家用反渗透净水机恶劣水质使用寿命提升研究及应用

贺 雷 周梦然 施清清

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

根据奥维云网统计数据[1]，2015～2019年，我国净水机销量呈现逐年增长的趋势。2019年净水机销量达到1 827.8万台，同比增长了2.1 %，销售额超300亿元。随着我国对于净水机的认可度逐渐提升，其销量将继续保持稳步增长。

2020年突如其来的新冠肺炎疫情，在世界范围内都造成了重大的卫生安全影响。疫情当前人人都了解到病毒传播途径主要为直接传播、气溶胶传播和接触传播，其实，饮用水安全也极其重要。生态环境部在疫情初期就印发了《应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急监测方案》，提出空气、饮用水为肺炎疫情防控监测重点，提醒大家在勤洗手、戴口罩的同时也要关注饮水安全。此次新冠肺炎疫情中武汉雷神山、火神山医院都采用了专业的商用净水设备，各大医院也均紧急加装净水设备。疫情的健康教育给予净水机行业一个新的机遇和挑战。

反渗透净水机的反渗透膜（RO膜）过滤精度在0.1 nm左右，是普通超滤膜过滤的1 000倍，在增压泵的作用下，几乎只有水分子可以通过，其他杂质如重金属离子、有机物、胶体、病毒等均无法通过。反渗透净水机通过控制浓水端（废水端）电磁阀的出水孔孔径及开合频率来控制机器出水的纯废比，因净水机水效强制要求及市场对高纯废比的追求，浓水电磁阀孔径设置往往很小，一般在0.35～0.7 mm。高纯废比的净水机使用在四川、河南、山东等水质恶劣地区，尤其是使用地下水时，存在因水质硬度过大，浓水电磁阀在使用1～3个月即出现结垢堵塞，机器无法正常出水的问题，引起客户强烈不满。

浓水电磁阀堵塞引起的滤芯脏堵不出水问题极大影响净水机的换芯周期及使用寿命，已成为净水行业的痛点问题，严重影响净水机口碑及品牌形象。为提高反渗透净水机恶劣水质使用寿命，本文通过对结晶堵塞机理的分析，提出并验证了化学法抗堵净水系统与物理机械除垢方案。

1 废水电磁阀堵塞机理分析

根据晶体生长理论，结晶过程分为晶核形成与晶体成长两个部分。晶核形成过程的速度较慢，而晶体成长过程的速度较快，晶体成长的速度与溶液过饱和度的幂级数成正比[2]。反渗透净水机中废水阀表面浓水的结垢沉积过程与晶体生长理论基本吻合。

以水垢的主要成分碳酸钙为例，初期形成一种规则的正交晶体悬浮在溶液中、粘附性能很弱，这种垢可以通过冲洗的方式清除，定义为“良性垢”；后期随着晶体的成长逐渐变成一种比较杂乱含有杂质的方解石晶体，它如岩石般坚硬，无法通过冲洗的方式清除，定义为“恶性垢”。浓水的结垢倾向由原水水质参数（包括但不限于水温、 TDS、硬度、碱度、pH 值等）和浓缩倍数（即回收率）决定，原水水质参数越大、浓缩倍数越高，对应的浓水结垢倾向越高，通过冲洗清除“良性垢”的难度越大，“恶性垢” 越容易迅速生成。同时RO膜原水侧冲刷过来的膜面污染物包括垢粉、胶体聚集物、碳粉等异物，若嵌入阀孔会导致浓水量减小，浓缩比瞬间增大，不能及时清除将会进一步促进阀孔结晶长垢堵死（图1）。仅通过净水机冲洗的方式无法完全有效阻止浓水电磁阀处结晶长垢。

图1 浓水电磁阀内部结晶长垢堵塞废水孔

2 前端阻垢的抗堵方案

基于浓水溶液中晶核形成及异物堵塞阀孔结晶后晶体生长结垢导致堵塞的两种情况，分析可通过阻碍晶核形成的方案改善阀堵问题。在净水机浓水支路设置阻垢滤芯（即废水阀保护器），阻垢剂遇水溶解出聚磷酸盐，在晶胚时期，聚磷酸盐与钙离子络合，干扰晶胚形成，引起晶核畸变[3]，使其夭折于发育期，达到阻垢效果，从而解决高硬度水质地区废水阀易堵问题，延长整机废水电磁阀及滤芯寿命。阻垢滤芯设置在浓水支路，保证了纯水支路的出水水质安全（图2）。

图2 净水机阻垢抗堵系统示意图

2.1 废水阀保护器的阻垢机理

通过晶格畸变的原理，在溶液中加入阻垢剂后，阻垢剂会吸附到碳酸钙晶体的活性生长点上，而后与Ca2+螯合，阻碍晶核的生长（图3），使晶核歪曲形成不规格的晶体，晶核很难长大，达到阻垢效果[4,5]。

图3 晶格畸变图示

废水阀保护器中聚磷酸盐反应原理如下：

基于以上阻垢机理，在废水电磁阀前增加废水阀保护器,优化前后系统对比如图4。

图4 废水电磁阀保护器系统对比图示

2.2 方案验证

废水阀保护器方案应用在某508系列净水机中，模拟高硬度水质地区水质进行测试。实验条件：高硬度水质参数TDS：300～320 ppm，pH: 7.54～7.64，总碱度：300～400 mg/L，总硬度：330～360 mg/L（以CaCO3计）。对照组总净水量与浓水出水流量对应关系如图5。

图5 508反渗透净水机增加废水阀保护器前后浓水流量与总净水量关系图

系统有废水阀保护器：总净水量＞10 800 L，浓水流量保持在270 ～290 mL/min，废水电磁阀未堵。

系统无废水阀保护器：总净水量＞900 L，浓水流量由260 mL/min衰减至85 mL/min，废水电磁阀逐渐堵塞。

根据实验结果，使用废水阀保护器的净水机系统,在恶劣水质情况下，废水电磁阀的使用寿命延长10倍以上。此种前端阻垢的抗堵净水系统，直接将含有阻垢滤料成分的废水阀保护器装在废水电磁阀前端，无需对整机结构进行大的改动和调整，通过滤料的消耗大幅改善废水电磁阀的使用寿命，进而延长RO膜滤芯的使用寿命。该方案可有效解决高硬度水质地区废水阀堵塞问题，减少价格昂贵的RO膜滤芯换芯频率。阻垢滤料属于消耗品，使用过程中需进行定期的更换。

3 新型顶针式防堵废水电磁阀

3.1 顶针式废水电磁阀方案设计

净水机正常制水时通过废水电磁阀阀体小孔排放废水，废水孔的大小影响排水流量，进而决定了净水机的纯废比（图6）。目前市场上主流机型包括了1:1，1:2，1:3低纯废比的机型和1.5:1，2:1，3:1高纯废比的机型，因高纯废比的机型浓水浓度更高，出现阀堵问题的概率相比低纯废比机型更高。

图6 净水机的纯废比

结合电磁阀的结构，分析可设计一种机械结构对电磁阀废水孔定期进行外力疏通，确保阀孔不堵塞。利用系统内水压和弹簧力的结合控制一个顶针周期性动作，设计方案如图7。

图7 净水机制水及冲洗、停机状态阀针位置

1）在净水机正常制水时通过RO膜滤芯废水端的压力推动阀芯移动，阀针离开废水孔，净水机正常制水。

2）当净水机进入冲洗、停机状态时，电磁阀废水端压力下降，弹簧推动阀芯带动阀针穿过废水孔，进而清洁废水孔上的结晶物。

为通过机械方式有效实现顶针的动作，需结合净水机废水电磁阀处水压对阀芯和弹簧进行合理选型，且需尽量适配市面现有电磁阀结构。通过压缩弹簧计算公式（图8）对弹簧进行选型。

图8 压缩弹簧选型自动计算表

经理论计算对弹簧和阀芯截面选型为：材料SU304，自由高度26.5 mm，外径φ9 mm，线径1 mm，有效圈数7。对该顶针结构电磁阀工作及停机状态进行理论受力分析如下：

1）净水机制水工作状态

净水机制水时，阀针组件受到净水机制水工作压力克服弹簧力与密封圈摩擦力向右移动，钢针离开废水孔，废水从废水孔排出（图9）。理论计算选型阀芯和弹簧可满足制水时弹簧压缩、顶针后退的情况，实测水压在60～65 N间，弹力为36±2 N，实际验证可满足使用要求。

图9 净水机制水状态理论受力分析

2）净水机冲洗或停机状态

净水机冲洗或停机时，净水机工作压力F卸除，阀针组件受到弹簧力克服密封圈摩擦力向左移动，同时钢针穿过废水孔顶开废水孔上水垢（图10）。理论计算弹簧可正常回弹，实测弹力27±2 N。

图10 净水机冲洗或停机状态理论受力分析

3.2 整机验证

利用以上方案设计制造顶针式废水电磁阀（图11），安装在某508系列净水机上进行恶劣水质加速结垢情况下的防堵实验验证。

图11 防堵顶针式废水电磁阀实物图

实验条件：原水压力0.3 MPa，原水TDS为1 340（极恶劣水质），水温：25 ℃。测试情况如图12。

图12 净水机流量衰减对比图

防堵电磁阀在纯水流量达到1 500 L后更换RO膜滤芯仍可正常使用，普通电磁阀在纯水流量为118 L时已堵塞无法正常出水，防堵改善效果显著。

4 结论

使用在地下水等水质较硬地区的家用净水机产品，废水电磁阀因浓水结晶长垢堵塞等问题会极大影响净水机的使用寿命，增大电磁阀及反渗透滤芯的更换频率，给厂家、用户带来相应的经济损失且用户体验变差。本研究提供了两种切实有效的产品优化方案，解决结垢堵塞废水电磁阀孔问题，大幅改善净水机在恶劣水质地区的使用寿命。

1）通过在浓水支路设置含有阻垢滤料的废水阀保护器，阻垢剂遇水溶解出聚磷酸盐，在晶胚时期，聚磷酸盐与钙离子络合，干扰晶胚形成，迫使水垢结晶夭折于发育期，达到阻垢效果。阻垢滤芯设置在浓水支路，同时保证了纯水支路的出水水质安全。

2）开发新型顶针式废水电磁阀，在传统废水电磁阀的阀芯上增加一个阀针，利用水压和弹簧力的结合控制阀针动作，弹簧推动阀芯带动阀针穿过废水孔，进而清洁废水孔上的结晶物，防止废水阀孔堵塞，彻底解决废水阀堵塞问题，有效延长废水电磁阀和RO膜滤芯的使用寿命。

以上技术方案，可在家用反渗透净水机及相似使用环境的产品上借鉴应用，提高产品的使用寿命。