净水机水质自适应控制技术研究

陈静

摘  要  针对净水机无法适应全国不同地区不同水质的问题，本文建立了基于预计总净水量的系统回收率自动调节控制方法。经过对比验证发现，带有自适应功能的净水机能够根据运行的参数计算调整系统的回收率，在水质差地区延长反渗透膜滤芯的使用寿命87.5%，在水质好地区提高系统回收率至75%。

关键词  净水机  自适应  回收率

Research on Self-adaptionTechnology of Water PurifierAccording to Different Water Quality

CHEN Jing

(Gree Electric Appliances,Inc. of Zhuhai, Zhuhai China 519070)

Abstract ：According to the problem that water purifier can not adapt to different water quality of different areas of the country，This paper established the control method based on the expected total amount of purified water. After verification, we found that the water purifier with Self-adaption control method can calculate and adjust the recovery of the system according to the operation parametes. wich extended the service life of the reverse osmosis membrane filter 87.5% in poor water quality area, and improved the recovery rate of the Water purification system to 75%.

Keywords ：waterpurifierself-adaption control methodthe recovery rate

0 前言

     随着国民健康意识的提升，近年来净水机得到越来越多消费者的关注。但因我国各地水质差异大，同一个配置的净水机在不同地区使用存在着在水质差地区滤芯污堵快、在水质好地区浪费水的问题。目前行业上还没有很好的解决方案，如何做到净水机针对不同的水质进行自适应调节，实现滤芯长寿命和节水的双赢是当前净水行业需要的解决的问题。

1 问题调研分析

1.1 水质调研分析

经水质调研发现，我国不同城市自来水水质差异较大，部分地区如北京房山、河南郑州、安徽宿州、山东济南、河南鹤壁等地水质较差，硬度高达自来水限值规定450 mg/L，碱度高达560 mg/L、溶解性总固体值高达800 mg/L，PH值高达8.5；部分地区如广东省、江西省、福建省大部分城市水质较好，其水质硬度、碱度不超过50mg/L，溶解性总固体在100ppm以下，PH值低至6.5。同一个配置的净水机在不同水质条件下的使用性差异也较大。

1.2行业技术现状分析

目前市面上的净水机主要依据国标《GB 34914-2021净水机水效限定值及水效等级》[1]规定的水质（硬度250mg/L，碱度140mg/L，电导率1000μS/cm，PH值7.0-7.5）进行设计，系统回收率固定，没有可调节功能，这必然导致净水机在水质差地区滤芯堵得快，水质好地区滤芯到了预设寿命流量还有很大余量，造成了成本和水资源的浪费。

本文拟通过理论分析和实验验证，建立了水质自适应的控制方法，为净水机实现水质自适应提供了可行的解决方案。

2 机理分析

2.1滤芯污堵机理分析

结垢污堵是反渗透膜滤芯污堵的主要原因[2]。结垢是水中的难溶性盐类在膜表面浓缩析出的固体沉淀的过程。自来水中的难溶性盐类主要有碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、氟化钙、硫酸锶和二氧化硅。LSI（朗格利尔指数）是用来评价水体碳酸钙结垢可能性的指标。如下式，当LSI>0时会结垢。

LSI = PH-PHs = f (TDS、硬度、碱度、PH值、水温)

所以，净水机运行时浓缩水的结垢倾向（LSI）与TDS、硬度、碱度、PH值、水温等指标有关，当水质硬度、碱度、PH值较高时，净水机运行时浓缩水的LSI较高，污染物易结晶析出导致反渗透膜滤芯堵塞。而当水质硬度、碱度、PH值等指标较低时，相同配置的净水机浓缩水LSI较低，反渗透膜表面污染物沉积趋势较小。

因此，如果想要准确地评估自来水水质的好坏，需要同时检测自来水的TDS、硬度、碱度、PH值、水温等多项指标，但是在净水机中检测多项水质指标需要配备多个传感器，该方案成本较高，且部分指标如硬度、碱度等无法通过现有传感器技术实现检测获取。如何低成本实现净水系统回收率准确调节是本项目的难点。

2.2 自适应调节机理

反渗透净水机主要通过反渗透膜对原水进行过滤，其过滤原理如图1所示，原水在压力的作用下，部分渗透通过反渗透膜片形成净水，部分浓缩流经膜面后作为浓水排出，由于钙镁等污染物大部分被膜截留，积累在膜表面，造成膜表面的污染物浓度Cm高于主体溶液浓度Cb，促使膜表面的污染向主体溶液扩散，这种现象为浓差极化现象[3]。由于浓差极化的存在，膜表面的渗透压会升高导致净水通量下降，同时，污染物在膜表面浓缩超过其溶解度会析出形成沉淀并堵塞膜孔，进一步加剧净水通量的下降。

图1 反渗透膜表面浓差极化示意图

Fig.1  Schematic Diagram of concentration polarization

根据反渗透膜的过滤原理可知，浓差极化是反渗透膜污染的主要原因。如图6所示为浓差极化的物理模型，以浓度边界层作为考察对象，根据稳态时的物料衡算可得：

                             （1）

式中，JW为膜的水通量；D为溶质扩散系数。 将式（1）在如下边界条件下进行积分，

得到，

                             （2）

定义传质系数 ，则式（2）可变形为

                              （3）

因Cm>>Cb>>Cp，则式（3）可简化为

                                 （4）

被定义为浓差极化度β，表示膜表面盐浓度（Cm）与主体溶液盐浓度（Cb）的比值。根据《海德能反渗透和纳滤膜产品技术手册（2017）》和《杜邦反渗透和纳滤膜元件产品与技术手册（2019版）》介绍，浓差极化度β与回收率X之间的关系为

                                 （5）

式中，Cb为主体溶液浓度，Cm为膜面浓度，Kp为比例常数，X 为回收率。因X＜1，因此浓差极化度β随着回收率的增加而增加，即回收率越高，浓差极化度越大，反渗透膜结垢污堵倾向越突出，滤芯寿命越短，因此可以通过调节回收率来调节反渗透膜滤芯的寿命。结合式（6）[4]得出可以通过调节浓水流量来调节反渗透膜滤芯的寿命。

                      （6）

3试验材料和方法

3.1 试验模拟系统

本研究设计典型净水机净水系统模拟装置（图2），由自来水经预处理滤芯后进入增压泵增压，然后进入反渗透膜滤芯，浓缩水经废水阀流出，产水经后处理滤芯流出。

图2 实验净水系统原理图

Fig.2  Schematic Diagram of the experimental water purification system

3.2 实验方案

3.2.1设计方案

影响反渗透膜净水流量衰减的水质参数虽多，但判断反渗透膜净水流量衰减最直观的指标为净水流量本身的变化，因此本文通过目标导向建立基于预计总净水量的系统回收率控制方法，即通过在系统中设置流量计及温度传感器，收集计算运行过程中反渗透膜滤芯的净水流量及其衰减系数，进而运算得出反渗透膜的预计总净水量。通过对比预计总净水量和设计总净水量对废水流量档位进行调节。从而实现净水系统对于不同水质的自适应。本方案的控制原理示意图如图3所示。

图3 设计方案控制原理图

Fig.3  Schematic Diagram of the Control Scheme

（2）对照方案

为即不带回收率调节功能的净水系统，系统配置基于国标《GB 34914-2021净水机水效限定值及水效等级》规定的水质按一级水效设计。

4 结果和讨论

4.1 国标水质测试结果比较

将设计方案和对照方案在国标水质条件下运行，测试结果如图4所示。可以看出两个方案的表现几乎一致，均能达到总净水量12000L，净水流量1500mL/min，净水产水率65%的设计要求。设计方案相比对照方案没有表现出明显的优势。

图4 国标水效水条件下设计方案与对照方案测试结果

4.2 恶劣水质测试结果比较

将设计方案和对照方案在恶劣水质条件下运行，具体水质指标如表1所示，测试结果如图5所示。从图5可以看出，设计方案和对照方案在实验之初的表现一致，但随着总净水量的增加，设计方案通过检测、收集、运算发现预计总净水量不能满足设计要求，在总净水量进行到1600L时进行了废水流量的调整，系统回收率从68.4%降低至62.9%，净水流量衰减趋势减缓，在总净水量12000L时，净水流量1200mL/min，净水产水率55%，基本保证了此种水质条件下用户的使用需求。而对照方案的净水流量和净水产水率持续衰减，在总净水量12000L，净水流量仅剩625mL/min，无法满足用户的取水体验，同时由于滤芯污堵严重，系统净水产水率仅为40%。

表1 实验用恶劣水水质指标

水质指标	TDS值 (mg·L-1)	硬度 (mg·L-1)	碱度 (mg·L-1)	PH值
数值	50050	30030	20020	7.5-8.0

因此在恶劣水质条件下，设计方案相比对照方案性能优势明显，如以1200mL/min作为恶劣水质条件下滤芯寿命终点的流量限定值，则设计方案滤芯寿命（12000L）相比对照方案（6400L）延长87.5%，净水产水率提升十五个百分点。

图5 恶劣水质条件下设计方案与对照方案测试结果

4.3 好水水质测试结果比较

将设计方案和对照方案在好水质条件下运行，具体水质指标如表1所示，测试结果如图6所示。从图6可以看到设计方案因设置了“依原水TDS确定废水阀初始档位逻辑”，在实验开始时的净水流量和净水产水率均高于对照方案，在总净水量到达12000L时，净水产水率仍高达75%，而对照方案的净水产水率仅为70%左右。由此可见，设计方案在水质好地区能够做到在保证滤芯寿命的前提条件下，尽可能的提高水的利用率，达到节约用水的目的。

表1 实验用好水水质指标

水质指标	TDS值 (mg·L-1)	硬度 (mg·L-1)	碱度 (mg·L-1)	PH值
数值	10020	5020	3015	7.0-7.5

图6 好水水质条件下设计方案与对照方案测试结果

5 结论

（1）传统净水机回收率不可调，无法适应不同水质，存在在水质差地区滤芯污堵快，水质好地区浪费水的问题。

（2）本文建立了基于预计总净水量的系统回收率控制方法，检测计算的净水流量及衰减系数综合考虑了所有水质指标对反渗透膜的影响，且本方法是以反渗透膜总净水量作为设计目标的控制方法，此方法能够在保证反渗透膜使用寿命的前提下调节废水档位，方法更科学合理，能够实现实现滤芯长寿命和节水的双赢。

参考文献

[1] GB 34914-2021净水机水效限定值及水效等级

[2] 吴降麟.宽流道反渗透膜抗污染性能分析[D]. 天津: 天津工业大学, 2019.

[3] 王湛,王志,高学理,等.膜分离技术基础[M]. 北京:化学工业出版社,2020.

[4] GB/T 30307-2013家用和类似用途饮用水处理装置

[作者简介] 陈静（1985— ），女，硕士，研究方向为家用净水器及净水系统优化研究，E-mail：[e-mail]