反滲透凈水機預處理濾芯性能評估與壽命提升研究

寧貴勇 李友鈴 張 量

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

長壽命是凈水機發展的主要趨勢，其聚焦點為通過技術升級提升反滲透濾芯壽命、延長濾芯更換周期，如使用多膜頁、側流、阻垢等技術的反滲透濾芯更換周期在3～10年不等。與反滲透濾芯長更換周期不同，凈水機用的第一級預處理濾芯更換周期一般為3～12個月，在反滲透濾芯壽命內需多次更換，增加用戶使用成本，盡管如此，現階段對第一級預處理濾芯壽命方面的研究仍然相對缺乏。

第一級預處理濾芯主要作用是除水體中泥沙、鐵銹、懸浮物等大顆粒物質，是反滲透濾芯進水的第一道屏障，其過濾精度范圍一般在（1～15）μm，與微濾膜的孔徑（0.1～10） um接近或屬于微濾范疇[1]，微濾的過濾原理包括孔徑篩分、濾餅層過濾以及深層過濾等[2]，其性能衰減的表現為出水流量下降，但對污染物的去除性能基本不變[3]。對于第一級預處理濾芯，判定濾芯失效的主要依據為出水流量低于反滲透濾芯對進水流量的需求，因此，其壽命提升需求為增加納污能力、提升總產水量。

本文選取折紙PP、PAC（無紡布和碳纖維構成的復合濾芯）和聚丙烯噴熔PP三種凈水機常用的第一級預處理濾芯作為研究對象，進行結構表征和性能測試，分析性能差異的原因，找出性能提升方向并設計實驗進行驗證，為第一級預處理濾芯壽命提升提供依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

PTI粉塵（A2，阿拉丁），用于過濾精度測試；聚丙烯噴熔PP濾芯，PAC濾芯，折紙PP濾芯，表1為三種濾芯的基本參數。

表1 三種濾芯基本參數

1.2 實驗儀器

場發射環境掃描電鏡SEM（美國FEI公司，QUANTA FEG 250）、油液顆粒度分析儀（陜西普洛帝測控技術有限公司，PLD0201）、濁度測試儀（哈希，TL2310）、數顯壓力控制器（上海銘控，MDS900）、隔膜增壓泵（杭州力夫電機制造有限公司，LFP1300）、水表、秒表、燒杯、電子秤、球閥等。

1.3 實驗方法

過濾精度測試使用A2粉塵配置10 000～15 000顆/ml加標液（10 L水加0.01 g粉塵），利用油液顆粒度分析儀計量；待測濾芯先使用2 L/min左右流量純水沖洗10 min，后按圖1（a）連接測試裝置，調節球閥使濾芯前壓力0.3 MPa、流量2 L/min左右，通水2 min后取樣測試，記錄其顆粒物濃度。對顆粒a（微米，μm）的去除率≥85 %，而對小于a的顆粒攔截率＜85 %，即認為其過濾精度為a。

圖1 測試裝置示意圖

濾芯性能測試按圖1（b）連接好測試裝置，流量測試使用燒杯收集1 min濾芯出水后使用電子秤稱量，同時記錄壓力表、水表數據。

2 實驗結果與討論

2.1 濾材結構表征

三種濾芯外觀如圖2。外觀上，噴熔PP均勻致密；PAC的PP層為紙狀致密的單層PP卷繞形成，碳纖維層相對疏松；折紙PP整體呈褶皺狀，由外至內包含4層，第一、四層相同，結構疏松，第二、第三層為致密層。

圖2 三種濾芯外觀

選取噴熔PP外層、PAC濾芯的PP和碳纖維部分，以及折紙PP的第一、二、三層進行SEM表征（見圖3）。圖3顯示，三種濾芯均為聚丙烯纖維錯落堆疊，差別為單根纖維堆疊形成的錯落網格大小，圖3（a）顯示噴熔PP單絲堆疊形成的網格尺寸大、相對疏松；圖3（b）、3（c）對比可知，PAC的PP層致密度大于碳纖維層，表明PAC濾芯的PP層承擔第一級預處理作用，而與噴熔PP相比，其單絲堆疊形成的網格小、致密度高；圖3（d）～（f）顯示，折紙PP的第一層網孔最大、第二層其次、第三層最小，該結果表明折紙PP的外三層濾材具有致密度逐漸增加的特征，即梯度漸進式排布。比較三種濾材的致密度，折紙PP＞PAC＞噴熔PP。

圖3 濾材SEM表征

2.2 過濾精度分析

三種濾芯過濾精度結果見圖4。按85 %去除率界限，折紙PP、PAC和噴熔PP的過濾精度分別為2 μm、9 μm 和13 μm，折紙PP過濾精度最高，該結果與2.1中三種濾材SEM表征獲得的致密度結果對應。過濾精度可用于粗略表征濾芯過濾孔徑值的大小，因此數值越低、孔徑越小，過濾效果越好，同時也意味著水力阻力大，結合表1濾芯尺寸參數，相近尺寸下折紙PP的有效過水面積遠大于其它兩種濾芯，推測原因為設計上通過增加過水面積來降低過濾精度高帶來的單位面積水力阻力大、產水量低問題，從而保證濾芯組件整體產水量。

圖4 過濾精度結果

2.3 濁度去除率

三種濾芯初始產水濁度見圖5。原水濁度為4.83 NTU，折紙PP、PAC濾芯和噴熔PP三種濾芯的產水濁度分別為0.587 NTU、0.98 NTU和1.15 NTU，換算為去除率分別為87.5 %、79.71 %和76.19 %。水體中濁度的主要包括粘土、淤泥、膠體顆粒、懸浮物等[5]，其去除率可用于說明濾芯產水水質情況，由結果可知三種濾芯的產水水質折紙PP優于PAC，噴熔PP最次。參照三種濾材的過濾精度數值，折紙PP和PAC濾芯屬于微濾級別，噴熔PP接近微濾級別，因此三種濾芯新濾芯狀態時對濁度的去除機理主要為孔徑篩分[2]，結合2.1的SEM表征、2.2的過濾精度結果，以及濁度去除率結果，三項測試相互驗證。

圖5 初始產水濁度

2.4 濾芯長期性能

三種濾芯在自來水下濾芯出水壓力及流量變化見圖6，測試同時進行、實驗裝置按圖1（b）搭建。圖6（a）顯示，折紙PP、PAC和噴熔PP濾芯在長期測試時濾芯前壓力波動變化但整體為增加趨勢，初始壓力分別由8 psi、7.5 psi和9 psi增加至測試終點時的15 psi、12.5 psi和12 psi，濾芯前壓力增加的原因主要為濾芯污染后水力阻力增加、濾芯前后壓差變大[2]，壓力波動的原因為測試過程連續不間斷，而自來水壓會在不同時段受末端用水量變化而變化。圖6（b）顯示，三種濾芯在測試過程中流量波動變化、整體呈下降趨勢，流量波動的原因為測試過程壓力波動，而流量下降則說明濾芯污染，過水孔堵塞、有效過水面積降低。三種濾芯初始流量接近（2.45 L/min、2.3 L/min和2.58 L/min），以1.0 L/min出水流量為濾芯壽命判定終點，噴熔PP產水量3 800 L時出水流量降至0.93 L/min，達壽命終點；PAC濾芯產水量在11 789 L時出水流量降至0.91 L/min，達壽命終點；折紙PP濾芯產水量在13 789 L時其出水流量仍為1.48 L/min，距壽命終點有0.5 L/min左右的流量余量。由此可知，相同測試條件下折紙PP性能最佳。

圖6 濾芯產水監測

圖7為測試完的折紙PP濾芯過濾層拆解。從圖可知，折紙PP各層濾材受污染程度差異表明其過濾精度梯度具有漸進式組成特征，第一層濾材由于孔徑大，對污染物攔截效果差，因此雖然其為第一層但是顏色淺于第二、三層；第二層孔徑小于第一層，對污染物攔截效果好因此顏色深；而第三層孔徑比第二層小，但是由于第二層攔截了大部分污染物，因此第三層僅需去除第二層未能攔截的部分，所以其顏色淺于第二層，也即納污負荷降低；第四層主要為支撐層，因為第二、三層已去除大部分污染物，所以基本呈現本色。

圖7 折紙PP濾芯拆解

結合以上結果及分析，推測折紙PP濾芯優于其它兩種濾芯的原因包括折疊形式使有效濾材過水面積增加、濾材梯度漸進式組成對污染物選擇性好同時有效降低高精度層納污負荷，提升納污能力。

2.5 梯度漸進式效果驗證

為了驗證濾材梯度漸進式組成對濾芯壽命的影響，設計單精度過濾層濾芯進行對比驗證，具體為將折紙PP濾芯的第一、二層去掉，保留第三、四層，測試結果見圖8。單精度層折紙PP過水7 900 L時流量由初始的3.85 L/min降至0.98 L/min，到達壽命終點值；而對照組包含梯度漸進式過濾層的折紙PP同樣過水7 900 L時流量為3.72 L/min，過水23 070 L時流量仍有1.46 L/min。以產水量為考評指標，雖同為折紙PP、濾材有效過水面積大，但具有梯度漸進式特征的濾芯產水量約為單精度層的192 %以上。該結果表明，濾材梯度漸進式特征為折紙PP濾芯壽命優異的主要因素，推測原因為不同孔徑污染物經不同過濾精度濾材逐層過濾，每層濾材對污染物均具有選擇性，上一層未能去除的污染物進入下一層，從而降低了下一層高精度層的納污負荷，可有效避免不同孔徑污染物聚集在相同過濾孔上，出現大、小污染物通過架橋作用形成濾餅層污染、阻塞過濾孔。

圖8 梯度漸進式過濾影響

3 結論

1）折紙PP、PAC和噴熔PP三種濾芯整體過濾精度分別為2 μm、9 μm和13 μm，濁度去除率分別為87.5 %、79.71 %和76.19 %，相同水質下濾芯壽命分別為大于13 789 L、11789 L和3 800 L，折紙PP＞PAC＞噴熔PP；

2）與單精度過濾層折紙PP濾芯相比，具有梯度漸進式特征的折紙PP濾芯壽命高192 %以上，表明同為折紙濾芯，梯度漸進式特征是其性能優異的主因；

3）綜合本文結果，為了有效延長第一級預處理濾芯壽命，在結構形式設計上可采取通過褶皺、折疊等形式增加濾材與水接觸的面積，提升濾材利用率；在濾材構造上，應避免單精度過濾，可采取濾材致密度梯度漸進式設計，以降低高精度層納污負荷，增加濾材整體納污能力、延長濾芯壽命。