反滲透凈水機(jī)預(yù)處理濾芯性能評(píng)估與壽命提升研究

寧貴勇 李友鈴 張 量

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

長壽命是凈水機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)，其聚焦點(diǎn)為通過技術(shù)升級(jí)提升反滲透濾芯壽命、延長濾芯更換周期，如使用多膜頁、側(cè)流、阻垢等技術(shù)的反滲透濾芯更換周期在3～10年不等。與反滲透濾芯長更換周期不同，凈水機(jī)用的第一級(jí)預(yù)處理濾芯更換周期一般為3～12個(gè)月，在反滲透濾芯壽命內(nèi)需多次更換，增加用戶使用成本，盡管如此，現(xiàn)階段對(duì)第一級(jí)預(yù)處理濾芯壽命方面的研究仍然相對(duì)缺乏。

第一級(jí)預(yù)處理濾芯主要作用是除水體中泥沙、鐵銹、懸浮物等大顆粒物質(zhì)，是反滲透濾芯進(jìn)水的第一道屏障，其過濾精度范圍一般在（1～15）μm，與微濾膜的孔徑（0.1～10） um接近或?qū)儆谖V范疇[1]，微濾的過濾原理包括孔徑篩分、濾餅層過濾以及深層過濾等[2]，其性能衰減的表現(xiàn)為出水流量下降，但對(duì)污染物的去除性能基本不變[3]。對(duì)于第一級(jí)預(yù)處理濾芯，判定濾芯失效的主要依據(jù)為出水流量低于反滲透濾芯對(duì)進(jìn)水流量的需求，因此，其壽命提升需求為增加納污能力、提升總產(chǎn)水量。

本文選取折紙PP、PAC（無紡布和碳纖維構(gòu)成的復(fù)合濾芯）和聚丙烯噴熔PP三種凈水機(jī)常用的第一級(jí)預(yù)處理濾芯作為研究對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和性能測試，分析性能差異的原因，找出性能提升方向并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為第一級(jí)預(yù)處理濾芯壽命提升提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

PTI粉塵（A2，阿拉丁），用于過濾精度測試；聚丙烯噴熔PP濾芯，PAC濾芯，折紙PP濾芯，表1為三種濾芯的基本參數(shù)。

表1 三種濾芯基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡SEM（美國FEI公司，QUANTA FEG 250）、油液顆粒度分析儀（陜西普洛帝測控技術(shù)有限公司，PLD0201）、濁度測試儀（哈希，TL2310）、數(shù)顯壓力控制器（上海銘控，MDS900）、隔膜增壓泵（杭州力夫電機(jī)制造有限公司，LFP1300）、水表、秒表、燒杯、電子秤、球閥等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

過濾精度測試使用A2粉塵配置10 000～15 000顆/ml加標(biāo)液（10 L水加0.01 g粉塵），利用油液顆粒度分析儀計(jì)量；待測濾芯先使用2 L/min左右流量純水沖洗10 min，后按圖1（a）連接測試裝置，調(diào)節(jié)球閥使濾芯前壓力0.3 MPa、流量2 L/min左右，通水2 min后取樣測試，記錄其顆粒物濃度。對(duì)顆粒a（微米，μm）的去除率≥85 %，而對(duì)小于a的顆粒攔截率＜85 %，即認(rèn)為其過濾精度為a。

圖1 測試裝置示意圖

濾芯性能測試按圖1（b）連接好測試裝置，流量測試使用燒杯收集1 min濾芯出水后使用電子秤稱量，同時(shí)記錄壓力表、水表數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 濾材結(jié)構(gòu)表征

三種濾芯外觀如圖2。外觀上，噴熔PP均勻致密；PAC的PP層為紙狀致密的單層PP卷繞形成，碳纖維層相對(duì)疏松；折紙PP整體呈褶皺狀，由外至內(nèi)包含4層，第一、四層相同，結(jié)構(gòu)疏松，第二、第三層為致密層。

圖2 三種濾芯外觀

選取噴熔PP外層、PAC濾芯的PP和碳纖維部分，以及折紙PP的第一、二、三層進(jìn)行SEM表征（見圖3）。圖3顯示，三種濾芯均為聚丙烯纖維錯(cuò)落堆疊，差別為單根纖維堆疊形成的錯(cuò)落網(wǎng)格大小，圖3（a）顯示噴熔PP單絲堆疊形成的網(wǎng)格尺寸大、相對(duì)疏松；圖3（b）、3（c）對(duì)比可知，PAC的PP層致密度大于碳纖維層，表明PAC濾芯的PP層承擔(dān)第一級(jí)預(yù)處理作用，而與噴熔PP相比，其單絲堆疊形成的網(wǎng)格小、致密度高；圖3（d）～（f）顯示，折紙PP的第一層網(wǎng)孔最大、第二層其次、第三層最小，該結(jié)果表明折紙PP的外三層濾材具有致密度逐漸增加的特征，即梯度漸進(jìn)式排布。比較三種濾材的致密度，折紙PP＞PAC＞噴熔PP。

圖3 濾材SEM表征

2.2 過濾精度分析

三種濾芯過濾精度結(jié)果見圖4。按85 %去除率界限，折紙PP、PAC和噴熔PP的過濾精度分別為2 μm、9 μm 和13 μm，折紙PP過濾精度最高，該結(jié)果與2.1中三種濾材SEM表征獲得的致密度結(jié)果對(duì)應(yīng)。過濾精度可用于粗略表征濾芯過濾孔徑值的大小，因此數(shù)值越低、孔徑越小，過濾效果越好，同時(shí)也意味著水力阻力大，結(jié)合表1濾芯尺寸參數(shù)，相近尺寸下折紙PP的有效過水面積遠(yuǎn)大于其它兩種濾芯，推測原因?yàn)樵O(shè)計(jì)上通過增加過水面積來降低過濾精度高帶來的單位面積水力阻力大、產(chǎn)水量低問題，從而保證濾芯組件整體產(chǎn)水量。

圖4 過濾精度結(jié)果

2.3 濁度去除率

三種濾芯初始產(chǎn)水濁度見圖5。原水濁度為4.83 NTU，折紙PP、PAC濾芯和噴熔PP三種濾芯的產(chǎn)水濁度分別為0.587 NTU、0.98 NTU和1.15 NTU，換算為去除率分別為87.5 %、79.71 %和76.19 %。水體中濁度的主要包括粘土、淤泥、膠體顆粒、懸浮物等[5]，其去除率可用于說明濾芯產(chǎn)水水質(zhì)情況，由結(jié)果可知三種濾芯的產(chǎn)水水質(zhì)折紙PP優(yōu)于PAC，噴熔PP最次。參照三種濾材的過濾精度數(shù)值，折紙PP和PAC濾芯屬于微濾級(jí)別，噴熔PP接近微濾級(jí)別，因此三種濾芯新濾芯狀態(tài)時(shí)對(duì)濁度的去除機(jī)理主要為孔徑篩分[2]，結(jié)合2.1的SEM表征、2.2的過濾精度結(jié)果，以及濁度去除率結(jié)果，三項(xiàng)測試相互驗(yàn)證。

圖5 初始產(chǎn)水濁度

2.4 濾芯長期性能

三種濾芯在自來水下濾芯出水壓力及流量變化見圖6，測試同時(shí)進(jìn)行、實(shí)驗(yàn)裝置按圖1（b）搭建。圖6（a）顯示，折紙PP、PAC和噴熔PP濾芯在長期測試時(shí)濾芯前壓力波動(dòng)變化但整體為增加趨勢(shì)，初始?jí)毫Ψ謩e由8 psi、7.5 psi和9 psi增加至測試終點(diǎn)時(shí)的15 psi、12.5 psi和12 psi，濾芯前壓力增加的原因主要為濾芯污染后水力阻力增加、濾芯前后壓差變大[2]，壓力波動(dòng)的原因?yàn)闇y試過程連續(xù)不間斷，而自來水壓會(huì)在不同時(shí)段受末端用水量變化而變化。圖6（b）顯示，三種濾芯在測試過程中流量波動(dòng)變化、整體呈下降趨勢(shì)，流量波動(dòng)的原因?yàn)闇y試過程壓力波動(dòng)，而流量下降則說明濾芯污染，過水孔堵塞、有效過水面積降低。三種濾芯初始流量接近（2.45 L/min、2.3 L/min和2.58 L/min），以1.0 L/min出水流量為濾芯壽命判定終點(diǎn)，噴熔PP產(chǎn)水量3 800 L時(shí)出水流量降至0.93 L/min，達(dá)壽命終點(diǎn)；PAC濾芯產(chǎn)水量在11 789 L時(shí)出水流量降至0.91 L/min，達(dá)壽命終點(diǎn)；折紙PP濾芯產(chǎn)水量在13 789 L時(shí)其出水流量仍為1.48 L/min，距壽命終點(diǎn)有0.5 L/min左右的流量余量。由此可知，相同測試條件下折紙PP性能最佳。

圖6 濾芯產(chǎn)水監(jiān)測

圖7為測試完的折紙PP濾芯過濾層拆解。從圖可知，折紙PP各層濾材受污染程度差異表明其過濾精度梯度具有漸進(jìn)式組成特征，第一層濾材由于孔徑大，對(duì)污染物攔截效果差，因此雖然其為第一層但是顏色淺于第二、三層；第二層孔徑小于第一層，對(duì)污染物攔截效果好因此顏色深；而第三層孔徑比第二層小，但是由于第二層攔截了大部分污染物，因此第三層僅需去除第二層未能攔截的部分，所以其顏色淺于第二層，也即納污負(fù)荷降低；第四層主要為支撐層，因?yàn)榈诙?、三層已去除大部分污染物，所以基本呈現(xiàn)本色。

圖7 折紙PP濾芯拆解

結(jié)合以上結(jié)果及分析，推測折紙PP濾芯優(yōu)于其它兩種濾芯的原因包括折疊形式使有效濾材過水面積增加、濾材梯度漸進(jìn)式組成對(duì)污染物選擇性好同時(shí)有效降低高精度層納污負(fù)荷，提升納污能力。

2.5 梯度漸進(jìn)式效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證濾材梯度漸進(jìn)式組成對(duì)濾芯壽命的影響，設(shè)計(jì)單精度過濾層濾芯進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，具體為將折紙PP濾芯的第一、二層去掉，保留第三、四層，測試結(jié)果見圖8。單精度層折紙PP過水7 900 L時(shí)流量由初始的3.85 L/min降至0.98 L/min，到達(dá)壽命終點(diǎn)值；而對(duì)照組包含梯度漸進(jìn)式過濾層的折紙PP同樣過水7 900 L時(shí)流量為3.72 L/min，過水23 070 L時(shí)流量仍有1.46 L/min。以產(chǎn)水量為考評(píng)指標(biāo)，雖同為折紙PP、濾材有效過水面積大，但具有梯度漸進(jìn)式特征的濾芯產(chǎn)水量約為單精度層的192 %以上。該結(jié)果表明，濾材梯度漸進(jìn)式特征為折紙PP濾芯壽命優(yōu)異的主要因素，推測原因?yàn)椴煌讖轿廴疚锝?jīng)不同過濾精度濾材逐層過濾，每層濾材對(duì)污染物均具有選擇性，上一層未能去除的污染物進(jìn)入下一層，從而降低了下一層高精度層的納污負(fù)荷，可有效避免不同孔徑污染物聚集在相同過濾孔上，出現(xiàn)大、小污染物通過架橋作用形成濾餅層污染、阻塞過濾孔。

圖8 梯度漸進(jìn)式過濾影響

3 結(jié)論

1）折紙PP、PAC和噴熔PP三種濾芯整體過濾精度分別為2 μm、9 μm和13 μm，濁度去除率分別為87.5 %、79.71 %和76.19 %，相同水質(zhì)下濾芯壽命分別為大于13 789 L、11789 L和3 800 L，折紙PP＞PAC＞噴熔PP；

2）與單精度過濾層折紙PP濾芯相比，具有梯度漸進(jìn)式特征的折紙PP濾芯壽命高192 %以上，表明同為折紙濾芯，梯度漸進(jìn)式特征是其性能優(yōu)異的主因；

3）綜合本文結(jié)果，為了有效延長第一級(jí)預(yù)處理濾芯壽命，在結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)上可采取通過褶皺、折疊等形式增加濾材與水接觸的面積，提升濾材利用率；在濾材構(gòu)造上，應(yīng)避免單精度過濾，可采取濾材致密度梯度漸進(jìn)式設(shè)計(jì)，以降低高精度層納污負(fù)荷，增加濾材整體納污能力、延長濾芯壽命。