反渗透纯水机的改进与发展方向

成都唐氏康宁

2013/05/15

私聊

厂商论坛

反渗透纯水机是净水器产品大家族中产量、销量最大的一类，约占全部净水器的30%以上。我国是净水器包括反渗透纯水机的生产大国，并大量出口到世界各地。反渗透纯水机以其出水安全、卫生、可口而深受消费者喜爱和青睐。但我国很多企业生产的反渗透纯水机还有不少值得改进之处，特别是市场上鱼龙混杂，那些低价劣质产品，更是坑害消费者，也败坏了反渗透纯水机的名声。
笔者从1980年起使用和研究大型反渗透纯水设备（首套为81T/h日本进口的电子工业超纯水设备，后又陆续从美国、英国、加拿大、新加坡进口，共五套每小时产五百多吨超纯水的进口设备），并每天检测它们的各级水质，研究它们的运行规律；笔者从1991年起组织各种净水器展会、技术研讨会数十次，并从1991年起开始使用家用反渗透纯水机，包括进口和国产的多个品牌；笔者从1990年起至今走访了近千个净水器生产企业和近千个净水器经销商，倾听他们的各种意见，关心和研讨他们的产品，指导他们开发新品；笔者从1998年起协助四百多个净水器产品申领了卫生部卫生许可批件，给这些净水器起草了企业标准，修改和规范了产品说明书等一系列技术文件，其中不但有国产产品，也有大量美国、德国、以色列、日本、韩国、马来西亚、新加坡和我国台湾、香港地区生产的进口净水器，其中很多是反渗透纯水机。

本文将借鉴国内外优秀反渗透纯水机的先进理念和设计，阐述反渗透纯水机的改进与发展方向，对反渗透纯水机生产企业研发新品、提高质量提供参考意见和建议，为经销商及消费者选择反渗透纯水机产品提供经验和知识。
一、零部件的简约

零部件的简约不能理解为仅仅是降低生产成本，而更重要的是提高产品的性能、质量和减少故障。反渗透纯水机的零部件特别多，接头也特别多，又是耗电带泵高压运行，很复杂，成本高，相对来说运行费用也比较高而且不可避免导致较高的故障率。

1、无泵

较早提出无泵技术并付诸实施的是若干年前上海某企业，但据用户反映，效果并不理想。即使是新机，到了冬天水温较低的时候，出水小得可怜，几乎无法使用；如果是使用旧机，那么产水量毫无疑问会更糟糕。因此，虽然想法很好，但这种机并无多大实用价值。

反渗透膜必须克服渗透压才能工作，也就是说，必须施以比水的渗透压更高的压力才能使水透过RO膜流出。这一方面和膜的性能（种类及质量）有关：在八十年代初期，笔者使用的反渗透膜还是醋酸纤维膜，工作压力需要30kg/cm²（3MPa）；随着芳香聚酰胺复合膜的应用，八十年代末，反渗透膜的工作压力也降到了15.5kg/cm²；反渗透膜的工作压力在九十年代又进一步降到了10.5kg/cm²；目前，家用RO机的RO膜的进口水压仅为4.5～7kg/cm²。而且，出水水量与水压成正比，水压小了，产水量就小。
其次是水质，刚才说过，要克服水的渗透压，水的渗透压与水中含盐量成正比，海水含盐量很高，渗透压也很高，所以海水淡化的反渗透膜的工作压力要60kg/cm²左右，一般小型海水淡化反渗透装置（如船舰用）采用铜质高压柱塞泵，厚壁玻璃钢膜壳。而我国西北部等地区有很多地方是苦咸水，渗透压也比一般自来水高得多，需用较高压力的泵。所以，适用无泵的RO纯水机的地域是当地自来水TDS（或电导率）较低的地区（如广东、浙江、江西等省的某些地区有这样的水质）。在原水TDS高的地区是不宜推广和使用无泵RO机的。

另一个是自来水水压。在2000年时，我帮重庆一家净水器厂做反渗透纯水机的卫生批件，我第一次接触到不用泵的RO纯水机，他们生产的纯水机销在当地，由于重庆的自来水压力高，因此不用泵，RO纯水机中也没有泵。拿到北京去疾控中心检测，还必需临时另外加装泵。因此，凡是自来水压力高的地区，所使用的RO纯水机是不需装泵的。
再一个是水温，由于RO膜的产水量不但与水压成正比，而且与水温成正相关，大约水温每升高1℃，膜的产水量就增加2.7%左右，当然，如果水温下降1℃，膜的产水量就降低2.7%左右。因此，不加泵的RO纯水机适用于南方热带、亚热带地区。

RO纯水机不用泵，（a）不用电，节约了能源；(b)不用电，安全性大大提高；（c）不用泵，无噪声；（d）不用泵，少了接头且降低了工作压力，减少了漏水概率；（e）不用泵，降低了RO机生产成本和用户制水运行成本。总之，好处多多。我们寄希望于RO膜技术有进一步的突破（现在很多膜公司都在进行这方面的研究，有的声称已有新产品面世）。随着膜技术的发展，RO膜工作压力还会进一步下降，但超过渗透压加膜元件本身的阻力是个底线，是不可突破的。此外，在现阶段，就是采用多支大通量的RO膜，在自来水水压下以膜的面积来换取较大的水通量，而且，这样的无泵RO机只适用于南方自来水TDS较低的地区。
山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。正当大家为如何取消RO机的加压泵一筹莫展时，突然传来好消息，据消息灵通人士透露，浙江某著名净水器生产企业已开发了一款采用普通RO膜，无泵无压力罐的RO机，现已申请了专利。由于三大件中少了二大件，此外，低压开关、高压开关也都不需要了，RO机的成本大大降低。该机不用压力罐，而采用无压力的水箱，让制得的纯水慢慢流入水箱中，要用水时，从水箱中出水。如为厨下式，那还是要用泵把制得的纯水从水箱中打出来（那就不是无泵了，只不过是把泵挪了个位置，从RO前挪到了RO后）；如是台上式或挂壁式，可用龙头让水箱中的纯水依靠本身重力流出。该企业与其合作伙伴计划批量生产后以每月十万台的生产/销售量投放市场，我们期待着这种新型净水器早日与广大消费者见面。

2、压力罐的改进和无罐RO机
首先，要搞清楚RO机为什么要用压力罐？以常用的采用50G膜的RO机为例，其RO膜的产纯水量为7.88625L/h，换算一下，产1L纯水需要7.6min，如需接一杯400mL的水喝，接水的时间需要3min，这是常人所不能忍受的，也就是说，出水太慢。怎么办呢？前人想了一个办法，让水存放在压力罐内，需要用水的时候，打开出水龙头，实际上也就是打开压力罐阀门，水就从压力罐中喷涌而出。这就解决了RO膜出水太慢的问题。

但其他问题又随之出现了，增加了压力罐，不光是增加了RO机的成本（膜、泵、罐是RO机材料中成本最大的三大件），更主要的是，压力罐中有橡胶囊，贮水后特别是久贮后会有橡胶味，于是，在压力罐之后、出水龙头前又加装了后置活性炭，以吸附去除水中的橡胶味，改善口感。但这样一来，又有问题了，关机时细菌从龙头处会慢慢进入后置活性炭滤芯，并在后置活性炭中大量繁殖，进而进入压力罐，在桶壁上繁殖。一台新的RO机使用了二个月后，出水菌落总数就会超标，锯开压力罐，桶壁上全是一层粘乎乎的生物膜，这是细菌、细菌尸体、细菌分泌物等集聚而成的粘液，令人恶心。
据说，国外RO机每年都要换一个压力罐，他们已经把压力罐视作如同滤芯一样的易耗品而定期更换。但这不符合国人的消费习惯以及国人节约、环保的优良传统。那么怎么办呢？

（1）压力罐的改进

压力罐的改进，首先是把罐内的胶囊从橡胶换成塑料袋，解决水中橡胶气味问题，如果没有橡胶味，后置活性炭也就不需要了。其次，把水盛放在塑料袋中，塑料袋做成可更换的，这样，就不必更换整个压力罐，只要定期更换塑料袋即可。第三，采用大膜小罐，使纯水不久贮，常制常用，水质新鲜少污染。第四，有的把压力罐外壳做成透明或半透明的，塑料袋也是透明的，因此，还能看到罐中水位（水量），当然，要放在暗处（如橱内）以防藻类繁殖。这样的压力罐目前已有若干个企业在生产。
（2）无罐RO机

有的厂家做得更彻底，不是大膜小罐，干脆连小罐也不要了，彻底取消了压力罐。压力罐不要了，后置活性炭也没有存在的理由了。不但降低了成本，也解决了细菌污染问题。一家这样做了，其他厂家群起效仿，大膜无罐似乎已经成了RO机的趋势和潮流，众多厂家争相推出此类产品。

不用压力罐，让水直接从RO膜出口处流出取用，就必须加大RO膜面积。那么膜要用多大呢？中华人民共和国轻工行业标准QB/T4144－2010“家用和类似用途反渗透净水机”（2011年4月1日实施）中规定：“5.4.1整机终端出水量：净水机终端出水量应不小于48L/h。”按此计算，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。此时取1L纯水需要1.27min；取一杯水（400mL）则需要0.5min（30sec），用户勉强能承受。但请注意这是在水温25℃时的流速，如水温低，则流速要降低，取水时间则要延长。取消了压力罐和后置活性炭后，纯水随制随用，水质会更好。但由于使用较多的RO膜，虽少了压力罐和后置活性炭，总的成本还是会提高一些。顺便说句，如要降低浓水比例，使用多支RO膜时可以采用一级多段设计。此外，无罐的RO机应选用流量较大的泵。
在RO膜面积不增多的情况下要革除压力罐，那就只好采用另外的储水容器。前述浙江某著名净水器生产企业新开发的净水器也是无罐的，并代之以水箱来盛放制得的纯水。江苏某著名净水器生产企业开发并大批量生产无压力罐净水器更早，并提出“无罐一身清”的理念，以此为卖点吸引用户，RO出水流入称之为“RO机伴侣”中的PE储水袋中，该RO机伴侣放置在台上，依靠重力自然出水，还有加热罐，可出冷热纯水，PE储水袋设计成可拆卸的，便于拆除和安装，定期更换，其工艺流程图见图1。山东某净水器生产企业开发并批量生产无压力罐净水器更早，他是把RO纯水流入挂壁水箱中的PE储水袋中，后面我们还会详细介绍。
RO纯水机工艺流程图

3、电气元件集约化

元件的集约化，曾见过把进水电磁阀和加压隔膜泵集成的，有几个泵厂试过，但不知什么原因，最后都不了了之。最近又有一家台湾企业把RO机的高压开关、低压开关、进水电磁阀三者集成在一起成为一个“三合一”元件，并据说今后还要把“浓水比例器（亦有称“废水比”）”、逆止阀等也集成在内，组成“五合一”元件。但究竟实用价值如何？净水器生产厂是否愿用？我征求了一些净水器厂老板和技术人员的意见，见仁见智，众说纷纭，看来此项改进需要经过实践的检验，需要经过较大规模、较长时间的试用和考验，和常规产品进行故障率对比，才能最后得出结论。
二、浓水利用与减少

1、浓水全利用

RO机是一个很好的分质供水系统，自来水经过PP熔喷滤芯过滤、颗粒活性炭吸附过滤、压缩活性炭过滤等三道预处理后（去除水中余氯，大部份悬浮物、铁锈、胶体，以及部份有机物、嗅和味）制得净化水，其中小部份净水再经过反渗透和后置颗粒活性炭进一步净化后，制得饮用纯净水供饮用；而大部份水（浓缩水）则经过了前三道而未能经过后二级处理，成为净化水流出作为洗用水。在家庭日常生活中，洗用水恰好需求量比饮用水大得多，如淘米、洗菜、刷锅洗碗抹桌子、洗衣服、拖地板、冲厕所。
依据建设部颁发的国家标准GB/T50331-2002《城市居民生活用水量标准》，居民家庭生活人均日用水量调查统计表数据，饮用水仅为厨房洗涤（淘米、洗菜、洗碗、抹桌等）用水的大约1/10（见下表）。因此，RO机的浓水（净化水）作厨房洗涤用水还远远不够呢！要环保，要节能，就必须把浓水全部利用起来！
居民家庭生活人均日用水量调查统计表 (L/d×人)
如何把RO浓水全部利用起来，做到零排放？

方法多多：

有的厨下式RO机，在柜中装二个大小不同的压力罐，大的盛浓水，小的盛纯水。相应装二个鹅颈龙头，一个出纯水，一个出浓水，分别连接压力罐。并用二个高压开关自动控制泵，任一个满了后，泵就自动停止运转。

一般的压力罐中只有一个橡胶囊，现有公司生产的一种压力罐，称为“纯浓水二合一储水压力罐”，横躺着放，皮囊在压力罐中部，左右二室分别为浓水室和纯水室，浓水室的体积是纯水室的二倍。二室都有出口，并分别用PE管接上鹅颈龙头。分别用高压开关自动控制泵，任一室水满了后，泵就自动停止运转。实际上是把二个压力罐“合二为一”了。因此更紧凑了，占地面积更小了，见图2。
还有更巧妙的办法。笔者在山东某公司调研时看到一种十分巧妙的构思。在墙上挂一个硬质塑料水箱，水箱内有一密闭的透明厚壁软塑料袋。RO机产的纯水进入塑料袋内，而浓水进入塑料袋外的水箱内，有二个龙头分别把塑料袋内的纯水（饮用水）和水箱内的浓水（洗用水）供用户取用。用浮球阀自动控制泵：无论塑料袋内的纯水还是水箱中的浓水满了后，顶起浮球阀，通过自控系统，泵就会自动停止运转；水用去后，浮球阀跌落，通过自控系统，泵就会自动运转制水。RO主机仍可放在厨下。这种方法还省却了储水压力罐，降低了生产成本和售价。
另有人提出一种全新的方案，采用逆向思维，构思了一个大胆奇特并切实可行的方案：它没有纯水压力罐而设置浓水压力罐，把浓水储存于压力罐中，并称之为“净化水”用作洗用水。它采用大通量膜（或多支膜），只要一开纯水龙头，通过自控系统，泵就会自动运转制水，所产纯净水（供饮用）的水流量很大，无需压力罐储水而开机时可以直接取用纯水。

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