木质滤料净水法以及滤心的构造.pdf

木质滤料净水法以及滤心的构造
    本发明涉及一种使水净化或软化的处理方法，以及水处理装置中滤心的构造，特别是一种用木材的细屑颗粒为滤料，制成U型柱塞式滤心，以制备高品质饮用水的技术方案。

    现有的家用净水器的滤心用纤维制成筛网状，以缩小筛孔的办法提高水的净纯度，但筛孔愈小愈易被杂质堵塞，实际上只有很轻薄的一层滤料发挥最终滤净功能，因而滤心对杂质的容留量小，使用寿命短。有的净水器用活性炭作滤料，但活性炭对高分子有机物的吸附能力强，对低分子无机物，尤其是极性分子的吸附能力差，不能全面地滤除水中所含的多种多样的杂质。活性炭价格较贵，不宜在净水器大剂量投放，而少量的活性炭很快会因水中杂质毒化失效。由于滤心的寿命太短，使净水器难以普及家用，使现有食品工业中大量耗用净化水的酿酒、饮料等产品的质量也受影响。常用滤料还有石英砂、无烟煤、磁铁矿、天然锰砂，但滤出的水净纯度都不高。为使工业锅炉用水软化，人们现采用石灰配纯碱剂、化学与热能共用法、钠离子交换剂、磁化等各种方法处理水，也有在锅水中投放石墨粉，或投放橡碗栲胶，或投放柞木，棉杆皮、柿子皮之类的植物。如此消耗大量物力与能源，但锅炉积水垢或蒸汽品质恶化的事故并不能彻底根除，还需经常耗费大量人力与盐酸等化学药剂清除水垢。

    本发明的目地是提供一种利用木材的物理化学学的特性，以特制木屑为滤料，高效率、低成本地制备高品质的饮用水及工业锅炉用水的方法。并且提供一种使滤料全方位、全层次地参予滤净，能综合性地、大容量地拦截、滞留、离析、吸附、诱聚、沉淀水中杂物的滤心构造。

    本发明的目的是按以下方案及机理实现的：木材是由纤维素、半纤维素、木素这三大高聚物精巧复合的多孔性材料，三大素对水中杂质的吸附功能有联系又有区别，因此木质滤料能全面地、综合性地清除水中的杂质。木屑具有极其巨大的内外表面积，活性高的木屑更具有极高的吸附性与渗透性。把特制的木屑按一定的密度装入弯曲成U形的园管内，两端用滤布蒙住，也就把木屑塑造成了一段U形的园柱体，这就是本发明为净水器所提供的柱塞式木屑滤心最基本的构造。城市供应的标准自来水只要流过这种木屑滤心就能变成高净纯度、高品质的饮用水。在乡村，河水或井水宜先放入少量石灰乳，澄清后加入30万分之一的氯胺，或5千分之一到二次氯酸钙，再接入净水器，以延长滤心的使用寿命及确保杀灭细菌。把木屑滤心线性放大，净化水出水量随之增大，或者多个并联，就成为工业用净水器。其中是为工业锅炉制备软化水用时，可在自来水中先加入少量的纯碱或醋酸或单宁酸，加碱还是酸及剂量根据使所滤出水的PH值等于7而定。

    以下将结合附图对上述的净化作用作进一步的详细描述：

    图1是本发明的木屑滤心的具体结构的纵向剖面图

    图2是滤心沿图1b-b线的剖视图

    图3是探讨木质滤料净水的物理化学学原理的分析图

    参见图1，U形园管abcde中灌满了木屑，形成柱塞。(1)为进水储备箱与进水口a连通，箭头1′表示原水由重力朝下通入滤心。(3)为连通出水口e的净水器集水帽，箭头3′表示净化了的水透过e面滤布向上渗出，(3)上有放水口(4)，从(4)流出的净化水水量与自水龙头(0)放进(1)箱的水量相等，就能使净水器在均衡水压下工作。家用净水器的滤心管壁宜采用透明材料，可用有机玻璃，或与市售蒸馏水瓶、饮料瓶同质的食品专用塑料，以便用户监察滤料的工作状况。U型管可整体注塑而成，先在底部弯管bcd中灌装木屑，在b面和d面分别压上栅板(2)，蒙上滤布(5)，栅板由穿过管壁的铆钉或螺丝(6)固定，然后在ab与de直管中灌装木屑。如图1所示，U形滤心也可分为ab、bcd、de三段预制，再用管接头、螺纹、法兰等措施连接成整体。在三段管道中木屑的形状、材种、添加剂、松紧程度、工作状况都有区别。ab段中的木屑粒径较粗短，其沿树杆纵向长1.5-3.5毫米，沿树轴面的宽度或厚度均为0.5-2.0毫米，同组木屑的长、宽、厚误差控制在0.2毫米。木屑可含有微量萜烯、松香，在0.0001％硫酸银或0.05％次氯酸钙消毒水中经灭菌处理，灌装得较疏松。水在木屑内外孔隙中作艰难曲折流动，所含杂质有的被木材微孔陷阱捕集，有的被微纤丝或管胞上的疣状突起揽住固定，以酚类、氰化物为代表的有机物及油类等则被木素吸附滞留，水溶的钙镁盐等受木质羟基OH、羧基COOH作用高度水解，部分水解物与被木质吸着的碱或后续流来的水含杂质反应生成沉淀，细菌则被木屑所沾的树脂、药剂杀灭；被吸着的溶质、被吸附的杂质，以及木屑上的树脂，还会形成胶核、胶粒合并变大而聚沉。总之，在水与木质滤料间的物理化学学反应极为复杂，但总有利于水中杂质的沉降折出。bcd段中的木屑在左上方靠b面区域灌得较疏松，靠中点c两侧灌装较紧密，朝d面方向又有一小段疏松区，近d面段采用与de管中相同的木屑。初步净化的水流下ab管后，bc弯势上方有大量杂质沉降需容纳。还会有少量无机盐、酸等溶质渗透到cd段，但阻力随重力方向改变增大，溶质更易被木质拦截而沉降折出。而水却与木质强烈亲和，被首先选择性地吸引，使d区域形成只有水才能被吸引渗透上去的局面。de管段中的木屑相对细长，纵长2.0-5.0毫米，宽0.3-1.5毫米，在100℃沸水中杀菌并洗去浸提物等杂质，使木屑对水的亲和吸引性更强，木屑灌装紧密，在显微镜下可见相邻木屑接缝形成与原木材内部相当的微毛细管系统。最终，透过e面卷刺线(5)表示的滤布渗出的是高净纯度的水。图2表明栅板(2)是园形，栅板作用是给滤布刚性依托，与管道紧密配合，压紧木屑不使浮动。家用净水器的栅板可用聚乙烯等食品专用塑料制成，大型的工业用的净水器栅板则可用不锈钢、铝合金制成。栅孔的密度取15-40孔/厘米，孔经0.15-0.40毫米。滤布张紧在栅板上，滤布材料选用涤纶、锦纶或尼龙纤维。从a面到e面，滤布的筛孔依次逐渐缩小致密，a面的孔经为100-200微米，b面为50-150微米，d面为10-50微米，在e面栅板上下各棚一层厚滤布或滤膜，下层孔经为5-20微米，上层为1-10微米。在e面，还可以设计用滤布包上一薄层活性炭滤料。作为天然有机物的木质滤料浸在水中的化学稳定性至关重要。木材的半纤维素在水中稳定性较差，针叶材的半纤维素含量比阔叶树材少得多，其结构与化学成份也简单得多。以马尾松为例，根据中国林业科学院测定的数据，其灰分含量为绝干材的0.18％，冷水抽提物为1.61％.a-纤维素43.45％，而半纤维素的代表多缩戊糖含量为10.09％，仅为普通阔叶树材的30左右。针叶树材中的半纤维素又与木素、纤维素复合得十分坚固“直接用碱处理针叶材，也几乎不能浸提出半纤维素”。((日)渡边治人著《木材应用基础》第58页)。故针叶材浸没在水中能长久保持化学稳定，其所含松香、树脂酸等能抑制杀灭细菌。中国自古有俗话：“水浸万年松”。杉木自古作盛水器。经实验，木质滤料宜采用南方杉木、马尾松、东北白松、沙松、樟子松、冷杉、云杉。阔叶树材的柳、扬、白桦等经热水处理，多次漂洗后也可以采用。本发明提出的活性木屑新名词是要求单粒木屑内部孔隙也要畅通。木材多孔，渗透性却不很大，其具缘纹孔的纹孔膜的构造、导管内的侵填体、气泡堵塞等都妨碍水份流通。参见图3，a表示纺锤形的针叶材管胞上有许多纹孔开放，但木材干燥时纹孔塞会永久性闭塞纹孔。b表示一粒放大了的木屑，其内部的孔隙都是各向畅通的。如果内部孔隙是堵塞的，水只能在相邻木屑缝隙中流动，所滤出的水的净纯度与品质就较差。参见图3c，(7)表示纤维素胶束表面，(8)表示水分子的偶极子，相邻的水偶极子的正极和负极在胶束表面互成相反方向的格子状排列，经过这种排列的水具有补益人体健康的生理活性。由此也可理解提高木屑活性，即保持其内外部孔隙畅通开放，是提高木屑滤心品质的关健。

    本发明采用廉价易得的木质滤料，简化了净水器的结构，大大降低了净水器与净化水的成本。每滴水在柱塞式滤心内漫长曲折的流动中，其所混杂质被木质截留是随机性的，但被截留的机率按整个艰难流程无数关卡积分又是极大的。本发明的滤心不是靠把筛孔愈做愈小截留杂质，而是让木屑与水在相对运动中反复碰撞发生物理化学学的连锁反应，导致杂质沉降折出。例如木屑滤心截留了水中的游离余氯，氯杀灭了细菌，细菌又被后续流来的杂质分解或掩埋在木质上，成为一个诱导聚沉的胶粒。因此，木屑滤心对杂质的捕集容留量很大，使用寿命很长，在家用净水器中可连续工作使用5年以上。本发明巧妙利用了木材对水的强烈亲和性及优先吸附性，使其滤出的水具有人体所需的生理活性，口感润爽甘淳，无蒸馏水常有的苦味。本发明所言的高净纯度高品质水是指既要除绝有害杂质又要具有活性及微量元素。现代农作物高产化已使人类食物中的微量元素短缺，如果加饮水也缺乏微量元素，将严重危害人类。实验证明，木屑滤出的水能完全清除铅等重金属有害元素，但对当地水质中的有益元素能微量保留并活化，故常能检测出微量的活性铁、钙、锌、锶、镁偏硅酸等。按本发明方法制备的工业锅炉用软化水成本低、品质好，可成倍延长仃炉除垢期限。

    现举马尾松和杉树制备滤料和滤心为例描述实施本发明的要领如下：①选用树令在5-10年的树木无病虫害、无环境污染与病菌感染、无腐朽、连砍伐日近的饱水材，剥净树皮，洗干净。如果从砍伐到加工周期较长，应把原木浸于无污染的水中储存。②加工木屑时要避开节疤，锯片等刀具要锋利，避免切削阻力过大或剧烈震动破坏木质结构引起剥离或降解。③加工成的木屑要即时泡于清水中，从备料到滤心制成，出厂销售，木材要始终处于饱水状态，可使纹孔不闭塞，管胞不塌陷，也不被气泡梗塞。这是本发明制取活性木屑的关健诀窍。④马尾松锯屑用50-60℃的温水淘洗，洗净灰分、浸提物，筛除超粗颗粒及超细粉末。在无自米水地区，水中须加石灰乳经澄清后才可洗涤木屑。洗净沥干后再浸入次氯酸钙清毒水中作灭菌处理；杉木锯屑洗净后再入100℃的水小10-20分钟捞起。⑤对图1所示的abcde塑料管、栅板、滤布等及所用灌装没备、工具等作消毒灭菌处理。⑥把木屑团各向均匀加压滤出部份水份，塑成一柱试件，使试件的含水率与成屑前的原木的饱水含水率相同，检验试件的容量是否与原饱水材容重相同，饱水村容重等于原木的公定容重×，(Mg为饱水材含水率)。所得数据误差较大时应从头复查试验各环节。木材孔隙分为微细和粗大二部分，原木的粗大孔隙在分割成木屑时有部分丧失。要测定木屑柱试件的木质净含量，并从水份净含量中测算出木屑柱可以容纳水的孔隙率，分折实际测定与理论计算数据误差的原因。可修正的逼近相等的条件。对每立方厘米木屑的颗粒数，每平方厘米中木屑颗粒的平均间距，也须统计出数据。在相同横截面下，木屑柱塞对水的滤净效率不仅取决于密度，而且取决于柱塞的纵长度，在相同密度下，较长的柱塞滤出的水的净纯度较高。因此，试件要做得与木屑滤心实际工作时的长度、截面、及对水流的方向相同，然后根据测量的滤水速度，水中杂质的去除率等指标，最后决定滤心灌装木屑的松紧程度。⑦参照图1，把马尾松木屑作粗滤料按规定量灌入ab管，两端用滤布、栅板压紧。a端木屑在衬上滤布前，洒上木屑柱体积千分之一的硫酸银溶液，溶液的银离子浓度为每升0.5摩尔。在bcd弯管灌装木屑时，用一对可以推进拉出的活塞块作工具，从d面把活塞块推进到离c面的距离等于3分之一cd处，从b面灌入密度与ab管相等马尾松木屑，衬上粗孔滤布，然后再压缩10分之一，使其长度等于3分之一bcd管。从b面拉出活塞，在bc段再灌装密度比ab管小10％的木屑。从d面拉出活塞衬上滤布，灌进密度与AB管相等，长度为3分之一cd的松木屑，再衬滤布，最后3分之一cd的管道灌进木屑，把密度压缩至精滤的要求，在b、d两端压上滤布、栅板。dc管中装上密度达精滤要求的杉木屑，装法同ab管。把三管木屑柱按图示顺序连接起来。⑧在a口接上进水箱(1)，并放水让滤心启动滤水；在e口接上集水帽(3)；在出水口(4)接泵抽真空，排除气泡，让水溢满(3)；测定(4)口出水速度和净化水水质。⑨检验，调节合格后，用塑料热熔法密封(4)；在a面抽去原水，放上无菌水，取下进水箱，旋上塑料盖作密封。用户只要在(4)处剪去一段熔结，装上出水管，在a面旋开盖，装上进水箱即可启用。⑩以本发明滤心为主体的净水器的ab、cd管相对水平线垂直放置，可制成壁挂式，也可固定在底座上。