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问渠哪得清如许?家用净水设备探析

楼主:IP创新赢 时间:2018-12-05 17:35:10

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心
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小赢说

刘禹锡《叹水》:“水,至清,至美,从一勺,至千里。利人利物,时行时止”。水,是生命之源,然而当下人们对水资源的担忧却是:问君能有几多愁,恰似一江春(wu)水向东流(小赢今天好像变得好有文化)。今天小赢带您细数家用净水设备,送您一杯清水。


随着人民富裕,消费升级,净水设备已经走进千家万户。最常见的是,具有使用便捷性和成本优势的滤水壶。您家里也有一只吗?

若问滤水壶行业的领先品牌,很多人一定张口答道:碧然德(BRITA)。
但很多人不知道的是BRITA除了市场做的好,知识产权也很重视:
仅以在中国为例,该公司进行了全方位的专利布局:
外观设计专利(如CN201530403873)
实用新型专利(如CN201520114992)
发明专利(如CN201280020183,CN201610052142等)。

该公司发明专利申请显著的集中在滤水设备的关键部件——滤芯结构和材料,如CN201280020183通过两种离子交换材料实现水体净化,CN201610048587, CN201610052142通过芯座、阀组件的设置控制水体流动、提高净化效率。

通过下图可以看出产品和专利的对应关系。




传统的滤水壶,一般采用活性炭吸附、离子交换的方式来抽离水中的杂质,软化自来水。滤水壶可以去除大颗粒物、余氯、重金属,水垢也可以控制在可接受的范围内,但对于细菌、部分金属离子等小尺度杂质去除不够彻底。

如果家里有更高的品质追求,且不差钱的话,很多家庭直接用的是:

家用RO净化器


参考上图,家用RO净化器一般都具有五级过滤,从左至右依次是:
第1级-PP棉滤芯:孔径5微米,吸附截留大颗粒,如泥沙、铁锈、灰尘等,降低浊度
第2级-活性炭滤芯中的颗粒活性炭:吸附水中余氯,大分子有机杂质
第3级-活性炭滤芯中的压缩活性炭:吸附水中小分子颗粒物
第4级-RO膜组件:孔径达到0.1纳米,理论上去除所有污染物,病毒、细菌、重金属、固体可溶物、污染有机物、钙镁离子等
第5级-后置活性炭滤芯:进一步去余氯,改善口感

作者提示:家用RO设备的各个级别滤芯的更换时间是不同的,要分别注意更换时间哦!特别是如果PP棉不按时换的话,RO膜的老化速度会很快!

家用的RO设备能达到什么级别,RO到底是什么意思?如果你是个技术控,接下来请听作者详述:

要净化水,先要了解水,搞清楚水中危害健康的敌人

铁锈、管道中的水垢、泥沙等肉眼可见的,简单的刷洗、沉淀可以去除!


部分细菌只要经过煮沸就可以消灭它们。

有机物、重金属、氯离子、抗高温细菌、病毒这些顽固分子怎么办?
这些就需要特殊武器——过滤设备!

就像渔网的网眼大小不同一样,净水设备的等级也分为上图中的四种。从微滤到逆渗透(又叫反渗透,以下简称RO)滤膜孔径逐渐减小,过滤物质逐渐精细,产出物质逐渐纯净。

微滤设备
采用PP棉、滤网、高分子膜、陶瓷膜等,主要用于粗滤及RO净水器的前置过滤,技术门槛较低,生产厂家较多。

经过作者统计中国专利申请量:在微滤领域的申请较多,无明显集中度,发明和实用新型申请各占一半左右。
  

与微滤设备相比,超滤、纳滤和反渗透设备过滤精度明显提高,但三种技术的申请量却存在明显差别。反渗透技术的申请量占据了半壁江山,纳滤技术申请量最小,仅占十分之一,这与各自的技术难度和市场表现基本吻合。下面咱们来详细说说:


超滤设备:

滤膜孔径为微米-纳米级,相对于微滤可以去除更细小的杂质,但对于多数有机物、重金属、低价矿物质、水碱等却无能为力。超滤膜的优点也在于:可保留水中的大部分有益矿物质。超滤设备能够保证流量大,能耗较低,在商用和家用领域都有比较广泛的应用。

对于超滤设备,从在中国申请来看,主要申请人为国内科研院所和大型企业,进入前十唯一的国外申请人是日本东丽公司。虽然中国申请人的申请量大,但是本领域的核心专利却掌握在外国公司例如东丽公司手中!

纳滤设备:
纳滤膜的孔径范围在几纳米左右,其可以去除有害重金属,保留部分有益矿物离子,似乎鱼与熊掌可以兼得,但是部分纳滤净水器有较高能耗、有废水排出,并且纳滤膜净水效果不如逆渗透膜,造成纳滤净水器的市场表现平平。

申请量和市场表现契合,纳滤技术的申请量显著小于RO和超滤,但其申请结构中发明专利占据主体。申请量前十均为国内申请人。与超滤设备的专利分布一样,纳滤设备的少量核心专利也掌握在国外企业手中。例如:GE(通用电气)和海德能。

逆渗透设备:
先介绍一下RO的原理,看下图:

将纯水和盐水用半透膜隔开,纯水会穿过半透膜向盐水流动(左图),直到盐水液面高出纯水一定高度,形成压力差,达到渗透平衡(右图),此即为渗透压。若在盐水一侧施加一个大于渗透压的压力时,盐水中的纯水就会向纯水一侧流动(中图),这个流动的方向与左图正常渗透的方向相反,因此将这一过程称为逆渗透或反渗透。通过反渗透,盐水(自来水)中的纯水逐渐富集,剩余的就是高浓度的废水。

RO膜有多强大?下图告诉你为何RO膜能过滤掉几乎所有杂质!

现实中的RO膜长啥样?

RO膜是怎么过滤的?


原理懂了,但是产品那家强呢?

陶氏化学公司作为逆渗透技术领域的领导者,其逆渗透膜产品在世界范围内得到了广泛的使用。公司早在1987年开始就在中国申请了发明专利(CN87100760),是最早在中国进行专利布局的外国企业(注:中国专利法实施是1985年4月)。



陶氏化学的发明申请CN87100760是一种中空纤维反渗透分离装置,用于解决中空纤维末端堵塞、降低渗透效率的问题。
 
分析陶氏的专利布局,包括:
对膜表面状态的改善:表面涂布CN88104476,材料修饰CN200780015362、CN00808461,滤膜元件结构改进:CN200580005995,
滤膜制备方法:CN01808064,
废水处理方式改进:CN201480044042,
新型杂质分离材料和方法:CN201480070703、CN201480070908等。

可见:陶氏化学公司全方位的保护了核心滤膜的材料、微观结构、制备方法等,并开始关注了RO技术的先天缺陷—废水排放。

认真读到这里的人一定是真技术控,所以我们在这里分享一个彩蛋:

你可曾见过这样的场景?海鸥,忽然低空掠过海面,衔起一口海水,过一会儿又吐掉。千百年来,海鸥的行为被人熟视无睹。直到1950年,美国科学家S.Sourirajan,无意中发现海鸥啜起一大口海水,吐出的却是一小口。

也许科学家和普通人的区别就在于:爱刨根问底!
科学家开始质疑了:其中一部分海水是被海鸥喝了吗?
但是,肺呼吸动物是无法饮用高盐份的海水的!
爱纠结,爱实践的科学家经研究发现:海鸥嗉囊位置有一层薄膜,该薄膜构造非常精密。海鸥正是利用了这薄膜将啜起一大口海水中的一部分过滤为淡水,而将剩余的含有杂质及高浓缩盐份部分吐出嘴外。这就是现代逆渗透(RO)技术的基础来源。

原来,和很多重大技术发现一样,逆渗透技术也来自于仿生学!


注:本文所列CN***为中国专利申请号,文中数据统计来源为Patentics数据库

本文作者
审协北京中心材料部    曹旭


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审核校对: IP创新赢  张丹

文字改编: IP创新赢  刘鹤

美编布局: IP创新赢  胡延


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