阻垢剂对家用反渗透净水机的防污堵效果及阻垢机理探究

周勤岸 马银萍 李焕新

（箭牌家居集团股份有限公司 佛山 528000）

引言

随着人们生活水平的提高，越来越注重饮用水健康。目前市场上家用净水机主要以超滤净水机和反渗透净水机为主，超滤净水机能过滤颗粒物、余氯、微生物、部分有机物，无法去除离子。反渗透净水机既能去除颗粒物、余氯、微生物、有机物，又能去除重金属、钙镁等几乎所有的离子，出来的水是基本只含水分子的纯净水，因此是目前最安全的水处理技术，市场占有额也最大。

虽然反渗透有其最安全的一面，但也有其缺点，那就是在产生纯水的同时也需要排出一定量的废水，造成一定的水资源浪费。国家在2017年制定的GB 34914《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。新的标准已于2022年7月开始实施，这对净水机中反渗透膜的使用寿命带来很大的挑战[1]。

水效的提高意味着反渗透膜废水排放量的减少。在一定的水质条件下，废水量的减少会加速反渗透膜表面的浓差极化现象，加快膜的污堵（最常见的是水垢的沉积），导致反渗透膜寿命的缩短，从而导致滤芯和配件的更换频率高，进而影响净水器的使用寿命。

为了减少反渗透膜的污堵，达到甚至超过国家要求的高水效等级，目前行业内常用的应对措施是在净水机的反渗透膜前面添加食品级阻垢剂（一般添加在PP棉滤芯或前置炭滤芯里面），通过阻垢剂的螯合增溶、晶核畸变、分散吸附等作用[2]，减少钙镁离子和成垢阴离子的结合从而减少结垢，或是改变水垢的微观形态，形成不易沉积在膜表面的微晶状态。

本文通过将阻垢剂添加在净水机的前置炭棒滤芯里面，研究不同阻垢剂的添加量对反渗透净水机的产水流量、脱盐率和回收率的影响，同时为阻垢剂的阻垢机理，测定阻垢实验前后硬度的变化，并对垢晶形态进行扫描电镜和能谱分析。

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

实验试剂：二水合氯化钙、七水硫酸镁、碳酸氢钠、氯化钠、次氯酸钠、氢氧化钠、盐酸等。

实验仪器：恒温恒压水效测试设备，奥立龙VM-01多参数测定仪，哈希台式浊度仪，电热恒温水浴锅，电热恒温干燥箱，SDS12-SEM扫描电镜能谱仪等。

1.2 实验装置

采用3级净水过滤系统，按“5μmPP棉滤芯+前置炭棒滤芯+反渗透膜滤芯”的方式连接。其中前置炭棒滤芯产自HO公司，阻垢剂为来自SS公司的由PASP、磷酸盐等复合而成的阻垢剂，阻垢剂与炭棒原料一起烧结成阻垢炭棒，种类包括添加0 g、6 g、8 g、10 g阻垢剂这4种。400 G反渗透膜滤芯，为韩国进口膜片卷制而成。

1.3 实验方法

1.3.1 测试用水

参考GB 34914-2021《净水机水效限定值及水效等级》附录A的方法配制试验用水。使进水水质达到表1所示的指标。

表1 测试用水水质指标

1.3.2 测试系统

400 G反渗透膜测试系统：分别对比在前置炭棒添加0 g、6 g、8 g、10 g阻垢剂对产水流量、脱盐率的影响，并计算系统回收率和记录膜前压力变化。

将以上测试系统连接恒温恒压水效测试设备，在1.3.1所要求的进水水质条件下，调节进水压力为（0.24±0.02）MPa，系统的初始回收率设定在（65～70） %之间（一级水效，测试过程中系统无冲洗），初始膜前压力设置在（0.68～0.73）MPa之间。系统开始通水运行30 min后测初始点，之后每隔一段时间取点测试。重点考察反渗透系统的产水流量、脱盐率和回收率的变化，从而探讨阻垢剂及其不同添加量对家用净水机中反渗透膜性能的影响。其中，PP棉滤芯约过水3 600 L更换一次，防止由于PP棉的堵塞影响反渗透膜系统的正常运行。

1.3.3 阻垢剂阻垢机理分析

由于阻垢剂为PASP、磷酸盐等复合而成，猜测其阻垢机理主要为螯合增溶和晶核畸变作用。通过以下实验验证其阻垢机理，将0.5 g阻垢剂浸泡在1 L 氯化钙和碳酸氢钠配制的硬水中（硬度约250 mg/L，碱度约140 mg/L），浸泡30 min后将阻垢剂取出，取250 mL浸泡水样，同时取250 ml加标水样，置于电热恒温水浴锅中80 ℃恒温16 h，放冷后过滤，测试滤液的硬度。过滤后的水垢连同滤纸一起置于电热恒温干燥箱内干燥4 h，取滤纸上的水垢进行扫描电镜和能谱分析。

2 结果与讨论

2.1 不同阻垢剂添加量对反渗透膜系统的影响

由图1可知，4个400 G反渗透系统初始产水流量均在1.2 L/min以上。随着过水量的增加，没有添加阻垢剂的系统，产水流量下降很快，过水0.7 T以后产水流量已经低于1 L/min；添加6 g、8 g阻垢剂的系统产水流量一直处于比较平稳的状态，过水20 T产水流量仍保持在1 L/min以上；添加10 g阻垢剂的系统产水流量呈缓慢下降趋势，过水13 T后产水流量低于1 L/min。

图1 不同阻垢剂添加量下产水流量变化情况

图2为不同阻垢剂反渗透系统脱盐率的变化情况。初始4个系统的脱盐率均在89 %以上。随着过水量的增加，未加阻垢剂的反渗透系统脱盐率下降很快，过水1.7 T即降到85 %（GB 34914-2021要求的最低脱盐率）；添加6 g、8 g阻垢剂的系统脱盐率在20 T的过水量内仍维持在90 %以上，在过水16～18 T后才开始呈下降趋势；添加10 g阻垢剂的系统过水9 T后脱盐率开始下降，过水13 T脱盐率下降至85 %。

图2 不同阻垢剂添加量下脱盐率变化情况

通过计算系统的回收率（图3）和记录膜前压力可以看出，未添加阻垢剂的系统，随着膜的逐渐污堵，产水量下降，回收率也下降，膜前压力由0.68 MPa上升至0.75 MPa；添加6 g、8 g阻垢剂的系统，产水量下降很缓慢，回收率也呈缓慢下降趋势，膜前压力一直处于比较稳定的状态；添加10 g阻垢剂的系统，膜前压力较稳定，产水量和回收率下降均比6 g、8 g的系统要快，但仍远优于未添加阻垢剂的系统。

图3 不同阻垢剂添加量下回收率变化情况

综上，阻垢剂的添加对于维持反渗透系统的产水流量和脱盐率有着重要的意义，添加了阻垢剂后，有效缓解了钙镁离子的无机盐沉积，大大延长了净水机的使用寿命。然而，阻垢剂的添加并不是越多越好，阻垢剂添加量过多，阻垢剂缓释出来的成分过剩，可残留在膜表面影响膜材料的渗透性，久而久之反而会对膜造成污堵，影响反渗透膜的运行[3]。

2.2 阻垢剂阻垢机理分析

2.2.1 阻垢剂的螯合增溶作用

0.5 g阻垢剂浸泡在1 L加标水30 min的硬度变化如表2所示。

表2 试验前后硬度变化

由表2和图4可知，加热后样品试液结垢比加标要少一些，样品试液加热后硬度比加标试液加热后硬度要大，即加热后样品试液溶解的钙离子含量比加标试液多，可见阻垢剂加入后缓释出磷酸盐等成分，与钙离子形成可溶性络合物，从而阻止了钙离子与成垢阴离子结合成垢，此为阻垢剂的螯合增溶作用。

图4 加标试液和样品试液加热后结垢情况

2.2.2 阻垢剂的晶核畸变作用

为了进一步明确PASP磷酸盐复合阻垢剂的阻垢机理，对未添加及添加阻垢剂后的垢晶微观形态和成分进行扫描电镜和能谱分析，结果如图5和表3所示。

图5 添加阻垢剂前垢晶形态扫描电镜图

表3 添加阻垢剂前后垢晶能谱分析

由图4和表3可知，添加阻垢剂前形成的水垢为比较规则的条形和方形，元素百分比接近CaCO3各元素的质量比，即所形成的水垢为文石型和方解石型的碳酸钙垢；添加阻垢剂后，水垢为不规则的花瓣形和条形，元素百分比相比CaCO3有较大变化，已不是单纯的碳酸钙垢，可见阻垢剂以离子的形式直接参与并干扰水垢晶核的形成过程，使其晶核发生畸变[4]，生成的垢易随水流走，不易粘附在器壁表面。

综上可以认为，阻垢剂通过螯合增溶和晶核畸变的共同作用，对碳酸钙垢的形成起到抑制作用，减少水垢的形成和沉积。

3 结论

1）针对GB 34914-2021《净水机水效限定值和水效等级》的实施、给净水机反渗透膜的使用寿命带来很大挑战的背景下，阻垢剂的添加对于维持反渗透系统的产水流量和脱盐率有着重要的意义。在反渗透膜前添加了阻垢剂后，有效缓解了反渗透膜表面钙镁离子的无机盐沉积，大大提高了净水机的使用寿命。

2）阻垢剂的用量并不是越多越好。在特定通量的反渗透膜的阻垢剂的条件下，寻求最佳的阻垢剂用量可以使系统长期稳定的运行，添加过多的阻垢剂反而会对膜造成污堵，影响反渗透膜的运行。

3）通过对阻垢剂的阻垢机理进行分析，该阻垢剂主要通过螯合增溶和晶核畸变的共同作用，减少了水垢的形成和在反渗透膜表面的沉积，延长了反渗透膜的使用寿命。