水中无机胶体对反渗透净水机寿命影响的研究

杨亚鹏 陈 群 陈晓玲

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室 珠海 519070）

引言

主流的家用反渗透净水机通常采用PP棉、活性炭、超滤、反渗透等多级滤芯联用的方式形成一套过滤系统，达到理想的水质净化效果。国标GB 34914-2017《反渗透净水机水效限定值和水效等级》标准中，给出了净水产水率、净水流量以及总净水量的定义和测试方法，以此对反渗透净水机寿命和过滤性能进行评价[1,2]。方法中所述的试验用水从总硬度、碱度、溶解性总固体、pH四个指标进行了限定，以确保实验结果的再现性和代表性[3]。然而，市政饮用水的水源多来自地表江河湖泊或地下水，均来自于自然界，水中物质具有非常复杂的多样性[4,6]，除上述四个指标所表征的无机盐外，水中还有部分铁、铝、硅等物质以胶体的形式存在。由于胶体的不溶性和吸附、裹挟作用，会对反渗透膜的前置滤芯尤其是超滤、纳滤滤芯造成影响[7,8]，进而对净水机整机寿命造成衰减。

国际上普遍按照ASTM D4189-95标准，采用淤泥密度指数（Silting Density Index，简称SDI）值来评价水中颗粒、胶体和其他能堵塞各种水净化设备的物体含量[9,10]。因此，在水中颗粒物较少的情况下[11]，可以采用SDI值对水中胶体的含量进行量化，进而探究不同胶体含量情况下净水机的寿命表现。

本文采用氧化铁、氯化铝、硅酸钠等化学试剂作为原材料，进行了人工胶体制备，通过扫描电镜比对了加标原水与市政饮用水中胶体形貌的一致性，并在国标水效原水的基础上进行了胶体加标，验证了市售家用反渗透净水机在国标试验用水和增加胶体加标的国标试验用水条件下的实际运行表现，为反渗透净水机的寿命评价提供参考。

1 仪器与试剂

1.1 仪器

TL2310浊度仪（美国HACH公司）；PHSJ-4A精密酸度计（上海雷磁仪器公司）；KW-1000DC水浴锅（江苏金坛市中大仪器厂）；101-4A恒温干燥箱（上海沪越实验公司）；管道式水质污染指数测定仪（华膜股份有限公司）。

1.2 试剂

氯化钙（大茂化学试剂厂）；硫酸镁（大茂化学试剂厂）；氧化铁（国药集团药业股份有限公司）；碳酸氢钠（光华科技股份有限公司）；氯化铝（国药集团药业股份有限公司）；盐酸（国药集团药业股份有限公司）；硅酸钠（大茂化学试剂厂）。

2 胶体模拟物制备方法

2.1 胶体

相比于常规无机盐的存在状态，胶体主要表现为比表面积巨大，成絮状物，对水中溶解态的金属等离子有吸附、混晶、裹挟等作用。Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3均具有上述性质，同时也是市政饮用水中主要的胶体成分。因此，可通过上述三种物质作为加标物，模拟水中胶体。经过反复尝试，通过如下方法所述配比制备Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3溶液，能够确保所得胶体溶液具备丁达尔效应，且经过长时间放置后仍旧稳定，不出现聚沉等现象。

2.1.1 制备Fe(OH)3胶体模拟物

分别制备氯化铁（91.8 g/100 mL）和碳酸钠（21.8 g/100 mL）的饱和溶液，将氯化铁饱和溶液和碳酸钠饱和溶液按体积比为2 : 1混合。

2.1.2 制备Al(OH)3胶体模拟物

分别制备氯化铝（69.9 g/100 mL）和碳酸钠（21.8 g/100 mL）的饱和溶液，将两者按体积比为2 : 1混合。

2.1.3 制备H2SiO3胶体模拟物

分别制备0.4 mol/L的盐酸溶液与10 wt%的硅酸钠溶液。按体积比1 : 1混合。

2.1.4 制备混合胶体模拟物

将上述Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3胶体模拟物浓度分别稀释为0.01 mol/L，而后按体积比为2 : 1 : 1比例混合，制得混合胶体。

3 模拟效果验证

图1 胶体模拟物

以珠海市香洲区某地点市政饮用水作为目标水，使用纯水将混合胶体模拟物稀释12倍后作为模拟水，通过扫描电镜以及SDI测试仪进行比对，结果高度相似。

3.1 扫描电镜分析

通过扫描电镜进行分析，与目标水进行对比（如图2、3），发现其颗粒形貌相近。

图2 模拟水中胶体扫描电镜图

图3 目标水中胶体扫描电镜图

3.2 SDI测试仪分析

SDI测试能够直接表征水中胶体等物质对滤膜的堵塞能力，使用0.45 μm滤膜对模拟水和目标水分别进行SDI值测试，结果（见表1）仍旧具有优异的一致性，说明胶体模拟物经过适当稀释后，模拟水对于滤膜的堵塞能力也能够与市政饮用水中胶体较好地保持一致。

表1 自来水与模拟自来水SDI值测试对比结果

3.3 净水机寿命对比实验

按照图4所示原理图搭建实验设备，按照国标GB 34914-2017的规定配制试验用水，作为1号模拟水；在该国标要求的试验用水基础上，添加混合胶体模拟物至SDI5= 3.8 ～ 4.2，作为2号模拟水；添加混合胶体模拟物至SDI5= 11.8 ～ 12.2 ，作为3号模拟水。准备3台图5所示反渗透净水机，分别使用三种模拟水进行长期试验，测试结果如表2，添加了胶体模拟物后，会加剧净水机的流量衰减速度，从而缩短净水机寿命。

图4 被测机原理图

图5 被测机

表2 样机测试结果汇总表

4 结论

本文通过Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3三种胶体实现对市政饮用水胶体模拟，通过扫描电镜进行微观表征发现其形貌、粒径大小与市政饮用水中胶体相似；通过SDI测试发现经过适当比例稀释后，模拟水SDI值= 3.6 ，自来水SDI值= 3.85 ，效果相似度在90 %以上；最后通过在净水机上同步进行模拟水及水效国标用水通水验证对比，发现在总硬度、碱度、溶解性总固体、PH四个指标相同的情况下，胶体含量与净水机流量衰减速率存在正相关性，说明在净水机产品开发阶段进行产品寿命测试时，测试用水中增加胶体的控制指标能够更准确地预测产品在用户实际使用过程中的表现，提升产品的客户满意度。