珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000
摘要:本文针对家用反渗透净水机在适应全国宽泛的自来水现状下,存在的滤芯易堵寿命短问题,从滤芯功能、系统配置、控制三个方面分析对净水机寿命的影响,并通过对比试验验证,提出高精度预处理、高流速反渗透膜滤芯、脉冲回流反渗透系统、双膜系统等方案,延长各级滤芯寿命。
关键词:反渗透系统; 高节水; 浓差极化; 净水机
引言
随着环境污染,水污染日益严重,加上近3年来疫情的影响,净水机作为一种新型健康安全的家用电器得到越来越多家庭的关注。但因我国各地水质差异大,部分自来水泥沙、铁锈、悬浮物、钙、镁离子等污染物含量较高的水质地区,净水产品存在预处理滤芯、反渗透膜滤芯易污堵、整机总净水量低的技术难题,严重了影响实际净水能力和用户体验。本项目立足研究家用净水机滤芯污堵原理,从滤芯结构、系统、控制等方面分析滤芯堵问题,找到原因,并提出可行的技术方向。
1家用反渗透系统过滤简介
图1所示,自来水依次经过PP棉滤芯、活性炭滤芯、反渗透膜滤芯和复合滤芯被净化为可直饮的纯水,各级滤芯在水质净化过程中的功能和净化机理不同。
图1 常规反渗透系统过滤示意图
2预处理滤芯
家用净水机预处理一般采用PAC滤芯或折叠PP炭棒滤芯,过滤精度为5~15μm,作为RO系统的第一级过滤滤芯,PP棉主要是去除自来水中的泥沙、铁锈和悬浮物等大颗粒物质,活性炭主要是吸附余氯、小分子有机物等。
PP棉污染机理是孔径筛分机制,截留大颗粒、泥沙等杂质,随着过滤时间的延长,被截留物质在表面累积压实形成滤饼层,使过滤水阻力增加,产水流量降低,滤芯堵塞。通过对污堵滤芯解剖分析,污堵pp棉的物质主要分为5μm左右的颗粒物杂质和大于5μm的颗粒物杂质。
(1)粒径在5μm左右的杂质通过滤芯表面微孔进入内部,导致滤芯堵塞;
(2)粒径>5μm的杂质,会堆积在滤芯表面,导致滤芯堵塞,见图2。
图2 大于5μm的颗粒物杂质污堵pp棉
通过分析污染物尺寸一般>0.45μm,污染物尺寸大于超滤膜孔径,将超滤膜作为预处理,大部分颗粒污染物会被截留在皮层外,难以进入孔道内部,当滤芯产水量下降时,可通过清洗恢复滤芯的净水流量。
选取高泥沙、胶体含量水质地区,实验验证,结果表明可清洗超滤膜滤芯,大大延长了预处理滤芯的使用寿命44000L。
3反渗透膜滤芯
反渗透膜污染机理主要是浓差极化-污染物沉积。在压力驱动下,水透过膜,溶质被截留,膜表面上溶质的浓度升高。膜表面浓度Cw高于主体溶液浓度Cb,在浓度梯度作用下,溶质从膜面向本体溶液反向扩散,使流体阻力和渗透压增加,从而导致水透过通量减小,这一现象叫浓差极化[1]。
图3 反渗透膜表面浓差极化示意图
污堵滤芯原因分析,通过水测、染色、FR-IR/SEM/XMA射线解剖分析:实际使用中的主要污染类型为无机盐结垢、有机胶体污堵。
(1)有机胶体污堵:我国南水北调地区(JN、KF等),SDI5大于15,胶体含量高,传统PP棉过滤精度5~15μm,不能去除有机胶体,这些物质吸附在膜表面,造成通量下降。
(2)无机盐结垢污堵:水中难溶盐离子Ca2+、Mg2+ 、 CO32-、 HCO3-随着浓度升高达到饱和,饱和后析出水垢,沉淀在膜面上,堵塞膜片,产水流量下降。净水机的水效越高,浓缩倍数越高,结垢污堵越严重。
根据反渗透膜污染机理分析及污堵原因分析,膜面切向流速越大,冲刷膜面的剪切力越大,污染物不易停留,滤芯寿命更耐污染,寿命长。对反渗透膜流道结构进行优化,见图4,提出侧向过滤流道,流道缩窄2倍,膜面流速38mm/s;并设置设置浓水流速控制结构,提升膜面整体流速,污染物不易停留,延长反渗透膜滤芯寿命。
图4改进方案过滤示意图
对反渗透膜滤芯优化前后方案,在水效水质实验验证,反渗透膜滤芯寿命可做到26000L(7年),滤芯寿命比行业提升18.2%,
4 净水系统
4.1一次过滤系统与浓水回流过滤系统对比
一次性过滤系统是原水预处理过滤后,经反渗透膜滤芯过滤后,一路纯水直接排出,一路浓水经废水阀直接排出,这类系统反渗透膜滤芯过滤流速有废水阀流量决定,随着水效的升级,浓水量缩小,膜面流速降低,反渗透膜滤芯寿命缩短。浓水回流系统是通过将部分废水回流到泵前,废水被多次过滤,此系统可以提高系统回收率[2],然后冲洗的废水中含有大量污垢,回流的废水带着这些污垢重新进入RO膜内,且不断地在RO膜内循环,重新附着在RO膜表面,使RO膜结垢更严重,反而缩短反渗透膜滤芯的寿命。
市面一些企业对常规浓水回流系统优化改进,将废水排放部分包括两条支路,第一支路为常开支路,第二支路为可控支路。两支路工作模式切换,间断式排废水,扰乱RO膜结垢,有效保护RO膜,系统性能更稳定。仍存在一些不足,第二支路在切换时,膜前压力变化较大,即RO膜在波动的压力下运行,会影响其性能和寿命。
本项目提出新型智能脉冲式回流系统:原理图见图5,废水排放部分包括三条支路,第一支路为常开支路(410),第二支路(420)和第三支路(430)交替打开,包括回流模式和脉冲模式。通过控制电磁阀(422)通电断电,即可实现回流模式和脉冲模式交替使用[3]。
图4 脉冲回流系统原理图
分析将脉冲排废系统和废水回流系统结合起来,吸取了两种系统的优点,又避免了两种系统的缺点。
(1)脉冲式排废水,扰乱RO膜结垢,有效保护RO膜,系统性能更稳定。
(2)增大了RO膜表面的流速,从而有效冲洗掉RO膜表面污垢,保护RO膜的。
(3)脉冲模式和回流模式下的膜前压力基本稳定,不会出现脉冲排废系统压力差异较大的情况。
(4)通过脉冲排废及时将含有污垢的废水排出,不会出现后又污垢的废水不断在RO膜内循环的情况。
同时具备一种简易的方法来调节回收率,来满足不同水质条件的需求的特征。可通过控制模式切换时间调节回收率;可根据水温、进水TDS值切换不同模式回收率等,可以无极调节回收率。该系统具有结构简单,成本低,可应用在智能净水机上。相比常规可调回收率系统,一般会使用可调式废水比、多个废水比串联和或并联等,该方法结构复杂,占空间,成本高;调节能力有限,一般不超过4级;不同级进行切换时膜前压力差异较大,影响履行性能。
实验验证:100G系统,智能脉冲回流系统与常规系统对比测试,见图5和图6,结果表明,脉冲回流系统寿命优于常规浓水回流系统寿命57%。
图5常规浓水回流系统寿命测试 图6智能脉冲回流系统寿命测试
4.2 单膜系统与双膜系统对比
单膜系统是采用PP棉作为预处理,PP棉过滤精度5~15微米,粒径<5um的泥沙、胶体等杂质,会透过PP棉滤芯表面的微孔,进入后续滤芯过滤,导致活性炭、反渗透膜滤芯污堵,寿命缩短。而双膜系统,采用超滤膜作为预处理,过滤精度高,孔径10~200纳米[1],不仅能去除泥沙、铁锈、悬浮物等污染物,还可以去除胶体、微生物等污染物,优化后续各级滤芯的过滤水质,解决活性炭、反渗透膜滤芯因胶体等小尺寸颗粒物的堵塞问题,经对比验证,见图7,双膜系统各级滤芯寿命比单膜系统各级滤芯寿命延长2倍以上。
图7 双膜系统与单膜系统对比
4.3水质安全升级
针对传统净水机采用活性炭吸附异味改善口感,可能导致出水可能微生物超标问题,可通过在净水系统末端增加超滤膜截留去除可能滋生的细菌。按照国家卫生部标准[4]测试评估,整机标称11000L内,水质菌落全部达标。
5总结
为了解决高水效反渗透机型,恶劣水质下滤芯寿命短的问题,通过分析反渗透系统特征、各级滤芯污堵机理及污染原因分析,从预处理滤芯、反渗透膜滤芯、系统,三方面着手优化改进,经过对比验证分析,得到如下验证结果:
(1)采用超滤级别的滤芯作为预处理,过滤精度高且结构表皮层光滑纳污能力强,污堵后可清洗恢复,寿命大大延长,解决微滤PP棉过滤精度低且易堵塞问题;
(2)通过优化反渗透膜进出水过滤结构,提升膜面流速,使污染物更不易停留,膜片污染速度降低,寿命得以大大延长;
(3)智能脉冲回流系统,增大膜面流速,同时脉冲式排废,扰乱膜面运行状态,干扰污染物沉积速度,延长滤芯寿命,同时提高了一种回收率可调节的方案;
(4)双膜系统,因超滤膜过滤精度高可以拦截胶体的特点,优化后续各级滤芯进水水质,解决活性炭滤芯、反渗透膜滤芯胶体堵的问题,延长后续滤芯寿命,同时在后置活性炭滤芯后设置超滤膜,拦截可能存在细菌,保证长寿命下水质安全。
参考文献:
[1] 王锰,王湛,李政雄.膜材料及其制备.2003.1:5.
[2] 杜邦.FILMTEC反渗透和纳滤膜元件产品与技术手册(2019版):260.
[3] 珠海格力电器股份有限公司.ZL201610901687.5 一种净水机及其控制方法.
[4]中华人民共和国国家卫生部《生活饮用水水质处理器卫生安全与功能评价规范—反渗透处理装置》(2001)的要求.