一种防生物污堵滤芯及保安过滤器的制作方法

本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种防生物污堵滤芯以及具有该滤芯的保安过滤器。

背景技术：

膜污堵导致的膜通量下降、产水水质下降等现象是限制反渗透工艺稳定运行的主要问题。研究表明，微生物导致的生物污堵是造成反渗透污堵的重要原因，反渗透装置之前通常设有保安过滤器，用于截留水中的颗粒物等污染物以保护反渗透膜，然而，现有的保安过滤器的滤芯对于微生物几乎没有截留作用，不能保护反渗透系统免受生物污堵，同时，保安过滤器的滤芯本身也常常发生生物污堵现象。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可以有效杀灭微生物、防止生物污堵的滤芯以及具有该滤芯的保安过滤器。

第一方面，本发明提供的防生物污堵滤芯，包括滤芯为中空圆柱体结构，包括从内到外层叠的多孔支撑层和电极过滤层，多孔支撑层呈圆筒状，电极过滤层包覆在支撑层外圆周，包括从内到外层叠的多孔阳极、多孔电极隔层和多孔阴极，多孔阳极和多孔阴极分别与电源的正极和负极连接，多孔阳极和多孔阴极均由导电材料制成，多孔支撑层、多孔电极隔层由绝缘材料制成。

上述技术方案中的防生物污堵滤芯可以有效杀灭水中的微生物，本发明采用阳极后置的方式使水流先接触多孔阴极，发生电极反应，生成氢氧根离子，水流中的微生物带负电，更容易接触阳极，当水流再接触多孔阳极时，水中的微生物与阳极接触失去电子，被氧化灭活，并且阳极产生的h⁺可以中和前置阴极产生的oh^-，进一步促进阳极反应，从而进一步降低能耗并提高电流利用效率，实现更低电压、低停留时间下微生物高效灭活和有机物的迅速降解，同时减少消毒副产物(活性氯副产物)的生成。

优选地，电源的输出电压为1-5v。

优选地，制成多孔阳极和多孔阴极所用导电材料的孔隙率≥90％、孔径≥100μm。

优选地，多孔阳极和多孔阴极的厚度均为4-6mm，多孔电极隔层的厚度为0.1-0.3mm；所述滤芯的高度为1-1.2m，多孔支撑层的中空内径为5-15cm。

优选地，多孔支撑层外圆周包覆有1-4组电极过滤层，相邻两组电极过滤层由多孔电极隔层隔开。

利用上述任一种滤芯的过滤方法为：控制待处理水样流量在40-60l/min之间，使水样先接触电极过滤层的多孔阴极，发生电极反应，生成过氧化氢和氢氧根离子，然后接触多孔阳极，杀灭水中的微生物，最后形成产水由多孔支撑层中空部位流出。

第二方面，本发明提供一种保安过滤器，所述保安过滤器包括第一方面所述的任一种滤芯。

进一步地，所述保安过滤器包括壳体和水平安装在壳体内侧下部的多孔管板，多孔管板上方和下方的壳体空间分别形成过滤空间和储水空间，多孔管板上竖直固定若干上述滤芯，所述滤芯通过由绝缘层包裹的导线与壳体外侧的电源连接；过滤空间的壳体外壁开设进水口，储水空间的壳体外壁开设出水口。

进一步地，多孔管板上设有若干滤芯座，滤芯座中心竖向开设有产水口，所述滤芯底部固定在滤芯座上，滤芯顶部与壳体内侧上部设置的固定压板连接，固定压板与管板之间形成过滤空间；

或者，多孔管板上固定若干多孔结构的出水导流管，滤芯套装在出水导流管外侧。

利用上述保安过滤器进行过滤时的过滤方法为：控制待处理水样的流量为40-60l/min，水样由进水口进入保安过滤器的过滤空间内，由滤芯四周流入滤芯内，依次经过滤芯的多孔阳极、多孔电极隔层和多孔阴极的过滤作用将微生物灭火后，进入多孔支撑层的中空空间内，并从多孔支撑层的底端流出，经多孔管板上的孔洞流入下方的储水空间，最终从出水口流出。

本发明提供的防生物污堵滤芯及保安过滤器，具有以下有益效果：

(1)结构简单，使用方便；

(2)微生物杀灭效果较好，对水中常见的病原微生物有良好的灭火效果；

(3)不需要投加任何化学试剂，仅需极低的电压即可实现高标准消毒，杀毒效率高，可有效解决保安过滤器易受生物污堵的问题，并保护后端的反渗透单元免受生物污堵。

附图说明

图1为本发明提供的防生物污堵滤芯的结构示意图；

图2为滤芯采用多阴极配对单阳极时的局部结构示意图；

图3为滤芯采用多层电极过滤层时的结构示意图；

图4为保安过滤器的结构示意图；

图5为滤芯套装在出水导流管外侧的结构示意图。

其中，1、滤芯；11、多孔支撑层；12、电极过滤层；121、多孔阳极；122、多孔电极隔层；123、多孔阴极；2、端盖；21、上端盖；211、导线孔a；22、下端盖；221、安装轴；222、通孔；3、壳体；31、进水口；32、出水口；33、上壳体；331、导线孔c；34、中壳体；35、下壳体；4、多孔管板；41、滤芯座；42、产水口；5、固定压板；51、安装孔；52、导线孔b；6、出水导流管；7、盒体。

具体实施方式

为了使本发明的滤芯及保安过滤器的技术方案更加清楚明白，以下结合具体附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本发明提供的防生物污堵滤芯1为中空圆柱体结构，包括从内到外层叠的多孔支撑层11和电极过滤层12，多孔支撑层11呈圆筒状，电极过滤层12包覆在支撑层外圆周，包括从内到外层叠的多孔阳极121、多孔电极隔层122和多孔阴极123压制而成，多孔阳极和多孔阴极分别通过导线与电源的正极和负极连接，电源的电压为1-5v，优选2-3v，多孔阳极121和多孔阴极123均由导电材料制成，多孔支撑层11、多孔电极隔层122由绝缘材料制成。

具体地，可将导线固定在滤芯的上端或下端，导线由绝缘层包裹。

在具体使用时，使进水依次经过电极过滤层12和多孔支撑层11，经电极过滤层12杀菌后，最终从多孔支撑层12端口流出；阴阳电极表面进行电化学反应时，最常见的是h⁺和oh^-的累积，会严重抑制反应进行，在本发明中，由于与电源正极连接的多孔阳极121位于内侧，与电源负极连接的多孔阳阴极123位于外侧，这种采用阳极后置的结构，使水流先接触多孔阴极123，发生电极反应，生成氢氧根离子，使溶液ph值升高，水流中的微生物带负电，从而使微生物更容易接触阳极，当水流再接触多孔阳极121时，水中的微生物与阳极接触失去电子，被氧化灭活，并且阳极产生的h⁺可以中和前置阴极产生的oh^-，进一步促进阳极反应，从而进一步降低能耗并提高电流利用效率，实现更低电压、低停留时间下微生物高效灭活和有机物的迅速降解，同时减少消毒副产物(活性氯副产物)的生成。同时，当阴极发生电极反应产生过氧氢根(ho2^-)时，由于过氧氢根具有较强的氧化性，能对微生物直接氧化灭活，进一步提高微生物氧化灭活的程度，实现高效灭活。采用这种阳极后置的方式，其有机物的去除率相较于阴极后置的方式高出30-40％。

本发明提供的防生物污堵滤芯是使水流从电极内部通过的电极内过滤电化学氧化结构，其可提高反应效率，降低能耗，提高电极的使用寿命，电化学对有机物降解和微生物灭活主要在于阳极的氧化作用，实现低电压下微生物灭活和有机物降解。

较佳地，作为一种可实施方式，制成多孔阳极和多孔阴极所用导电材料的孔隙率≥90％、孔径≥100μm，该孔径的设置远大于一般微滤或超滤膜孔径，不需要太高的运行压力，通电之后，即可灭活因孔径太大而无法截留的细菌，从而起到消毒的作用，孔隙率的设置可以提高水通量，满足消毒要求。具体地，多孔阳极121和多孔阴极123可由金属泡沫(银纳米线、钛泡沫、氧化铜及氧化铜纳米线等)、碳纤维材料(例如石墨纤维毡、碳纤维毡、碳纤维布等)、碳纳米管海绵制成，厚度为4-6mm，优选5mm；多孔电极隔层122选用常见的多孔绝缘材料即可，具体地，多孔电极隔层122可采用pp棉或快速滤纸，厚度为0.1-0.3mm，优选0.15mm。具体地，多孔支撑层可选用中空圆柱状的多网格塑料架子。

较佳地，作为一种可实施方式，所述滤芯的高度为1-1.2m，多孔支撑层的中空内径为5-15cm。

实施例2

在实施例1中提供的单阴极配对单阳极的组合单元中，当进水流速变大后，阴极的氢氧根累积效率变低，失去后置阳极的优势，其消毒效果变差，为了解决该技术问题，本实施例提供一种采用多阴极配对单阳极的组合单元形式，经过多层阴极处理后，生成的强碱性处理液将流入阳极，微生物在碱性条件下极易直接发生氧化反应，可在低电压((1-5v)下实现微生物完全灭活，这种单元设置方式使得单元消毒能力显著提升，极大地缩短单元的水力停留时间，亦可有效避免微生物的过度氧化或破碎造成的能量浪费以及后续竞争消毒位点的问题。

具体地，如图2所示，多阴极配对单阳极的组合单元包括一层多孔阳极121和至少两层多孔阴极123，多孔阳极121与多孔阴极123之间以及多孔阴极123与多孔阴极123之间均由绝缘的多孔电极隔层122隔开，防止短路以及层与层之间造成影响，多孔阴极优选3层。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，为了提高滤芯的有效处理水量，可以在多孔支撑层11的外侧设置多组(至少两组)电极过滤层12，如图3所示，使用的电极过滤层组数越多，可有效处理的水量越大，相邻两组电极过滤层12之间由多孔电极隔层122隔开，优选2-4组电极过滤层，每组电极过滤层可以采用单阴极配对单阳极的组合形式，也可以采用多阴极配对单阳极的组合形式。

利用上述任一种滤芯的过滤方法为：控制待处理水样流量在40-60l/min之间，使水样先接触电极过滤层的多孔阴极，发生电极反应，生成过氧化氢和氢氧根离子，然后接触多孔阳极，杀灭水中的微生物，最后形成产水由多孔支撑层中空部位流出。

实施例4

本实施例提供一种保安过滤器，该保安过滤器包括实施例1-3任一种结构的滤芯1，滤芯1竖直固定安装在保安过滤器内部，如图4所示，保安过滤器包括壳体3和水平安装在壳体3内侧下部的多孔管板4，多孔管板4上方和下方的壳体空间分别形成过滤空间和储水空间，多孔管板4上竖直固定若干滤芯1，例如2-10个；过滤空间的壳体3侧壁开设进水口31，储水空间的壳体3外壳开设出水口32，过滤空间顶部的壳体封死，防止漏水；在使用时，待处理的进水水样经进水口31进入过滤空间，充满过滤空间后，在自身压力作用下由滤芯1四周流入，依次经过滤芯1的多孔阳极121、多孔电极隔层122和多孔阴极123的过滤作用将微生物灭火后，进入多孔支撑层11的中空空间内，并从多孔支撑层11的底端流出，经多孔管板4上的孔洞流入下方的储水空间，最终从出水口32流出。

具体地，多孔管板4上固定有若干滤芯座41，滤芯座41中心竖向开设有产水口42，滤芯41底部固定在滤芯座41上，为了保证滤芯的稳固，优选地，滤芯41顶部与壳体内侧上部设置的固定压板5连接，固定压板5与多孔管板4之间形成封闭的过滤空间，将滤芯41竖直固定在过滤空间内，经滤芯1过滤后的进水经产水口42、多孔管板4上的孔洞流入储水空间内；或者，多孔管板4上固定若干多孔结构的出水导流管6，滤芯1套装在出水导流管6外侧，如图5所示，经滤芯1过滤后的进水经出水导流管6上的孔洞、多孔管板4上的孔洞流入储水空间内。

进一步地，为了便于滤芯的拆卸，壳体3、多孔管板4、固定压板5均为可拆卸结构，具体地，壳体3包括依次通过法兰连接的上壳体33、中壳体34、下壳体35，多孔管板4、固定压板5通过法兰圈固定在中壳体顶部和底部。

进一步地，为了便于滤芯1的安装，滤芯1的上、下两端均安装有端盖2，具体地，端盖2包括上端盖21和下端盖22；下端盖22的一端呈山字型结构，另一端设置安装轴221，安装轴221外圆周为外螺纹，与滤芯座41的产水口42内部的内螺纹相匹配，安装轴221与滤芯座41螺纹连接，滤芯1底部卡装在下端盖22山字形的一端，下端盖22中心开设有与产水口42相通的通孔222，便于水样流经；上端盖21的结构与下端盖22的结构基本一致，上端盖21中心不需设置通孔，上端盖21上的安装轴插装在固定压板5上开设的安装孔51内。

较佳地，作为一种可实施方式，多孔阳极121和多孔阴极123的导线设置在滤芯的顶部，上端盖21上开设有用于穿装导线的导线孔a211，固定压板5上开设有用于穿装导线的导线孔b52，上壳体33上开设有用于穿装导线的导线孔c331，导线经导线孔a、导线孔b、导线孔c与壳体外侧的电源连接，壳体外侧可以设置安装电源的绝缘盒体7。

利用上述保安过滤器进行过滤时的过滤方法为：控制待处理水样的流量为40-60l/min，水样由进水口进入保安过滤器的过滤空间内，由滤芯四周流入滤芯内，依次经过滤芯的多孔阳极、多孔电极隔层和多孔阴极的过滤作用将微生物灭火后，进入多孔支撑层的中空空间内，并从多孔支撑层的底端流出，经多孔管板上的孔洞流入下方的储水空间，最终从出水口流出。

本发明提供的防生物污堵滤芯可用于杀除水中的多种微生物(包括细菌：细菌：大肠杆菌、粪肠球菌、粪大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等；病毒：ms2、f2等；芽孢等)以及水中微量有机污染物(抗生素、阻垢剂、抑菌剂等)，下面针对单个滤芯的具体实验数据(以大肠杆菌为例)进行说明，其中电源的电压均为3v，实验数据如下：

通过上述实验数据可知，采用本发明的消毒装置进行消毒时，水样中微生物杀除效率高达98％及以上；由序号为1、2、3组的实验数据可知，当其他条件一致时，电极厚度太高或太低，都会影响微生物的去除率；由序号为2、4、5组的实验数据可知，电极隔层的厚度太高或太低，也会影响微生物的去除率；由序号为2、6、7组的实验数据可知，阴极层数越多，在保证微生物去除率的条件下，可用于消毒的水通量越大；由序号为8、9、10组的实验数据可知，滤芯的高度和中空部分的直径越大，滤芯的尺寸越大，在保证微生物去除率的条件下，可用于消毒的水通量越大；由序号为2、11、12组的实验数据可知，电极过滤层数量越多，在保证微生物去除率的条件下，可用于消毒的水通量越大。

本发明提供的滤芯及保安过滤器具有以下有效效果：

(1)结构简单，使用方便；

(2)微生物杀灭效果较好，对水中常见的病原微生物有良好的灭火效果；

(3)不需要投加任何化学试剂，仅需极低的电压即可实现高标准消毒，杀毒效率高，并且没有消毒副产物产生。

以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。