阻垢劑在家用反滲透凈水機(jī)中的應(yīng)用

王劍平 楊威

（無限極(中國(guó))有限公司，廣東廣州 510000）

隨著大家對(duì)飲水健康的重視，凈水器成為越來越普及的家用電器。目前市面上凈水器以反滲透凈水器為主，傳統(tǒng)反滲透純水機(jī)在制取純水的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢水[1]。為了節(jié)約水資源，國(guó)家制定了GB 34914-2017《反滲透凈水機(jī)水效限定值及水效等級(jí)》[2]等相關(guān)水效標(biāo)準(zhǔn)。隨著水效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，水效類似能效成為用戶選擇家用電器的重要指標(biāo)[3]。同時(shí)新的水效標(biāo)準(zhǔn)已在制定中，預(yù)計(jì)將一級(jí)水效產(chǎn)水率從60%提升至66%。

水效提高意味著凈水器膜元件濃水出水濃度增加，鈣鎂離子越容易從水中析出，造成膜元件提前堵塞[4]。阻垢劑作為提高膜元件壽命的一種高性價(jià)比方式，越來越受到凈水行業(yè)的重視[5]。本文將通過靜態(tài)阻垢測(cè)試[6]和動(dòng)態(tài)阻垢測(cè)試[7]驗(yàn)證目前主流家用凈水阻垢劑的性能，分析阻垢劑在不同水質(zhì)條件下使用的必要性，同時(shí)為凈水機(jī)水效提升提供一種高性價(jià)比解決方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

硼砂緩沖溶液；乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）標(biāo)準(zhǔn)滴定液；硫酸鎂（分析純）；氯化鈣（分析純）；氯化銨（分析純）；氨水；鉻黑T；95%乙醇；高純水；阻垢劑A；阻垢劑B；阻垢劑C；阻垢劑D。

1.2 儀器設(shè)備

不銹鋼恒溫水浴鍋、分析天平、量筒、滴定管、錐形瓶、燒杯、容量瓶、移液槍。

1.3 靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)

靜態(tài)阻垢測(cè)試參考GB/T 16632-2019《水處理劑阻垢性能的測(cè)定 碳酸鈣沉積法》在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

（1）實(shí)驗(yàn)用水采用硫酸鎂、氯化鈣和高純水參考GB 34914-2017《反滲透凈水機(jī)水效限定值及水效等級(jí)》配置硬度為250 ppm左右的硬水。

（2）在4個(gè)250 ml的錐形瓶中各加入250 ml實(shí)驗(yàn)用硬水，再使用分析天平精確稱量1 mg，A、B、C、D四種阻垢劑分別加入四個(gè)錐形瓶，作為實(shí)驗(yàn)組；另外一個(gè)錐形瓶?jī)H加入250 ml實(shí)驗(yàn)用硬水作為空白對(duì)照組。

（3）將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組錐形瓶口用保鮮膜密封，防止水分蒸發(fā)。浸入（80±1）℃的恒溫水浴鍋中，恒溫放置10 h。水浴結(jié)束后冷卻至常溫，分別用中性定量濾紙過濾至干凈燒杯待測(cè)。

（4）采用EDTA滴定法測(cè)試水浴前后6個(gè)水樣的硬度。先在25 mL滴定管中灌入EDTA ，用移液管取50 mL樣品于錐形瓶，加入2 ml緩沖液和5滴鉻黑T指示劑于錐形瓶混勻。

（5）用EDTA標(biāo)準(zhǔn)液滴定樣品，邊滴邊輕輕搖晃錐形瓶，待溶液顏色由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色即為滴定終點(diǎn)。

1.4 動(dòng)態(tài)阻垢壽命實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)兩個(gè)典型水質(zhì)地區(qū)的水源作為實(shí)驗(yàn)原水，分別為北方高硬度水質(zhì)區(qū)域JN、南方高有機(jī)物水質(zhì)地區(qū)SH，兩個(gè)地區(qū)水質(zhì)情況如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)選取的兩個(gè)典型地區(qū)水質(zhì)

動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)以典型水質(zhì)為水源，每個(gè)地區(qū)使用8臺(tái)600 G家用反滲透機(jī)，前置中加入阻垢劑A、B、C、D的整機(jī)各2臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)組。8臺(tái)機(jī)器直接在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行長(zhǎng)期壽命測(cè)試，定期對(duì)整機(jī)流量進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估整機(jī)流量衰減狀況。

測(cè)試使用的反滲透機(jī)回收率為2:1，阻垢劑放入整機(jī)前處理濾芯中，其水處理工藝圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試用反滲透機(jī)水處理工藝圖

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)

阻垢劑的阻垢原理為將水中的鈣、鎂離子穩(wěn)定在水中，避免其與碳酸根等離子結(jié)合形成沉淀附著在物體表面[8]。反滲透凈水機(jī)中使用阻垢劑主要為延長(zhǎng)膜壽命，避免由于濃水中鈣鎂離子濃度過高，碳酸鈣、碳酸鎂、磷酸鈣等形成沉淀附著在膜片表面，導(dǎo)致膜元件通量下降，膜壽命縮短。靜態(tài)阻垢測(cè)試通過實(shí)驗(yàn)前后鈣鎂離子濃度，可計(jì)算阻垢劑的阻垢率。各阻垢劑靜態(tài)阻垢率如表2所示。阻垢率計(jì)算如式（1）。

表2 阻垢劑靜態(tài)阻垢性能

其中：ρ1-加入阻垢劑溶液水浴后的水樣硬度，mg/L；

ρ-原水水浴后的水樣硬度，mg/L；

ρ2-原水的水質(zhì)硬度，mg/L。

從靜態(tài)阻垢測(cè)試結(jié)果可見，水浴后水樣硬度越高，阻垢劑阻垢效果越好；故D和B阻垢劑阻垢效果較好；其中C和D為無磷阻垢劑、A和B為含磷阻垢劑。而使用阻垢劑的空白對(duì)照組，水樣硬度下降較多，說明在測(cè)試過程中形成了大量碳酸鈣沉淀。

2.2 動(dòng)態(tài)阻垢壽命實(shí)驗(yàn)

通過兩個(gè)典型地區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)看可以看出，JN的水質(zhì)硬度較高，且其朗格利爾飽和指數(shù)[9]LSI值較大，說明水質(zhì)結(jié)垢傾向較為嚴(yán)重。SH的水質(zhì)COD值較高，說明其水質(zhì)有機(jī)物含量較高。使用現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行整機(jī)壽命測(cè)試，其整機(jī)流量衰減如圖2和圖3。

由圖2可知，在高硬度地區(qū)無阻垢劑的機(jī)器在2:1回收率條件下，純水出水3噸左右，整機(jī)純水流量迅速衰減。對(duì)整機(jī)拆機(jī)分析后發(fā)現(xiàn)，膜元件表面出現(xiàn)大量水垢，水垢進(jìn)入組合閥也導(dǎo)致流量下降。由此可見，在高硬度地區(qū)，無阻垢劑的凈水器在高回收率下壽命明顯縮短。

圖2 JN地區(qū)整機(jī)流量衰減與純水出水量的關(guān)系

帶有阻垢劑A、B、C、D的凈水器，整機(jī)流量衰減較少，說明阻垢劑對(duì)膜元件起到了較好的保護(hù)作用。使用阻垢劑B、C、D的凈水器流量衰減較使用阻垢劑A的慢一些。

由圖3可知，在高有機(jī)物地區(qū)四種阻垢劑的整機(jī)流量衰減較大，其中C、D阻垢劑衰減較A、B阻垢劑好，說明在有機(jī)物地區(qū)不同阻垢劑整機(jī)流量有較大差異，應(yīng)避免阻垢劑對(duì)整機(jī)流量衰減的影響。

圖3 SH地區(qū)整機(jī)流量衰減與純水出水量的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）動(dòng)態(tài)阻垢壽命測(cè)試和靜態(tài)阻垢測(cè)試的結(jié)果是一致的，四種阻垢劑的阻垢性能分別是B、D阻垢劑好于C阻垢劑，C阻垢劑好于A阻垢劑。

（2）部分阻垢劑在高有機(jī)物地區(qū)存在加速整機(jī)流量衰減的情況，應(yīng)綜合考慮不同水質(zhì)對(duì)阻垢劑性能的影響。綜合考慮D、B阻垢劑要優(yōu)于A、C阻垢劑。

（3）在高硬度地區(qū)，在高回收率條件下，阻垢劑可以起到較好的膜元件保護(hù)作用，避免由于膜元件結(jié)垢而導(dǎo)致的壽命提前終結(jié)。

本文通過靜態(tài)阻垢和動(dòng)態(tài)阻垢壽命測(cè)試快速、方便、可靠地進(jìn)行阻垢劑的篩選，為廣大凈水器設(shè)計(jì)者提供一種阻垢劑選擇的思路，同時(shí)為不同水質(zhì)的高節(jié)水型凈水器的設(shè)計(jì)提供一個(gè)高性價(jià)比的方案。