周勤岸 馬銀萍 李煥新

（箭牌家居集團(tuán)股份有限公司 佛山 528000）

引言

隨著人們生活水平的提高，越來(lái)越注重飲用水健康。目前市場(chǎng)上家用凈水機(jī)主要以超濾凈水機(jī)和反滲透凈水機(jī)為主，超濾凈水機(jī)能過(guò)濾顆粒物、余氯、微生物、部分有機(jī)物，無(wú)法去除離子。反滲透凈水機(jī)既能去除顆粒物、余氯、微生物、有機(jī)物，又能去除重金屬、鈣鎂等幾乎所有的離子，出來(lái)的水是基本只含水分子的純凈水，因此是目前最安全的水處理技術(shù)，市場(chǎng)占有額也最大。

雖然反滲透有其最安全的一面，但也有其缺點(diǎn)，那就是在產(chǎn)生純水的同時(shí)也需要排出一定量的廢水，造成一定的水資源浪費(fèi)。國(guó)家在2017年制定的GB 34914《反滲透凈水機(jī)水效限定值及水效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定凈水機(jī)一級(jí)水效需達(dá)到60 %，在2021年，又對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)再次進(jìn)行了修訂，將水效從2017版的35 % 提高到45 %，一級(jí)水效從60 %提高到65 %，進(jìn)一步提升了水效，降低廢水排放。新的標(biāo)準(zhǔn)已于2022年7月開始實(shí)施，這對(duì)凈水機(jī)中反滲透膜的使用壽命帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)[1]。

水效的提高意味著反滲透膜廢水排放量的減少。在一定的水質(zhì)條件下，廢水量的減少會(huì)加速反滲透膜表面的濃差極化現(xiàn)象，加快膜的污堵（最常見的是水垢的沉積），導(dǎo)致反滲透膜壽命的縮短，從而導(dǎo)致濾芯和配件的更換頻率高，進(jìn)而影響凈水器的使用壽命。

為了減少反滲透膜的污堵，達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)家要求的高水效等級(jí)，目前行業(yè)內(nèi)常用的應(yīng)對(duì)措施是在凈水機(jī)的反滲透膜前面添加食品級(jí)阻垢劑（一般添加在PP棉濾芯或前置炭濾芯里面），通過(guò)阻垢劑的螯合增溶、晶核畸變、分散吸附等作用[2]，減少鈣鎂離子和成垢陰離子的結(jié)合從而減少結(jié)垢，或是改變水垢的微觀形態(tài)，形成不易沉積在膜表面的微晶狀態(tài)。

本文通過(guò)將阻垢劑添加在凈水機(jī)的前置炭棒濾芯里面，研究不同阻垢劑的添加量對(duì)反滲透凈水機(jī)的產(chǎn)水流量、脫鹽率和回收率的影響，同時(shí)為阻垢劑的阻垢機(jī)理，測(cè)定阻垢實(shí)驗(yàn)前后硬度的變化，并對(duì)垢晶形態(tài)進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：二水合氯化鈣、七水硫酸鎂、碳酸氫鈉、氯化鈉、次氯酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸等。

實(shí)驗(yàn)儀器：恒溫恒壓水效測(cè)試設(shè)備，奧立龍VM-01多參數(shù)測(cè)定儀，哈希臺(tái)式濁度儀，電熱恒溫水浴鍋，電熱恒溫干燥箱，SDS12-SEM掃描電鏡能譜儀等。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用3級(jí)凈水過(guò)濾系統(tǒng)，按“5μmPP棉濾芯+前置炭棒濾芯+反滲透膜濾芯”的方式連接。其中前置炭棒濾芯產(chǎn)自HO公司，阻垢劑為來(lái)自SS公司的由PASP、磷酸鹽等復(fù)合而成的阻垢劑，阻垢劑與炭棒原料一起燒結(jié)成阻垢炭棒，種類包括添加0 g、6 g、8 g、10 g阻垢劑這4種。400 G反滲透膜濾芯，為韓國(guó)進(jìn)口膜片卷制而成。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 測(cè)試用水

參考GB 34914-2021《凈水機(jī)水效限定值及水效等級(jí)》附錄A的方法配制試驗(yàn)用水。使進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到表1所示的指標(biāo)。

表1 測(cè)試用水水質(zhì)指標(biāo)

1.3.2 測(cè)試系統(tǒng)

400 G反滲透膜測(cè)試系統(tǒng)：分別對(duì)比在前置炭棒添加0 g、6 g、8 g、10 g阻垢劑對(duì)產(chǎn)水流量、脫鹽率的影響，并計(jì)算系統(tǒng)回收率和記錄膜前壓力變化。

將以上測(cè)試系統(tǒng)連接恒溫恒壓水效測(cè)試設(shè)備，在1.3.1所要求的進(jìn)水水質(zhì)條件下，調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力為（0.24±0.02）MPa，系統(tǒng)的初始回收率設(shè)定在（65～70） %之間（一級(jí)水效，測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)無(wú)沖洗），初始膜前壓力設(shè)置在（0.68～0.73）MPa之間。系統(tǒng)開始通水運(yùn)行30 min后測(cè)初始點(diǎn)，之后每隔一段時(shí)間取點(diǎn)測(cè)試。重點(diǎn)考察反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水流量、脫鹽率和回收率的變化，從而探討阻垢劑及其不同添加量對(duì)家用凈水機(jī)中反滲透膜性能的影響。其中，PP棉濾芯約過(guò)水3 600 L更換一次，防止由于PP棉的堵塞影響反滲透膜系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.3.3 阻垢劑阻垢機(jī)理分析

由于阻垢劑為PASP、磷酸鹽等復(fù)合而成，猜測(cè)其阻垢機(jī)理主要為螯合增溶和晶核畸變作用。通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其阻垢機(jī)理，將0.5 g阻垢劑浸泡在1 L 氯化鈣和碳酸氫鈉配制的硬水中（硬度約250 mg/L，堿度約140 mg/L），浸泡30 min后將阻垢劑取出，取250 mL浸泡水樣，同時(shí)取250 ml加標(biāo)水樣，置于電熱恒溫水浴鍋中80 ℃恒溫16 h，放冷后過(guò)濾，測(cè)試濾液的硬度。過(guò)濾后的水垢連同濾紙一起置于電熱恒溫干燥箱內(nèi)干燥4 h，取濾紙上的水垢進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同阻垢劑添加量對(duì)反滲透膜系統(tǒng)的影響

由圖1可知，4個(gè)400 G反滲透系統(tǒng)初始產(chǎn)水流量均在1.2 L/min以上。隨著過(guò)水量的增加，沒有添加阻垢劑的系統(tǒng)，產(chǎn)水流量下降很快，過(guò)水0.7 T以后產(chǎn)水流量已經(jīng)低于1 L/min；添加6 g、8 g阻垢劑的系統(tǒng)產(chǎn)水流量一直處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)，過(guò)水20 T產(chǎn)水流量仍保持在1 L/min以上；添加10 g阻垢劑的系統(tǒng)產(chǎn)水流量呈緩慢下降趨勢(shì)，過(guò)水13 T后產(chǎn)水流量低于1 L/min。

圖1 不同阻垢劑添加量下產(chǎn)水流量變化情況

圖2為不同阻垢劑反滲透系統(tǒng)脫鹽率的變化情況。初始4個(gè)系統(tǒng)的脫鹽率均在89 %以上。隨著過(guò)水量的增加，未加阻垢劑的反滲透系統(tǒng)脫鹽率下降很快，過(guò)水1.7 T即降到85 %（GB 34914-2021要求的最低脫鹽率）；添加6 g、8 g阻垢劑的系統(tǒng)脫鹽率在20 T的過(guò)水量?jī)?nèi)仍維持在90 %以上，在過(guò)水16～18 T后才開始呈下降趨勢(shì)；添加10 g阻垢劑的系統(tǒng)過(guò)水9 T后脫鹽率開始下降，過(guò)水13 T脫鹽率下降至85 %。

圖2 不同阻垢劑添加量下脫鹽率變化情況

通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的回收率（圖3）和記錄膜前壓力可以看出，未添加阻垢劑的系統(tǒng)，隨著膜的逐漸污堵，產(chǎn)水量下降，回收率也下降，膜前壓力由0.68 MPa上升至0.75 MPa；添加6 g、8 g阻垢劑的系統(tǒng)，產(chǎn)水量下降很緩慢，回收率也呈緩慢下降趨勢(shì)，膜前壓力一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)；添加10 g阻垢劑的系統(tǒng)，膜前壓力較穩(wěn)定，產(chǎn)水量和回收率下降均比6 g、8 g的系統(tǒng)要快，但仍遠(yuǎn)優(yōu)于未添加阻垢劑的系統(tǒng)。

圖3 不同阻垢劑添加量下回收率變化情況

綜上，阻垢劑的添加對(duì)于維持反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水流量和脫鹽率有著重要的意義，添加了阻垢劑后，有效緩解了鈣鎂離子的無(wú)機(jī)鹽沉積，大大延長(zhǎng)了凈水機(jī)的使用壽命。然而，阻垢劑的添加并不是越多越好，阻垢劑添加量過(guò)多，阻垢劑緩釋出來(lái)的成分過(guò)剩，可殘留在膜表面影響膜材料的滲透性，久而久之反而會(huì)對(duì)膜造成污堵，影響反滲透膜的運(yùn)行[3]。

2.2 阻垢劑阻垢機(jī)理分析

2.2.1 阻垢劑的螯合增溶作用

0.5 g阻垢劑浸泡在1 L加標(biāo)水30 min的硬度變化如表2所示。

表2 試驗(yàn)前后硬度變化

由表2和圖4可知，加熱后樣品試液結(jié)垢比加標(biāo)要少一些，樣品試液加熱后硬度比加標(biāo)試液加熱后硬度要大，即加熱后樣品試液溶解的鈣離子含量比加標(biāo)試液多，可見阻垢劑加入后緩釋出磷酸鹽等成分，與鈣離子形成可溶性絡(luò)合物，從而阻止了鈣離子與成垢陰離子結(jié)合成垢，此為阻垢劑的螯合增溶作用。

圖4 加標(biāo)試液和樣品試液加熱后結(jié)垢情況

2.2.2 阻垢劑的晶核畸變作用

為了進(jìn)一步明確PASP磷酸鹽復(fù)合阻垢劑的阻垢機(jī)理，對(duì)未添加及添加阻垢劑后的垢晶微觀形態(tài)和成分進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，結(jié)果如圖5和表3所示。

圖5 添加阻垢劑前垢晶形態(tài)掃描電鏡圖

表3 添加阻垢劑前后垢晶能譜分析

由圖4和表3可知，添加阻垢劑前形成的水垢為比較規(guī)則的條形和方形，元素百分比接近CaCO3各元素的質(zhì)量比，即所形成的水垢為文石型和方解石型的碳酸鈣垢；添加阻垢劑后，水垢為不規(guī)則的花瓣形和條形，元素百分比相比CaCO3有較大變化，已不是單純的碳酸鈣垢，可見阻垢劑以離子的形式直接參與并干擾水垢晶核的形成過(guò)程，使其晶核發(fā)生畸變[4]，生成的垢易隨水流走，不易粘附在器壁表面。

綜上可以認(rèn)為，阻垢劑通過(guò)螯合增溶和晶核畸變的共同作用，對(duì)碳酸鈣垢的形成起到抑制作用，減少水垢的形成和沉積。

3 結(jié)論

1）針對(duì)GB 34914-2021《凈水機(jī)水效限定值和水效等級(jí)》的實(shí)施、給凈水機(jī)反滲透膜的使用壽命帶來(lái)很大挑戰(zhàn)的背景下，阻垢劑的添加對(duì)于維持反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水流量和脫鹽率有著重要的意義。在反滲透膜前添加了阻垢劑后，有效緩解了反滲透膜表面鈣鎂離子的無(wú)機(jī)鹽沉積，大大提高了凈水機(jī)的使用壽命。

2）阻垢劑的用量并不是越多越好。在特定通量的反滲透膜的阻垢劑的條件下，尋求最佳的阻垢劑用量可以使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，添加過(guò)多的阻垢劑反而會(huì)對(duì)膜造成污堵，影響反滲透膜的運(yùn)行。

3）通過(guò)對(duì)阻垢劑的阻垢機(jī)理進(jìn)行分析，該阻垢劑主要通過(guò)螯合增溶和晶核畸變的共同作用，減少了水垢的形成和在反滲透膜表面的沉積，延長(zhǎng)了反滲透膜的使用壽命。