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活性碳濾芯與 RO 逆滲透其實是閨密?淨水器原理大解密

  • 文/水知識生活家 許馨勻|在這資訊碎片時代,我們只提供最真實的水知識,大家最需要的水知識,讓人人都能當水知識生活家

你家有裝淨水器嗎? 目前活性碳濾芯和 RO 逆滲透為目前台灣淨水器的大宗。其實 RO 逆滲透是一套複合式的系統,其中主要的過濾環節也包含了「活性碳」;究竟這些淨水器是如何運作的,你知道嗎?讓我們一起來了解淨水器的組成和原理吧,有了這些知識也更能知道自己適合怎樣的淨水器、才不會被廣告或是業務牽著鼻子走囉。

首先,讓我們來看看活性碳的小知識吧!

活性碳淨水器

活性碳濾芯原理

活性碳濾芯原理,圖/ID Water水知識生活家。

活性碳(activated carbon)是很廣泛使用的的淨水器濾材,為一種多孔性的含碳物質,它具有高度發展的孔隙構造,其結構為碳形成的六環物堆積而成。由於六環碳的不規則排列,造成了活性碳多微孔結構及高表面積的特性,每一公克的活性碳就有如好幾個籃球場的面積,因為這特性所以它能夠讓汙染物如農藥、臭味、餘氯等有足夠空間吸附在上面,而達到過濾效果。

 活性碳主要功能有

  1. 臭味
  2. 吸附顏色
  3. 吸附氯氣
  4. 吸附農藥

活性碳就像海巡一般,負責把這些偷渡的物質給抓起來,然而對於暗渡陳倉的硝酸鹽、硬度以及絕大部分的重金屬,活性碳可能就拿他們沒辦法了(攤手)。

活性碳材質迷思

電子顯微鏡下的活性碳。source:Wikimedia

活性碳所使用的材料大多取自木材、鋸屑、木質素、果殼、棕櫚、椰子殼等,經高溫(300~500℃)碳化後,再以高溫(850~950℃)的水蒸氣予以活性化製成。活化的目的是清除碳化過程中,積蓄在活性碳孔隙內的焦油物質及提高孔洞體積、比表面積,以產生高吸附量的活性碳。

通常業者會聲稱椰子殼的活性碳就是最好的選擇,千萬不要陷入材料品質迷思,關鍵還是在於廠商的製造過程,而這個把關的部分,消費者需要注意的是,是否有美國國家衛生基金會(National Sanitation Foundation, NSF)認證材料證明,這樣才能避免買到劣質的活性碳濾心或淨水器。

NSF 認證活性碳濾心水壺,圖/NSF 國際官網

市面上常見的活性碳淨水器種類

一般市面上販售的活性碳淨水器大致可分為『粒狀』、『粉狀』、『壓縮碳棒』、『銀添抗菌活性碳』、『銀添抗菌活性碳纖維』五種型式,其過濾效果程度依序為:

  1. 銀添抗菌活性碳纖維
  2. 銀添抗菌活性碳
  3. 壓縮碳棒
  4. 粉狀
  5. 粒狀

由於活性碳本身無抗菌的能力,因此開發出添加具有抗菌效果的銀奈米粒至活性碳中,透過奈米大小具有高的比表面積特性,加入活性碳中可提高其吸附性。

活性碳的維護與管理

  • 增加水體與活性碳的接觸時間可以提高活性碳吸附的效果,這可以透過減低水流速度的方式達成。
  • 新的活性碳在第一次使用前應以清水流洗清潔,以去除殘留的粉末狀活性碳。
  • 活性碳的吸附對象是無選擇性的,只要是疏水性有機物,活性碳都具備某種程度的吸附效果。為增加吸附效果,水體應先適度過濾,去除雜質再進入活性碳濾心。

使用活性碳淨水器應注意的地方

過濾是以阻截為處理機制,達到去除水中物質的功能,因此使用一段時間後,濾芯上所截留下水中的雜質會逐漸累積。雖然活性碳的吸附能力很強,但也是細菌的溫床,使用時間一久,活性碳已屆使用期限,如果太久沒有更換或清洗,堆積在淨水器上的顆粒物質會愈來愈多,則通過之水流量會逐漸減少,並會孳生細菌,影響水質安全。

如何判斷淨水器被阻塞的程度 :一般淨水處理是利用入水與出水的壓力差。

經過一定的處理水量後,淨水器要定時進行反沖洗*以排除堆積其上的雜質,淨水器濾芯也需定期更換(一般 3 個月更換一次,活性碳濾心一般約半年更換;出水量顯著減少時,也需更換),才能確保濾出水的安全。

  • 反沖洗(back washing)為一種清洗濾料之方法,透過攪動使附著於濾層中的雜質污染物剝離,但這通常要請專業人士來執行。

活性碳的使用期限:當濾芯顏色變黃、淨水流量漸小時,就要及時更換,不然濾出的水質反而會比自來水更不安全。

RO 逆滲透淨水器

逆滲透(Reverse osmosis, RO)有如城堡裡的層層衛兵、設下了 2~3 層的關卡,是各類淨水器中對污染物最全面的處理技術。但逆滲透也因此成本最高,維護也較為困難,因此為了保護滲透膜的壽命,在滲透膜前端會有去除水中餘氯的機制,這通常利用活性碳濾芯來完成。

RO 逆滲透濾芯構造,圖/ID Water水知識生活家。

RO 淨水器構造

RO 淨水器一般是如何組成的,想必很多人不太了解,接下來讓我們來了解一下基本的構造吧!

一般 RO 淨水器系統基本是由五種不同的濾芯所组成:

RO 逆滲透率新構造,圖/作者製作。

RO 逆滲透的過濾原理

RO 薄膜即半透膜為一種多孔性的材質,水只能從一方流入,而不會回流,且其孔徑大小剛好可以通過水分子,因此比水分子大的分子如重金屬、酚類、螢光劑都無法通過,細菌、大腸菌、病毒亦無法通過。

RO逆滲透原理。source:wikimedia

利用半透膜的材質及水分子滲透的特性,一般水分子會由濃度低(雜質極少)的一端往濃度高(含較多雜質)的一端滲透,但是如果在濃度高的一端加壓就會形成逆滲透,也就是水分子由濃度高的一端往濃度低的一端移動,因此逆滲透的基本配件就是半透膜與加壓馬達。

此外,為避免水中懸浮微粒造成阻塞問題,通常在活性碳濾心前會再加一個 5 微米的濾心,水中較大的顆粒、餘氯及部分有機物可由前置活性碳及顆粒濾心去除。

滲透過分離膜的即為純水,沒有滲透過去的即為高濃度廢水,而 RO 造一桶純水須排放 3~4 桶廢水,但可將水中所有雜質完全去除(90%以上),是目前過濾效率最高的水處理方式。

RO 膜雖然能過濾水中雜質及異味,能有效提高用水品質,但相對的 RO 濾心是屬於耗材之一,面對不同用戶所使用的原水端,會因為水質差異而影響該濾心的使用年限,使其壽命降低。

RO 淨水器的維護管理

RO 淨水器的維護管理,圖/作者製作。

但因不同淨水器使用材料不同,消費者使用淨水器的次數、用量也不同,因此濾心使用壽命也就不同。缺乏維護保養的濾心本身就會形成二次污染,甚至造成更大的危害。

然而家用淨水器淨化後之水質經常沒有一個確切的標準來衡量,因此處理後之水質難以保證。

目前雖能做到由淨水器的自動控制系統根據水壓、時間提醒維護,但事實上等到濾芯顏色變黃、水流量變小時,也許已經是事態嚴重的程度了。

重要的是還是要根據水質,因此最好能夠常態的進行水質檢測,才能真正確保我們飲用水的安全。

活性碳與 RO 逆滲透濾心比較,圖/ID Water水知識生活家。

參考資料

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  2. 王根樹。2011 年 11 月 20 日。淨水器的使用。上課簡報。
  3. Ghaedi, M., Sadeghian, B., Pebdani, A. A., Sahraei, R., Daneshfar, A., & Duran, C. (2012). Kinetics, thermodynamics and equilibrium evaluation of direct yellow 12 removal by adsorption onto silver nanoparticles loaded activated carbon. Chemical Engineering Journal, 187, 133-141.
  4. 張傳旺。2011。超音波及酸鹼藥劑應用於 RO 膜清洗系統之研究。In: 第十一屆台灣電力電子研討會。國立清華大學 電機工程學系。
  5. 楊智其。2011。全球環境變遷與永續發展。課堂簡報。

關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。

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