探討反滲透凈水器零陳水的實(shí)現(xiàn)方法及控制技術(shù)

官闊榮 成吉會(huì) 楊浩 張輝

浙江蘇泊爾廚衛(wèi)電器有限公司 浙江紹興 310052

1 引言

凈水器作為進(jìn)入家庭后的水再處理設(shè)備，可以為用戶提供健康、安全的水源。凈水處理技術(shù)日臻成熟，特別是反滲透凈水器類型，從幾年前以50 G規(guī)格的小通量膜為主，到當(dāng)前已經(jīng)普及400 G及以上規(guī)格大通量反滲透凈水器。但是，隨著大通量（400 G規(guī)格及以上）反滲透凈水器的普及，“頭杯水”問題也開始浮現(xiàn)，即機(jī)器停止運(yùn)行后，由于正滲透原理，濃水側(cè)的離子會(huì)緩慢滲透到純水側(cè)，使純水的總?cè)芙夤腆w上升[3]。當(dāng)間隔一段時(shí)間啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，由于機(jī)器內(nèi)部陳留的水質(zhì)變差，離子濃度偏高，也即總脫鹽率較低，形成通常所說“頭杯水”問題。其后果就是凈水器放置一定時(shí)間重新開啟后放出的頭幾杯水是過濾不完全的，各項(xiàng)細(xì)菌、重金屬等指標(biāo)仍存在超標(biāo)可能，從而達(dá)不到凈水器原本該起的作用。本文對(duì)目前五種比較可行的方案進(jìn)行對(duì)比分析，以期解決“頭杯水”問題。

2 五種技術(shù)方案對(duì)比

目前解決“頭杯水”總?cè)芙夤腆w偏高問題的主要有：壓力桶稀釋、指示燈水質(zhì)提示、純水回流、雙RO膜純水沖洗及純水凈膜等技術(shù)方案。

2.1 壓力桶稀釋技術(shù)

此技術(shù)主要用在小通量反滲透凈水器產(chǎn)品，即在RO膜后端設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)水的壓力桶，機(jī)器所生產(chǎn)的純水先儲(chǔ)存在壓力桶內(nèi)，產(chǎn)生的“頭杯水”也會(huì)先流入壓力桶內(nèi)與純水稀釋，其產(chǎn)品示意圖如圖1所示。一般壓力桶可裝7～8 L純水，因小通量RO膜小，頭杯水也會(huì)少（＜800 mL），壓力桶稀釋后脫鹽率就會(huì)大于85%，符合飲水要求。但是，此技術(shù)方案的最大不足是壓力桶占用空間大，成本較高。

圖1 小通量反滲透凈水器壓力桶稀釋技術(shù)產(chǎn)品示意圖

2.2 指示燈水質(zhì)提示技術(shù)

此技術(shù)是在純水水龍頭上設(shè)置一個(gè)水質(zhì)狀態(tài)顯示的指示燈，在機(jī)器內(nèi)部設(shè)置一檢測(cè)水質(zhì)探針，產(chǎn)品示意圖如圖2所示。當(dāng)打開水龍頭取水，若探針檢測(cè)到“頭杯水”水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)，龍頭指示燈顯示為紅色，提醒用戶此時(shí)放出的水不安全，不建議飲用。繼續(xù)放水后，“頭杯水”放完且水質(zhì)逐漸恢復(fù)良好，水龍頭上指示燈會(huì)由紅色變?yōu)樗{(lán)色，代表此時(shí)水可以飲用。此技術(shù)欠缺處在開始打開水龍頭取水時(shí)需要放掉一些水，且需要等待一定時(shí)間直到指示燈變?yōu)樗{(lán)色才能飲用，這樣一是要等待，二是浪費(fèi)部分水，用戶體驗(yàn)變差。

圖2 指示燈水質(zhì)提示技術(shù)產(chǎn)品示意圖

2.3 純水回流技術(shù)

圖3 純水回流技術(shù)水路流程圖

2.4 雙RO膜純水沖洗技術(shù)

此技術(shù)是指在增壓泵后端設(shè)計(jì)兩個(gè)RO膜，分別為RO膜一和RO膜二，同時(shí)將增壓泵改為可變頻的增壓泵。其原理為每次用水結(jié)束后，變頻增壓泵提供單RO膜用水量供RO膜一制純水沖洗RO膜二，讓RO膜二濃水側(cè)和純水側(cè)離子濃度達(dá)到平衡，都接近純水濃度。水路流程如圖4所示。當(dāng)用水時(shí)，變頻增壓泵提供單RO膜的用水量供RO膜二制水，因RO膜二內(nèi)兩側(cè)都為純水，故RO膜二濾芯所制的“頭杯水”總?cè)芙夤腆w值較低；當(dāng)RO膜一側(cè)較高濃度“頭杯水”經(jīng)RO膜二濾芯二次過濾后，變頻增壓泵提供雙膜用水量供RO膜一和RO膜二同時(shí)制水，切換至大出水量狀態(tài)，有效解決了“頭杯水”脫鹽率低、總?cè)芙夤腆w高的問題。此方案可將“頭杯水”水質(zhì)達(dá)到脫鹽率85%甚至更高，但是結(jié)構(gòu)空間占用體積大，此技術(shù)不足是實(shí)現(xiàn)方案較復(fù)雜，成本高昂。

圖4 雙RO膜互相沖洗技術(shù)水路流程圖

2.5 純水凈膜技術(shù)

此技術(shù)是在大通量RO膜的濃水側(cè)和純水側(cè)之間，設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)壓力桶裝置。每次用水結(jié)束純水龍頭關(guān)閉后，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)制水直到把氣動(dòng)壓力桶充滿。之后系統(tǒng)啟動(dòng)純水凈膜流程，先將廢水電磁閥打開，氣動(dòng)壓力桶內(nèi)的純水就會(huì)緩慢流入RO膜濃水側(cè)，將濃水?dāng)D壓到濃水口排出，水路流程如圖5。這樣RO膜濃水側(cè)被氣動(dòng)壓力桶內(nèi)的純水填充滿，此時(shí)RO膜內(nèi)的濃水側(cè)和純水側(cè)離子濃度差很小，根據(jù)RO膜離子（鹽離子）滲透率公式：

圖5 純水凈膜技術(shù)水路流程圖

式中：Qs-膜的透鹽量；

Ks-膜的鹽滲透系數(shù)；

ΔC-膜兩側(cè)鹽濃度差；

S-膜面積；

d-膜厚度；

告別了媽媽后，我進(jìn)了教室，教室里，暖氣和以前一樣開著。我坐了下來，等待著老師來上課。但是我沒有找到課本。我著急地翻著我的書包，恨不得把書包翻爛。這時(shí)，我看見一個(gè)熟悉的身影?！皨寢?！”我叫道。

該方程可簡(jiǎn)化為：

Qs=B×(ΔC)

式中：B-膜的鹽透過常數(shù)；

ΔC-鹽濃度差（鹽的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力）。

從上述公式可以看出，RO膜的離子（鹽離子）滲透率與RO膜的兩側(cè)濃度差成正比，RO膜的兩側(cè)鹽濃度差越小，離子（鹽離子）滲透率越小，反之越大；當(dāng)RO膜兩側(cè)濃度差無(wú)限接近時(shí)候，RO膜的離子（鹽離子）滲透率趨近于0。為了進(jìn)一步確認(rèn)純水凈膜技術(shù)的效果，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，流程圖如圖6所示。

圖6 純水凈膜水路流程圖

以400 G反滲透凈水器為載體，第一級(jí)為前置濾芯（復(fù)合濾芯），第二級(jí)為RO濾芯，根據(jù)純水凈膜技術(shù)流程圖，在RO膜兩端連接氣動(dòng)壓力桶和純水凈膜水路，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7。

圖7 純水凈膜技術(shù)與普通RO機(jī)總?cè)芙夤腆w對(duì)比

測(cè)試條件：原水為加標(biāo)水，總?cè)芙夤腆w為（500±50）mg/L之間，環(huán)境溫度25℃，整機(jī)為400 G反滲透凈水器，要求待機(jī)8小時(shí)后穩(wěn)定脫鹽率＞90%

測(cè)試方法：初次開機(jī)運(yùn)行，在供水壓力為（0.24±0.02）MPa下，于達(dá)到標(biāo)稱額定總凈水量的0%、25%、50%、75%和100%點(diǎn)進(jìn)行加標(biāo)測(cè)試。達(dá)到標(biāo)稱額定總凈水量的0%點(diǎn)進(jìn)行加標(biāo)測(cè)試前，要求使用試驗(yàn)用水或市政自來水穩(wěn)定運(yùn)行1 h。達(dá)到標(biāo)稱額定總凈水量的25%、50%、75%和100%點(diǎn)進(jìn)行加標(biāo)測(cè)試時(shí)，切換試驗(yàn)用水打開水龍頭穩(wěn)定運(yùn)行15 min后，在不斷電條件下關(guān)閉龍頭不取水，8 h后打開凈水龍頭用量杯連續(xù)收集5杯凈水，每杯體積200 mL；按GB/T 5750.5的規(guī)定測(cè)量進(jìn)水和凈水的含鹽量，并按如下公式計(jì)算第N杯水的脫鹽率Rn，且取其中最低的值為Rmin。

式中：Rn-脫鹽率，單位為百分號(hào)%；

Cf-進(jìn)水含鹽量，單位為毫克每升（mg/L）；

Cp-凈水含鹽量，單位為毫克每升（mg/L）。[5]

此時(shí)，Rmin取值Min{R1，R2，R3……R10}，即10杯水中脫鹽率最低值。整機(jī)額定總凈水量范圍內(nèi)，可分為5段用a規(guī)定的加標(biāo)水進(jìn)行b項(xiàng)測(cè)試，在達(dá)到標(biāo)稱額定總凈水量的0%（初始）、25%、50%、75%和100%時(shí)的任何1段測(cè)試后得到的Rmin，均需要符合出水水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定。

測(cè)試結(jié)果：全程脫鹽率＞85%；

數(shù)據(jù)來源：本公司實(shí)驗(yàn)室。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，以總?cè)芙夤腆w500 mg/L作為原水，其凈化后總?cè)芙夤腆w均≤45 mg/L，全程脫鹽率＞85%，400 mL后脫鹽率達(dá)到機(jī)器穩(wěn)定脫鹽率。這說明純水凈膜后RO膜兩側(cè)離子濃度差非常小，RO膜的離子（鹽離子）滲透率非常低。

產(chǎn)品空間要求方面，純水置換技術(shù)因只需增加一個(gè)微型氣動(dòng)壓力桶裝置和置換水路，新增部件體積較小，可通過現(xiàn)有產(chǎn)品優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)此技術(shù)，且成本相對(duì)較低，因此可大范圍推廣和應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過對(duì)上述五種技術(shù)方案優(yōu)劣勢(shì)分析，筆者比較推薦純水凈膜技術(shù)，此技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本較低、水質(zhì)穩(wěn)定，且并不會(huì)增加太多體積，是目前可以較好解決問題的方案。

隨凈水技術(shù)研究的不斷創(chuàng)新升級(jí)，相信未來會(huì)有更好技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)全程零陳水，徹底解決用戶對(duì)“頭杯水”問題擔(dān)憂。