賀 雷 周夢然 施清清

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

根據(jù)奧維云網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，2015～2019年，我國凈水機銷量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。2019年凈水機銷量達(dá)到1 827.8萬臺，同比增長了2.1 %，銷售額超300億元。隨著我國對于凈水機的認(rèn)可度逐漸提升，其銷量將繼續(xù)保持穩(wěn)步增長。

2020年突如其來的新冠肺炎疫情，在世界范圍內(nèi)都造成了重大的衛(wèi)生安全影響。疫情當(dāng)前人人都了解到病毒傳播途徑主要為直接傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播，其實，飲用水安全也極其重要。生態(tài)環(huán)境部在疫情初期就印發(fā)了《應(yīng)對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應(yīng)急監(jiān)測方案》，提出空氣、飲用水為肺炎疫情防控監(jiān)測重點，提醒大家在勤洗手、戴口罩的同時也要關(guān)注飲水安全。此次新冠肺炎疫情中武漢雷神山、火神山醫(yī)院都采用了專業(yè)的商用凈水設(shè)備，各大醫(yī)院也均緊急加裝凈水設(shè)備。疫情的健康教育給予凈水機行業(yè)一個新的機遇和挑戰(zhàn)。

反滲透凈水機的反滲透膜（RO膜）過濾精度在0.1 nm左右，是普通超濾膜過濾的1 000倍，在增壓泵的作用下，幾乎只有水分子可以通過，其他雜質(zhì)如重金屬離子、有機物、膠體、病毒等均無法通過。反滲透凈水機通過控制濃水端（廢水端）電磁閥的出水孔孔徑及開合頻率來控制機器出水的純廢比，因凈水機水效強制要求及市場對高純廢比的追求，濃水電磁閥孔徑設(shè)置往往很小，一般在0.35～0.7 mm。高純廢比的凈水機使用在四川、河南、山東等水質(zhì)惡劣地區(qū)，尤其是使用地下水時，存在因水質(zhì)硬度過大，濃水電磁閥在使用1～3個月即出現(xiàn)結(jié)垢堵塞，機器無法正常出水的問題，引起客戶強烈不滿。

濃水電磁閥堵塞引起的濾芯臟堵不出水問題極大影響凈水機的換芯周期及使用壽命，已成為凈水行業(yè)的痛點問題，嚴(yán)重影響凈水機口碑及品牌形象。為提高反滲透凈水機惡劣水質(zhì)使用壽命，本文通過對結(jié)晶堵塞機理的分析，提出并驗證了化學(xué)法抗堵凈水系統(tǒng)與物理機械除垢方案。

1 廢水電磁閥堵塞機理分析

根據(jù)晶體生長理論，結(jié)晶過程分為晶核形成與晶體成長兩個部分。晶核形成過程的速度較慢，而晶體成長過程的速度較快，晶體成長的速度與溶液過飽和度的冪級數(shù)成正比[2]。反滲透凈水機中廢水閥表面濃水的結(jié)垢沉積過程與晶體生長理論基本吻合。

以水垢的主要成分碳酸鈣為例，初期形成一種規(guī)則的正交晶體懸浮在溶液中、粘附性能很弱，這種垢可以通過沖洗的方式清除，定義為“良性垢”；后期隨著晶體的成長逐漸變成一種比較雜亂含有雜質(zhì)的方解石晶體，它如巖石般堅硬，無法通過沖洗的方式清除，定義為“惡性垢”。濃水的結(jié)垢傾向由原水水質(zhì)參數(shù)（包括但不限于水溫、 TDS、硬度、堿度、pH 值等）和濃縮倍數(shù)（即回收率）決定，原水水質(zhì)參數(shù)越大、濃縮倍數(shù)越高，對應(yīng)的濃水結(jié)垢傾向越高，通過沖洗清除“良性垢”的難度越大，“惡性垢” 越容易迅速生成。同時RO膜原水側(cè)沖刷過來的膜面污染物包括垢粉、膠體聚集物、碳粉等異物，若嵌入閥孔會導(dǎo)致濃水量減小，濃縮比瞬間增大，不能及時清除將會進(jìn)一步促進(jìn)閥孔結(jié)晶長垢堵死（圖1）。僅通過凈水機沖洗的方式無法完全有效阻止?jié)馑姶砰y處結(jié)晶長垢。

圖1 濃水電磁閥內(nèi)部結(jié)晶長垢堵塞廢水孔

2 前端阻垢的抗堵方案

基于濃水溶液中晶核形成及異物堵塞閥孔結(jié)晶后晶體生長結(jié)垢導(dǎo)致堵塞的兩種情況，分析可通過阻礙晶核形成的方案改善閥堵問題。在凈水機濃水支路設(shè)置阻垢濾芯（即廢水閥保護器），阻垢劑遇水溶解出聚磷酸鹽，在晶胚時期，聚磷酸鹽與鈣離子絡(luò)合，干擾晶胚形成，引起晶核畸變[3]，使其夭折于發(fā)育期，達(dá)到阻垢效果，從而解決高硬度水質(zhì)地區(qū)廢水閥易堵問題，延長整機廢水電磁閥及濾芯壽命。阻垢濾芯設(shè)置在濃水支路，保證了純水支路的出水水質(zhì)安全（圖2）。

圖2 凈水機阻垢抗堵系統(tǒng)示意圖

2.1 廢水閥保護器的阻垢機理

通過晶格畸變的原理，在溶液中加入阻垢劑后，阻垢劑會吸附到碳酸鈣晶體的活性生長點上，而后與Ca2+螯合，阻礙晶核的生長（圖3），使晶核歪曲形成不規(guī)格的晶體，晶核很難長大，達(dá)到阻垢效果[4,5]。

圖3 晶格畸變圖示

廢水閥保護器中聚磷酸鹽反應(yīng)原理如下：

基于以上阻垢機理，在廢水電磁閥前增加廢水閥保護器,優(yōu)化前后系統(tǒng)對比如圖4。

圖4 廢水電磁閥保護器系統(tǒng)對比圖示

2.2 方案驗證

廢水閥保護器方案應(yīng)用在某508系列凈水機中，模擬高硬度水質(zhì)地區(qū)水質(zhì)進(jìn)行測試。實驗條件：高硬度水質(zhì)參數(shù)TDS：300～320 ppm，pH: 7.54～7.64，總堿度：300～400 mg/L，總硬度：330～360 mg/L（以CaCO3計）。對照組總凈水量與濃水出水流量對應(yīng)關(guān)系如圖5。

圖5 508反滲透凈水機增加廢水閥保護器前后濃水流量與總凈水量關(guān)系圖

系統(tǒng)有廢水閥保護器：總凈水量＞10 800 L，濃水流量保持在270 ～290 mL/min，廢水電磁閥未堵。

系統(tǒng)無廢水閥保護器：總凈水量＞900 L，濃水流量由260 mL/min衰減至85 mL/min，廢水電磁閥逐漸堵塞。

根據(jù)實驗結(jié)果，使用廢水閥保護器的凈水機系統(tǒng),在惡劣水質(zhì)情況下，廢水電磁閥的使用壽命延長10倍以上。此種前端阻垢的抗堵凈水系統(tǒng)，直接將含有阻垢濾料成分的廢水閥保護器裝在廢水電磁閥前端，無需對整機結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動和調(diào)整，通過濾料的消耗大幅改善廢水電磁閥的使用壽命，進(jìn)而延長RO膜濾芯的使用壽命。該方案可有效解決高硬度水質(zhì)地區(qū)廢水閥堵塞問題，減少價格昂貴的RO膜濾芯換芯頻率。阻垢濾料屬于消耗品，使用過程中需進(jìn)行定期的更換。

3 新型頂針式防堵廢水電磁閥

3.1 頂針式廢水電磁閥方案設(shè)計

凈水機正常制水時通過廢水電磁閥閥體小孔排放廢水，廢水孔的大小影響排水流量，進(jìn)而決定了凈水機的純廢比（圖6）。目前市場上主流機型包括了1:1，1:2，1:3低純廢比的機型和1.5:1，2:1，3:1高純廢比的機型，因高純廢比的機型濃水濃度更高，出現(xiàn)閥堵問題的概率相比低純廢比機型更高。

圖6 凈水機的純廢比

結(jié)合電磁閥的結(jié)構(gòu)，分析可設(shè)計一種機械結(jié)構(gòu)對電磁閥廢水孔定期進(jìn)行外力疏通，確保閥孔不堵塞。利用系統(tǒng)內(nèi)水壓和彈簧力的結(jié)合控制一個頂針周期性動作，設(shè)計方案如圖7。

圖7 凈水機制水及沖洗、停機狀態(tài)閥針位置

1）在凈水機正常制水時通過RO膜濾芯廢水端的壓力推動閥芯移動，閥針離開廢水孔，凈水機正常制水。

2）當(dāng)凈水機進(jìn)入沖洗、停機狀態(tài)時，電磁閥廢水端壓力下降，彈簧推動閥芯帶動閥針穿過廢水孔，進(jìn)而清潔廢水孔上的結(jié)晶物。

為通過機械方式有效實現(xiàn)頂針的動作，需結(jié)合凈水機廢水電磁閥處水壓對閥芯和彈簧進(jìn)行合理選型，且需盡量適配市面現(xiàn)有電磁閥結(jié)構(gòu)。通過壓縮彈簧計算公式（圖8）對彈簧進(jìn)行選型。

圖8 壓縮彈簧選型自動計算表

經(jīng)理論計算對彈簧和閥芯截面選型為：材料SU304，自由高度26.5 mm，外徑φ9 mm，線徑1 mm，有效圈數(shù)7。對該頂針結(jié)構(gòu)電磁閥工作及停機狀態(tài)進(jìn)行理論受力分析如下：

1）凈水機制水工作狀態(tài)

凈水機制水時，閥針組件受到凈水機制水工作壓力克服彈簧力與密封圈摩擦力向右移動，鋼針離開廢水孔，廢水從廢水孔排出（圖9）。理論計算選型閥芯和彈簧可滿足制水時彈簧壓縮、頂針后退的情況，實測水壓在60～65 N間，彈力為36±2 N，實際驗證可滿足使用要求。

圖9 凈水機制水狀態(tài)理論受力分析

2）凈水機沖洗或停機狀態(tài)

凈水機沖洗或停機時，凈水機工作壓力F卸除，閥針組件受到彈簧力克服密封圈摩擦力向左移動，同時鋼針穿過廢水孔頂開廢水孔上水垢（圖10）。理論計算彈簧可正常回彈，實測彈力27±2 N。

圖10 凈水機沖洗或停機狀態(tài)理論受力分析

3.2 整機驗證

利用以上方案設(shè)計制造頂針式廢水電磁閥（圖11），安裝在某508系列凈水機上進(jìn)行惡劣水質(zhì)加速結(jié)垢情況下的防堵實驗驗證。

圖11 防堵頂針式廢水電磁閥實物圖

實驗條件：原水壓力0.3 MPa，原水TDS為1 340（極惡劣水質(zhì)），水溫：25 ℃。測試情況如圖12。

圖12 凈水機流量衰減對比圖

防堵電磁閥在純水流量達(dá)到1 500 L后更換RO膜濾芯仍可正常使用，普通電磁閥在純水流量為118 L時已堵塞無法正常出水，防堵改善效果顯著。

4 結(jié)論

使用在地下水等水質(zhì)較硬地區(qū)的家用凈水機產(chǎn)品，廢水電磁閥因濃水結(jié)晶長垢堵塞等問題會極大影響凈水機的使用壽命，增大電磁閥及反滲透濾芯的更換頻率，給廠家、用戶帶來相應(yīng)的經(jīng)濟損失且用戶體驗變差。本研究提供了兩種切實有效的產(chǎn)品優(yōu)化方案，解決結(jié)垢堵塞廢水電磁閥孔問題，大幅改善凈水機在惡劣水質(zhì)地區(qū)的使用壽命。

1）通過在濃水支路設(shè)置含有阻垢濾料的廢水閥保護器，阻垢劑遇水溶解出聚磷酸鹽，在晶胚時期，聚磷酸鹽與鈣離子絡(luò)合，干擾晶胚形成，迫使水垢結(jié)晶夭折于發(fā)育期，達(dá)到阻垢效果。阻垢濾芯設(shè)置在濃水支路，同時保證了純水支路的出水水質(zhì)安全。

2）開發(fā)新型頂針式廢水電磁閥，在傳統(tǒng)廢水電磁閥的閥芯上增加一個閥針，利用水壓和彈簧力的結(jié)合控制閥針動作，彈簧推動閥芯帶動閥針穿過廢水孔，進(jìn)而清潔廢水孔上的結(jié)晶物，防止廢水閥孔堵塞，徹底解決廢水閥堵塞問題，有效延長廢水電磁閥和RO膜濾芯的使用壽命。

以上技術(shù)方案，可在家用反滲透凈水機及相似使用環(huán)境的產(chǎn)品上借鑒應(yīng)用，提高產(chǎn)品的使用壽命。