家用反渗透净水机滤芯长效研究及应用

家用反渗透净水机滤芯长效研究及应用

李一然

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.