反渗透净水机预处理滤芯性能评估与寿命提升研究

宁贵勇 李友铃 张 量

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

长寿命是净水机发展的主要趋势，其聚焦点为通过技术升级提升反渗透滤芯寿命、延长滤芯更换周期，如使用多膜页、侧流、阻垢等技术的反渗透滤芯更换周期在3～10年不等。与反渗透滤芯长更换周期不同，净水机用的第一级预处理滤芯更换周期一般为3～12个月，在反渗透滤芯寿命内需多次更换，增加用户使用成本，尽管如此，现阶段对第一级预处理滤芯寿命方面的研究仍然相对缺乏。

第一级预处理滤芯主要作用是除水体中泥沙、铁锈、悬浮物等大颗粒物质，是反渗透滤芯进水的第一道屏障，其过滤精度范围一般在（1～15）μm，与微滤膜的孔径（0.1～10） um接近或属于微滤范畴[1]，微滤的过滤原理包括孔径筛分、滤饼层过滤以及深层过滤等[2]，其性能衰减的表现为出水流量下降，但对污染物的去除性能基本不变[3]。对于第一级预处理滤芯，判定滤芯失效的主要依据为出水流量低于反渗透滤芯对进水流量的需求，因此，其寿命提升需求为增加纳污能力、提升总产水量。

本文选取折纸PP、PAC（无纺布和碳纤维构成的复合滤芯）和聚丙烯喷熔PP三种净水机常用的第一级预处理滤芯作为研究对象，进行结构表征和性能测试，分析性能差异的原因，找出性能提升方向并设计实验进行验证，为第一级预处理滤芯寿命提升提供依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

PTI粉尘（A2，阿拉丁），用于过滤精度测试；聚丙烯喷熔PP滤芯，PAC滤芯，折纸PP滤芯，表1为三种滤芯的基本参数。

表1 三种滤芯基本参数

1.2 实验仪器

场发射环境扫描电镜SEM（美国FEI公司，QUANTA FEG 250）、油液颗粒度分析仪（陕西普洛帝测控技术有限公司，PLD0201）、浊度测试仪（哈希，TL2310）、数显压力控制器（上海铭控，MDS900）、隔膜增压泵（杭州力夫电机制造有限公司，LFP1300）、水表、秒表、烧杯、电子秤、球阀等。

1.3 实验方法

过滤精度测试使用A2粉尘配置10 000～15 000颗/ml加标液（10 L水加0.01 g粉尘），利用油液颗粒度分析仪计量；待测滤芯先使用2 L/min左右流量纯水冲洗10 min，后按图1（a）连接测试装置，调节球阀使滤芯前压力0.3 MPa、流量2 L/min左右，通水2 min后取样测试，记录其颗粒物浓度。对颗粒a（微米，μm）的去除率≥85 %，而对小于a的颗粒拦截率＜85 %，即认为其过滤精度为a。

图1 测试装置示意图

滤芯性能测试按图1（b）连接好测试装置，流量测试使用烧杯收集1 min滤芯出水后使用电子秤称量，同时记录压力表、水表数据。

2 实验结果与讨论

2.1 滤材结构表征

三种滤芯外观如图2。外观上，喷熔PP均匀致密；PAC的PP层为纸状致密的单层PP卷绕形成，碳纤维层相对疏松；折纸PP整体呈褶皱状，由外至内包含4层，第一、四层相同，结构疏松，第二、第三层为致密层。

图2 三种滤芯外观

选取喷熔PP外层、PAC滤芯的PP和碳纤维部分，以及折纸PP的第一、二、三层进行SEM表征（见图3）。图3显示，三种滤芯均为聚丙烯纤维错落堆叠，差别为单根纤维堆叠形成的错落网格大小，图3（a）显示喷熔PP单丝堆叠形成的网格尺寸大、相对疏松；图3（b）、3（c）对比可知，PAC的PP层致密度大于碳纤维层，表明PAC滤芯的PP层承担第一级预处理作用，而与喷熔PP相比，其单丝堆叠形成的网格小、致密度高；图3（d）～（f）显示，折纸PP的第一层网孔最大、第二层其次、第三层最小，该结果表明折纸PP的外三层滤材具有致密度逐渐增加的特征，即梯度渐进式排布。比较三种滤材的致密度，折纸PP＞PAC＞喷熔PP。

图3 滤材SEM表征

2.2 过滤精度分析

三种滤芯过滤精度结果见图4。按85 %去除率界限，折纸PP、PAC和喷熔PP的过滤精度分别为2 μm、9 μm 和13 μm，折纸PP过滤精度最高，该结果与2.1中三种滤材SEM表征获得的致密度结果对应。过滤精度可用于粗略表征滤芯过滤孔径值的大小，因此数值越低、孔径越小，过滤效果越好，同时也意味着水力阻力大，结合表1滤芯尺寸参数，相近尺寸下折纸PP的有效过水面积远大于其它两种滤芯，推测原因为设计上通过增加过水面积来降低过滤精度高带来的单位面积水力阻力大、产水量低问题，从而保证滤芯组件整体产水量。

图4 过滤精度结果

2.3 浊度去除率

三种滤芯初始产水浊度见图5。原水浊度为4.83 NTU，折纸PP、PAC滤芯和喷熔PP三种滤芯的产水浊度分别为0.587 NTU、0.98 NTU和1.15 NTU，换算为去除率分别为87.5 %、79.71 %和76.19 %。水体中浊度的主要包括粘土、淤泥、胶体颗粒、悬浮物等[5]，其去除率可用于说明滤芯产水水质情况，由结果可知三种滤芯的产水水质折纸PP优于PAC，喷熔PP最次。参照三种滤材的过滤精度数值，折纸PP和PAC滤芯属于微滤级别，喷熔PP接近微滤级别，因此三种滤芯新滤芯状态时对浊度的去除机理主要为孔径筛分[2]，结合2.1的SEM表征、2.2的过滤精度结果，以及浊度去除率结果，三项测试相互验证。

图5 初始产水浊度

2.4 滤芯长期性能

三种滤芯在自来水下滤芯出水压力及流量变化见图6，测试同时进行、实验装置按图1（b）搭建。图6（a）显示，折纸PP、PAC和喷熔PP滤芯在长期测试时滤芯前压力波动变化但整体为增加趋势，初始压力分别由8 psi、7.5 psi和9 psi增加至测试终点时的15 psi、12.5 psi和12 psi，滤芯前压力增加的原因主要为滤芯污染后水力阻力增加、滤芯前后压差变大[2]，压力波动的原因为测试过程连续不间断，而自来水压会在不同时段受末端用水量变化而变化。图6（b）显示，三种滤芯在测试过程中流量波动变化、整体呈下降趋势，流量波动的原因为测试过程压力波动，而流量下降则说明滤芯污染，过水孔堵塞、有效过水面积降低。三种滤芯初始流量接近（2.45 L/min、2.3 L/min和2.58 L/min），以1.0 L/min出水流量为滤芯寿命判定终点，喷熔PP产水量3 800 L时出水流量降至0.93 L/min，达寿命终点；PAC滤芯产水量在11 789 L时出水流量降至0.91 L/min，达寿命终点；折纸PP滤芯产水量在13 789 L时其出水流量仍为1.48 L/min，距寿命终点有0.5 L/min左右的流量余量。由此可知，相同测试条件下折纸PP性能最佳。

图6 滤芯产水监测

图7为测试完的折纸PP滤芯过滤层拆解。从图可知，折纸PP各层滤材受污染程度差异表明其过滤精度梯度具有渐进式组成特征，第一层滤材由于孔径大，对污染物拦截效果差，因此虽然其为第一层但是颜色浅于第二、三层；第二层孔径小于第一层，对污染物拦截效果好因此颜色深；而第三层孔径比第二层小，但是由于第二层拦截了大部分污染物，因此第三层仅需去除第二层未能拦截的部分，所以其颜色浅于第二层，也即纳污负荷降低；第四层主要为支撑层，因为第二、三层已去除大部分污染物，所以基本呈现本色。

图7 折纸PP滤芯拆解

结合以上结果及分析，推测折纸PP滤芯优于其它两种滤芯的原因包括折叠形式使有效滤材过水面积增加、滤材梯度渐进式组成对污染物选择性好同时有效降低高精度层纳污负荷，提升纳污能力。

2.5 梯度渐进式效果验证

为了验证滤材梯度渐进式组成对滤芯寿命的影响，设计单精度过滤层滤芯进行对比验证，具体为将折纸PP滤芯的第一、二层去掉，保留第三、四层，测试结果见图8。单精度层折纸PP过水7 900 L时流量由初始的3.85 L/min降至0.98 L/min，到达寿命终点值；而对照组包含梯度渐进式过滤层的折纸PP同样过水7 900 L时流量为3.72 L/min，过水23 070 L时流量仍有1.46 L/min。以产水量为考评指标，虽同为折纸PP、滤材有效过水面积大，但具有梯度渐进式特征的滤芯产水量约为单精度层的192 %以上。该结果表明，滤材梯度渐进式特征为折纸PP滤芯寿命优异的主要因素，推测原因为不同孔径污染物经不同过滤精度滤材逐层过滤，每层滤材对污染物均具有选择性，上一层未能去除的污染物进入下一层，从而降低了下一层高精度层的纳污负荷，可有效避免不同孔径污染物聚集在相同过滤孔上，出现大、小污染物通过架桥作用形成滤饼层污染、阻塞过滤孔。

图8 梯度渐进式过滤影响

3 结论

1）折纸PP、PAC和喷熔PP三种滤芯整体过滤精度分别为2 μm、9 μm和13 μm，浊度去除率分别为87.5 %、79.71 %和76.19 %，相同水质下滤芯寿命分别为大于13 789 L、11789 L和3 800 L，折纸PP＞PAC＞喷熔PP；

2）与单精度过滤层折纸PP滤芯相比，具有梯度渐进式特征的折纸PP滤芯寿命高192 %以上，表明同为折纸滤芯，梯度渐进式特征是其性能优异的主因；

3）综合本文结果，为了有效延长第一级预处理滤芯寿命，在结构形式设计上可采取通过褶皱、折叠等形式增加滤材与水接触的面积，提升滤材利用率；在滤材构造上，应避免单精度过滤，可采取滤材致密度梯度渐进式设计，以降低高精度层纳污负荷，增加滤材整体纳污能力、延长滤芯寿命。