高水效等級下家用凈水機的防污堵研究

袁新兵 王 慶 盧明鳳

（歐美新材料(浙江)有限公司 湖州 313000）

引言

隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多的人們開始注重家庭飲用水的安全，且2020年出現的新冠肺炎疫情，在全世界都造成了重大的衛生安全影響，我國生態環境部在疫情初始就發出了《應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應急檢測方案》，提出飲用水也是肺炎疫情防控監測的重點。進一步加深人們對飲用水安全的重要性。目前我國各地城市的供水整體都是受衛生監督，住建系統的管理和監督的，自來水水質都是符合國家標準。然而在一些水處理工藝過程中，不可避免存在一下管道老化（如自來水廠向住戶的輸送管道），儲水箱污染（特別是高層二次供水水箱污染）以及自來水消毒過程中產生的副產物三鹵甲烷，如三氯甲烷，二氯一溴甲烷等等，它們是典型的強致癌物質。鑒于家庭自來水存在的這些安全隱患，家庭凈水機的使用這幾年也一直在持續增長。據不完全統計，目前我國家用凈水機的生產廠家已經超過3 000多家，凈水機的市場規模也已經超過320億元，目前還在不斷的上升階段[1]。目前市場上的家用凈水機主要是以超濾和反滲透凈水機為主，其中由于反滲透凈水機既能去除水中的重金屬及有機微生物，又能去除由液氯消毒過程中產生的致癌物質三鹵甲烷，其唯一能過的物質基本就是水分子（脫鹽率低的RO機除外），過濾之后的水基本就是最安全的純凈水，故其市場占有率也越來越高[2]。反滲透凈水機有非常安全的一面，但也有其缺點，一般廢水量較多，而且大部分廢水都是直接排掉的，造成一定的水資源浪費，國家在2017年制定的《反滲透凈水機水效限定值及水效等級》標準中，明確規定凈水機一級水效需達到60 %，在2021年，又對此標準再次進行了修訂，將水效從2017版的35 %提高到45 %，一級水效從60 %提高到65 %，進一步提升了水效，降低廢水排放。新的標準將于2022年7月開始實施，這將對凈水機中反滲透膜的使用壽命帶來很大的挑戰。

水效提高，凈水產率提升，意味著濃水排放減少（如濃水部分回流再利用），會加速水機中反滲透膜的堵塞（最常見的是無機鹽結垢），從而導致凈水機配件更換頻率高，或者凈水機使用壽命極短，嚴重影響品牌聲譽。為提高凈水機的使用壽命，降低反滲透膜的污堵，本文通過螯合增溶及晶格畸變的原理，在凈水機中添加緩慢釋放型阻垢劑（一般放置在PP棉濾芯的中心管中），通過釋放出的阻垢功能基，一方面可以與水中的二階成垢離子發生螯合作用，生成穩定的可溶性螯合物，從而提高了水體中成垢離子的允許濃度，降低了成垢的幾率。同時隨著水體中阻垢功能基的釋放，其也會與能量高的成垢離子螯合，即優于與成垢晶體中的晶體扭曲位置的成垢離子螯合，從而形成的螯合物占據了晶體正常生長的晶格位置，使晶體不能按照正常的規律生長，形成不穩定的歪晶，在晶體內部的彈性力作用下碎裂，形成不穩定的微晶狀態，引起晶格畸變，從而不易在膜表面沉積[3]。通過阻垢劑的加入，減少濃水排放，可以大大解決22年7月即將執行的新標準水效下膜的結垢問題，從而延長整個凈水機的使用壽命。

1 實驗部分

1.1 測試環境

常溫常壓下，采用5級過濾凈水機，分別是5 μm的PP棉濾芯、顆粒活性炭濾芯、壓縮活性炭濾芯、0.1 nm RO膜和后置活性炭濾芯，緩慢釋放型藥劑位于PP棉濾芯內部[4]。凈水機改造后設計水效為68 %，通過進行空白，進口產品（美國產），公司自制加萊富藥劑SP410產品（已通過MOH涉水安全認證，浙（06）衛水字（2019）第0014號），藥劑裝填量為15 g，進行運行測試。測試過程中，用壓力表分別檢測每臺進水機的進水壓力及膜前壓力。隨著測試的進行，若反滲透膜堵塞，則膜前壓力及進水壓力都會增加；若濾芯堵塞，則膜前壓力降低，進水壓力增加，將會及時進行濾芯更換。

1.2 實驗試劑及儀器

碳酸氫鈉，無水氯化鈣，七水硫酸鎂，氯化鈉，氫氧化鈉，鹽酸，亞硫酸氫鈉等，梅特勒的pH及電導測試儀，機械攪拌桿等。

1.3 水質配置

考慮南北區域性水質的差異，北方水質一般硬度偏高，故我們在試驗初期，將試驗用水水質模擬工況偏向北方水質，如果總體硬度偏高水質都能穩定運行，那么南方低硬度水質一般是沒有問題的。我們已以市政自來水（水質指標見表1）為水源，通過額外添加碳酸氫鈉、氯化鈣和氯化鎂等來調節自來水的堿度、鈣硬和鎂硬（以碳酸鈣計），使原水（進水）的水質達到表2所示的指標。

表1 自來水的水質指標

表2 原水的水質指標實測

按我們設計參數68 %的水效，其RO膜的濃水側指標相當于我們的原水濃縮3.125倍左右，根據我們進水水質來預估，其濃水側水質在假設不結垢的情況下，其LSI指數已達到1.58，從LSI指數判斷，已經處于結垢水質狀態。

1.4 實驗結果

在凈水機整個的運行周期內（總產水量超過7.2 T），我們重點考察了凈水機的脫鹽率及產水流量的變化，以此來判斷機器運行穩定與否。

1.4.1 脫鹽率隨運行時間的變化關系

分別對三組純水機的脫鹽率進行數據跟蹤分析，所得變化關系如圖1所示。

圖1 脫鹽率隨時間的變化關系

由圖1可知，隨著測試的進行，空白組的脫鹽率先緩慢增加后驟減，其它兩組脫鹽率隨時間的變化關系基本一致，先緩慢增加后變平緩，略有降低，說明添加釋放型阻垢劑后，對膜的穩定運行還是有很大的幫助。

1.4.2 產水流量隨時間的變化關系

分別對三組純水機的產水流量進行數據分析，所得變化關系如圖2所示。

圖2 產水流量隨時間的變化關系

由圖2可知，空白組的產水流量呈明顯的下降趨勢，膜逐漸堵塞；藥劑組的產水流量先略有下降后，后期基本保持穩定運行，前期下降的原因應該是PP濾芯的堵塞導致（后進行更換）。

1.4.3 實驗過程中的部分現象

運行過程中， pp棉濾芯堵塞嚴重，且顏色也有初始白色變成土黃色，且表面有明顯的銹泥存在。空白組在運行到后面幾天的時候，出水已基本成細條狀的斷續狀態，具體見圖3。

圖3 實驗過程中濾芯變化及出水現象

2 試驗結論

從機器運行的情況看，隨著測試的進行，空白組的反滲透膜堵塞較快，第9天其產水量只有初始的34.6 %，在第13天反滲透膜已基本完全堵塞。而添加進口樣品和SP410產品的凈水機各項指標的變化關系比較接近，其脫鹽率和產水流量隨測試時間的延長變化都不是很明顯，比較平穩。在過水量超過8.6 T后，兩臺機器運行還是非常的平穩，脫鹽率及產水流量無明顯的下降趨勢。說明添加藥劑后，有效緩解了鈣鎂離子的無機鹽沉積，有效提高了凈水機的使用壽命。

3 結論

針對2022年7月1日即將執行的新水效標準，現有凈水機在做到65 %水效條件下， 極易引起反滲透膜的污堵，特別是北方片區水質硬度較高的地方，極大影響了凈水機的使用壽命，增加了凈水機中反滲透膜配件的更換頻率，給廣大用戶帶來一些不好的使用體驗。我們通過自制添加經過涉水安全認證的緩慢釋放型阻垢劑后，帶有阻垢的功能基能夠與水中的鈣鎂離子等絡合，干擾了晶粒的形成，阻礙了其在膜表面的沉積，達到了很好的阻垢效果，延長了凈水機的使用壽命。其阻垢劑也是在反滲透膜的濃水測，且也透不過反滲透膜，同時又經過涉水安全認證，可放心使用。