超濾膜在凈水機(jī)中的應(yīng)用及清洗方法研究

陳黃錳 陳 靜 詹 婷 秦利利 李海妃

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519060）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水污染形勢越來越嚴(yán)峻，人們的生產(chǎn)和生活受到了極大的威脅，一種有效、容易實(shí)現(xiàn)的水處理手段愈發(fā)重要，凈水機(jī)作為一種新型健康安全的家用電器得到越來越多家庭的關(guān)注。根據(jù)奧維云網(wǎng)調(diào)研顯示，2021年上半年凈水機(jī)銷售規(guī)模達(dá)101.7億元[1]。在近十來年的家用凈水技術(shù)發(fā)展過程中，反滲透膜技術(shù)在家用凈水機(jī)中的應(yīng)用始終處于統(tǒng)治地位。在反滲透凈水器應(yīng)用過程中，常常會(huì)存在預(yù)處理濾芯、反滲透膜濾芯易堵問題，造成用戶換芯成本高等售后問題。PVDF超濾膜濾芯作為預(yù)處理濾芯可以很好解決這個(gè)問題。作為一種有效的預(yù)處理方式，超濾膜具有截留精度高、機(jī)這械性能高、可反復(fù)清洗且清洗恢復(fù)率高、濾芯壽命長等特點(diǎn)[2]，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文僅從反滲透凈水機(jī)應(yīng)用中，超濾膜的過濾精度、膜污染、膜清洗方式進(jìn)行分析，以期更好的提高超濾膜濾芯和凈水機(jī)的使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與藥品

外壓式PVDF空纖維超濾膜，常州美纖膜科技有限公司，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 PVDF中空纖維超濾膜基本參數(shù)

營養(yǎng)瓊脂，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；

大腸埃希氏菌，環(huán)凱微生物科技有限公司；

硫酸聯(lián)氨，廣州化學(xué)試劑廠；

環(huán)六亞甲基四胺，廣州化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

SDI測試儀，上海華膜；

SDI膜片， 0.45 μm，上海華膜；

臺(tái)式濁度儀，TL2310， HACH公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9030A，深圳澳德瑪電子科技有限公司。

1.3 測試方法

1.3.1 污染指數(shù)SDI測試

測試儀示意圖見圖1，文獻(xiàn)[3]表明，SDI是表征水中顆粒物、細(xì)菌、膠體和懸浮物等污染物含量最好的指標(biāo)，主要通過待測液對(duì)0.45 μm微孔膜的堵塞速度計(jì)算出來，計(jì)算公式[4]為：

圖1 SDI測試儀示意圖

式中：

t0—收集初始透過濾膜的500 mL水樣所需的時(shí)間；

t—過濾時(shí)間；

t1—過濾t（min）后收集500 mL水樣所需的時(shí)間。

若兩次取樣間隔時(shí)間為5 min，污染指數(shù)記為SDI5。

1.3.2 濁度去除率測試[5]

對(duì)于超濾膜，標(biāo)準(zhǔn)要求濁度去除率≥80%。測試時(shí)壓力為0.25 MPa，加標(biāo)液濃度不小于10 NTU，.超濾膜穩(wěn)定運(yùn)行后，分別測試進(jìn)水濃度C1、出水濃度C2，然后計(jì)算濁度去除率r=（C1-C2）C1*100。

1.3.3 大腸桿菌去除率測試[5]

對(duì)于超濾膜，標(biāo)準(zhǔn)要求大腸桿菌去除率不小于99.99 %。測試時(shí)壓力為0.25 MPa，加標(biāo)液濃度大于10 000 cfu/mL，超濾膜穩(wěn)定運(yùn)行后，分別測試進(jìn)水濃度C1、出水濃度C2，然后計(jì)算大腸桿菌去除率r=（C1-C2）C1*100。

1.3.4 清洗恢復(fù)率測試

對(duì)于超濾膜，可通過清洗恢復(fù)率來評(píng)價(jià)清洗效果[6]。測試時(shí)壓力為0.25 MPa，超濾膜穩(wěn)定運(yùn)行后，分別測試初始流速J0、清洗后流速J，計(jì)算清洗恢復(fù)率r=J/J0*100。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 超濾膜基本性能評(píng)價(jià)

2.1.1 濁度去除率測試

濁度去除率結(jié)果（見表2）表明，通過超濾膜過濾后，濁度去除率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。凈水量達(dá)22 000 L時(shí)，濁度去除率仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。說明超濾膜的過濾性能和長期測試可靠性良好。

表2 超濾膜濁度去除率測試結(jié)果

2.1.2 大腸桿菌去除率測試

大腸桿菌去除率結(jié)果（見表3）表明，通過超濾膜過濾后，大腸桿菌去除率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。凈水量達(dá)22 000 L時(shí)，大腸桿菌去除率仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。說明超濾膜的過濾性能和長期測試可靠性良好。

表3 超濾膜大腸桿菌去除率測試結(jié)果

2.1.3 污染指數(shù)SDI5測試

自來水經(jīng)過超濾膜過濾后，可以降低出水SDI值，使出水水質(zhì)滿足凈水機(jī)中反滲透膜的進(jìn)水要求[7]。如表4所示，SDI5分別為10和15的自來水經(jīng)過超濾膜過濾后，出水水質(zhì)均降至小于1。說明超濾膜對(duì)水中的顆粒物、膠體、細(xì)菌等有很好的截留效果，從而改善出水水質(zhì)，延長濾芯和凈水機(jī)使用壽命。

表4 超濾膜SDI測試結(jié)果

超濾膜在使用過程中，會(huì)截留水中顆粒物、膠體、細(xì)菌等雜質(zhì)，產(chǎn)生濃差極化、濾餅層效應(yīng)及凝膠化效應(yīng)，導(dǎo)致隨著凈水量增加而膜通量不斷降低的現(xiàn)象[2]。如圖2、圖3所示，膜面積約3.0 m2的超濾膜濾芯，在SDI5約為10的水質(zhì)和0.25 MPa水壓條件下，凈水量為大于25 000 L時(shí)，凈水流量僅從約7 500 mL/min降至6 000 mL/min。當(dāng)水質(zhì)條件較差時(shí)，如SDI5約為15，凈水量僅約12 000 L，凈水流量便從約8 000 mL/min降為2 000 mL/min，說明SDI值較高的水質(zhì)中能堵塞超濾膜的污染物含量更高。在水質(zhì)較差即SDI值較高的地區(qū)，超濾膜濾芯的使用壽命明顯下降。為了保證凈水機(jī)及濾芯使用壽命，超濾膜在使用過程中需要采用適當(dāng)?shù)那逑幢ＷC較高的過濾性能。

圖2 SDI=10水質(zhì)下總凈水量與凈水流量關(guān)系圖

圖3 SDI=15水質(zhì)下總凈水量與凈水流量關(guān)系圖

2.2 超濾膜清洗方法及分析

被處理液中的大顆粒物、膠體粒子等污染物與膜產(chǎn)生機(jī)械或者物化相互作用，導(dǎo)致污染物在膜表面或者膜孔內(nèi)吸附、沉積，從而使膜孔堵塞、變小，膜通量降低[2]。膜污染過程通常有濃差極化、膜孔堵塞、膜孔吸附、形成凝膠層等。在超濾過程中，通過不同的清洗方法可以及時(shí)減緩膜污染，從而提高膜使用壽命。超濾膜清洗方法有多種，在家用凈水機(jī)中，合適的方法主要有離線人工清洗、在線正沖洗及反沖洗等方法。

2.2.1 離線人工清洗

人工清洗，即超濾膜濾芯污堵后拆下來清洗，該清洗方式的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，膜面積為1.5 m2的超濾膜濾芯在SDI5=18水質(zhì)和0.25 MPa水壓條件下，凈水量約6 000 L時(shí)，凈水流量從約3 500m L/min降至1 500 mL/min，此時(shí)已不滿足使用要求。進(jìn)行人工清洗后，凈水流量提升至3 400 mL/min，恢復(fù)率約98 %。這是由于通過清洗，消除了膜表面的污染物，減輕或者去除了濃差極化、凝膠層效應(yīng)，使膜通量得到恢復(fù)。從流量曲線（圖4）和（表5）表中數(shù)據(jù)還可以看出，超濾膜濾芯經(jīng)過多次清洗后，恢復(fù)率均達(dá)到88 %以上，濾芯凈水量高達(dá)40 000 L以上，極大提高了超濾膜濾芯及凈水機(jī)使用壽命。結(jié)果表明超濾膜具有較強(qiáng)的機(jī)械性能和較高的親水性，較強(qiáng)的機(jī)械性能使得超濾膜實(shí)現(xiàn)了反復(fù)清洗，較高的親水性使超濾膜保持了較高的清洗恢復(fù)率。但是，人工清洗的主要缺點(diǎn)也比較明顯，該清洗方式存在用戶體驗(yàn)差，且膜絲容易損壞的問題。

圖4 人工清洗下總凈水量與凈水流量關(guān)系圖

表5 清洗前后流量及清洗恢復(fù)率

2.2.2 在線反沖洗

反沖洗是使用超濾凈化水對(duì)超濾膜進(jìn)行反向清洗，通過在膜的凈水端施加反向作用力，使沖洗水反穿通過膜而膜孔或者膜面進(jìn)行沖洗，從而把膜面上的污染物清除[8]。適當(dāng)?shù)姆聪磯毫梢栽谀け砻嫘纬捎行У姆聪蚣羟辛?，從而更好的減緩膜面濃差極化和凝膠層的形成，減緩膜污染，使膜通量的衰減速度明顯下降[9]。在家用凈水機(jī)中，反洗系統(tǒng)較為復(fù)雜，而采用反洗罐提供反洗壓力是較容易實(shí)現(xiàn)的方法。膜面積為3.0 m2的超濾膜濾芯在SDI5=20水質(zhì)和0.25 MPa水壓條件下進(jìn)行流量測試，濾芯無沖洗時(shí)，總凈水量僅約為2 000 L時(shí)，凈水流量便從約8 000 mL/min降至2 200 mL/min，該水質(zhì)下濾芯壽命極短，說明該水質(zhì)含有大量的顆粒物、膠體等雜質(zhì)。使用反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行測試，反洗條件是：反洗壓力0.15 MPa，反洗時(shí)間約10 s，總凈水量達(dá)到8 800 L，約為清洗前的4.5 倍?？梢?，反沖洗方法可以極大提高濾芯壽命。通過提供反沖洗壓力，使得膜孔或膜面上的部分污染物被及時(shí)沖脫出來，從而減緩了膜污染，延長了膜壽命。從流量曲線（圖5、圖6）還可以看出，隨著過濾時(shí)間的增加，超濾膜的凈水流速持續(xù)降低，這是由于過濾時(shí)間越長，剪切力作用使膜表面的濾餅層越致密，膜污染越嚴(yán)重，沖洗水越難沖脫膜孔或者膜面的污染物，清洗效果變差[6]。

圖5 清洗前總凈水量與凈水流量關(guān)系圖

圖6 反沖洗條件下總凈水量與凈水流量關(guān)系圖

2.2.3 在線正沖洗+反沖洗

圖7 正沖洗+反沖洗條件下總凈水量與凈水流量關(guān)系圖

正沖洗方法是利用自來水壓力對(duì)膜表面產(chǎn)生一個(gè)正向剪切力，當(dāng)沖洗膜表面時(shí)，部分較為疏松的污染物從膜面上脫落，從而減緩膜污染[10]。該沖洗方式的作用范圍較為有限，當(dāng)污染物位于膜孔內(nèi)、或者污染物較為致密、或者污染物含量較高時(shí)，清洗效果均難以滿足要求。為了提高正沖洗的效果，可以對(duì)濾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如采用布滿小孔的中心管，通過該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高膜面流速，增加膜面剪切力，使污染物更容易脫落。同時(shí)，結(jié)合反沖洗與正沖洗同時(shí)使用，進(jìn)一步增強(qiáng)沖洗效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反沖洗系統(tǒng)增加新結(jié)構(gòu)的有效正沖洗后，膜面積為3.0 m2的超濾膜濾芯在SDI5=20水質(zhì)和0.25 MPa水壓條件下進(jìn)行測試，總凈水量約為11 000 L時(shí)，凈水流量仍約為2 000 mL/min?？梢?，該方式的濾芯壽命約為只有反沖洗時(shí)的1.25 倍，約為清洗前的5.5 倍。兩種沖洗方式的結(jié)合，有效的提高了沖洗剪切力和沖洗流速，使得污染物更容易脫落，膜污染得到進(jìn)一步減緩，膜使用壽命更長。

3 結(jié)論

1）超濾膜可截留水中顆粒物、膠體、細(xì)菌等雜質(zhì)，保護(hù)反滲透濾芯，延長凈水機(jī)壽命。

2）通過人工清洗、反沖洗、正沖洗等清洗方式研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人工清洗方式雖然清洗恢復(fù)率高、壽命較長，但是體驗(yàn)性差且超濾膜容易被損壞；而結(jié)合反沖洗和正沖洗的清洗方式，即使在SDI5=20的惡劣水質(zhì)地區(qū)，清洗效果也較為明顯，壽命達(dá)到了清洗前的5.5 倍，該清洗方式適用于家用凈水機(jī)系統(tǒng)中。