水中無機膠體對反滲透凈水機壽命影響的研究

楊亞鵬 陳 群 陳曉玲

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海 519070）

引言

主流的家用反滲透凈水機通常采用PP棉、活性炭、超濾、反滲透等多級濾芯聯用的方式形成一套過濾系統，達到理想的水質凈化效果。國標GB 34914-2017《反滲透凈水機水效限定值和水效等級》標準中，給出了凈水產水率、凈水流量以及總凈水量的定義和測試方法，以此對反滲透凈水機壽命和過濾性能進行評價[1,2]。方法中所述的試驗用水從總硬度、堿度、溶解性總固體、pH四個指標進行了限定，以確保實驗結果的再現性和代表性[3]。然而，市政飲用水的水源多來自地表江河湖泊或地下水，均來自于自然界，水中物質具有非常復雜的多樣性[4,6]，除上述四個指標所表征的無機鹽外，水中還有部分鐵、鋁、硅等物質以膠體的形式存在。由于膠體的不溶性和吸附、裹挾作用，會對反滲透膜的前置濾芯尤其是超濾、納濾濾芯造成影響[7,8]，進而對凈水機整機壽命造成衰減。

國際上普遍按照ASTM D4189-95標準，采用淤泥密度指數（Silting Density Index，簡稱SDI）值來評價水中顆粒、膠體和其他能堵塞各種水凈化設備的物體含量[9,10]。因此，在水中顆粒物較少的情況下[11]，可以采用SDI值對水中膠體的含量進行量化，進而探究不同膠體含量情況下凈水機的壽命表現。

本文采用氧化鐵、氯化鋁、硅酸鈉等化學試劑作為原材料，進行了人工膠體制備，通過掃描電鏡比對了加標原水與市政飲用水中膠體形貌的一致性，并在國標水效原水的基礎上進行了膠體加標，驗證了市售家用反滲透凈水機在國標試驗用水和增加膠體加標的國標試驗用水條件下的實際運行表現，為反滲透凈水機的壽命評價提供參考。

1 儀器與試劑

1.1 儀器

TL2310濁度儀（美國HACH公司）；PHSJ-4A精密酸度計（上海雷磁儀器公司）；KW-1000DC水浴鍋（江蘇金壇市中大儀器廠）；101-4A恒溫干燥箱（上海滬越實驗公司）；管道式水質污染指數測定儀（華膜股份有限公司）。

1.2 試劑

氯化鈣（大茂化學試劑廠）；硫酸鎂（大茂化學試劑廠）；氧化鐵（國藥集團藥業股份有限公司）；碳酸氫鈉（光華科技股份有限公司）；氯化鋁（國藥集團藥業股份有限公司）；鹽酸（國藥集團藥業股份有限公司）；硅酸鈉（大茂化學試劑廠）。

2 膠體模擬物制備方法

2.1 膠體

相比于常規無機鹽的存在狀態，膠體主要表現為比表面積巨大，成絮狀物，對水中溶解態的金屬等離子有吸附、混晶、裹挾等作用。Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3均具有上述性質，同時也是市政飲用水中主要的膠體成分。因此，可通過上述三種物質作為加標物，模擬水中膠體。經過反復嘗試，通過如下方法所述配比制備Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3溶液，能夠確保所得膠體溶液具備丁達爾效應，且經過長時間放置后仍舊穩定，不出現聚沉等現象。

2.1.1 制備Fe(OH)3膠體模擬物

分別制備氯化鐵（91.8 g/100 mL）和碳酸鈉（21.8 g/100 mL）的飽和溶液，將氯化鐵飽和溶液和碳酸鈉飽和溶液按體積比為2 : 1混合。

2.1.2 制備Al(OH)3膠體模擬物

分別制備氯化鋁（69.9 g/100 mL）和碳酸鈉（21.8 g/100 mL）的飽和溶液，將兩者按體積比為2 : 1混合。

2.1.3 制備H2SiO3膠體模擬物

分別制備0.4 mol/L的鹽酸溶液與10 wt%的硅酸鈉溶液。按體積比1 : 1混合。

2.1.4 制備混合膠體模擬物

將上述Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3膠體模擬物濃度分別稀釋為0.01 mol/L，而后按體積比為2 : 1 : 1比例混合，制得混合膠體。

3 模擬效果驗證

圖1 膠體模擬物

以珠海市香洲區某地點市政飲用水作為目標水，使用純水將混合膠體模擬物稀釋12倍后作為模擬水，通過掃描電鏡以及SDI測試儀進行比對，結果高度相似。

3.1 掃描電鏡分析

通過掃描電鏡進行分析，與目標水進行對比（如圖2、3），發現其顆粒形貌相近。

圖2 模擬水中膠體掃描電鏡圖

圖3 目標水中膠體掃描電鏡圖

3.2 SDI測試儀分析

SDI測試能夠直接表征水中膠體等物質對濾膜的堵塞能力，使用0.45 μm濾膜對模擬水和目標水分別進行SDI值測試，結果（見表1）仍舊具有優異的一致性，說明膠體模擬物經過適當稀釋后，模擬水對于濾膜的堵塞能力也能夠與市政飲用水中膠體較好地保持一致。

表1 自來水與模擬自來水SDI值測試對比結果

3.3 凈水機壽命對比實驗

按照圖4所示原理圖搭建實驗設備，按照國標GB 34914-2017的規定配制試驗用水，作為1號模擬水；在該國標要求的試驗用水基礎上，添加混合膠體模擬物至SDI5= 3.8 ～ 4.2，作為2號模擬水；添加混合膠體模擬物至SDI5= 11.8 ～ 12.2 ，作為3號模擬水。準備3臺圖5所示反滲透凈水機，分別使用三種模擬水進行長期試驗，測試結果如表2，添加了膠體模擬物后，會加劇凈水機的流量衰減速度，從而縮短凈水機壽命。

圖4 被測機原理圖

圖5 被測機

表2 樣機測試結果匯總表

4 結論

本文通過Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3三種膠體實現對市政飲用水膠體模擬，通過掃描電鏡進行微觀表征發現其形貌、粒徑大小與市政飲用水中膠體相似；通過SDI測試發現經過適當比例稀釋后，模擬水SDI值= 3.6 ，自來水SDI值= 3.85 ，效果相似度在90 %以上；最后通過在凈水機上同步進行模擬水及水效國標用水通水驗證對比，發現在總硬度、堿度、溶解性總固體、PH四個指標相同的情況下，膠體含量與凈水機流量衰減速率存在正相關性，說明在凈水機產品開發階段進行產品壽命測試時，測試用水中增加膠體的控制指標能夠更準確地預測產品在用戶實際使用過程中的表現，提升產品的客戶滿意度。