长效抗污堵家用净水系统优化研究

长效抗污堵家用净水系统优化研究

陈静,李一然

珠海格力电器股份有限公司     广东珠海 519070

摘要:针对净水机滤芯在恶劣水质条件下污堵快、寿命短的问题，对净水系统和净水机滤芯进行优化设计。提出使用可拆洗PVDF超滤膜滤芯替代传统PP棉滤芯以延长预处理滤芯寿命；提出高效布水多流道结构，提升反渗透膜滤芯寿命。进而实现净水机总净水量的提升。

关键词:净水机滤芯寿命总净水量

Research onlong-termAnti fouling Household Water Purification System

CHEN Jing  LI Yi Ran

Gree Electric Appliances,Inc. of Zhuhai, ZhuhaiChina519070 

Abstract: According to the problem that the element of water purifier is polluted and blocked quickly under the conditionof bad water quality, This paper Optimized the design of water purification system and the filter element. A removable and washable PVDF ultrafiltration membrane filter element is proposed instead of the traditional PP cotton filter element in order to improve the life of pretreated filter element. The high efficiency water distribution multi-channel structure is proposed to improve the life of the reverse osmosis membrane filter element. Then the total purified water volume of the water purifier can be improved.

Keywords: water purifier filter lifetotal purified water volume

1 前言

近年来水污染问题在不同程度上影响国民的饮用水安全，净水机作为一种新型健康安全的家用电器得到越来越多家庭的关注。但因我国各地水质差异大，部分自来水泥沙、铁锈、悬浮物、钙、镁离子等污染物含量较高的水质地区，净水产品存在预处理滤芯易污堵、反渗透膜滤芯易污堵，整机总净水量低的技术难题，严重影响净水机的实际净水能力和用户体验。

2 净水系统工作原理

典型的净水机净化系统[1]如图1所示，自来水依次经过PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、反渗透膜滤芯和后置复合滤芯后被净化为可直饮的纯水，各级滤芯在水质净化过程中的功能和净化机理不同，其中PP棉滤芯用于对自来水进行粗滤，过滤精度一般为5um，可截留去除水中的泥沙、铁锈、悬浮物等肉眼可见杂质；前置活性炭滤芯主要通过吸附机理去除水中的余氯、异色、异味、小分子有机物等杂质；在净水系统中PP棉滤芯和活性炭滤芯属于预处理滤芯，主要用于保证反渗透膜滤芯的进水水质，延长反渗透膜滤芯的使用寿命。反渗透膜滤芯通过反渗透机理去除水中离子（包含重金属离子）、农药、细菌、病毒等；后置复合滤芯一般由活性炭+超滤膜组成，活性炭主要用于吸附去除异味改善口感，超滤膜主要通过微孔截留可能滋生的细菌。

图1 典型净水机净化系统示意图

3自来水中的典型污染物分析

自来水中的杂质主要分为颗粒物、胶体、溶解盐类、微生物等，具体如下：（1）颗粒物，主要为淤泥、泥沙、铁锈、悬浮物等，5um左右的颗粒物，如泥沙、铁锈容易堵塞PP棉滤芯等微滤滤芯；（2）胶体，包括铁胶体、铝胶体等，容易透过PP棉等微滤滤芯堵塞前置活性炭和反渗透膜滤芯；（3）溶解盐类，各种离子类物质，包括钙镁离子，容易导致反渗透膜滤芯结垢堵塞；（4）细菌、病毒等微生物，易形成生物膜堵塞超滤滤芯、反渗透膜滤芯。

4 滤芯污堵机理分析

根据水质调研分析，净水机在水质恶劣地区容易出现滤芯污堵快的问题，具体表现为：在水质泥砂含量高地区，PP棉滤芯易堵；在水质胶体含量高地区，由于PP棉滤芯无法过滤去除胶体污染物，反渗透膜滤芯易出现流量衰减过快的问题，在水质硬度、碱度、PH高地区，反渗透膜滤芯易结垢污堵。

4.1 PP棉滤芯污堵机理分析

文献调研发现，泥沙、铁锈、悬浮物等颗粒污染物主要通过微孔堵塞-污染物沉积-形成滤饼层的污染过程对微滤滤芯产生不可逆污堵[2-3]。通过对污堵PP棉滤芯进行解剖分析发现，污堵PP棉滤芯的物质主要分为5μm左右的颗粒物杂质和大于5μm的颗粒物杂质。粒径在5μm左右的泥沙、铁锈和悬浮物等颗粒物杂质可通过PP棉滤芯表面的微孔进入到PP棉滤芯的内部，从而导致PP棉滤芯堵塞；粒径＞5μm的泥沙、铁锈和悬浮物等颗粒物杂质，由于其粒径比PP棉滤芯的表面微孔大，会堆积在PP棉滤芯表面，从而导致PP棉滤芯堵塞，如图2所示。而粒径＜5um的泥沙、铁锈和悬浮物等颗粒物杂质，会透过PP棉滤芯表面的微孔，以架桥的方式堵塞在PP棉滤芯内部的孔道或透过PP棉滤芯进入下一级滤芯。

图2 污堵PP棉滤芯照片

4.2 反渗透膜滤芯污堵机理分析

反渗透净水机主要通过反渗透膜对原水进行过滤，其过滤原理如图3所示，原水在压力的作用下，部分渗透通过反渗透膜片形成净水，部分浓缩流经膜面后作为浓水排出，由于钙镁等污染物大部分被膜截留，积累在膜表面，造成膜表面的污染物浓度Cm高于主体溶液浓度Cb，促使膜表面的污染向主体溶液扩散，这种现象为浓差极化现象[4-5]。由于浓差极化的存在，膜表面的渗透压会升高导致净水通量下降，同时，污染物在膜表面浓缩超过其溶解度会析出形成沉淀并堵塞膜孔，进一步加剧净水通量的下降。

图3 反渗透膜表面浓差极化示意图

根据反渗透膜的过滤原理可知，浓差极化是反渗透膜污染的主要原因。如图3所示为浓差极化的物理模型，以浓度边界层作为考察对象，根据稳态时的物料衡算可得：

（1）

式中，JW为膜的水通量；D为溶质扩散系数。 将式（1）在如下边界条件下进行积分，

得到，

（2）

定义传质系数 ，则式（2）可变形为

（3）

因Cm>>Cb>>Cp，则式（3）可简化为

（4）

被定义为浓差极化度β，表示膜表面盐浓度（Cm）与主体溶液盐浓度（Cb）的比值，浓差极化度β越大表明滤芯污堵趋势越明显。由此可见减薄浓差极化边界层厚度δ可以增大传质系数ϰ ，进而降低浓差极化度β。

5 优化方案设计及验证

5.1延长预处理滤芯寿命设计

基于水质分析及PP棉滤芯污堵机理分析，本文提出可拆洗PVDF超滤膜预处理优化方案。如图4、图5所示，相比PP棉等表层海绵体结构，PVDF超滤膜的表皮层为致密针孔结构，孔径尺寸约为20-100nm，使用时大部分颗粒污染物会被截留在表皮层外，难以进入孔道内部，当滤芯产水量下降时，可通过清洗恢复滤芯的净水流量。

图4 PP棉表皮层海绵体结构图5PVDF超滤膜表明致密针孔结构

图6、图7为实验对比验证结果，可以看出在同等水质条件下，PP棉滤芯发生了明显的污堵，而超滤膜滤芯的流量在衰减后可以通过清洗恢复，实测净水流量恢复率在85%以上。由此可见可再生清洗的超滤膜滤芯能显著提高净水机的水质适应性，明显提升预处理滤芯的使用寿命。

图6传统PP棉滤芯寿命曲线图7可拆洗PVDF超滤膜滤芯寿命曲线

针对传统一体式滤芯无法拆装、超滤膜丝污堵后无法进行清洗必须整支抛弃的问题，项目团队采用TRIZ分割原理提出了可拆分清洗再生的超滤膜滤芯结构。实现了在外压式中空纤维超滤膜丝污堵后，通过拆卸滤瓶体、内芯壳即可实现超滤膜丝清洗恢复净水流量的目的。滤瓶与内芯的可拆设计实现了滤瓶的重复使用，更加环保节约资源。

图8 超滤膜滤芯的可清洗结构设计示意图

5.2延长反渗透膜滤芯寿命设计

反渗透膜滤芯是净水机的核心部件，项目组根据对反渗透膜污染机理的分析结果结合水质分析的结果，对反渗透膜滤芯的卷膜结构进行优化设计，采用多膜页设计减少压力损失，优化浓网结构尺寸提高膜面流速，优化卷制工艺提高膜片利用率，将改进前后的RO膜滤芯在相同的水质条件下（SDI5=18.7，SDI10和SDI15测不出，TDS值=552ppm；硬度值=244ppm；碱度值=207ppm；pH值=7.49）进行验证测试，测试结果如图9所示，可以看出，优化方案相比原方案寿命得到大幅提升。

图9 优化前后反渗透膜滤芯寿命曲线

6 结论

（1）使用可拆洗PVDF超滤膜滤芯替代传统PP棉滤芯作为净水系统的预处理滤芯，大大延长了预处理滤芯的使用寿命；由于PVDF超滤膜滤芯的过滤精度高，不仅能去除泥沙、铁锈、悬浮物等污染物，还可以去除胶体、微生物等污染物，改善了后续滤芯的进水水质，可有效延长反渗透膜滤芯的使用寿命。

（2）采用多膜页设计减少压力损失，优化浓网结构尺寸提高膜面流速，优化卷制工艺提高膜片利用率，优化方案显著提升反渗透膜滤芯使用寿命。

（3）经第三方机构测试[6]，本项目开发的省芯系列净水机额定总纯水量达到10800L，如按普通4口之家每天使用10L纯水计，本项目开发的省芯系列净水机整机所有滤芯寿命长达3年。

参考文献

[1]姜亚, 节水型家用净水系统的设计与研究[D].江苏:南京理工大学, 2019.

[2]李振宇,等.死端型微滤膜的污染机理分析(英文)[J]. 安徽工程科技学院学报, 2006, 21(3):1-6

[3]李鲜日, 周颖,王学军等.微滤膜部分堵塞过滤模型的建立和机理探讨[J] 华东理工大学学报(自然科学版) 2007(4):466-469

[4]王湛,王志,高学理,等.膜分离技术基础[M]. 北京:化学工业出版社,2020.

[5]席照磊,反渗透膜污染分析及高效清洗剂的研究[D]北京:北京理工大学, 2020.

[6]格力牌WTE-PC16-5080型反渗透净水机检验报告，报告编号：13000WT2017000788

[作者简介] 陈静（1985— ），女，硕士，研究方向为家用净水器及净水系统优化研究，E-mail：chenjinggree@126.com