家用反滲透凈水機惡劣水質使用壽命提升研究及應用

賀 雷 周夢然 施清清

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

根據奧維云網統計數據[1]，2015～2019年，我國凈水機銷量呈現逐年增長的趨勢。2019年凈水機銷量達到1 827.8萬臺，同比增長了2.1 %，銷售額超300億元。隨著我國對于凈水機的認可度逐漸提升，其銷量將繼續保持穩步增長。

2020年突如其來的新冠肺炎疫情，在世界范圍內都造成了重大的衛生安全影響。疫情當前人人都了解到病毒傳播途徑主要為直接傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播，其實，飲用水安全也極其重要。生態環境部在疫情初期就印發了《應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應急監測方案》，提出空氣、飲用水為肺炎疫情防控監測重點，提醒大家在勤洗手、戴口罩的同時也要關注飲水安全。此次新冠肺炎疫情中武漢雷神山、火神山醫院都采用了專業的商用凈水設備，各大醫院也均緊急加裝凈水設備。疫情的健康教育給予凈水機行業一個新的機遇和挑戰。

反滲透凈水機的反滲透膜（RO膜）過濾精度在0.1 nm左右，是普通超濾膜過濾的1 000倍，在增壓泵的作用下，幾乎只有水分子可以通過，其他雜質如重金屬離子、有機物、膠體、病毒等均無法通過。反滲透凈水機通過控制濃水端（廢水端）電磁閥的出水孔孔徑及開合頻率來控制機器出水的純廢比，因凈水機水效強制要求及市場對高純廢比的追求，濃水電磁閥孔徑設置往往很小，一般在0.35～0.7 mm。高純廢比的凈水機使用在四川、河南、山東等水質惡劣地區，尤其是使用地下水時，存在因水質硬度過大，濃水電磁閥在使用1～3個月即出現結垢堵塞，機器無法正常出水的問題，引起客戶強烈不滿。

濃水電磁閥堵塞引起的濾芯臟堵不出水問題極大影響凈水機的換芯周期及使用壽命，已成為凈水行業的痛點問題，嚴重影響凈水機口碑及品牌形象。為提高反滲透凈水機惡劣水質使用壽命，本文通過對結晶堵塞機理的分析，提出并驗證了化學法抗堵凈水系統與物理機械除垢方案。

1 廢水電磁閥堵塞機理分析

根據晶體生長理論，結晶過程分為晶核形成與晶體成長兩個部分。晶核形成過程的速度較慢，而晶體成長過程的速度較快，晶體成長的速度與溶液過飽和度的冪級數成正比[2]。反滲透凈水機中廢水閥表面濃水的結垢沉積過程與晶體生長理論基本吻合。

以水垢的主要成分碳酸鈣為例，初期形成一種規則的正交晶體懸浮在溶液中、粘附性能很弱，這種垢可以通過沖洗的方式清除，定義為“良性垢”；后期隨著晶體的成長逐漸變成一種比較雜亂含有雜質的方解石晶體，它如巖石般堅硬，無法通過沖洗的方式清除，定義為“惡性垢”。濃水的結垢傾向由原水水質參數（包括但不限于水溫、 TDS、硬度、堿度、pH 值等）和濃縮倍數（即回收率）決定，原水水質參數越大、濃縮倍數越高，對應的濃水結垢傾向越高，通過沖洗清除“良性垢”的難度越大，“惡性垢” 越容易迅速生成。同時RO膜原水側沖刷過來的膜面污染物包括垢粉、膠體聚集物、碳粉等異物，若嵌入閥孔會導致濃水量減小，濃縮比瞬間增大，不能及時清除將會進一步促進閥孔結晶長垢堵死（圖1）。僅通過凈水機沖洗的方式無法完全有效阻止濃水電磁閥處結晶長垢。

圖1 濃水電磁閥內部結晶長垢堵塞廢水孔

2 前端阻垢的抗堵方案

基于濃水溶液中晶核形成及異物堵塞閥孔結晶后晶體生長結垢導致堵塞的兩種情況，分析可通過阻礙晶核形成的方案改善閥堵問題。在凈水機濃水支路設置阻垢濾芯（即廢水閥保護器），阻垢劑遇水溶解出聚磷酸鹽，在晶胚時期，聚磷酸鹽與鈣離子絡合，干擾晶胚形成，引起晶核畸變[3]，使其夭折于發育期，達到阻垢效果，從而解決高硬度水質地區廢水閥易堵問題，延長整機廢水電磁閥及濾芯壽命。阻垢濾芯設置在濃水支路，保證了純水支路的出水水質安全（圖2）。

圖2 凈水機阻垢抗堵系統示意圖

2.1 廢水閥保護器的阻垢機理

通過晶格畸變的原理，在溶液中加入阻垢劑后，阻垢劑會吸附到碳酸鈣晶體的活性生長點上，而后與Ca2+螯合，阻礙晶核的生長（圖3），使晶核歪曲形成不規格的晶體，晶核很難長大，達到阻垢效果[4,5]。

圖3 晶格畸變圖示

廢水閥保護器中聚磷酸鹽反應原理如下：

基于以上阻垢機理，在廢水電磁閥前增加廢水閥保護器,優化前后系統對比如圖4。

圖4 廢水電磁閥保護器系統對比圖示

2.2 方案驗證

廢水閥保護器方案應用在某508系列凈水機中，模擬高硬度水質地區水質進行測試。實驗條件：高硬度水質參數TDS：300～320 ppm，pH: 7.54～7.64，總堿度：300～400 mg/L，總硬度：330～360 mg/L（以CaCO3計）。對照組總凈水量與濃水出水流量對應關系如圖5。

圖5 508反滲透凈水機增加廢水閥保護器前后濃水流量與總凈水量關系圖

系統有廢水閥保護器：總凈水量＞10 800 L，濃水流量保持在270 ～290 mL/min，廢水電磁閥未堵。

系統無廢水閥保護器：總凈水量＞900 L，濃水流量由260 mL/min衰減至85 mL/min，廢水電磁閥逐漸堵塞。

根據實驗結果，使用廢水閥保護器的凈水機系統,在惡劣水質情況下，廢水電磁閥的使用壽命延長10倍以上。此種前端阻垢的抗堵凈水系統，直接將含有阻垢濾料成分的廢水閥保護器裝在廢水電磁閥前端，無需對整機結構進行大的改動和調整，通過濾料的消耗大幅改善廢水電磁閥的使用壽命，進而延長RO膜濾芯的使用壽命。該方案可有效解決高硬度水質地區廢水閥堵塞問題，減少價格昂貴的RO膜濾芯換芯頻率。阻垢濾料屬于消耗品，使用過程中需進行定期的更換。

3 新型頂針式防堵廢水電磁閥

3.1 頂針式廢水電磁閥方案設計

凈水機正常制水時通過廢水電磁閥閥體小孔排放廢水，廢水孔的大小影響排水流量，進而決定了凈水機的純廢比（圖6）。目前市場上主流機型包括了1:1，1:2，1:3低純廢比的機型和1.5:1，2:1，3:1高純廢比的機型，因高純廢比的機型濃水濃度更高，出現閥堵問題的概率相比低純廢比機型更高。

圖6 凈水機的純廢比

結合電磁閥的結構，分析可設計一種機械結構對電磁閥廢水孔定期進行外力疏通，確保閥孔不堵塞。利用系統內水壓和彈簧力的結合控制一個頂針周期性動作，設計方案如圖7。

圖7 凈水機制水及沖洗、停機狀態閥針位置

1）在凈水機正常制水時通過RO膜濾芯廢水端的壓力推動閥芯移動，閥針離開廢水孔，凈水機正常制水。

2）當凈水機進入沖洗、停機狀態時，電磁閥廢水端壓力下降，彈簧推動閥芯帶動閥針穿過廢水孔，進而清潔廢水孔上的結晶物。

為通過機械方式有效實現頂針的動作，需結合凈水機廢水電磁閥處水壓對閥芯和彈簧進行合理選型，且需盡量適配市面現有電磁閥結構。通過壓縮彈簧計算公式（圖8）對彈簧進行選型。

圖8 壓縮彈簧選型自動計算表

經理論計算對彈簧和閥芯截面選型為：材料SU304，自由高度26.5 mm，外徑φ9 mm，線徑1 mm，有效圈數7。對該頂針結構電磁閥工作及停機狀態進行理論受力分析如下：

1）凈水機制水工作狀態

凈水機制水時，閥針組件受到凈水機制水工作壓力克服彈簧力與密封圈摩擦力向右移動，鋼針離開廢水孔，廢水從廢水孔排出（圖9）。理論計算選型閥芯和彈簧可滿足制水時彈簧壓縮、頂針后退的情況，實測水壓在60～65 N間，彈力為36±2 N，實際驗證可滿足使用要求。

圖9 凈水機制水狀態理論受力分析

2）凈水機沖洗或停機狀態

凈水機沖洗或停機時，凈水機工作壓力F卸除，閥針組件受到彈簧力克服密封圈摩擦力向左移動，同時鋼針穿過廢水孔頂開廢水孔上水垢（圖10）。理論計算彈簧可正常回彈，實測彈力27±2 N。

圖10 凈水機沖洗或停機狀態理論受力分析

3.2 整機驗證

利用以上方案設計制造頂針式廢水電磁閥（圖11），安裝在某508系列凈水機上進行惡劣水質加速結垢情況下的防堵實驗驗證。

圖11 防堵頂針式廢水電磁閥實物圖

實驗條件：原水壓力0.3 MPa，原水TDS為1 340（極惡劣水質），水溫：25 ℃。測試情況如圖12。

圖12 凈水機流量衰減對比圖

防堵電磁閥在純水流量達到1 500 L后更換RO膜濾芯仍可正常使用，普通電磁閥在純水流量為118 L時已堵塞無法正常出水，防堵改善效果顯著。

4 結論

使用在地下水等水質較硬地區的家用凈水機產品，廢水電磁閥因濃水結晶長垢堵塞等問題會極大影響凈水機的使用壽命，增大電磁閥及反滲透濾芯的更換頻率，給廠家、用戶帶來相應的經濟損失且用戶體驗變差。本研究提供了兩種切實有效的產品優化方案，解決結垢堵塞廢水電磁閥孔問題，大幅改善凈水機在惡劣水質地區的使用壽命。

1）通過在濃水支路設置含有阻垢濾料的廢水閥保護器，阻垢劑遇水溶解出聚磷酸鹽，在晶胚時期，聚磷酸鹽與鈣離子絡合，干擾晶胚形成，迫使水垢結晶夭折于發育期，達到阻垢效果。阻垢濾芯設置在濃水支路，同時保證了純水支路的出水水質安全。

2）開發新型頂針式廢水電磁閥，在傳統廢水電磁閥的閥芯上增加一個閥針，利用水壓和彈簧力的結合控制閥針動作，彈簧推動閥芯帶動閥針穿過廢水孔，進而清潔廢水孔上的結晶物，防止廢水閥孔堵塞，徹底解決廢水閥堵塞問題，有效延長廢水電磁閥和RO膜濾芯的使用壽命。

以上技術方案，可在家用反滲透凈水機及相似使用環境的產品上借鑒應用，提高產品的使用壽命。