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反滲透純水機(jī)的改進(jìn)與發(fā)展方向
2013-07-15 11:59:01反滲透純水機(jī)是凈水器產(chǎn)品大家族中產(chǎn)量、銷量*大的一類,約占全部凈水器的30%以上。我國是凈水器包括反滲透純水機(jī)的生產(chǎn)大國,并大量出口到世界各地。反滲透純水機(jī)以其出水安全、衛(wèi)生、可口而深受消費(fèi)者喜愛和青睞。但我國很多企業(yè)生產(chǎn)的反滲透純水機(jī)還有不少值得改進(jìn)之處,特別是市場上魚龍混雜,那些低價劣質(zhì)產(chǎn)品,更是坑害消費(fèi)者,也敗壞了反滲透純水機(jī)的名聲。
筆者從1980年起使用和研究大型反滲透純水設(shè)備(首套為81T/h日本進(jìn)口的電子工業(yè)超純水設(shè)備,后又陸續(xù)從美國、英國、加拿大、新加坡進(jìn)口,共五套每小時產(chǎn)五百多噸超純水的進(jìn)口設(shè)備),并每天檢測它們的各級水質(zhì),研究它們的運(yùn)行規(guī)律;筆者從1991年起組織各種凈水器展會、技術(shù)研討會數(shù)十次,并從1991年起開始使用家用反滲透純水機(jī),包括進(jìn)口和國產(chǎn)的多個品牌;筆者從1990年起至今走訪了近千個凈水器生產(chǎn)企業(yè)和近千個凈水器經(jīng)銷商,傾聽他們的各種意見,關(guān)心和研討他們的產(chǎn)品,指導(dǎo)他們開發(fā)新品;筆者從1998年起協(xié)助四百多個凈水器產(chǎn)品申領(lǐng)了衛(wèi)生部衛(wèi)生許可批件,給這些凈水器起草了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),修改和規(guī)范了產(chǎn)品說明書等一系列技術(shù)文件,其中不但有國產(chǎn)產(chǎn)品,也有大量美國、德國、以色列、日本、韓國、馬來西亞、新加坡和我國臺灣、香港地區(qū)生產(chǎn)的進(jìn)口凈水器,其中很多是反滲透純水機(jī)。
本文將借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀反滲透純水機(jī)的先進(jìn)理念和設(shè)計(jì),闡述反滲透純水機(jī)的改進(jìn)與發(fā)展方向,對反滲透純水機(jī)生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)新品、提高質(zhì)量提供參考意見和建議,為經(jīng)銷商及消費(fèi)者選擇反滲透純水機(jī)產(chǎn)品提供經(jīng)驗(yàn)和知識。
一、反滲透純水機(jī)零部件的簡約
零部件的簡約不能理解為僅僅是降低生產(chǎn)成本,而更重要的是提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和減少故障。反滲透純水機(jī)的零部件特別多,接頭也特別多,又是耗電帶泵高壓運(yùn)行,很復(fù)雜,成本高,相對來說運(yùn)行費(fèi)用也比較高而且不可避免導(dǎo)致較高的故障率。
1、無泵
較早提出無泵技術(shù)并付諸實(shí)施的是若干年前上海某企業(yè),但據(jù)用戶反映,效果并不理想。即使是新機(jī),到了冬天水溫較低的時候,出水小得可憐,幾乎無法使用;如果是使用舊機(jī),那么產(chǎn)水量毫無疑問會更糟糕。因此,雖然想法很好,但這種機(jī)并無多大實(shí)用價值。
反滲膜必須克服滲透壓才能工作,也就是說,必須施以比水的滲透壓更高的壓力才能使水透過RO膜流出。這一方面和膜的性能(種類及質(zhì)量)有關(guān):在八十年代初期,筆者使用的反滲透膜還是醋酸纖維膜,工作壓力需要30kg/cm2(3MPa);隨著芳香聚酰胺復(fù)合膜的應(yīng)用,八十年代末,反滲透膜的工作壓力也降到了15.5kg/cm2;反滲透膜的工作壓力在九十年代又進(jìn)一步降到了10.5kg/cm2;目前,家用RO機(jī)的RO膜的進(jìn)口水壓僅為4.5~7kg/cm2。而且,出水水量與水壓成正比,水壓小了,產(chǎn)水量就小。
其次是水質(zhì),剛才說過,要克服水的滲透壓,水的滲透壓與水中含鹽量成正比,海水含鹽量很高,滲透壓也很高,所以海水淡化的反滲透膜的工作壓力要60kg/cm2左右,一般小型海水淡化反滲透裝置(如船艦用)采用銅質(zhì)高壓柱塞泵,厚壁玻璃鋼膜殼。而我國西北部等地區(qū)有很多地方是苦咸水,滲透壓也比一般自來水高得多,需用較高壓力的泵。所以,適用無泵的RO純水機(jī)的地域是當(dāng)?shù)刈詠硭甌DS(或電導(dǎo)率)較低的地區(qū)(如廣東、浙江、江西等省的某些地區(qū)有這樣的水質(zhì))。在原水TDS高的地區(qū)是不宜推廣和使用無泵RO機(jī)的。
另一個是自來水水壓。在2000年時,我?guī)椭貞c一家凈水器廠做反滲透純水機(jī)的衛(wèi)生批件,我*次接觸到不用泵的RO純水機(jī),他們生產(chǎn)的純水機(jī)銷在當(dāng)?shù),由于重慶的自來水壓力高,因此不用泵,RO純水機(jī)中也沒有泵。拿到北京去*中心檢測,還必需臨時另外加裝泵。因此,凡是自來水壓力高的地區(qū),所使用的RO反滲透反滲透純水機(jī)是不需裝泵的。
再一個是水溫,由于RO膜的產(chǎn)水量不但與水壓成正比,而且與水溫成正相關(guān),大約水溫每升高1℃,膜的產(chǎn)水量就增加2.7%左右,當(dāng)然,如果水溫下降1℃,膜的產(chǎn)水量就降低2.7%左右。因此,不加泵的RO純水機(jī)適用于南方熱帶、亞熱帶地區(qū)。
RO機(jī)不用泵,(a)不用電,節(jié)約了能源;(b)不用電,安全性大大提高;(c)不用泵,無噪聲;(d)不用泵,少了接頭且降低了工作壓力,減少了漏水概率;(e)不用泵,降低了RO機(jī)生產(chǎn)成本和用戶制水運(yùn)行成本?傊,好處多多。我們寄希望于RO膜技術(shù)有進(jìn)一步的突破(現(xiàn)在很多膜公司都在進(jìn)行這方面的研究,有的聲稱已有新產(chǎn)品面世)。隨著膜技術(shù)的發(fā)展,RO膜工作壓力還會進(jìn)一步下降,但超過滲透壓加膜元件本身的阻力是個底線,是不可突破的。此外,在現(xiàn)階段,就是采用多支大通量的RO膜,在自來水水壓下以膜的面積來換取較大的水通量,而且,這樣的無泵RO機(jī)只適用于南方自來水TDS較低的地區(qū)。
山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村。正當(dāng)大家為如何取消RO機(jī)的加壓泵一籌莫展時,突然傳來好消息,據(jù)消息靈通人士透露,浙江某*凈水器生產(chǎn)企業(yè)已開發(fā)了一款采用普通RO膜,無泵無壓力罐的RO機(jī),現(xiàn)已申請了專利。由于三大件中少了二大件,此外,低壓開關(guān)、高壓開關(guān)也都不需要了,RO機(jī)的成本大大降低。該機(jī)不用壓力罐,而采用無壓力的水箱,讓制得的純水慢慢流入水箱中,要用水時,從水箱中出水。如為廚下式,那還是要用泵把制得的純水從水箱中打出來(那就不是無泵了,只不過是把泵挪了個位置,從RO前挪到了RO后);如是臺上式或掛壁式,可用龍頭讓水箱中的純水依靠本身重力流出。該企業(yè)與其合作伙伴計(jì)劃批量生產(chǎn)后以每月十萬臺的生產(chǎn)/銷售量投放市場,我們期待著這種新型凈水器早日與廣大消費(fèi)者見面。
2、壓力罐的改進(jìn)和無罐RO機(jī)
首先,要搞清楚RO機(jī)為什么要用壓力罐?以常用的采用50G膜的RO機(jī)為例,其RO膜的產(chǎn)純水量為7.88625L/h,換算一下,產(chǎn)1L純水需要7.6min,如需接一杯400mL的水喝,接水的時間需要3min,這是常人所不能忍受的,也就是說,出水太慢。怎么辦呢?前人想了一個辦法,讓水存放在壓力罐內(nèi),需要用水的時候,打開出水龍頭,實(shí)際上也就是打開壓力罐閥門,水就從壓力罐中噴涌而出。這就解決了RO膜出水太慢的問題。
但其他問題又隨之出現(xiàn)了,增加了壓力罐,不光是增加了RO機(jī)的成本(膜、泵、罐是RO機(jī)材料中成本*大的三大件),更主要的是,壓力罐中有橡膠囊,貯水后特別是久貯后會有橡膠味,于是,在壓力罐之后、出水龍頭前又加裝了后置活性炭,以吸附去除水中的橡膠味,改善口感。但這樣一來,又有問題了,關(guān)機(jī)時細(xì)菌從龍頭處會慢慢進(jìn)入后置活性炭濾芯,并在后置活性炭中大量繁殖,進(jìn)而進(jìn)入壓力罐,在桶壁上繁殖。一臺新的RO機(jī)使用了二個月后,出水菌落總數(shù)就會超標(biāo),鋸開壓力罐,桶壁上全是一層粘乎乎的生物膜,這是細(xì)菌、細(xì)菌尸體、細(xì)菌分泌物等集聚而成的粘液,令人惡心。
據(jù)說,國外RO機(jī)每年都要換一個壓力罐,他們已經(jīng)把壓力罐視作如同濾芯一樣的易耗品而定期更換。但這不符合國人的消費(fèi)習(xí)慣以及國人節(jié)約、環(huán)保的優(yōu)良傳統(tǒng)。那么怎么辦呢?
。1)壓力罐的改進(jìn)
壓力罐的改進(jìn),首先是把罐內(nèi)的膠囊從橡膠換成塑料袋,解決水中橡膠氣味問題,如果沒有橡膠味,后置活性炭也就不需要了。其次,把水盛放在塑料袋中,塑料袋做成可更換的,這樣,就不必更換整個壓力罐,只要定期更換塑料袋即可。第三,采用大膜小罐,使純水不久貯,常制常用,水質(zhì)新鮮少污染。第四,有的把壓力罐外殼做成透明或半透明的,塑料袋也是透明的,因此,還能看到罐中水位(水量),當(dāng)然,要放在暗處(如櫥內(nèi))以防藻類繁殖。這樣的壓力罐目前已有若干個企業(yè)在生產(chǎn)。
。2)無罐RO機(jī)
有的廠家做得更徹底,不是大膜小罐,干脆連小罐也不要了,徹底取消了壓力罐。壓力罐不要了,后置活性炭也沒有存在的理由了。不但降低了成本,也解決了細(xì)菌污染問題。一家這樣做了,其他廠家群起效仿,大膜無罐似乎已經(jīng)成了RO機(jī)的趨勢和潮流,眾多廠家爭相推出此類產(chǎn)品。
不用壓力罐,讓水直接從RO膜出口處流出取用,就必須加大RO膜面積。那么膜要用多大呢?中華人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T4144-2010“家用和類似用途反滲透凈水機(jī)”(2011年4月1日實(shí)施)中規(guī)定:“5.4.1整機(jī)終端出水量:凈水機(jī)終端出水量應(yīng)不小于48L/h。”按此計(jì)算,如使用50G的RO膜,需要6支;或75GRO膜4支;或100GRO膜3支;或300GRO膜1支。此時取1L純水需要1.27min;取一杯水(400mL)則需要0.5min(30sec),用戶勉強(qiáng)能承受。但請注意這是在水溫25℃時的流速,如水溫低,則流速要降低,取水時間則要延長。取消了壓力罐和后置活性炭后,純水隨制隨用,水質(zhì)會更好。但由于使用較多的RO膜,雖少了壓力罐和后置活性炭,總的成本還是會提高一些。順便說句,如要降低濃水比例,使用多支RO膜時可以采用一級多段設(shè)計(jì)。此外,無罐的RO機(jī)應(yīng)選用流量較大的泵。
在RO膜面積不增多的情況下要革除壓力罐,那就只好采用另外的儲水容器。前述浙江某*凈水器生產(chǎn)企業(yè)新開發(fā)的凈水器也是無罐的,并代之以水箱來盛放制得的純水。江蘇某*凈水器生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)并大批量生產(chǎn)無壓力罐凈水器更早,并提出“無罐一身清”的理念,以此為賣點(diǎn)吸引用戶,RO出水流入稱之為“RO機(jī)伴侶”中的PE儲水袋中,該RO機(jī)伴侶放置在臺上,依靠重力自然出水,還有加熱罐,可出冷熱純水,PE儲水袋設(shè)計(jì)成可拆卸的,便于拆除和安裝,定期更換,其工藝流程圖見圖1。山東某凈水器生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)并批量生產(chǎn)無壓力罐凈水器更早,他是把RO純水流入掛壁水箱中的PE儲水袋中,后面我們還會詳細(xì)介紹。
3、電氣元件集約化
元件的集約化,曾見過把進(jìn)水電磁閥和加壓隔膜泵集成的,有幾個泵廠試過,但不知什么原因,*后都不了了之。*近又有一家臺灣企業(yè)把RO機(jī)的高壓開關(guān)、低壓開關(guān)、進(jìn)水電磁閥三者集成在一起成為一個“三合一”元件,并據(jù)說今后還要把“濃水比例器(亦有稱“廢水比”)”、逆止閥等也集成在內(nèi),組成“五合一”元件。但究竟實(shí)用價值如何?凈水器生產(chǎn)廠是否愿用?我征求了一些凈水器廠老板和技術(shù)人員的意見,見仁見智,眾說紛紜,看來此項(xiàng)改進(jìn)需要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn),需要經(jīng)過較大規(guī)模、較長時間的試用和考驗(yàn),和常規(guī)產(chǎn)品進(jìn)行故障率對比,才能*后得出結(jié)論。
二、反滲透純水機(jī)濃水利用與減少
1、濃水全利用
RO機(jī)是一個很好的分質(zhì)供水系統(tǒng),自來水經(jīng)過PP熔噴濾芯過濾、顆;钚蕴课竭^濾、壓縮活性炭過濾等三道預(yù)處理后(去除水中余氯,大部份懸浮物、鐵銹、膠體,以及部份有機(jī)物、嗅和味)制得凈化水,其中小部份凈水再經(jīng)過反滲透和后置顆;钚蕴窟M(jìn)一步凈化后,制得飲用純凈水供飲用;而大部份水(濃縮水)則經(jīng)過了前三道而未能經(jīng)過后二級處理,成為凈化水流出作為洗用水。在家庭日常生活中,洗用水恰好需求量比飲用水大得多,如淘米、洗菜、刷鍋洗碗抹桌子、洗衣服、拖地板、沖廁所。。。。。。
依據(jù)建設(shè)部頒發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50331-2002《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》,居民家庭生活人均日用水量調(diào)查統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù),飲用水僅為廚房洗滌(淘米、洗菜、洗碗、抹桌等)用水的大約1/10(見下表)。因此,RO機(jī)的濃水(凈化水)作廚房洗滌用水還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠呢!要環(huán)保,要節(jié)能,就必須把濃水全部利用起來!如何把RO濃水全部利用起來,做到零排放?
反滲透純水機(jī)-方法多多:
有的廚下式RO機(jī),在柜中裝二個大小不同的壓力罐,大的盛濃水,小的盛純水。相應(yīng)裝二個鵝頸龍頭,一個出純水,一個出濃水,分別連接壓力罐。并用二個高壓開關(guān)自動控制泵,任一個滿了后,泵就自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
一般的壓力罐中只有一個橡膠囊,現(xiàn)有公司生產(chǎn)的一種壓力罐,稱為“純濃水二合一儲水壓力罐”,橫躺著放,皮囊在壓力罐中部,左右二室分別為濃水室和純水室,濃水室的體積是純水室的二倍。二室都有出口,并分別用PE管接上鵝頸龍頭。分別用高壓開關(guān)自動控制泵,任一室水滿了后,泵就自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際上是把二個壓力罐“合二為一”了。因此更緊湊了,占地面積更小了,見圖2。
還有更巧妙的辦法。筆者在山東某公司調(diào)研時看到一種十分巧妙的構(gòu)思。在墻上掛一個硬質(zhì)塑料水箱,水箱內(nèi)有一密閉的透明厚壁軟塑料袋。RO機(jī)產(chǎn)的純水進(jìn)入塑料袋內(nèi),而濃水進(jìn)入塑料袋外的水箱內(nèi),有二個龍頭分別把塑料袋內(nèi)的純水(飲用水)和水箱內(nèi)的濃水(洗用水)供用戶取用。用浮球閥自動控制泵:無論塑料袋內(nèi)的純水還是水箱中的濃水滿了后,頂起浮球閥,通過自控系統(tǒng),泵就會自動停止運(yùn)轉(zhuǎn);水用去后,浮球閥跌落,通過自控系統(tǒng),泵就會自動運(yùn)轉(zhuǎn)制水。RO主機(jī)仍可放在廚下。這種方法還省卻了儲水壓力罐,降低了生產(chǎn)成本和售價。
另有人提出一種全新的方案,采用逆向思維,構(gòu)思了一個大膽奇特并切實(shí)可行的方案:它沒有純水壓力罐而設(shè)置濃水壓力罐,把濃水儲存于壓力罐中,并稱之為“凈化水”用作洗用水。它采用大通量膜(或多支膜),只要一開純水龍頭,通過自控系統(tǒng),泵就會自動運(yùn)轉(zhuǎn)制水,所產(chǎn)純凈水(供飲用)的水流量很大,無需壓力罐儲水而開機(jī)時可以直接取用純水。
2、濃水減少
減少濃水排放量,提高純水/排放濃水的比例,是業(yè)內(nèi)部份人孜孜不倦的研究方向,也有人為此申請了專利。
(1)“減少濃水量型”
該方案原理是:減小濃水比例,或?qū)⒅萍兯瑫r出濃水改為“制純水時不出濃水,定時脈沖沖洗”。這二種方式實(shí)質(zhì)是一樣的,就是減少RO機(jī)濃水量,另一個特征是這些人仍然把RO濃水當(dāng)作“廢水”排放掉。
該方案問題是:RO機(jī)出濃水的目的是為了不斷沖洗RO膜,并把前三道過濾后尚存于水中的懸濁物、膠體、有機(jī)物和鹽類等等通過濃水排放,保證RO正常工作和出水水質(zhì)。減少了濃水的量,必然加重RO膜及泵的負(fù)擔(dān),縮短RO膜及泵的壽命,并影響RO出水水質(zhì)。而把RO濃水當(dāng)作“廢水”排掉,同樣是水資源的浪費(fèi)。
。2)“廢水循環(huán)利用型”
該方案原理是:RO濃水返回進(jìn)水、注入自來水管中,與自來水混合參與循環(huán)制水或當(dāng)作生活用水使用。這樣有三種情況:
。╝)RO機(jī)不工作不制水時,此時無RO濃水。如使用生活用水龍頭,此時無RO濃水,龍頭中流出的全是自來水。
(b)RO機(jī)工作制水時,如同時使用生活用水龍頭,此時RO濃水混入自來水一同被作為生活用水利用;
。╟)RO機(jī)工作制水時,不使用生活用水龍頭,此時RO濃水進(jìn)入RO機(jī)循環(huán)制水;濃水無法排出,且越來越濃;
該方案問題是:RO機(jī)工作制水同時使用生活用水龍頭,即情況(b),特別是在RO機(jī)制滿一桶水(12升水,約需1小時左右)的同時使用生活用水龍頭1小時的概率極低,幾乎為零。這樣,RO機(jī)工作時一般處于情況(c)的狀態(tài),RO濃水無法排出,被反復(fù)循環(huán)濃縮,RO膜內(nèi)水的TDS值很快超過RO膜工作的許可范圍,不但導(dǎo)致RO機(jī)的產(chǎn)水TDS值超標(biāo),而且RO膜可能被堵塞,使用壽命短。進(jìn)水濃度不斷升高,滲透壓也不斷升高,泵也受不了,泵的使用壽命也受影響。而且,把濃水注入自來水管中也是法律法規(guī)所不允許的。
(3)“使用生活用水時制純水型”
該方案原理是:RO濃水返回進(jìn)水、注入自來水管中,與自來水混合。與前一種方案不同的是:利用電氣程序控制,使用生活用水龍頭時,RO機(jī)開始工作制水。停止使用生活用水時,RO機(jī)停止工作。這樣有三種情況:
。╝)不使用生活用水龍頭時,RO機(jī)不工作不制水;
。╞)使用生活用水龍頭時,RO機(jī)開始工作制水,此時RO濃水混合入生活用水一同被利用;
(c)停止使用使用生活用水龍頭時,RO機(jī)停止工作。
該方案問題是:
。╝)首次使用時,為了能夠得到飲用純水,必須打開生活用水龍頭大量放水,以使RO機(jī)工作制水,此時將比常規(guī)的RO機(jī)浪費(fèi)更多倍的自來水。
。╞)使用生活用水龍頭時間不足,會造成沒有足夠的純水供飲用;
。╟)家庭用水的特點(diǎn)為短時間多頻次,用水時間大多是幾分鐘,在短短的幾分鐘時間內(nèi),水泵啟動達(dá)到RO膜制水工作壓力并開始制純水,實(shí)際制水量很少;
。╠)由于家庭用水的特點(diǎn)是短時間多頻次,這將造成水泵的頻繁啟動,嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。
(e)把濃水注入自來水管中也是法律法規(guī)所不允許的。
。4)江蘇某*凈水器企業(yè)
該工藝的要點(diǎn)是把部份濃水排放掉,部份濃水回流到RO膜前。這樣,減少了濃水的排放量,增大了純水量/排放濃水量的比例。由于加大了進(jìn)RO膜的總進(jìn)水量(自來水+部份回流濃水),增加了對RO膜的沖刷清洗力度,減小了濃差極化,使RO膜不易受膠體、有機(jī)物等污染,并輔之以其他手段(如磁化)防止難溶鹽類的結(jié)垢。據(jù)該凈水器企業(yè)稱,用此工藝可以使RO機(jī)出水之純水量:排放濃水量從普通RO機(jī)的1:3,提高到2:1,RO膜的壽命亦未見縮短。
。5)某日資企業(yè)
該日資企業(yè)由于本身是RO膜生產(chǎn)企業(yè),因此在膜上想辦法,改進(jìn)RO膜的性能,使RO機(jī)出水之純水量:濃水量從普通RO機(jī)的1:3,提高到3:2。
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