熊易華 周克釗
中國市政工程西南設(shè)計研究院，成都市星輝中路11號，610081

　　提要 電子催化飲用水凈化設(shè)備的出水正是有益健康的負(fù)離子水。該設(shè)備處理成本低，用途廣泛，特別適用于小區(qū)分質(zhì)供水。運(yùn)行試驗證明，原水經(jīng)過該設(shè)備處理，氧化還原電位有所降低，pH值有所提高，堿度、硬度和碳酸氫根皆略有降低，鈣的去除量僅為11%左右，Ames試驗陰性。
　　飲用水的安全性已經(jīng)越來越令人擔(dān)憂，解決這一敏感問題的根本措施在于水源污染控制和水廠深度處理，但皆難以在短期內(nèi)實現(xiàn)。小區(qū)分質(zhì)供水是目前最經(jīng)濟(jì)、最可靠、最方便的方法，同時也是節(jié)水的有效措施。
　　國家“九五”科技攻關(guān)96-909-03-03-01子專題中開發(fā)研制的小區(qū)規(guī)模的電子催化飲用水凈化設(shè)備^{[1、2、12、13]}，具有良好的消毒能力，能夠徹底去除有機(jī)污染物、無機(jī)還原性物質(zhì)和氧化性物質(zhì)、重金屬和多余硬度，但同時保留對人體有益的適當(dāng)?shù)牡V物質(zhì)，特別是能夠去除致突變物質(zhì)和自由基（活性氧），改善生物學(xué)指標(biāo)，而且處理成本低，用途廣泛。
　　飲用水中的活性氧能夠損傷遺傳基因，使人患高血壓、動脈硬化，甚至使人致癌。日本的研究者通過實驗證明，水電解后生成的負(fù)離子水，能夠消除活性氧，防止活性氧損傷遺傳基因，從而有益健康。電子催化飲用水凈化設(shè)備的出水正是這種負(fù)離子水^[3]。

1 工作原理

　　電子催化凈水設(shè)備根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)和催化反應(yīng)原理，并輔以過濾，深度處理飲用水，流程見圖1。一般包括電解槽、消毒器、催化器和后過濾器。電解槽由隔膜分為陽極區(qū)和陰極區(qū)，電解槽的兩遠(yuǎn)離側(cè)的兩個電極板分別連結(jié)著直流電源的兩極。進(jìn)水依次流過電解槽陽極區(qū)、消毒器、催化器、電解槽陰極區(qū)和后過濾器。根據(jù)需要，可在適當(dāng)位置設(shè)置提升泵和流量計。電子催化凈水設(shè)備的進(jìn)水一般采用自來水，若采用未經(jīng)處理的原水，則須增加預(yù)過濾以去除進(jìn)水中懸浮雜質(zhì)。
　　進(jìn)水首先通過陽極區(qū)，利用陽極和電解產(chǎn)生的陽離子的氧化作用和陽極貴金屬的催化作用，迅速直接氧化破壞細(xì)菌和病毒的組成物質(zhì)而殺死細(xì)菌和病毒，并氧化分解有機(jī)雜質(zhì)和無機(jī)還原性雜質(zhì)，包括酚、甲醛、有機(jī)磷、有機(jī)金屬化合物、硫化物等，同時產(chǎn)生活性氯等氧化劑。陽極區(qū)的酸性環(huán)境還可去除堿性雜質(zhì)，電場作用可脫穩(wěn)并凝聚膠體雜質(zhì)。
　　在消毒器中，保持足夠的消毒時間，活性氯等氧化劑繼續(xù)消毒和氧化分解有機(jī)雜質(zhì)。
　　在催化器中，利用碳錳催化劑迅速徹底分解活性氯等氧化劑，產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的自由基，繼續(xù)強(qiáng)化消毒和深度氧化分解有機(jī)雜質(zhì)。
　　在陰極區(qū)中，利用陰極和電解產(chǎn)生的陰離子的還原作用，進(jìn)一步徹底去除消毒過程中可能產(chǎn)生的氧化性雜質(zhì)，防止有機(jī)鹵代物的產(chǎn)生，改善飲用水的生物學(xué)指標(biāo)，并去除重金屬離子。陰極區(qū)的堿性環(huán)境，還可去除酸性雜質(zhì)，水解去除有機(jī)雜質(zhì)，包括氨基化合物和腈類等，去除水中重金屬和多余的硬度，電場作用可繼續(xù)脫穩(wěn)并凝聚膠體雜質(zhì)。
　　最后通過后過濾器去除水中濁度，包括處理過程中產(chǎn)生的懸浮物。

　　電子催化凈水設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵在于隔膜式電解槽和碳錳催化劑。
　　顯然，如果電解槽的陽極區(qū)和陰極區(qū)發(fā)生摻混，則兩區(qū)的功能會互相抵消。曾經(jīng)出現(xiàn)的電子凈水器、靜電凈水器和微電解殺菌器的電解槽^{[4、5、6、7、8、9、10、11、14、15]}未用膜分區(qū)，當(dāng)然效果有限。電子催化凈水設(shè)備利用隔膜分區(qū)，發(fā)揮了兩區(qū)的不同功能，保證了處理效果。該設(shè)備的獨特的陰極區(qū)處理，去除活性氧，防止有機(jī)鹵代物的產(chǎn)生，改善飲用水的生物學(xué)指標(biāo)。
　　電子催化凈水設(shè)備采用的高效催化劑，大大增強(qiáng)了消毒和氧化分解有機(jī)雜質(zhì)的能力。

2 去除亞硝酸鹽效果

　　針對深圳地區(qū)居住小區(qū)分質(zhì)供水的要求，于2000年1月至3月在成都龍泉進(jìn)行了電子催化凈水設(shè)備去除亞硝酸鹽試驗，運(yùn)行穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)摘要于表1，并參見圖2。
　　其中流量皆為160 L/h，數(shù)據(jù)按電流從小到大排列。由表和圖可以清楚地看出，處理效果隨電流的增加而改善，若電流不足，即使氯離子增加，也仍然不能滿足嚴(yán)格的出水亞硝酸鹽要求。由此可見，氯離子本身并不是處理效果的控制因素，一定流量下的電流才是根本的控制因素。達(dá)到7 A以上電流是處理效果的關(guān)鍵，達(dá)到則可以滿足處理的嚴(yán)格要求，否則，即使達(dá)到6.9 A，且原水濃度降低幾乎一半，也不能滿足處理的嚴(yán)格要求。
　　由表1可見，電子催化凈水設(shè)備具有極優(yōu)的去除亞硝酸鹽的能力，在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)下能夠使出水亞硝酸鹽氮濃度小于0.8 μg/L，相當(dāng)于小于亞硝酸根2 μg/L，這已經(jīng)達(dá)到反滲透處理的純凈水的標(biāo)準(zhǔn)了。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)為：
　　原水亞硝酸鹽氮濃度上限為0.6 mg/L左右；
　　160 L/h流量下電流7 A以上，即需電量44 Ah/m3以上。

表1 去除亞硝酸鹽運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)摘要 日期及時間 電流（A） 亞硝酸鹽氮（μg/L） 氯離子（mg/L） 備 注 進(jìn)水 出水 2000-1-26 15:14 4.0 600 460 100 2000-2-21 16:14 5.0 760 102 200 2000-2-23 13:34 6.6 780 121 50 2000-2-25 13:50 6.9 360 83 50 2000-3-14 13:40 7.4 580 <0.8 100 檢出限為0.8 μg/L 2000-1-24 12:40 7.7 660 <0.8 100 同上

　　電子催化凈水設(shè)備去除亞硝酸鹽的機(jī)理，應(yīng)該是的亞硝酸根在電解槽陽極區(qū)、消毒槽和催化器中被陽極、有效氯或自由基氧化為硝酸根。至于硝酸根在陰極區(qū)是否被還原為氮氣，有待進(jìn)一步考查，但出水水質(zhì)證明硝酸根肯定未被重新還原成為亞硝酸根。

3 電流、電壓和電阻

　　運(yùn)行試驗于2000年1月至12月在成都龍泉、青羊?qū)m和洞子口進(jìn)行。試驗發(fā)現(xiàn)，原水礦化度對設(shè)備電流的影響很大。原水為地下水的洞子口的電流最大，而原水為由地面水制成的自來水的龍泉和青羊?qū)m的電流較小。試驗中三處的電壓接近，這是因為設(shè)備的電壓一直開在最大，并未有意調(diào)節(jié)電壓，試驗電壓的波動是由于外電網(wǎng)和附近用電設(shè)備引起的。試驗發(fā)現(xiàn)，原水礦化度對設(shè)備電阻的影響同樣很大。地下水的洞子口的電阻最小，自來水的龍泉和青羊?qū)m的電阻較大。同一原水試驗的電阻波動，是由于陰極和膜結(jié)垢引起的，垢越厚，則電阻越大，清洗后則電阻減小。另外，剛開機(jī)時電阻也會大一些。
　　由于龍泉自來水、青羊?qū)m自來水和洞子口地下水的電流分別為5、3和10 A，流量皆為160 L/h，因此需電量分別為40、24和79 Ah/m3；由于電壓皆為70 v，所以電解槽功率分別為350、210和700 w。再加上提升泵的功率200 w，則設(shè)備總功率分別為550、410和900 w，耗電量則分別為4.4、3.3和7.1 kwh/m3。值得注意的是，設(shè)備的需電量還應(yīng)有較大的壓縮空間，另外，通過壓縮電解槽的極板距離，可以在同樣電流下降低設(shè)備的電壓，也還可以進(jìn)一步壓縮耗電量。

4 處理效果

　　運(yùn)行試驗詳細(xì)考查了設(shè)備進(jìn)出水的氧化還原電位、pH、高錳酸鉀指數(shù)、堿度、硬度和碳酸氫根的變化情況。
　　由圖3可見，原水經(jīng)過電子催化凈水設(shè)備處理，氧化還原電位有所降低。其降低的原因，應(yīng)該是原水中的氧化物，如余氯等，在設(shè)備的催化器和電解槽陰極區(qū)內(nèi)分別被催化分解和還原去除，而且原水中的溶解氧被陰極區(qū)中的大量微細(xì)氫氣泡帶走。由于出水的氧化還原電位并不是很低，所以出水中應(yīng)該沒有還原劑。電子催化凈水設(shè)備能夠降低原水的氧化還原電位這一事實，證實了該設(shè)備可以去除水中的氧化劑，包括致癌的活性氧或自由基，提高了飲用水的生物學(xué)性能。
　　由圖4可見，設(shè)備出水的pH值有所提高，但仍在GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的范圍以內(nèi)，這不僅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金屬和部分去除硬度。
　　設(shè)備出水的高錳酸鉀指數(shù)略有升高，當(dāng)然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的限制。升高的原因，也許是去除了原水中的氧化劑。
　　設(shè)備出水的堿度、硬度和碳酸氫根皆有所降低，這是由于出水的pH值提高所引起的。
　　電子催化凈水設(shè)備可以去除多余的鈣，但去除量并不大，不至于影響飲用水的有益礦物質(zhì)的含量。根據(jù)青羊?qū)m試驗的兩次測定進(jìn)出水中鈣離子的數(shù)據(jù)，進(jìn)水鈣離子分別為35和36 mg/L，出水鈣離子分別為35和31 mg/L，最大的去除率僅為11%。
　　2000年11月，將電子催化凈水設(shè)備的進(jìn)出水委托華西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院進(jìn)行了Ames試驗，出水未檢出致突變性。

5 處理過程

　　運(yùn)行試驗中，通過在設(shè)備中各關(guān)鍵位置進(jìn)行了采取水樣和化驗分析，證實了原水在設(shè)備中的水質(zhì)變化情況，化驗數(shù)據(jù)見表2，氧化還原電位、pH的變化情況分別參見圖5和6。濾罐出水實際上已經(jīng)是設(shè)備的最終出水了，大罐用于貯存設(shè)備出水。
　　由圖5可以看出，陽極出水的氧化還原電位與進(jìn)水相比，有非常顯著的提高，這是陽極區(qū)強(qiáng)烈氧化的效果；經(jīng)過催化以后，氧化還原電位有顯著的下降，但仍顯著高于進(jìn)水，這是由于催化劑分解了陽極出水中的大部分氧化劑；經(jīng)過陰極處理以后，氧化還原電位又有顯著的下降，已經(jīng)顯著低于進(jìn)水，這是陰極還原的效果。

表2 處理過程中水質(zhì)變化情況 位置 氧化還原電位（mv） pH IMn（mg/L） 硬度（mg/L） 碳酸氫根（mg/L） 陽極進(jìn)水 650 7.40 0.37 388 374 陽極出水 1040 7.05 0.47 338 268 陰極進(jìn)水 800 6.90 0.49 344 276 陰極出水 560 7.75 0.16 378 349 濾罐出水 640 7.60 0.27 360 341 大罐出水 640 7.95 0.13 352 325

　　由圖6可以看出，陽極出水的pH值較進(jìn)水有所下降，這是由于陽極上有氧氣逸出，使得陽極區(qū)水中氫離子濃度增加引起的；經(jīng)過催化以后，pH繼續(xù)下降，這應(yīng)該是催化分解氧化劑引起的；經(jīng)過陰極處理以后，pH有很大的提高，顯著高于進(jìn)水，這是由于陰極有氫氣泡逸出，使陰極區(qū)水中氫離子濃度降低所致。

　　高錳酸鉀指數(shù)在流程中變化不大。由于所有的高錳酸鉀指數(shù)值皆低于0.5 mg/L，此時用標(biāo)準(zhǔn)方法已不可能測出，這里是采用分光光度法測定的。
　　硬度和碳酸氫根在流程中變化皆不大，出水略低于進(jìn)水，這應(yīng)該是pH值提高引起的。

6 結(jié)論與問題

　　小區(qū)規(guī)模的電子催化飲用水凈化成套設(shè)備具有良好的消毒能力，能夠去除有機(jī)污染物、無機(jī)還原性物質(zhì)和氧化性物質(zhì)、重金屬和多余硬度，但同時保留對人體有益的適當(dāng)?shù)牡V物質(zhì)，特別是能夠去除致突變物質(zhì)和自由基（活性氧），改善生物學(xué)指標(biāo)。該設(shè)備的出水正是有益健康的負(fù)離子水。電子催化凈水設(shè)備處理成本低，用途廣泛，特別適用于小區(qū)分質(zhì)供水。
　　原水經(jīng)過電子催化凈水設(shè)備處理，氧化還原電位有所降低，pH值有所提高，堿度、硬度和碳酸氫根皆略有降低，鈣的去除量僅為11%左右，Ames試驗未檢出致突變性。
　　電子催化凈水設(shè)備通過運(yùn)行試驗，達(dá)到了預(yù)期處理效果，但也發(fā)現(xiàn)不少問題有待改進(jìn)和進(jìn)一步研究。設(shè)備流程中水質(zhì)的變化情況有待進(jìn)一步長期監(jiān)測，建議加強(qiáng)對直接影響水質(zhì)的水中微量有機(jī)物質(zhì)的化驗分析。
　　電子催化凈水設(shè)備是一種采用物理和化學(xué)方法處理飲用水的新技術(shù)、新設(shè)備，有著獨特的凈水機(jī)理和效果，值得進(jìn)一步深入研究，并在長期生產(chǎn)運(yùn)行中不斷改進(jìn)。

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