水中無機(jī)膠體對(duì)反滲透凈水機(jī)壽命影響的研究

楊亞鵬 陳 群 陳曉玲

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

主流的家用反滲透凈水機(jī)通常采用PP棉、活性炭、超濾、反滲透等多級(jí)濾芯聯(lián)用的方式形成一套過濾系統(tǒng)，達(dá)到理想的水質(zhì)凈化效果。國(guó)標(biāo)GB 34914-2017《反滲透凈水機(jī)水效限定值和水效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)中，給出了凈水產(chǎn)水率、凈水流量以及總凈水量的定義和測(cè)試方法，以此對(duì)反滲透凈水機(jī)壽命和過濾性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[1,2]。方法中所述的試驗(yàn)用水從總硬度、堿度、溶解性總固體、pH四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了限定，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性和代表性[3]。然而，市政飲用水的水源多來自地表江河湖泊或地下水，均來自于自然界，水中物質(zhì)具有非常復(fù)雜的多樣性[4,6]，除上述四個(gè)指標(biāo)所表征的無機(jī)鹽外，水中還有部分鐵、鋁、硅等物質(zhì)以膠體的形式存在。由于膠體的不溶性和吸附、裹挾作用，會(huì)對(duì)反滲透膜的前置濾芯尤其是超濾、納濾濾芯造成影響[7,8]，進(jìn)而對(duì)凈水機(jī)整機(jī)壽命造成衰減。

國(guó)際上普遍按照ASTM D4189-95標(biāo)準(zhǔn)，采用淤泥密度指數(shù)（Silting Density Index，簡(jiǎn)稱SDI）值來評(píng)價(jià)水中顆粒、膠體和其他能堵塞各種水凈化設(shè)備的物體含量[9,10]。因此，在水中顆粒物較少的情況下[11]，可以采用SDI值對(duì)水中膠體的含量進(jìn)行量化，進(jìn)而探究不同膠體含量情況下凈水機(jī)的壽命表現(xiàn)。

本文采用氧化鐵、氯化鋁、硅酸鈉等化學(xué)試劑作為原材料，進(jìn)行了人工膠體制備，通過掃描電鏡比對(duì)了加標(biāo)原水與市政飲用水中膠體形貌的一致性，并在國(guó)標(biāo)水效原水的基礎(chǔ)上進(jìn)行了膠體加標(biāo)，驗(yàn)證了市售家用反滲透凈水機(jī)在國(guó)標(biāo)試驗(yàn)用水和增加膠體加標(biāo)的國(guó)標(biāo)試驗(yàn)用水條件下的實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)，為反滲透凈水機(jī)的壽命評(píng)價(jià)提供參考。

1 儀器與試劑

1.1 儀器

TL2310濁度儀（美國(guó)HACH公司）；PHSJ-4A精密酸度計(jì)（上海雷磁儀器公司）；KW-1000DC水浴鍋（江蘇金壇市中大儀器廠）；101-4A恒溫干燥箱（上海滬越實(shí)驗(yàn)公司）；管道式水質(zhì)污染指數(shù)測(cè)定儀（華膜股份有限公司）。

1.2 試劑

氯化鈣（大茂化學(xué)試劑廠）；硫酸鎂（大茂化學(xué)試劑廠）；氧化鐵（國(guó)藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司）；碳酸氫鈉（光華科技股份有限公司）；氯化鋁（國(guó)藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司）；鹽酸（國(guó)藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司）；硅酸鈉（大茂化學(xué)試劑廠）。

2 膠體模擬物制備方法

2.1 膠體

相比于常規(guī)無機(jī)鹽的存在狀態(tài)，膠體主要表現(xiàn)為比表面積巨大，成絮狀物，對(duì)水中溶解態(tài)的金屬等離子有吸附、混晶、裹挾等作用。Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3均具有上述性質(zhì)，同時(shí)也是市政飲用水中主要的膠體成分。因此，可通過上述三種物質(zhì)作為加標(biāo)物，模擬水中膠體。經(jīng)過反復(fù)嘗試，通過如下方法所述配比制備Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3溶液，能夠確保所得膠體溶液具備丁達(dá)爾效應(yīng)，且經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間放置后仍舊穩(wěn)定，不出現(xiàn)聚沉等現(xiàn)象。

2.1.1 制備Fe(OH)3膠體模擬物

分別制備氯化鐵（91.8 g/100 mL）和碳酸鈉（21.8 g/100 mL）的飽和溶液，將氯化鐵飽和溶液和碳酸鈉飽和溶液按體積比為2 : 1混合。

2.1.2 制備Al(OH)3膠體模擬物

分別制備氯化鋁（69.9 g/100 mL）和碳酸鈉（21.8 g/100 mL）的飽和溶液，將兩者按體積比為2 : 1混合。

2.1.3 制備H2SiO3膠體模擬物

分別制備0.4 mol/L的鹽酸溶液與10 wt%的硅酸鈉溶液。按體積比1 : 1混合。

2.1.4 制備混合膠體模擬物

將上述Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3膠體模擬物濃度分別稀釋為0.01 mol/L，而后按體積比為2 : 1 : 1比例混合，制得混合膠體。

3 模擬效果驗(yàn)證

圖1 膠體模擬物

以珠海市香洲區(qū)某地點(diǎn)市政飲用水作為目標(biāo)水，使用純水將混合膠體模擬物稀釋12倍后作為模擬水，通過掃描電鏡以及SDI測(cè)試儀進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果高度相似。

3.1 掃描電鏡分析

通過掃描電鏡進(jìn)行分析，與目標(biāo)水進(jìn)行對(duì)比（如圖2、3），發(fā)現(xiàn)其顆粒形貌相近。

圖2 模擬水中膠體掃描電鏡圖

圖3 目標(biāo)水中膠體掃描電鏡圖

3.2 SDI測(cè)試儀分析

SDI測(cè)試能夠直接表征水中膠體等物質(zhì)對(duì)濾膜的堵塞能力，使用0.45 μm濾膜對(duì)模擬水和目標(biāo)水分別進(jìn)行SDI值測(cè)試，結(jié)果（見表1）仍舊具有優(yōu)異的一致性，說明膠體模擬物經(jīng)過適當(dāng)稀釋后，模擬水對(duì)于濾膜的堵塞能力也能夠與市政飲用水中膠體較好地保持一致。

表1 自來水與模擬自來水SDI值測(cè)試對(duì)比結(jié)果

3.3 凈水機(jī)壽命對(duì)比實(shí)驗(yàn)

按照?qǐng)D4所示原理圖搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按照國(guó)標(biāo)GB 34914-2017的規(guī)定配制試驗(yàn)用水，作為1號(hào)模擬水；在該國(guó)標(biāo)要求的試驗(yàn)用水基礎(chǔ)上，添加混合膠體模擬物至SDI5= 3.8 ～ 4.2，作為2號(hào)模擬水；添加混合膠體模擬物至SDI5= 11.8 ～ 12.2 ，作為3號(hào)模擬水。準(zhǔn)備3臺(tái)圖5所示反滲透凈水機(jī)，分別使用三種模擬水進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2，添加了膠體模擬物后，會(huì)加劇凈水機(jī)的流量衰減速度，從而縮短凈水機(jī)壽命。

圖4 被測(cè)機(jī)原理圖

圖5 被測(cè)機(jī)

表2 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果匯總表

4 結(jié)論

本文通過Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3三種膠體實(shí)現(xiàn)對(duì)市政飲用水膠體模擬，通過掃描電鏡進(jìn)行微觀表征發(fā)現(xiàn)其形貌、粒徑大小與市政飲用水中膠體相似；通過SDI測(cè)試發(fā)現(xiàn)經(jīng)過適當(dāng)比例稀釋后，模擬水SDI值= 3.6 ，自來水SDI值= 3.85 ，效果相似度在90 %以上；最后通過在凈水機(jī)上同步進(jìn)行模擬水及水效國(guó)標(biāo)用水通水驗(yàn)證對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在總硬度、堿度、溶解性總固體、PH四個(gè)指標(biāo)相同的情況下，膠體含量與凈水機(jī)流量衰減速率存在正相關(guān)性，說明在凈水機(jī)產(chǎn)品開發(fā)階段進(jìn)行產(chǎn)品壽命測(cè)試時(shí)，測(cè)試用水中增加膠體的控制指標(biāo)能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品在用戶實(shí)際使用過程中的表現(xiàn)，提升產(chǎn)品的客戶滿意度。