高水效等级下家用净水机的防污堵研究

袁新兵 王 庆 卢明凤

（欧美新材料(浙江)有限公司 湖州 313000）

引言

随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人们开始注重家庭饮用水的安全，且2020年出现的新冠肺炎疫情，在全世界都造成了重大的卫生安全影响，我国生态环境部在疫情初始就发出了《应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急检测方案》，提出饮用水也是肺炎疫情防控监测的重点。进一步加深人们对饮用水安全的重要性。目前我国各地城市的供水整体都是受卫生监督，住建系统的管理和监督的，自来水水质都是符合国家标准。然而在一些水处理工艺过程中，不可避免存在一下管道老化（如自来水厂向住户的输送管道），储水箱污染（特别是高层二次供水水箱污染）以及自来水消毒过程中产生的副产物三卤甲烷，如三氯甲烷，二氯一溴甲烷等等，它们是典型的强致癌物质。鉴于家庭自来水存在的这些安全隐患，家庭净水机的使用这几年也一直在持续增长。据不完全统计，目前我国家用净水机的生产厂家已经超过3 000多家，净水机的市场规模也已经超过320亿元，目前还在不断的上升阶段[1]。目前市场上的家用净水机主要是以超滤和反渗透净水机为主，其中由于反渗透净水机既能去除水中的重金属及有机微生物，又能去除由液氯消毒过程中产生的致癌物质三卤甲烷，其唯一能过的物质基本就是水分子（脱盐率低的RO机除外），过滤之后的水基本就是最安全的纯净水，故其市场占有率也越来越高[2]。反渗透净水机有非常安全的一面，但也有其缺点，一般废水量较多，而且大部分废水都是直接排掉的，造成一定的水资源浪费，国家在2017年制定的《反渗透净水机水效限定值及水效等级》标准中，明确规定净水机一级水效需达到60 %，在2021年，又对此标准再次进行了修订，将水效从2017版的35 %提高到45 %，一级水效从60 %提高到65 %，进一步提升了水效，降低废水排放。新的标准将于2022年7月开始实施，这将对净水机中反渗透膜的使用寿命带来很大的挑战。

水效提高，净水产率提升，意味着浓水排放减少（如浓水部分回流再利用），会加速水机中反渗透膜的堵塞（最常见的是无机盐结垢），从而导致净水机配件更换频率高，或者净水机使用寿命极短，严重影响品牌声誉。为提高净水机的使用寿命，降低反渗透膜的污堵，本文通过螯合增溶及晶格畸变的原理，在净水机中添加缓慢释放型阻垢剂（一般放置在PP棉滤芯的中心管中），通过释放出的阻垢功能基，一方面可以与水中的二阶成垢离子发生螯合作用，生成稳定的可溶性螯合物，从而提高了水体中成垢离子的允许浓度，降低了成垢的几率。同时随着水体中阻垢功能基的释放，其也会与能量高的成垢离子螯合，即优于与成垢晶体中的晶体扭曲位置的成垢离子螯合，从而形成的螯合物占据了晶体正常生长的晶格位置，使晶体不能按照正常的规律生长，形成不稳定的歪晶，在晶体内部的弹性力作用下碎裂，形成不稳定的微晶状态，引起晶格畸变，从而不易在膜表面沉积[3]。通过阻垢剂的加入，减少浓水排放，可以大大解决22年7月即将执行的新标准水效下膜的结垢问题，从而延长整个净水机的使用寿命。

1 实验部分

1.1 测试环境

常温常压下，采用5级过滤净水机，分别是5 μm的PP棉滤芯、颗粒活性炭滤芯、压缩活性炭滤芯、0.1 nm RO膜和后置活性炭滤芯，缓慢释放型药剂位于PP棉滤芯内部[4]。净水机改造后设计水效为68 %，通过进行空白，进口产品（美国产），公司自制加莱富药剂SP410产品（已通过MOH涉水安全认证，浙（06）卫水字（2019）第0014号），药剂装填量为15 g，进行运行测试。测试过程中，用压力表分别检测每台进水机的进水压力及膜前压力。随着测试的进行，若反渗透膜堵塞，则膜前压力及进水压力都会增加；若滤芯堵塞，则膜前压力降低，进水压力增加，将会及时进行滤芯更换。

1.2 实验试剂及仪器

碳酸氢钠，无水氯化钙，七水硫酸镁，氯化钠，氢氧化钠，盐酸，亚硫酸氢钠等，梅特勒的pH及电导测试仪，机械搅拌杆等。

1.3 水质配置

考虑南北区域性水质的差异，北方水质一般硬度偏高，故我们在试验初期，将试验用水水质模拟工况偏向北方水质，如果总体硬度偏高水质都能稳定运行，那么南方低硬度水质一般是没有问题的。我们已以市政自来水（水质指标见表1）为水源，通过额外添加碳酸氢钠、氯化钙和氯化镁等来调节自来水的碱度、钙硬和镁硬（以碳酸钙计），使原水（进水）的水质达到表2所示的指标。

表1 自来水的水质指标

表2 原水的水质指标实测

按我们设计参数68 %的水效，其RO膜的浓水侧指标相当于我们的原水浓缩3.125倍左右，根据我们进水水质来预估，其浓水侧水质在假设不结垢的情况下，其LSI指数已达到1.58，从LSI指数判断，已经处于结垢水质状态。

1.4 实验结果

在净水机整个的运行周期内（总产水量超过7.2 T），我们重点考察了净水机的脱盐率及产水流量的变化，以此来判断机器运行稳定与否。

1.4.1 脱盐率随运行时间的变化关系

分别对三组纯水机的脱盐率进行数据跟踪分析，所得变化关系如图1所示。

图1 脱盐率随时间的变化关系

由图1可知，随着测试的进行，空白组的脱盐率先缓慢增加后骤减，其它两组脱盐率随时间的变化关系基本一致，先缓慢增加后变平缓，略有降低，说明添加释放型阻垢剂后，对膜的稳定运行还是有很大的帮助。

1.4.2 产水流量随时间的变化关系

分别对三组纯水机的产水流量进行数据分析，所得变化关系如图2所示。

图2 产水流量随时间的变化关系

由图2可知，空白组的产水流量呈明显的下降趋势，膜逐渐堵塞；药剂组的产水流量先略有下降后，后期基本保持稳定运行，前期下降的原因应该是PP滤芯的堵塞导致（后进行更换）。

1.4.3 实验过程中的部分现象

运行过程中， pp棉滤芯堵塞严重，且颜色也有初始白色变成土黄色，且表面有明显的锈泥存在。空白组在运行到后面几天的时候，出水已基本成细条状的断续状态，具体见图3。

图3 实验过程中滤芯变化及出水现象

2 试验结论

从机器运行的情况看，随着测试的进行，空白组的反渗透膜堵塞较快，第9天其产水量只有初始的34.6 %，在第13天反渗透膜已基本完全堵塞。而添加进口样品和SP410产品的净水机各项指标的变化关系比较接近，其脱盐率和产水流量随测试时间的延长变化都不是很明显，比较平稳。在过水量超过8.6 T后，两台机器运行还是非常的平稳，脱盐率及产水流量无明显的下降趋势。说明添加药剂后，有效缓解了钙镁离子的无机盐沉积，有效提高了净水机的使用寿命。

3 结论

针对2022年7月1日即将执行的新水效标准，现有净水机在做到65 %水效条件下， 极易引起反渗透膜的污堵，特别是北方片区水质硬度较高的地方，极大影响了净水机的使用寿命，增加了净水机中反渗透膜配件的更换频率，给广大用户带来一些不好的使用体验。我们通过自制添加经过涉水安全认证的缓慢释放型阻垢剂后，带有阻垢的功能基能够与水中的钙镁离子等络合，干扰了晶粒的形成，阻碍了其在膜表面的沉积，达到了很好的阻垢效果，延长了净水机的使用寿命。其阻垢剂也是在反渗透膜的浓水测，且也透不过反渗透膜，同时又经过涉水安全认证，可放心使用。