高纯铜锌合金(KDF)在水处理中的应用

摘 要：介绍高纯铜锌合金(KDF)的特性，在水处理行业的可应用范围及前景。

关键词：高纯铜锌合金、KDF、电化反应、重金属、余氯、阻垢、水处理。

1984年，DON HESKET偶然发现了铜锌合成物对氯的去除效果，经不断试验，DON不仅发现了从水中去除氯的新公式，还开辟了水处理的新纪元。KDF自此开始被广泛的应用于水处理中。

一、KDF的作用及作用机理：

KDF是高纯度的铜，锌颗粒，通过电化学氧化一还原(电子转移)(REDOX)进行水处理工作，它可以清除水中高达99%的氯和水溶铅、汞、镍、铬与其它可溶解金属。对控制细菌，真菌，污垢，水藻的滋生成效卓著。被用于预处理，主处理与废水处理设备。KDF完善或取代现有技术，大幅度延长了系统寿命，减少了重金属，微生物，污垢，降低了总费用，减少了维护。

(1)去除氧化剂(余氯)

KDF能去除水中的氧化剂，例如余氯。该作用是通过电化学氧化还原反应完成的。氧化还原反应的发生是因为KDF是由两种不同的金属组成的，与水接触时，合金中电位高的铜成为阴极，而电位低的锌是阳极。在阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应。锌阳极在反应中失去了电子，锌离子成为牺牲者进入溶液，铜阴极上发生游离氯的还原反应，而不会发生金属铜的溶解，水和余氯成为最后的电子接受者，同时生成氢离子、氢氧根离子和氯离子，总反应式如下：

Zn十HOCl十H20十2e- → Zn2+十Cl- 十 H+十2OH-

水中其他的氧化剂，如臭氧、溴、碘等与KDF接触后也能进行氧化还原反应。

(2)去除重金属

KDF处理介质可以去除水中的重金属离子，如铅、汞、铜、 镍、镉、砷、锑、铝和其他许多可溶性重金属离子，它们的去除是通过电化学氧化还原反应和催化作用完成的。

KDF去除重金属离子的机理如下：金属离子镀覆于KDF处 理介质的表面或进入KDF晶格中，从而使有毒重金属污染物结合在KDF上。例如，水中溶解的铅离子还原成不溶性的铅原子，并镀覆于KDF介质的表面;x射线衍射研究发现汞的去除是形成了铜—汞合金。

KDF处理重金属离子的化学反应式如下：

Zn/Cu/Zn十Pb(NO3)2 → Zn/Cu/Pb十ZN(NO3)2

Zn/Cu/Zn十HgCl2 → Zn/Cu/Hg十ZnCl2

金属离子在水的pH升高时水解形成金属氢氧化物沉淀， 也能去除金属离子。

(3)去除硫化氢

在应用膜法进行水处理时，如果选用地下水作水源，水中可能存在硫化氢，硫化氢如被氧化成硫磺就会污染膜表面，KDF过滤介质有去除硫化氢的功能，生成的硫化铜不溶于水，可在KDF介质反冲洗时去除，化学反应式如下：

Cu/Zn十H2S → Cu/Zn十CuS十H2

2H2十O2 → 2H2O

(4)减少悬浮固体

KDF处理介质的颗粒平均尺寸大约为60目，最小的颗粒约110目，也能起到物理过滤去除悬浮物质的作用，通常KDF过滤介质能够有效地去除直径小至50μm的颗粒。

由钢铁材料制成的输水管件腐蚀时，铁氧化形成FeO胶 体，FeO与KDF接触，也可以发生氧化还原反应，FeO最终形成 2Fe2O3固体沉淀在KDF表面，可用反冲洗方法将它们去除，化 学反应式如下：

2Cu十FeO → Cu2O十Fe

4Fe十3O2 → 2Fe2O3

(5)减少矿物结垢

KDF处理介质对碳酸钙垢的作用有二个方面。

一方面，根据pH、二氧化碳浓度和碳酸钙溶解度之间的关系，当二氧化碳从溶液中除去时，pH值升高，因而使碳酸钙的溶解度降低;KDF通过电化学反应也使水的pH值升高，降低碳酸钙的溶解度，结果使碳酸钙垢容易析出。

另一方面，由于KDF处理介质中，锌离子的溶出，水中的锌离子含量有所增加，水中锌离子的存在能改变垢的晶体生长机理，使水中的碳酸钙垢以文石的结晶形态产生沉淀，在容器的器壁上形成软垢，而不是结晶为方解石型的硬垢。曾有人研究过水中杂质存在对方解石结晶生长的影响，研究发现，即使锌离子的浓度很低时，也能阻止方解石结晶的形成。

通过试验可以进一步证明，KDF处理介质防止矿物硬垢的形成和积累，主要是阻止方解石形态碳酸钙的结晶。采用扫描电子显微镜和x射线衍射进行结晶学研究证明，未经KDF处理的水中产生的硬垢是一些相对大的、具有规则形态的针状钙盐和镁盐的结晶，这些盐类质地坚硬、溶解度低、具有网状结构，是玻璃石灰石垢。经过KDF处理介质的水中结成的垢，从根本上改变了碳酸钙(镁)结晶的形态，垢形相对变小，外观平坦呈圆形、颗粒形和棒形，都是由不坚硬的粉状成分组成的，这些成分不会粘附于金属、塑料或陶瓷的表面，很容易用物理过滤方法将它们除去。

(6)抑制微生物的繁殖

KDF处理介质不是通过一种机理、而是几种机理控制微生物的生长繁殖，通过每—种的单独作用或协同作用来达到抑制微生物的作用。

①氧化还原电位的变化

水通过KDF处理介质时，其氧化还原电位从+200mV变化到—500 mV，在一般情况下，各种类型的微小物只能在特定的氧化还原电位下生长。电位的大幅度变化，能破坏细菌的细胞，从而控制了微生物的生长。但是，水的氧化还原电位变化很小，用KDF控制细菌，必须使细菌与KDF直接接触，KDF对细菌的抑制作用主要发生于KDF—水接触面上，所以仅靠氧化还原电位的变化并不能完全控制微生物。

②氢氧根离子和过氧化氢

美国印第安纳州南本德圣母大学在研究KDF处理介质降低水中铁离子浓度时发现，在KDF将二价铁氧化到三价铁的过程中会产生氢氧根离子和过氧化氢，这就可以抑制那些在低氧化电位时尚能存活，但对氢氧根离子和过氧化氢敏感的微生物， 但是氧氧根离子和过氧化氢的寿命短，只是在过滤过程中具有高的反应活性，对微生物的抑制效果比较明显，在流出水中的残 余效应比较小。

③锌离子对微生物的控制

KDF处理介质中释放出来的锌对微生物有明显的控制作用，锌能阻止酶的合成，从而影响有机体的正常生长，达到抑制微生物繁殖的目的。

另外，KDF介质通过阻止叶绿素合成而控制藻类生长，锌离子的存在从本质上降低了有机体从光合作用生产食物的能力，细菌种群的食物和能量来源是依靠藻类群落，藻类的减少将显著影响细菌的生长。

二、KDF的可应用范围

KDF可广泛用于预处理，主处理与废水处理设备中。它们大多与活性碳颗粒过滤器，碳块或管内过滤器共同使用。也可单独使用。

用KDF介质进行水的预处理是一种简单、低耗的方法。对于 微滤、超滤、反渗透膜、离子交换树脂、颗粒状活性炭，KDF介质能够保护这些昂贵易损的水处理组件不受氯、微生物、结垢的影响。此外，KDF介质能去除高达98%的重金属，如Pb、Cd、Ce、Ag、Ar、Al、Se、Cu、Hg，另外，借助沉淀在KDF介质上发生的氧化还原反应还可以降低水中碳酸盐、硝酸盐和硫酸盐。

影响膜分离工艺效率的主要问题是各种污染物在膜表面的沉积，造成膜表面孔的堵塞，这已是无可争议的事实。KDF介质与 微滤、超滤、反渗透膜、离子交换树脂、颗粒活性炭相比，在提高水处理效率和持续保持高效方面具有更多的优势，消耗更低。

(1)去除市政饮用水中的余氯

KDF处理介质正日益被用来替代或与活性炭过滤器联合使用，去除市政自来水中的余氯(可高达99%)，其主要特点是使用寿命长。进行KDF介质预处理可延长颗粒活性炭的使用寿命，并保护活性炭滤层免受细菌污染。使碳的去污能力提升到原来的15倍。并且KDF使更小型的碳过滤器的使用成为可能，从而降低了使用成本。

(2)保护反渗透装置

反渗透膜很容易受氯腐蚀。KDF介质可代替活性炭处理以保护反渗透(RO)装置免受氯气、细菌污染。

活性炭过滤器也可有效地去除余氯，但是由于活性炭在高氯 水中会很快吸附饱和，所以在操作时必须严格控制水中氯气的浓度，而且活性炭过滤床容易孳生细菌。KDF处理介质除氯率高，有抑制微生物繁殖的作用，因而可为反渗透膜提供了稳定、长期的保护。

美国现代中西部门诊部实验室处理量为355L/d的反渗透装置，装了KDF过滤介质预处理设备后，膜的使用寿命明显延长。实验室的操作管理人员的报告表明：反渗透膜工作了整整八年，给美国病理学院提供了大量试剂用水，出水水质一直保持在一级水平。

(3)抑制冷却水中细菌及藻类的繁殖、减少结垢

冷却塔及水冷式热交换器中的水常被加温并曝于空气——因而成为细菌、藻类繁殖的绝好温床(例如Legionella(军团病)可得自冷却塔)。传统化学法通过投加药剂控制冷却塔中藻类及细菌生长，其费用昂贵，后续污水处理成本也高。KDF处理介质处理冷却水成本低，可有效控制藻类及细菌生长，不使用对环境有害的化学物质。另外，经KDF介质处理后的水可减少硬水垢的生成。

(4)KDF处理介质与其它净水系统

KDF介质可以控制颗粒活性炭层或活性炭滤芯内细菌、藻类的繁殖。当活性炭与KDF处理介质一起使用时，活性炭去除有机杂质及余氯的能力增强。

KDF处理介质也可以代替渗银活性炭。从而降低成本。也避免了渗银活性炭银的毒性造成的潜在危险。

(5)去除有害重金属及其他可溶性重金属离子

KDF介质，可单独用来从水中除去铅、汞、砷等有害重金属以达到满足饮用水的要求。以除砷为例，美国《水工艺》杂志1994年第4期报导，当进水含砷量为5mg/l，KDF过滤处理后水中含砷 量为0.O1mg/L，去除率99.7%。在应用KDF除砷时，毋需投加药剂，所需设备也较简单，仅需配备一台KDF过滤器，处理过程也十分迅速，其过滤速度是一般采用石英砂的机械过滤器的三倍，因而设备占地面积也较小。

三、KDF的其他优点

KDF处理介质的高寿命

所有的水处理介质都具有一个有效期。硅砂(Si02)无疑是寿命最长的过滤介质，其次就是使用KDF处理介质。有两种情况会降低KDF处理介质的使用寿命，每一种都需很长时间。第一种是水中余氯的含量比锌的溶解量要大得多时，余氯浓度为0.55ppm的市政自来水通过KDF仅产生0.25ppm的锌，除去lOppm的氯，其锌的含量也不会超标。第二种是KDF的物理降解，如腐蚀、磨擦或消耗，但是物理作用对KDF使用寿命影响很小。保守的估计 KDF处理介质的使用寿命也在10年以上。

提供高质量的家庭用水

天然无毒的高纯铜锌合金(KDF)减少了饮用水与其它家庭用水中的细菌，重金属，氯及其它有害成份。使用户看不到氯的影响，如片状皮肤干燥，头发粗糙浴缸与蓬头中的青苔，绿藻的减少。从而得到口感更好，杂味更少的水质。