在分析国内水源污染及自来水供水现状的基础上,提出了家用自来水净化设备应用的必要性。通过对小型净化设备的净化原理和技术的分析，设计了基于微型流量计的纯水、废水比测量系统并进行了相关流量参数的测试，实验结果对减小废水排放、提高 RO 膜寿命有一定指导意义。

1.概述

近年来，工业生产发展而引起污水的排放不断增加，越来越多的江河湖泊被污染，自来水污染事件也频频发生，国内约有四分之一的农村人口不能喝到安全健康的饮用水，这些因素都直接危害到人体的健康。

城市自来水厂仍采用“混凝 - 沉淀 - 加氯消毒净化”的常规工艺，这种净化工艺虽然可以消除悬浮物、胶体和细菌，但对有机物的去除效率不高，对有害离子的去除不彻底，影响了自来水的水质。此外，标准中规定加氯（漂白粉）量必须≥ 0.3mg/ 每升，氯有强氧化性，它会破坏大米、蔬菜中的维生素，氯与水中有机化物反应生成对人体有害人的物质。在自来水供应环节，政府和自来水公司对管网建设投入不足，缺少必要的管路更换维修资金，管道陈旧、腐蚀、结垢、生锈现象严重，即使合格的自来水，在送往用户的途中已经被部分污染，陈旧的管网是自来水质量不高的另一因素。此外，高层建筑多采用二次供水解决居民用水问题，楼顶的贮水池材质无卫生标准，结构不密封，有时甚至因人为因素而敞开，雨水、灰尘、蚊虫等极易侵入,加上长年得不到清洗，经常看到贮水池内滋生藻类、铁锈斑斑并漂浮着各种杂物甚至掉进壁虎、蟑螂等现象的报道。由于物业公司的技术管理水平和责任心等原因，二次供水储水箱卫生状况堪忧。

随着社会经济发展、科技进步和人民生活水平的提高,人们对生活饮用水的水质提出更高的要求，然而，自来水供水现状的现实问题，短期内难以有较大的改观。此外，城市居民饮用水或烹调用水仅仅占城市供水系统总体供水量的 0.5~2%，以此要求自来水厂改进生产工艺、进行整体管网改造来提高自来水的整体供水质量既不现实也无必要。

基于上述种种原因，要解决饮用水的质量问题，最有效、最直接的办法就是在饮用之前进行处理。在这方面作为提供优质饮用水的家用小型净化水设备或小区净化水设备得到了迅速发展，其主要功能是对城市自来水进行深度净化，降低和除去水中的各种无机物、有机物、有害离子和余氯等，为居民提供高质量的饮用水。这种净化方式是现阶段提高居民饮用水质量的唯一的、行之有效的措施。

目前家用净水器这类繁多，有简单过滤型、多级过滤型，过滤器的类型又有微滤、超滤、纳滤和反渗透等，其中净化效果最理想的是具有反渗透功能的纯水机。这种设备可以过滤自来水中的各种病毒、重金属、农药、有机物、矿物质和异色异味，产出的是一种可以直接饮用的纯水，它的不足是在净化过程中产生较多的浓缩水（废水），自来水的消耗量比较大，也有用户认为该设备滤掉了水中的微量元素。

 本文将从反渗透原理入手对该类设备的净化效率、纯水废水比和成本进行分析，以期对反渗透净水器有一个全面客观的了解，为该类净化装置的选用提供参考。

2.反渗透净水系统

2.1 反渗透原理

反渗透是从海鸥的饮水过程发现并被推广应用的。1950 年科学家 Sourirajan 发现海鸥饮水过程是先吸入一大口海水，在口腔内部进行处理后又吐出部分海水。解剖发现海鸥体内有一层薄膜（半透膜），把海水吸入在体内后加压，使水分子渗透过薄膜转化为淡水饮用，而含有杂质的高浓度盐水则被吐出，这就是反渗透技术的基本原理。

高浓度向低浓度溶液渗透是一种自然的物理现象，用一张薄可以透过水分子，其它离子被阻止的膜将透明玻璃容器分隔成两个空间(如图 1)，两边分别加入不同浓度、等高液面的两种盐溶液（如图a，其中甲溶液的浓度高，乙溶液的浓度低）。一段时间后发现，浓度高的甲溶液一侧液面上升，浓度低的乙溶液一侧的液面下降，薄膜两侧出现液面的高度差。在这个过程中，低浓度的乙溶液中部分水分子渗透到甲溶液中，使甲的液位升高，而盐分不能渗透(如图 b)。 

甲溶液与乙溶液之间的液位差称为渗透压。如果在甲溶液一侧施加一个大小等于该渗透压的压力则系统恢复至初始的状态，两侧液位平衡；继续在甲溶液一侧增加压力，系统将产生方向相反的渗透，甲溶液一侧的盐分被阻隔，水分子渗透到乙溶液一侧，此时乙溶液一侧的液面高度上升(如图 c)。

在含有杂质的溶液中施加比渗透压更大的压力时，渗透会向相反方向进行，即将杂质留在溶液中，水分子压到膜的另一侧，从而产生纯水，最后达到除去水中杂质的目的，这个过程就是反渗透。

2.2 反渗透膜

实现低浓度水往高浓度水一侧渗透的过程就是反渗透，反渗透过程的实现需要外部做功，即必须在外部施加高于渗透压的外部压力。在高于渗透压的压力作用下，将溶液中可渗透的水和不能透的物质分离开来的膜称为反渗透膜。反渗透膜的孔径非常小 (约为0.1nm 左右)，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等物质。反渗透膜是目前最精细的一种膜分离产品，结构如图 2 所示。 

其输入为含有其它成分的原水，在外加压力作用下，原水通过反渗透膜后将水和其它物质分开，输出为纯水和含有其它物质的浓缩水，通常输出的浓缩水是纯水的数倍。

反渗透膜生产企业主要有陶氏、海德能、东丽、东电工、世韩等 公司。

一个好的反渗透膜应该具有较高的透过速率，较高的除盐率和较高的产水率。

2.3 基于反渗透技术的净化水装置 ，

图 3 是一种常用的四级过滤净化装置的基本结构。它由颗粒过滤器、前级活性炭过滤器为预处理系统，除掉自来水中的铁锈、胶体资源。等大颗粒杂质，而后进行增压进入反渗透 RO 膜将有机物、重金属离子、致病菌等进行分离过滤。RO 膜的孔径约为 0.1nm，且具有选择性能，经过膜分离过滤后几乎阻隔了所有 H2O 以外的其他杂质， 得到约 15~20%左右的纯净水，同时 80%或更多的浓缩水被排放掉。调节浓缩水排放阀的开度，可以调节纯净水的产水率和废水比。

试验中实验室自来水的电导率为 535uS/cm，经 RO 膜过滤后，纯水的电导率为 21uS/cm，达到直饮水的卫生指标。

3 .净化效率分析

3.1 霍尔流量计

流量是指单位时间流过单位面积的流体的量。为了准确掌握净化系统的产水效率，需对纯水流量、废水流量进行测量。流量测量仪表种类繁多，在实际应用时应根据工况环境进行选择。

本系统对流量计的要求如下：纯水、小流量，食品级卫生要求，螺纹或插入式连接，直流供电，输出电信号。基于上述要求，本系统选用了霍尔原理的食品级小型涡轮流量计，测量范围为 0-3l/min，输出为串行脉冲，满足纯水和废水流量的要求，流量计安装在 RO膜的纯水出口和浓缩水出口处。计算机采集与流量成正比的脉冲信号，运算后可在屏幕上显示实时流量和累积流量。累积流量值可作为配件更换的主要参考数据。

3.2 综合性能分析

对净化系统的性能指标要进行全面、综合分析，既包括装置本身的技术、经济指标，又要考虑用户的使用、维护成本.

反渗透膜元件的产水率是由生产厂在标准测试条件下得到，是由膜表面浓差极化因子的极限值决定的。目前，绝大多数膜元件的标准产水率为 15%，最大不超过 19%。实际使用中，为了降低膜元件的污染速度，保证膜元件的使用寿命，设计的产水率往往更低一些。但是为了减少系统浓缩水(废水)的排放，在许多家用小型净化系统中设计了较高的产水率。这样的结果从表面看系统节约了部分自来水资源，但却影响了 RO 膜的寿命及过滤效果，反而增加了用户的使用维护成本。由此可知，在设计小型净化装置时，不要追求过高的产水率，要做系统的整体优化设计。

净化效率受到自来水原水质量，增压泵压力、环境温度和排放阀的开度等参数的影响。净水器生产单位或销售商用单一的产水率来评价净化系统并不十分科学，更重要的指标是 RO 膜的使用寿命和更换周期。

图 4 是 RO 膜净化装置的增压泵压力与产水量的关系曲线。在其它条件不变时，给水压力增大，可以提高纯水产水量。图 5 是排放阀的排放压力(与开度成反比)与废水流量的关系曲线，在其它条件不变时，排放压力越高(排放阀的开度越小)则废水越少。

实验结果表明：可以用增大给水泵压力或减小排放阀的开度的 措施来减少废水的排除，提高净化效率。但要兼顾 RO 膜所能够承受的压力和产水率指标，将废水比设定在 3-5 左右，要综合考虑各种影响因素，提高系统的综合指标。另外排除的废水虽然不能饮用,但仍可以用来洗衣服，洗车，浇花，擦地等，做到充分利用每一滴水资源。

4.结论

如何使系统的设计最优化，既能得到合格的高品质的纯净水，又能使充分利用水资源，实现节约用水，最大程度的延长反渗透膜的使用寿命，已成为净水系统设计者的工作目标和努力方向。市场上有多种自来水净化设备，过滤效果和价格也千差万别,用户在选用时应根据自身的需要和经济条件，选用适合自己的净水设备。