家用反滲透凈水機(jī)惡劣水質(zhì)使用壽命提升研究及應(yīng)用

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(jì)數(shù)據(jù)[1]，2015～2019年，我國凈水機(jī)銷量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。2019年凈水機(jī)銷量達(dá)到1 827.8萬臺(tái)，同比增長了2.1 %，銷售額超300億元。隨著我國對(duì)于凈水機(jī)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(shí)，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(duì)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(diǎn)，提醒大家在勤洗手、戴口罩的同時(shí)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(jī)行業(yè)一個(gè)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

反滲透凈水機(jī)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(jī)物、膠體、病毒等均無法通過。反滲透凈水機(jī)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(jī)器出水的純廢比，因凈水機(jī)水效強(qiáng)制要求及市場對(duì)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(jī)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(shí)，存在因水質(zhì)硬度過大，濃水電磁閥在使用1～3個(gè)月即出現(xiàn)結(jié)垢堵塞，機(jī)器無法正常出水的問題，引起客戶強(qiáng)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(jī)的換芯周期及使用壽命，已成為凈水行業(yè)的痛點(diǎn)問題，嚴(yán)重影響凈水機(jī)口碑及品牌形象。為提高反滲透凈水機(jī)惡劣水質(zhì)使用壽命，本文通過對(duì)結(jié)晶堵塞機(jī)理的分析，提出并驗(yàn)證了化學(xué)法抗堵凈水系統(tǒng)與物理機(jī)械除垢方案。

1 廢水電磁閥堵塞機(jī)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(gè)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(jí)數(shù)成正比[2]。反滲透凈水機(jī)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(jiān)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(duì)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(shí)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(huì)導(dǎo)致濃水量減小，濃縮比瞬間增大，不能及時(shí)清除將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)閥孔結(jié)晶長垢堵死（圖1）。僅通過凈水機(jī)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(jī)濃水支路設(shè)置阻垢濾芯（即廢水閥保護(hù)器），阻垢劑遇水溶解出聚磷酸鹽，在晶胚時(shí)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(jī)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(jī)阻垢抗堵系統(tǒng)示意圖

2.1 廢水閥保護(hù)器的阻垢機(jī)理

通過晶格畸變的原理，在溶液中加入阻垢劑后，阻垢劑會(huì)吸附到碳酸鈣晶體的活性生長點(diǎn)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(hù)器中聚磷酸鹽反應(yīng)原理如下：

基于以上阻垢機(jī)理，在廢水電磁閥前增加廢水閥保護(hù)器,優(yōu)化前后系統(tǒng)對(duì)比如圖4。

圖4 廢水電磁閥保護(hù)器系統(tǒng)對(duì)比圖示

2.2 方案驗(yàn)證

廢水閥保護(hù)器方案應(yīng)用在某508系列凈水機(jī)中，模擬高硬度水質(zhì)地區(qū)水質(zhì)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)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(jì)）。對(duì)照組總凈水量與濃水出水流量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5。

圖5 508反滲透凈水機(jī)增加廢水閥保護(hù)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(hù)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(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用廢水閥保護(hù)器的凈水機(jī)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(hù)器裝在廢水電磁閥前端，無需對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)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(jià)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(jì)

凈水機(jī)正常制水時(shí)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(jī)的純廢比（圖6）。目前市場上主流機(jī)型包括了1:1，1:2，1:3低純廢比的機(jī)型和1.5:1，2:1，3:1高純廢比的機(jī)型，因高純廢比的機(jī)型濃水濃度更高，出現(xiàn)閥堵問題的概率相比低純廢比機(jī)型更高。

圖6 凈水機(jī)的純廢比

結(jié)合電磁閥的結(jié)構(gòu)，分析可設(shè)計(jì)一種機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)頂針周期性動(dòng)作，設(shè)計(jì)方案如圖7。

圖7 凈水機(jī)制水及沖洗、停機(jī)狀態(tài)閥針位置

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

2）當(dāng)凈水機(jī)進(jìn)入沖洗、停機(jī)狀態(tài)時(shí)，電磁閥廢水端壓力下降，彈簧推動(dòng)閥芯帶動(dòng)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(jī)械方式有效實(shí)現(xiàn)頂針的動(dòng)作，需結(jié)合凈水機(jī)廢水電磁閥處水壓對(duì)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(jì)算公式（圖8）對(duì)彈簧進(jìn)行選型。

圖8 壓縮彈簧選型自動(dòng)計(jì)算表

經(jīng)理論計(jì)算對(duì)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(duì)該頂針結(jié)構(gòu)電磁閥工作及停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行理論受力分析如下：

1）凈水機(jī)制水工作狀態(tài)

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

圖9 凈水機(jī)制水狀態(tài)理論受力分析

2）凈水機(jī)沖洗或停機(jī)狀態(tài)

凈水機(jī)沖洗或停機(jī)時(shí)，凈水機(jī)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(dòng)，同時(shí)鋼針穿過廢水孔頂開廢水孔上水垢（圖10）。理論計(jì)算彈簧可正常回彈，實(shí)測彈力27±2 N。

圖10 凈水機(jī)沖洗或停機(jī)狀態(tài)理論受力分析

3.2 整機(jī)驗(yàn)證

利用以上方案設(shè)計(jì)制造頂針式廢水電磁閥（圖11），安裝在某508系列凈水機(jī)上進(jìn)行惡劣水質(zhì)加速結(jié)垢情況下的防堵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖11 防堵頂針式廢水電磁閥實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)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(jī)流量衰減對(duì)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(shí)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(jī)產(chǎn)品，廢水電磁閥因濃水結(jié)晶長垢堵塞等問題會(huì)極大影響凈水機(jī)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(jì)損失且用戶體驗(yàn)變差。本研究提供了兩種切實(shí)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(jī)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(hù)器，阻垢劑遇水溶解出聚磷酸鹽，在晶胚時(shí)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(shí)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(gè)閥針，利用水壓和彈簧力的結(jié)合控制閥針動(dòng)作，彈簧推動(dòng)閥芯帶動(dòng)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(jī)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。