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1 引言
净水器作为进入家庭后的水再处理设备，可以为用户提供健康、安全的水源。净水处理技术日臻成熟，特别是反渗透净水器类型，从几年前以50G规格的小通量膜为主，到当前已经普及400G及以上规格大通量反渗透净水器。但是，随着大通量（400G规格及以上）反渗透净水器的普及，“头杯水”问题也开始浮现，即机器停止运行后，由于正渗透原理，浓水侧的离子会缓慢渗透到纯水侧，使纯水的总溶解固体上升[3]。当间隔一段时间启动系统时，由于机器内部陈留的水质变差，离子浓度偏高，也即总脱盐率较低，形成通常所说“头杯水”问题。其后果就是净水器放置一定时间重新开启后放出的头几杯水是过滤不完全的，各项细菌、重金属等指标仍存在超标可能，从而达不到净水器原本该起的作用。本文对目前五种比较可行的方案进行对比分析，以期解决“头杯水”问题。
2 五种技术方案对比
目前解决“头杯水”总溶解固体偏高问题的主要有：压力桶稀释、指示灯水质提示、纯水回流、双RO膜纯水冲洗及纯水净膜等技术方案。
2.1 压力桶稀释技术
此技术主要用在小通量反渗透净水器产品，即在RO膜后端设置一个储水的压力桶，机器所生产的纯水先储存在压力桶内，产生的“头杯水”也会先流入压力桶内与纯水稀释，其产品示意图如图1所示。一般压力桶可装7～8L纯水，因小通量RO膜小，头杯水也会少（＜800mL），压力桶稀释后脱盐率就会大于85%，符合饮水要求。但是，此技术方案的最大不足是压力桶占用空间大，成本较高。
2.2 指示灯水质提示技术
此技术是在纯水水龙头上设置一个水质状态显示的指示灯，在机器内部设置一检测水质探针，产品示意图如图2所示。当打开水龙头取水，若探针检测到“头杯水”水质不达标时，龙头指示灯显示为红色，提醒用户此时放出的水不安全，不建议饮用。继续放水后，“头杯水”放完且水质逐渐恢复良好，水龙头上指示灯会由红色变为蓝色，代表此时水可以饮用。此技术欠缺处在开始打开水龙头取水时需要放掉一些水，且需要等待一定时间直到指示灯变为蓝色才能饮用，这样一是要等待，二是浪费部分水，用户体验变差。
2.3 纯水回流技术
此技术是在反渗透净水器常规水路上，增加一个回流水路，水路流程图如图3所示。图3中回水电磁阀及其左边单向阀所组成的水路，即在RO膜的纯水端设置一个管路，使纯水回流至增压泵前的预处理水路上，与预处理水路上初过滤的水进行混合，并一同对RO膜滤芯进行冲洗。混合水的总溶解固体较原水低，与RO膜纯水端的总溶解固体差异相对较小，这样RO膜前后两侧离子的浓度差较小，离子扩散的速度就会大幅降低，从而保证了RO膜纯水端的水质，每次取水时，“头杯水”的总溶解固体相对较低，提升纯水出水水质。因为此技术还是采用稀释技术方案，“头杯水”脱盐率不太可能超过80%，并没有达到较佳饮用水质。
2.4 双RO膜纯水冲洗技术
此技术是指在增压泵后端设计两个RO膜，分别为RO膜一和RO膜二，同时将增压泵改为可变频的增压泵。其原理为每次用水结束后，变频增压泵提供单RO膜用水量供RO膜一制纯水冲洗RO膜二，让RO膜二浓水侧和纯水侧离子浓度达到平衡，都接近纯水浓度。水路流程如图4所示。当用水时，变频增压泵提供单RO膜的用水量供RO膜二制水，因RO膜二内两侧都为纯水，故RO膜二滤芯所制的“头杯水”总溶解固体值较低；当RO膜一侧较高浓度“头杯水”经RO膜二滤芯二次过滤后，变频增压泵提供双膜用水量供RO膜一和RO膜二同时制水，切换至大出水量状态，有效解决了“头杯水”脱盐率低、总溶解固体高的问题。此方案可将“头杯水”水质达到脱盐率85%甚至更高，但是结构空间占用体积大，此技术不足是实现方案较复杂，成本高昂。
2.5 纯水净膜技术
此技术是在大通量RO膜的浓水侧和纯水侧之间，设计一个气动压力桶装置。每次用水结束纯水龙头关闭后，系统会继续制水直到把气动压力桶充满。之后系统启动纯水净膜流程，先将废水电磁阀打开，气动压力桶内的纯水就会缓慢流入RO膜浓水侧，将浓水挤压到浓水口排出，水路流程如图5。这样RO膜浓水侧被气动压力桶内的纯水填充满，此时RO膜内的浓水侧和纯水侧离子浓度差很小，根据RO膜离子（盐离子）渗透率公式：
式中：Qs-膜的透盐量；
Ks-膜的盐渗透系数；
?C-膜两侧盐浓度差；
S-膜面积；
d-膜厚度；
该方程可简化为：
Qs=B×(?C)
式中：B-膜的盐透过常数；
?C-盐浓度差（盐的扩散驱动力）。
从上述公式可以看出，RO膜的离子（盐离子）渗透率与RO膜的两侧浓度差成正比，RO膜的两侧盐浓度差越小，离子（盐离子）渗透率越小，反之越大；当RO膜两侧浓度差无限接近时候，RO膜的离子（盐离子）渗透率趋近于0。为了进一步确认纯水净膜技术的效果，进行试验验证，流程图如图6所示。
以400G反渗透净水器为载体，第一级为前置滤芯（复合滤芯），第二级为RO滤芯，根据纯水净膜技术流程图，在RO膜两端连接气动压力桶和纯水净膜水路，测试数据如图7。
测试条件：原水为加标水，总溶解固体为（500±50）mg/L之间，环境温度25℃，整机为400G反渗透净水器，要求待机8小时后稳定脱盐率＞90%。
测试方法：初次开机运行，在供水压力为（0.24±0.02）MPa下，于达到标称额定总净水量的0%、25%、50%、75%和100%点进行加标测试。达到标称额定总净水量的0%点进行加标测试前，要求使用试验用水或市政自来水稳定运行1h。达到标称额定总净水量的25%、50%、75%和100%点进行加标测试时，切换试验用水打开水龙头稳定运行15min后，在不断电条件下关闭龙头不取水，8h后打开净水龙头用量杯连续收集5杯净水，每杯体积200mL；按GB/T 5750.5的规定测量进水和净水的含盐量，并按如下公式计算第N杯水的脱盐率Rn，且取其中最低的值为Rmin。
式中：Rn-脱盐率，单位为百分号%；
Cf-进水含盐量，单位为毫克每升（mg/L）；
Cp-净水含盐量，单位为毫克每升（mg/L）。[5]
此时，Rmin取值Min{R1，R2，R3……R10}，即10杯水中脱盐率最低值。整机额定总净水量范围内，可分为5段用a规定的加标水进行b项测试，在达到标称额定总净水量的0%（初始）、25%、50%、75%和100%时的任何1段测试后得到的Rmin，均需要符合出水水质持续稳定。
测试结果：全程脱盐率＞85%；
数据来源：本公司实验室。
根据试验数据可以发现，以总溶解固体500mg/L作为原水，其净化后总溶解固体均≤45mg/L，全程脱盐率＞85%，400mL后脱盐率达到机器稳定脱盐率。这说明纯水净膜后RO膜两侧离子浓度差非常小，RO膜的离子（盐离子）渗透率非常低。
产品空间要求方面，纯水置换技术因只需增加一个微型气动压力桶装置和置换水路，新增部件体积较小，可通过现有产品优化来实现此技术，且成本相对较低，因此可大范围推广和应用。
3 结论
通过对上述五种技术方案优劣势分析，笔者比较推荐纯水净膜技术，此技术实现成本较低、水质稳定，且并不会增加太多体积，是目前可以较好解决问题的方案。随净水技术研究的不断创新升级，相信未来会有更好技术方案来实现全程零陈水，彻底解决用户对“头杯水”问题担忧。
