高水效等級下家用凈水機(jī)的防污堵研究

袁新兵 王 慶 盧明鳳

（歐美新材料(浙江)有限公司 湖州 313000）

引言

隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多的人們開始注重家庭飲用水的安全，且2020年出現(xiàn)的新冠肺炎疫情，在全世界都造成了重大的衛(wèi)生安全影響，我國生態(tài)環(huán)境部在疫情初始就發(fā)出了《應(yīng)對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應(yīng)急檢測方案》，提出飲用水也是肺炎疫情防控監(jiān)測的重點。進(jìn)一步加深人們對飲用水安全的重要性。目前我國各地城市的供水整體都是受衛(wèi)生監(jiān)督，住建系統(tǒng)的管理和監(jiān)督的，自來水水質(zhì)都是符合國家標(biāo)準(zhǔn)。然而在一些水處理工藝過程中，不可避免存在一下管道老化（如自來水廠向住戶的輸送管道），儲水箱污染（特別是高層二次供水水箱污染）以及自來水消毒過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物三鹵甲烷，如三氯甲烷，二氯一溴甲烷等等，它們是典型的強(qiáng)致癌物質(zhì)。鑒于家庭自來水存在的這些安全隱患，家庭凈水機(jī)的使用這幾年也一直在持續(xù)增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國家用凈水機(jī)的生產(chǎn)廠家已經(jīng)超過3 000多家，凈水機(jī)的市場規(guī)模也已經(jīng)超過320億元，目前還在不斷的上升階段[1]。目前市場上的家用凈水機(jī)主要是以超濾和反滲透凈水機(jī)為主，其中由于反滲透凈水機(jī)既能去除水中的重金屬及有機(jī)微生物，又能去除由液氯消毒過程中產(chǎn)生的致癌物質(zhì)三鹵甲烷，其唯一能過的物質(zhì)基本就是水分子（脫鹽率低的RO機(jī)除外），過濾之后的水基本就是最安全的純凈水，故其市場占有率也越來越高[2]。反滲透凈水機(jī)有非常安全的一面，但也有其缺點，一般廢水量較多，而且大部分廢水都是直接排掉的，造成一定的水資源浪費，國家在2017年制定的《反滲透凈水機(jī)水效限定值及水效等級》標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定凈水機(jī)一級水效需達(dá)到60 %，在2021年，又對此標(biāo)準(zhǔn)再次進(jìn)行了修訂，將水效從2017版的35 %提高到45 %，一級水效從60 %提高到65 %，進(jìn)一步提升了水效，降低廢水排放。新的標(biāo)準(zhǔn)將于2022年7月開始實施，這將對凈水機(jī)中反滲透膜的使用壽命帶來很大的挑戰(zhàn)。

水效提高，凈水產(chǎn)率提升，意味著濃水排放減少（如濃水部分回流再利用），會加速水機(jī)中反滲透膜的堵塞（最常見的是無機(jī)鹽結(jié)垢），從而導(dǎo)致凈水機(jī)配件更換頻率高，或者凈水機(jī)使用壽命極短，嚴(yán)重影響品牌聲譽。為提高凈水機(jī)的使用壽命，降低反滲透膜的污堵，本文通過螯合增溶及晶格畸變的原理，在凈水機(jī)中添加緩慢釋放型阻垢劑（一般放置在PP棉濾芯的中心管中），通過釋放出的阻垢功能基，一方面可以與水中的二階成垢離子發(fā)生螯合作用，生成穩(wěn)定的可溶性螯合物，從而提高了水體中成垢離子的允許濃度，降低了成垢的幾率。同時隨著水體中阻垢功能基的釋放，其也會與能量高的成垢離子螯合，即優(yōu)于與成垢晶體中的晶體扭曲位置的成垢離子螯合，從而形成的螯合物占據(jù)了晶體正常生長的晶格位置，使晶體不能按照正常的規(guī)律生長，形成不穩(wěn)定的歪晶，在晶體內(nèi)部的彈性力作用下碎裂，形成不穩(wěn)定的微晶狀態(tài)，引起晶格畸變，從而不易在膜表面沉積[3]。通過阻垢劑的加入，減少濃水排放，可以大大解決22年7月即將執(zhí)行的新標(biāo)準(zhǔn)水效下膜的結(jié)垢問題，從而延長整個凈水機(jī)的使用壽命。

1 實驗部分

1.1 測試環(huán)境

常溫常壓下，采用5級過濾凈水機(jī)，分別是5 μm的PP棉濾芯、顆粒活性炭濾芯、壓縮活性炭濾芯、0.1 nm RO膜和后置活性炭濾芯，緩慢釋放型藥劑位于PP棉濾芯內(nèi)部[4]。凈水機(jī)改造后設(shè)計水效為68 %，通過進(jìn)行空白，進(jìn)口產(chǎn)品（美國產(chǎn)），公司自制加萊富藥劑SP410產(chǎn)品（已通過MOH涉水安全認(rèn)證，浙（06）衛(wèi)水字（2019）第0014號），藥劑裝填量為15 g，進(jìn)行運行測試。測試過程中，用壓力表分別檢測每臺進(jìn)水機(jī)的進(jìn)水壓力及膜前壓力。隨著測試的進(jìn)行，若反滲透膜堵塞，則膜前壓力及進(jìn)水壓力都會增加；若濾芯堵塞，則膜前壓力降低，進(jìn)水壓力增加，將會及時進(jìn)行濾芯更換。

1.2 實驗試劑及儀器

碳酸氫鈉，無水氯化鈣，七水硫酸鎂，氯化鈉，氫氧化鈉，鹽酸，亞硫酸氫鈉等，梅特勒的pH及電導(dǎo)測試儀，機(jī)械攪拌桿等。

1.3 水質(zhì)配置

考慮南北區(qū)域性水質(zhì)的差異，北方水質(zhì)一般硬度偏高，故我們在試驗初期，將試驗用水水質(zhì)模擬工況偏向北方水質(zhì)，如果總體硬度偏高水質(zhì)都能穩(wěn)定運行，那么南方低硬度水質(zhì)一般是沒有問題的。我們已以市政自來水（水質(zhì)指標(biāo)見表1）為水源，通過額外添加碳酸氫鈉、氯化鈣和氯化鎂等來調(diào)節(jié)自來水的堿度、鈣硬和鎂硬（以碳酸鈣計），使原水（進(jìn)水）的水質(zhì)達(dá)到表2所示的指標(biāo)。

表1 自來水的水質(zhì)指標(biāo)

表2 原水的水質(zhì)指標(biāo)實測

按我們設(shè)計參數(shù)68 %的水效，其RO膜的濃水側(cè)指標(biāo)相當(dāng)于我們的原水濃縮3.125倍左右，根據(jù)我們進(jìn)水水質(zhì)來預(yù)估，其濃水側(cè)水質(zhì)在假設(shè)不結(jié)垢的情況下，其LSI指數(shù)已達(dá)到1.58，從LSI指數(shù)判斷，已經(jīng)處于結(jié)垢水質(zhì)狀態(tài)。

1.4 實驗結(jié)果

在凈水機(jī)整個的運行周期內(nèi)（總產(chǎn)水量超過7.2 T），我們重點考察了凈水機(jī)的脫鹽率及產(chǎn)水流量的變化，以此來判斷機(jī)器運行穩(wěn)定與否。

1.4.1 脫鹽率隨運行時間的變化關(guān)系

分別對三組純水機(jī)的脫鹽率進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤分析，所得變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 脫鹽率隨時間的變化關(guān)系

由圖1可知，隨著測試的進(jìn)行，空白組的脫鹽率先緩慢增加后驟減，其它兩組脫鹽率隨時間的變化關(guān)系基本一致，先緩慢增加后變平緩，略有降低，說明添加釋放型阻垢劑后，對膜的穩(wěn)定運行還是有很大的幫助。

1.4.2 產(chǎn)水流量隨時間的變化關(guān)系

分別對三組純水機(jī)的產(chǎn)水流量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所得變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 產(chǎn)水流量隨時間的變化關(guān)系

由圖2可知，空白組的產(chǎn)水流量呈明顯的下降趨勢，膜逐漸堵塞；藥劑組的產(chǎn)水流量先略有下降后，后期基本保持穩(wěn)定運行，前期下降的原因應(yīng)該是PP濾芯的堵塞導(dǎo)致（后進(jìn)行更換）。

1.4.3 實驗過程中的部分現(xiàn)象

運行過程中， pp棉濾芯堵塞嚴(yán)重，且顏色也有初始白色變成土黃色，且表面有明顯的銹泥存在。空白組在運行到后面幾天的時候，出水已基本成細(xì)條狀的斷續(xù)狀態(tài)，具體見圖3。

圖3 實驗過程中濾芯變化及出水現(xiàn)象

2 試驗結(jié)論

從機(jī)器運行的情況看，隨著測試的進(jìn)行，空白組的反滲透膜堵塞較快，第9天其產(chǎn)水量只有初始的34.6 %，在第13天反滲透膜已基本完全堵塞。而添加進(jìn)口樣品和SP410產(chǎn)品的凈水機(jī)各項指標(biāo)的變化關(guān)系比較接近，其脫鹽率和產(chǎn)水流量隨測試時間的延長變化都不是很明顯，比較平穩(wěn)。在過水量超過8.6 T后，兩臺機(jī)器運行還是非常的平穩(wěn)，脫鹽率及產(chǎn)水流量無明顯的下降趨勢。說明添加藥劑后，有效緩解了鈣鎂離子的無機(jī)鹽沉積，有效提高了凈水機(jī)的使用壽命。

3 結(jié)論

針對2022年7月1日即將執(zhí)行的新水效標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有凈水機(jī)在做到65 %水效條件下， 極易引起反滲透膜的污堵，特別是北方片區(qū)水質(zhì)硬度較高的地方，極大影響了凈水機(jī)的使用壽命，增加了凈水機(jī)中反滲透膜配件的更換頻率，給廣大用戶帶來一些不好的使用體驗。我們通過自制添加經(jīng)過涉水安全認(rèn)證的緩慢釋放型阻垢劑后，帶有阻垢的功能基能夠與水中的鈣鎂離子等絡(luò)合，干擾了晶粒的形成，阻礙了其在膜表面的沉積，達(dá)到了很好的阻垢效果，延長了凈水機(jī)的使用壽命。其阻垢劑也是在反滲透膜的濃水測，且也透不過反滲透膜，同時又經(jīng)過涉水安全認(rèn)證，可放心使用。