相关卫生标准相符合。饮用水净化是指利用过滤材料、净化工艺等对水源水中的悬浮物质、胶体颗粒等进行去除，促使水的浊度与净度与饮用水卫生标准相符合[1]。同时，依托净化工艺对水中可能存在的原虫包囊进行清除，依据相关标准对水中微生物含量进行控制，避免威胁到人们的身体健康。

2 饮用水的过滤方法及净化机理

2.1 过滤方法

现阶段，饮用水过滤技术日趋成熟，主要分为以下两种。①活性炭过滤。此技术是指利用活性炭的多孔性对水中的微细物质进行吸附，既可实现脱色、脱氯等目的，又可将有机物、重金属、细菌和病毒等污染物质去除掉。活性炭的孔隙发达，比表面积较大，吸附特性优良。由于活性炭技术的去污效率较高、使用便捷，目前被广泛应用于自来水厂净化处理及家庭净化水设备中。但活性炭过滤技术的吸附范围影响到水净化效果，且活性炭表面具有较大的空隙，在长期运行过程中很容易滋生病菌，大量繁殖微生物，导致饮用水遭到二次污染。②膜分离技术。此技术是指利用半透膜选择性分离不同粒径分子的混合物。和其他过滤技术相比，膜分离技术能够在常温环境下应用，不需要添加化学试剂，物质分离可在分子级内完成，且具有良好的适应性，操作难度较小。目前，膜分离技术在饮用水净化领域应用较为广泛，涵盖微滤、超滤、纳滤以及反渗透等技术。微滤是指利用微滤膜净化处理饮用水，一般采用聚丙烯、醋酸纤维素等有机膜及金属、陶瓷等无机膜，微滤膜能够对饮用水中的微粒、细菌及其他污染物进行截留[2]。超滤采用超滤膜净化、分离饮用水，超滤膜通过截留比膜孔径大的小分子物质，有效实现水质净化目的。纳滤技术可分离水和小分子有机物，具有较高的截留率。反渗透技术能够对所有离子进行截留，可促使水中的胶体粒子、有机物、细菌等得到有效去除。但在饮用水净化中应用膜分离技术时，容易产生污染问题，随之降低膜的过滤性能。

2.2 净化机理

①吸附机理。活性炭过滤技术利用吸附机理净化饮用水，根据作用力差异可从物理吸附与化学吸附两个角度划分吸附类型。物理吸附是将范德华力作为活性炭分子与污染物分子的作用力，依托活性炭微孔结构对饮用水中的杂质进行吸附。需注意的是，杂质分子只有小于活性炭孔径，才能够被有效吸附。化学吸附是将化学键作为作用力，通过影响到污染物分子结构，实现吸附目的。②截留机理。膜分离技术主要利用截留机理过滤净化饮用水，膜孔径的大小直接影响到污染物的截留效果。由于微滤、超滤、纳滤以及反渗透膜具有差异化的孔径，随之产生了不同的截留效果。例如，微滤膜具有0.1～1.0 μm 的孔径范围，可有效截留大直径的悬浮固体、菌体等污染物。超滤膜具有0.05 μm～1.00 nm 的孔径范围，可有效截留胶体、蛋白质、细菌等污染物[3]。纳滤膜的孔径范围用nm 表示，可有效截留小分子有机物。反渗透膜能够对所有离子进行截留，可将饮用水净化为无离子水。需注意的是，如果溶质分子大小几乎等同于膜孔径尺寸，膜孔很容易遭到溶质分子的堵塞，对膜的截留效果造成不利影响。③氧化机理。结合研究表明，水中溶入的臭氧具有十分复杂的分解机理，水中化学成分会对臭氧的反应速率产生直接影响，且会生成不同的产物。通常情况下，可从有机物与无机物两个方面划分臭氧的氧化机理。前者依托臭氧反应改变有机物分子，如改变分子量、极性、可生化性等。后者则将臭氧的强氧化性利用起来，依托还原反应去除饮用水中的杂质。例如，臭氧能够氧化水中的二价铁、二价锰，将其转变为固态物质，进而顺利去除这些杂质，实现过滤净化目的。

2.3 杀菌消毒技术

目前，氯消毒与臭氧消毒是饮用水杀菌消毒的主要技术类型。氯消毒是指利用液氯、漂白粉等氯制剂实施饮用水消毒处理，可对饮用水中细菌性、病毒性微生物进行杀灭，避免传播水致疾病。此消毒方法的应用效果受诸多因素影响，如水温、水的浑浊度与pH 值、加氯量以及微生物种类等。同时，在应用氯消毒技术时容易产生副产物，威胁到人体健康。例如，一些人员为改善消毒效果，会增加消毒剂的使用量，随之生成更多的副产物。臭氧消毒是指利用臭氧这一强氧化剂进行饮用水净化，当臭氧在水中溶化后会生成大量羟基自由基，可对水中的无机物、有机物进行氧化，促使饮用水水质得到净化。臭氧消毒具有更好的消毒效果，且能够对饮用水的观感、口感等进行改善，目前应用较为广泛。其中，消毒时间、水量以及温度等是影响臭氧消毒的主要因素。

3 饮用水的净化材料

3.1 吸附材料

通过在饮用水净化中应用吸附类材料，能够将水中的重金属离子去除掉，促使水中有毒物质浓度降低。现阶段，碳纤维应用最为广泛，由于碳纤维结构的比表面积、空隙面积较大，随之形成了极强的吸附能力，可对水中氮磷物质有效吸附和去除，顺利实现净化目的。近年来，石墨烯材料也被逐渐应用于饮用水处理等环境领域。石墨烯具有极大的比表面积和极强的吸附能力，在饮用水净化中具有较高的应用价值。当氧化石墨烯薄膜接触到水环境后，将会有纳米级的通道形成，截留大于此尺寸的离子或分子[4]。在未来发展过程中，通过对石墨烯薄膜中的孔径大小、毛细通道尺寸等进行控制与压缩，可更好地满足饮用水净化需求。

3.2 环保材料

为规避常规材料在饮用水净化处理中可能出现的污染问题，人们积极研究和应用环保类材料。其中，壳聚糖纤维的性能优良，抗菌环保优势明显，且能够被降解，成为应用和研究的重点。壳聚糖的氨基经过酸性处理后，能够实现质子化，利用表面正电荷抑制大肠杆菌等细菌。但需注意的是，如果单独使用壳聚糖，则难以保证其成膜性与稳定性。由于壳聚糖纤维缺乏良好的可纺性，因此一般会混纺具备良好可纺性的纤维，但要避免混纺对壳聚糖纤维的抗菌性造成不利影响。结合研究表明，通过涂覆处理纤维膜，能够改善壳聚糖纤维的应用效果。例如，通过在壳聚糖基纳米材料上涂覆活性炭，可有效去除细菌等微生物[5]。和其他消毒剂相比，此种材料具备更佳的抗菌性能与去离子性能。

4 饮用水净化技术的发展趋势

活性炭、膜分离、臭氧杀菌等净化技术具备各自的优缺点，为持续改善饮用水净化效果，需进一步深化研究工作。

4.1 活性炭与膜相结合

为规避活性炭吸附与膜分离技术的不足，在饮用水净化实践中可组合应用活性炭与膜分离技术，先利用活性炭吸附饮用水中的杂质，改善饮用水的色度与浊度，再利用膜分离技术进一步去除水中的污染物及杂质，这样不但饮用水净化效果得到改善，膜阻塞、膜污染问题也可得到有效解决，促使膜的使用寿命延长，降低整体净化成本。此外，通过结合两种技术，能够弥补活性炭吸附的不足，更彻底地清除水中细菌，促使饮用水质量得到提高。

4.2 光氧化技术

此技术在是向纤维、硅胶等多孔材料中投射太阳光、紫外线等，利用电子能量吸附饮用水的杂质，且在半导体材料中沉淀水体中的微粒，促使饮用水净化效果得到改善。实践表明，光氧化技术能够更好地净化水中有机物，可高效降解CHCl3等物质。现阶段，光激发氧化、光催化氧化是研究的重点。前者结合采用光化学辐射方式与水、氧等氧化剂对饮用水中的杂质进行氧化处理。后者则利用TiO2半导体催化剂等在氧化处理水中有机物。

4.3 超声空化技术

此种技术是利用超声波对水体中的微小泡核进行激化，在微小泡核的变化过程中，水中有机物将会向有机酸、氧气、水等转化，促使杀菌目的得以实现。在应用超声空化技术时，超声波需控制在15 kHz 以上，以便保证净化效果。和其他净化技术相比，此技术基本上不会产生污染，具有极为突出的应用价值和发展意义。

5 结语

综上所述，通过净化处理饮用水，能够将更安全、更优质的饮用水提供给人们，避免因饮用水不符合相关卫生标准而增加人体疾病的发生率。近年来，饮用水净化技术、材料的类型逐渐增多，对饮用水净化领域发展起到了明显推动作用。在未来发展中，相关人员要综合分析饮用水净化技术应用现状，明确各类技术、材料的优势与不足，进一步深化研究工作，不断提升我国饮用水净化处理水平。