张鑫
佛山市美的清湖净水设备有限公司 广东佛山 528311
摘要： 本文介绍了家用反渗透膜滤芯的制作过程和常见工艺问题的规避方法，通过去除率不合格、流速不达标、卫生安全不合格三大主要应用问题的原因分析，指导家用反渗透膜滤芯在反渗透净水设备上的合理应用，提供家用反渗透膜滤芯的工艺及性能优化方向。
关键词：反渗透膜组件、过滤单元、反渗透膜滤芯、失效模式、失效规避
The Manufacture of Household Reverse Osmosis Membrane Filter Element and Its Application in Water Purification
Zhang Xin
Abstract: This article introduces the manufacturing process of household reverse osmosis membrane filter elements and the avoidance of common process problems. Through the analysis of the three main application problems of unqualified removal rate, unqualified flow rate, and unqualified health and safety, it guides the application of household reverse osmosis membrane filter elements in the osmotic water purification equipment and provides the process and performance optimization direction of household reverse osmosis membrane filter elements.
Keywords: reverse osmosis membrane module, filter unit, reverse osmosis membrane filter element, failure mode, failure avoidance
随着净水市场上反渗透净水机的应用占比逐年增大，反渗透膜滤芯作为其核心零部件，产量和销量也逐年增加，反渗透膜滤芯制造和实际应用中反馈出的问题也日益突显，亟待进行改进和优化。本文就反渗透膜滤芯制作及使用过程中出现的主要问题进行归纳和分析，为其制造工艺及性能优化指明方向。
1 反渗透膜组件的组成及主要功能
反渗透膜片是反渗透膜组件的核心组元，其过滤精度约为0.0001μm，可以去除胶体、微生物、重金属离子、有机物、二价及以上的溶解盐以及大部分一价溶解盐。浓水格网放于对折膜页截留层一侧夹层中，主要作用为均匀布水，同时实现对两对折膜页的支撑和隔离，防止膜片润湿后粘黏在一起无法有效过滤。相邻两个对折膜页通过胶水实现三边密封形成膜袋。纯水滤布位于每个膜袋内部，主要作用为纯水导流。浓水格网、反渗透膜袋、纯水滤布三者构成了反渗透膜组件的核心过滤单元，N页膜（N≥1,为未对折前膜片的页数）由此种的N个核心过滤单元组成。
图1.1不同分离膜污染物分离尺度示意图
在以上N个过滤单元的基础上，制作成螺旋卷式膜组件可以使填充密度最大化，最小的体积实现最大的通量。源水流经膜组件的过程中，水流分为两路，第一路为浓水，从反渗透膜片截留层表面经浓水格网流出，第二路为纯水，从膜袋中经纯水滤布导流到纯水收集管中。纯水收集管为螺旋卷式反渗透膜组件内流道中的重要组元，纯水从N个膜袋内部的开口流出统一汇集到纯水收集管中，在水流推动下流向组件外部。浓水则在水流压力的推动下经浓水格网流到膜组件外部[1]。
2反渗透膜滤芯的制作及失效规避
2.1膜片的分切和裁剪
确认膜片的平板膜性能满足采购标准后可进行膜片的分切，分切宽度应根据需卷制的膜组件尺寸、两端切割余量以及膜片的最大有效利用率来设计。针对不同膜片应设计不同的收放卷速度和分切参数以规避膜片拉伤，收卷和放卷的相对位置需保持动态平衡，防止相对偏移导致的膜片打折和撕扯损伤。根据膜片应用尺寸可以选择纵切和横切两种方式，采用横切可提高膜片的有效利用率。
膜片裁剪参照膜组件的尺寸和页数要求进行，膜片对折用力过大将导致折痕处截留层损伤，进而导致膜组件脱盐率降低。人工裁膜和对折可以采用缓冲工具辅助，若采用设备操作则需要根据不同膜片的机械受力属性进行相应参数设计以最大化减小对折对膜片截留层带来的损伤。对折完成后需要在截留层夹层中放上格网，为膜组件卷制做好准备。格网尺寸按照膜组件尺寸规格设计，格网长度建议超出膜片长度2∽3cm（此长度根据不同厂家工艺控制情况设定）以防止格网在膜片卷制过程中滑移收缩进入膜袋内部导致无格网的区域两膜页湿润后粘合在一起导致纯水流速偏低。
2.2膜组件的卷制和切割
常规膜组件的卷制主要有中心管焊接滤布、切割线定位、放膜片、打胶、放滤布、卷制、缠外保护膜这七个过程。中心管焊接滤布需要预先将滤布平整展开与中心管圆周面紧密贴合，然后启动焊接，焊接后需检查滤布在中心管上的焊接情况，确认焊接点附近滤布粘合平整对称后空卷一圈半滤布，确认滤布与中心管的相对位置平衡后，拉紧并固定滤布后端。按照膜组件的尺寸要求在中心管两侧标记好切割线的位置。将对折好的膜片平整放在焊接好的滤布上并贴近中心管圆周，同时确认膜片与中心管、滤布的相对位置周正，如果膜片放歪将导致后期胶线被切割，最终导致膜组件报废。设置好打胶走位并试运行，胶水的用量根据膜片和滤布压合后铺展开的胶线宽度要求来设置，如果工艺控制水平较高，胶量可以适当减少，若切割后单边胶宽太窄容易有漏盐风险。打胶设备需要定期点检，重点检查A胶和B胶的出胶速度和比例。 A胶和B胶出胶不一致可能会导致两者混合时出现微气泡，胶线处会产生毛细渗漏现象。A胶和B胶配比失当将造成胶水粘合效果不佳，胶位漏盐。打完胶水后在膜片上放上滤布，对折膜页可设置一定的错位以提高膜片利用率，滤布长度与对折后的最长膜页保持一致，滤布长度可与格网长度保持一致。对于具有N（N≧2）页膜的膜组件，每个折叠页打完胶水并放好滤布之后需要预卷一段距离，该距离为中心管周长（C=πd（d为中心管直径））与卷制的膜页数(N)之商，即C/N，这样操作是为了使膜袋均匀分布在中心管四周，防止卷制过程中由于膜组件圆周面应力分布不均造成膜片跳动损伤以及膜袋和中心管之间的粘合不良问题。当所有膜页送卷完成后，通过顶杆辅助空卷2圈以适当增加膜组件卷制紧度，然后采用游标卡尺量取当前的卷制尺寸，若偏小则可多卷适当长度的滤布来控制直径，若偏大则需要综合评估膜组件的要求通量和设计参数，修改相应配合结构件的尺寸或者修改膜片、格网以及滤布的长度尺寸以满足装配要求。将蓝胶带端头平整粘贴在膜组件上，缠绕一圈半后切断完成整个膜组件的卷制过程。
按照膜组件图纸上的尺寸要求调节好切割刀位和切割速度。第一个膜组件可以作为试切样品，根据切割下来的两个端头余料的胶水宽度可以判断设置的切割位是否合理。若切割参数设置合理且膜片卷制过程中膜片、滤布、格网均放置到位且周正，则单纯由切割造成的不良率较小。
2.3膜组件的装配及气密性检测
对于1812和3012等尺寸的普通膜组件，膜组件的2个端面，即自来水进水端和浓缩水出水端不需要胶封，可以直接装上中心管上的密封圈后进行气密性检测。对于其它工艺特殊的膜组件，例如从圆周面进水且两个端面密封或者半密封的侧流膜，由于自来水进水流道、浓缩水出水流道以及纯水出水流道需相互隔离，因而需要采用上下端盖辅助进行胶封以形成相互隔离的流道。同时由于膜组件需要与外部滤芯壳体（CAP和BODY）相互配合，需采用水路转换件和密封圈辅助完成内外流道隔离。因此，示例中（图2.2 右图）的侧流膜可以在切割完成和封装上下端盖之后装上中心管上的密封圈（特殊中心管采用转接头辅助）分别进行一次气密性检测，以便提前筛选出不良品进行报废。待气密性检测合格后，普通的1812或者3012等型号的膜组件可以装上大密封圈（隔离进水和浓缩水）并采用白胶带缠绕固定，侧流膜等特殊膜组件则需要安装上水路转换件等其它辅助件，然后采用白胶带等辅助固定。
图2.1 普通反渗透膜组件示意图
左侧：普通膜组件 右侧：侧流膜组件（示例）
图2.2 普通膜组件和侧流膜组件密封示意图
2.4反渗透膜滤芯的封装
可以将制作完成的膜组件装进通用膜壳，通过螺纹旋合密封，再通过快接件等进行水路连接使用，或者将制作完成后的膜组件外部通过滤瓶盖和滤瓶体等形式的结构件配合旋焊密封，再通过不同结构滤瓶盖上的不同接口方式与水路板配合形成水路通路后使用。
3反渗透膜滤芯应用失效模式及规避
家用反渗透膜滤芯的应用失效模式主要为去除率不合格、流速不达标，卫生安全不合格这三大类。
3.1 去除率不合格的主要原因及规避方式
去除率不合格主要原因有反渗透膜袋打胶密封不良、进水/浓缩水/纯水流道之间隔离不严密导致窜水、反渗透膜片人为或者机械损伤、膜片表面结垢磨损、反渗透膜片背压损伤等。
反渗透膜袋需要通过三边打胶进行密封，在打胶的过程中，如果突然断胶未进行补救就继续进行后续操作，则膜袋打胶区将形成缺口，导致反渗透膜滤芯的去除率不合格。同时，由于反渗透膜打胶常用A/B双组分聚氨酯胶水，如果胶水配比设置不当或者混胶管中A胶和B胶出胶速度与要求比例不对应，将导致胶水粘度不足或者胶线中出现气泡，进而造成胶水凝固后打胶区出现显著缺陷（膜组件染色后胶线区会被染上色或者胶线很容易撕开）或者毛细渗透现象（拆开膜组件不撕开胶线就可以看到胶线区出现小褶皱，染色后撕开褶皱处胶线可以发现渗漏着色的细条纹）。此外，卷制反渗透膜组件所在车间的环境温度和湿度也会对打胶产生影响，温度偏高偏低或者湿度偏大偏小将影响A/B胶水的反应速度，进一步影响胶水的粘度，最终影响膜袋粘合区的强度。因此，车间需要周期性检查打胶机的运行状态以及车间的温湿度条件，出现问题相应采取整改措施。
普通反渗透膜组件通常在膜组件靠近进水端面一侧套上大密封圈并采用白色胶带缠绕密封以实现进水与浓缩水的隔离，若选择的大密封圈外径偏小，将反渗透膜组件装入滤瓶后，大密封圈不能与滤瓶内壁紧密贴合，进水和浓缩水相窜，将导致膜滤芯运行时膜前压偏低和脱盐率不合格。同时，若套有密封圈的中心管端，也即纯水出口与滤瓶的纯水出水口之间密封不良将导致浓缩水和纯水互窜，纯水出水脱盐率也将不合格。随着滤芯一体化集成趋势的发展，同一滤芯中多条流道相互隔离的设计逐渐增多，在滤芯的尺寸设计和组装过程中，需要特别留意进水/浓缩水/纯水/前置进出水/后置进出水等多条分离流道中用来辅助隔离的配件（密封圈或者结构件等）的尺寸及结构设计，防止在复杂的实际使用环境中密封圈挤压变形或者结构件强度不足变形导致窜水。
反渗透膜片在膜组件制作的各个工序之间转运的过程可能会造成人为或者设备损伤，若员工在膜组件卷制前未及时发现，未能将相应的膜页废弃替换掉，而膜片损伤区域较小，在气检时也未能有效检出，将导致制作完成的反渗透膜滤芯在使用时才暴露去除率不合格，此种失效需要加强员工培训，提醒员工在膜片转运过程中轻拿轻放，及时发现膜片缺陷进行相应废弃和替换。膜片损伤还有可能由膜组件的结构件设计不合理导致，例如中心管外壁不平滑，有棱角、深凹坑或者披风等，在膜组件卷制完成后，此种中心管与膜片直接接触，在外界压力冲击下，膜片被压伤或者划伤，导致去除率不合格。
如果反渗透膜滤芯所在整机系统回收率设置较高（例如纯废水比2:1及以上）且在进水TDS较高的区域使用，如果废水中难溶或微溶离子（Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-等）的浓度高于其对应离子的溶解度将以难溶或微溶盐的形式在膜片表面析出，随着整机的继续运行，这些垢体在膜前压的作用下对膜片产生不可逆磨损，导致脱盐率不合格。解决该问题的最有效方法是降低整机回收率或者在反渗透膜滤芯前端管路中添加阻垢剂抑制垢体形成。通过增加整机冲洗次数，特别是在净水机每次使用完成后就进行冲洗也是比较有效的延长反渗透膜滤芯使用寿命的方法。
由于反渗透膜片为无纺布/聚砜/聚酰胺的三层复合结构，聚酰胺层为在聚砜层表面经过界面聚合形成，三层界面之间的结合作用较弱。据实验显示，任何时刻，只要产水压力高于进水或浓水压力达0.03MPa及以上，该复合膜就有可能发生复合层之间的剥离，这种剥离会使得膜片表面脱盐层受到强烈拉伸，进而导致膜组件产水水质急剧降低，在某些极端情况下甚至不再具备脱盐能力。因此为了防止关闭水龙头时反渗透膜滤芯后端的水逆流产生背压，需要在反渗透膜滤芯后端加上单向阀，该单向阀在整机的使用寿命范围内不能损坏，不然将导致反渗透膜滤芯截留失效。同时需要规避整机电控程序中使得整机刚关闭水龙头停机就立刻打开废水阀的类似泄压操作，因为反渗透膜滤芯纯水出口一侧的压力（膜后压）是通过与膜前压抵消平衡卸掉的，若突然对反渗透膜滤芯进水一侧泄压导致膜前压迅速降到零，则反渗透膜滤芯纯水出口一侧的瞬时压力（膜后压）将大于膜前压，导致较大的背压产生，最终导致膜片的复合层之间剥离。反渗透膜滤芯所在的整机系统需满足：膜后压（P2）-（膜前压（P1）和阀前压（P3）中更小者）≤0.03MPa。
图3.1 膜前后压力示意图 P1：膜前压 P2：膜后压 P3：阀前压
3.2 流速不达标主要原因及规避方式
流速不达标主要原因有反渗透膜片通量低于要求下限、反渗透膜滤芯通水润湿后水分流失导致膜孔不可逆闭合、反渗透净水机缺水空抽导致膜片气堵、纯水滤布流道硬挺度不足导致膜片塌陷、进水格网导流不畅等[2]。
由于反渗透膜片在制备过程中，水相或油相中溶液的浓度会随着膜片的制备过程不断变化，设备对料液浓度监控的可靠度及补给控制影响最终的成膜性能，由于不同膜片厂家的设备状态及工艺水平存在差异，因而量产出来的膜片通量存在不同的波动范围。膜片通量若低于设计规格的下限，则仍然保持相同有效膜面积的膜组件通量将不达标。因此需要监控膜片厂家严格按照采购要求送样，同时公司内部需要提升来料检测水平，及时发现和规避生产应用的膜片通量不达标的情况，一旦发现及时退回膜片供应商处理。
从微观上分析，反渗透膜片的膜孔（包括聚砜层和聚酰胺层）由高分子链之间的间隙形成，高分子链在不停地发生微观扰动，因此反渗透膜片在制备过程中和制备完成后均会被浸涂上保湿剂（甘油等）以支撑膜孔和保持膜片通量。若反渗透膜片在通水润湿后（水分子将置换掉保湿剂分子，继续支撑保护膜孔）其表面或内部的水分流失，则膜孔收缩，高分子链回复到自由扰动状态，如此将造成反渗透膜片通量的不可逆下降。因此，在反渗透净水机的实际应用中，整机初装时已经通水润湿，需要提醒用户经常启动净水机使用以防止久置不用导致的纯水通量不可逆下降。
反渗透净水机安装通水后，若家里突然停水且用户不小心开启水龙头未及时关闭将导致整机发生空抽现象，该情况可能会导致反渗透膜片脱水或者部分空气进入膜孔发生气堵，导致整机通量不可逆下降。针对该问题，安装师傅需要提前告诉用户应该规避的错误使用情况，同时反渗透净水机最好配备缺水快速识别及自动断电的保护功能。
纯水滤布的主要功能为纯水导流以及膜袋两膜页之间的支撑隔离作用，若纯水滤布流道硬挺度不足，在膜前压的作用下，将会发生膜页被挤压进入滤布流道中，导致纯水导流不畅、整机纯水出水流速不达标问题，因此引入新滤布材料时需要重点关注滤布技术规格书上的硬挺度（抗弯强度）[3]参数，建议参考已有的稳定滤布供应商技术规格书上的参数范围。
对于普通膜组件而言，若靠近膜片对折折痕一侧的格网短边偏离折痕位置过远（大于5mm及以上），则无格网区域的两膜页截留层可能会粘连在一起，进水无法进入到该位置充分过滤，导致膜组件的有效过滤面积偏低，进而影响膜组件的整体通量。对于从膜组件圆周面进水的侧流膜组件而言，除了存在和普通膜组件一样的风险外，若处于圆周面进水口一侧的浓水格网相对膜片长度来说过短或者缩进对折膜页的内部，将导致侧流膜组件对应膜页表面的进水量不足，最终导致膜组件通量不达标。总体而言，膜组件的两个端面以及沿着反渗透膜页表面流动水流的进水和出水口位置，浓水格网的尺寸均需不低于反渗透膜片所在区域各边界的尺寸，以此避免进水导流不畅导致的膜组件通量不达标。
3.3 卫生安全不合格主要原因及规避方式
卫生安全不合格的主要原因有浸泡出水锑超标、浸泡出水耗氧量增加量不合格、浸泡出水菌落总数超标等。
家用反渗透膜组件所用的纯水滤布多为PET材质，有些厂家在该材料的合成过程中会加入锑作为催化剂，进而带来了反渗透膜组件卫生安全浸泡锑超标的风险，解决该问题的方法为采用无锑滤布进行替换使用，或者改善滤布材料后处理工艺去除残留的锑。
反渗透膜片制作过程中需要添加甘油作为保湿剂，用以支撑膜孔和保持膜片通量，虽然不同膜片厂家用于膜片保湿的甘油比例不同，但未经充分前处理的反渗透膜滤芯在卫生安全检测时会出现浸泡出水的耗氧量增加量指标不合格。因此建议新的反渗透净水机需要先通过冲洗和浸泡交叉进行的前处理方式去除反渗透膜片表面及内部的保湿剂后再正常制水饮用。
反渗透膜片的过滤精度为0.1nm左右，反渗透膜滤芯在无制程损伤且膜片脱盐层本身无缺陷的条件下，排除测试操作不规范原因，出现浸泡出水菌落总数超标可能是因为反渗透膜滤芯在制作完成时膜袋内部已经存在细菌，膜滤芯制作过程中的车间空气状况、员工手的清洁度、设备的清洁度等均有可能影响膜袋内部的清洁度。因此，建议对制作车间及设备进行定期消毒杀菌或者借鉴无菌车间配置，同时注意员工手的清洁度维护和保持。
4结束语
（1）反渗透膜滤芯的制作过程需要重点关注的因素有：反渗透膜片来料（通量、脱盐率、膜片表观状态、储存稳定性）、设备的参数设置（分切、卷制的张/拉力）、车间的温湿度及清洁度、胶水的配比及出胶状态、膜片放置的平齐度等。
（2）反渗透膜组件的设计需要充分考虑进水/纯水/浓缩水三条水路的隔离和密封，防止结构上窜水。格网宽度和长度设计需要满足最大化覆盖反渗透膜片表面的原则。纯水滤布选型需要重点关注硬挺度（抗弯强度）以防止膜片表面承压后压入纯水滤布流道中。
（3）反渗透膜滤芯在整机上应用时要规避单向阀损坏、润湿后脱水、停水后继续通电运行使得整机空抽等异常问题，同时需要提醒用户整机需要在充分前处理（冲洗和浸泡交叉进行效果更佳）之后再正常制水饮用。
参考文献
[1] Jon Johnson, Markus Busch, et al. Engineering aspects of reverse osmosis module design [J]. Desalination and Water Treatment, 2010, 15:1-32: 236-248.
[2] Jiuqing Liu, Ashkan Iranshahi, et al. Static mixing spacers for spiral wound modules. Journal of Membrane Science, 2013, 442: 140–148.
[3] 吴坚，汪德璜，李淳，李晓君，陈怡星. 涤纶长丝滤布热收缩性能的研究.大连轻工业学院学报，1997，16（1）:58-63.