阻垢剂在家用反渗透净水机中的应用

王剑平 杨威

（无限极(中国)有限公司，广东广州 510000）

随着大家对饮水健康的重视，净水器成为越来越普及的家用电器。目前市面上净水器以反渗透净水器为主，传统反渗透纯水机在制取纯水的过程中，会产生大量的废水[1]。为了节约水资源，国家制定了GB 34914-2017《反渗透净水机水效限定值及水效等级》[2]等相关水效标准。随着水效标准的实施，水效类似能效成为用户选择家用电器的重要指标[3]。同时新的水效标准已在制定中，预计将一级水效产水率从60%提升至66%。

水效提高意味着净水器膜元件浓水出水浓度增加，钙镁离子越容易从水中析出，造成膜元件提前堵塞[4]。阻垢剂作为提高膜元件寿命的一种高性价比方式，越来越受到净水行业的重视[5]。本文将通过静态阻垢测试[6]和动态阻垢测试[7]验证目前主流家用净水阻垢剂的性能，分析阻垢剂在不同水质条件下使用的必要性，同时为净水机水效提升提供一种高性价比解决方案。

1 实验

1.1 实验试剂

硼砂缓冲溶液；乙二胺四乙酸二钠（EDTA）标准滴定液；硫酸镁（分析纯）；氯化钙（分析纯）；氯化铵（分析纯）；氨水；铬黑T；95%乙醇；高纯水；阻垢剂A；阻垢剂B；阻垢剂C；阻垢剂D。

1.2 仪器设备

不锈钢恒温水浴锅、分析天平、量筒、滴定管、锥形瓶、烧杯、容量瓶、移液枪。

1.3 静态阻垢实验

静态阻垢测试参考GB/T 16632-2019《水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》在实验室进行测试。

（1）实验用水采用硫酸镁、氯化钙和高纯水参考GB 34914-2017《反渗透净水机水效限定值及水效等级》配置硬度为250 ppm左右的硬水。

（2）在4个250 ml的锥形瓶中各加入250 ml实验用硬水，再使用分析天平精确称量1 mg，A、B、C、D四种阻垢剂分别加入四个锥形瓶，作为实验组；另外一个锥形瓶仅加入250 ml实验用硬水作为空白对照组。

（3）将实验组和对照组锥形瓶口用保鲜膜密封，防止水分蒸发。浸入（80±1）℃的恒温水浴锅中，恒温放置10 h。水浴结束后冷却至常温，分别用中性定量滤纸过滤至干净烧杯待测。

（4）采用EDTA滴定法测试水浴前后6个水样的硬度。先在25 mL滴定管中灌入EDTA ，用移液管取50 mL样品于锥形瓶，加入2 ml缓冲液和5滴铬黑T指示剂于锥形瓶混匀。

（5）用EDTA标准液滴定样品，边滴边轻轻摇晃锥形瓶，待溶液颜色由酒红色变为蓝色即为滴定终点。

1.4 动态阻垢寿命实验

动态阻垢实验选取国内两个典型水质地区的水源作为实验原水，分别为北方高硬度水质区域JN、南方高有机物水质地区SH，两个地区水质情况如表1所示。

表1 动态阻垢实验选取的两个典型地区水质

动态阻垢实验以典型水质为水源，每个地区使用8台600 G家用反渗透机，前置中加入阻垢剂A、B、C、D的整机各2台作为实验组。8台机器直接在当地进行长期寿命测试，定期对整机流量进行测试，评估整机流量衰减状况。

测试使用的反渗透机回收率为2:1，阻垢剂放入整机前处理滤芯中，其水处理工艺图如图1所示。

图1 实验测试用反渗透机水处理工艺图

2 结果与讨论

2.1 静态阻垢实验

阻垢剂的阻垢原理为将水中的钙、镁离子稳定在水中，避免其与碳酸根等离子结合形成沉淀附着在物体表面[8]。反渗透净水机中使用阻垢剂主要为延长膜寿命，避免由于浓水中钙镁离子浓度过高，碳酸钙、碳酸镁、磷酸钙等形成沉淀附着在膜片表面，导致膜元件通量下降，膜寿命缩短。静态阻垢测试通过实验前后钙镁离子浓度，可计算阻垢剂的阻垢率。各阻垢剂静态阻垢率如表2所示。阻垢率计算如式（1）。

表2 阻垢剂静态阻垢性能

其中：ρ1-加入阻垢剂溶液水浴后的水样硬度，mg/L；

ρ-原水水浴后的水样硬度，mg/L；

ρ2-原水的水质硬度，mg/L。

从静态阻垢测试结果可见，水浴后水样硬度越高，阻垢剂阻垢效果越好；故D和B阻垢剂阻垢效果较好；其中C和D为无磷阻垢剂、A和B为含磷阻垢剂。而使用阻垢剂的空白对照组，水样硬度下降较多，说明在测试过程中形成了大量碳酸钙沉淀。

2.2 动态阻垢寿命实验

通过两个典型地区水质数据看可以看出，JN的水质硬度较高，且其朗格利尔饱和指数[9]LSI值较大，说明水质结垢倾向较为严重。SH的水质COD值较高，说明其水质有机物含量较高。使用现场水质进行整机寿命测试，其整机流量衰减如图2和图3。

由图2可知，在高硬度地区无阻垢剂的机器在2:1回收率条件下，纯水出水3吨左右，整机纯水流量迅速衰减。对整机拆机分析后发现，膜元件表面出现大量水垢，水垢进入组合阀也导致流量下降。由此可见，在高硬度地区，无阻垢剂的净水器在高回收率下寿命明显缩短。

图2 JN地区整机流量衰减与纯水出水量的关系

带有阻垢剂A、B、C、D的净水器，整机流量衰减较少，说明阻垢剂对膜元件起到了较好的保护作用。使用阻垢剂B、C、D的净水器流量衰减较使用阻垢剂A的慢一些。

由图3可知，在高有机物地区四种阻垢剂的整机流量衰减较大，其中C、D阻垢剂衰减较A、B阻垢剂好，说明在有机物地区不同阻垢剂整机流量有较大差异，应避免阻垢剂对整机流量衰减的影响。

图3 SH地区整机流量衰减与纯水出水量的关系

3 结论

（1）动态阻垢寿命测试和静态阻垢测试的结果是一致的，四种阻垢剂的阻垢性能分别是B、D阻垢剂好于C阻垢剂，C阻垢剂好于A阻垢剂。

（2）部分阻垢剂在高有机物地区存在加速整机流量衰减的情况，应综合考虑不同水质对阻垢剂性能的影响。综合考虑D、B阻垢剂要优于A、C阻垢剂。

（3）在高硬度地区，在高回收率条件下，阻垢剂可以起到较好的膜元件保护作用，避免由于膜元件结垢而导致的寿命提前终结。

本文通过静态阻垢和动态阻垢寿命测试快速、方便、可靠地进行阻垢剂的筛选，为广大净水器设计者提供一种阻垢剂选择的思路，同时为不同水质的高节水型净水器的设计提供一个高性价比的方案。