凯得菲(KDF)滤料在水处理中的应用

摘要：介绍高纯铜锌合金凯得菲（KDF）的特性，在水处理行业的应用范围及前景

关键词：高纯铜锌合金、凯得菲（KDF）、电化反应、重金属、余氯、阻垢、水处理

一、 凯得菲（KDF）的作用及作用机理
凯得菲（KDF）是高纯度的铜/锌合金颗粒，它通过微电化学氧化-还原反应（Redox）进行水处理工作，在与水接触时，合金中的两种金属在亚微观尺度上构成无数小的原电池系统，这种材料在水中具有强大的反应能力和极快的反应速度，可以清除水中高达99%的氯和水中溶解的铅、汞、镍、铬等金属离子和化合物。对抑制细菌、真菌、污垢、水藻的滋生效果卓著。被用于预处理、主处理与废水处理设备。凯得菲(KDF)完善或取代现有技术，可大辐度延长了系统寿命，减少了重金属、微生物、污垢，降低了总费用，减化系统维护。
(1) 去除强氧化剂(余氯)
凯得菲(KDF)具有强大的还原能力，能去除水中的各种强氧化剂，对余氯特别有效。凯得菲(KDF)是由铜、锌二种不同的金属组成的，与水接触时，合金中电位正的铜成为阴极，而电位负的锌是阳极，构成原电池。锌阳极在反应中失去了电子，生成锌离子进入溶液，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+HOCl+H2O+2e—Zn2++Cl-+H++2OH-

水中其他的氧化剂，如臭氧、溴、碘等与凯得菲(KDF)接触后也能发生类似的氧化还原反应。
(2)去除重金属
凯得菲(KDF)处理介质可以去除水中的多种重金属离子，如铅、汞、铜、镍、镉、砷、锑、铝和其他许多可溶性重金属离子，它们的去除是通过置换反应和物理和化学吸附反应来完成的。凯得菲(KDF)去除重金属离子的机理如下：金属离子吸附于凯得菲(KDF)处理介质的表面并与凯得菲(KDF)中的锌发生置换反应，生成的金属或吸附在凯得菲(KDF)表面，或进入凯得菲(KDF)晶格中，从而使有毒重金属污染物结合在凯得菲(KDF)上。例如，水中溶解的铅离子还原成不溶性的铅原子，并吸附于凯得菲(KDF)介质的表面,汞离子与凯得菲(KDF)也发生类似的反应，X射线衍射研究发现汞的去除是形成了铜－汞合金。凯得菲(KDF)处理重金属离子的化学反应式如下：

　　Zn/Cu/Zn+Pb2+ →Zn/Cu/Pb+Zn2+

　　Zn/Cu/Zn+Hg2+→Zn/Cu/Hg+Zn2+
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滤膜表面，凯得菲(KDF)过滤介质有去除硫化氢的功能，生成的硫化铜不溶于水，可在凯得菲(KDF)介质反冲洗时去除，化学反应式如下：

　　Cu/Zn + H2S → Cu/Zn + CuS + H2

　　2H2 +02 →2H20

　　(4)减少悬浮固体
凯得菲（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，通常凯得菲（KDF）过滤介质能够有效地去除直径小于至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与凯得菲（KDF）接触，也可以发生氧化还原反应，FeO最终形成Fe2O3固体沉淀在凯得菲(KDF)表面，可用反冲洗方法将它们去除，化学反应式如下：

　　Zn + FeO ＝ ZnO + Fe

　　2Fe + 3O2＝2Fe2O3
(5)减少矿物质结垢
凯得菲(KDF)处理介质对碳酸钙垢的作用有两上方面。
①一方面，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。凯得菲(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。
②另一方面，由于凯得菲(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，凯得菲(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，未经凯得菲(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，经过凯得菲(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)抑制微生物繁殖
凯得菲(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，通过每一种的单独作用或协同作用来达到抑制微生物的作用。主要机理包括：氧化还原电位的变化，氢氧根离子和过氧化氢的形成，介质中锌的溶出等。在一般情况下，凯得菲(KDF)处理介质作为反渗透膜的预处理手段时，能够抑制细菌、藻类等微生物的繁殖，从而防止了微生物对膜的破坏。
①氧化还原电位的变化
水通过凯得菲(KDF)处理介质时，其氧化还原电位从＋200mV变化到－500mV，在一般情况下，各种类型的微生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，用凯得菲(KDF)控制细菌，必须使细菌与凯得菲(KDF)直接接触，凯得菲(KDF)对细菌的抑制作用主要发生于凯得菲(KDF)与水接触面上，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
在凯得菲(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，但对氢离子和过氧化氢敏感的微生物，但是氢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
凯得菲(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，凯得菲(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，这将显著影响细菌的生长。
二、凯得菲（KDF）的可应用范围
凯得菲(KDF)可广泛应用于预处理、主处理与废水处理设备中。它们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。
用凯得菲（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、颗粒状活性碳，凯得菲（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、结垢影响。此外，凯得菲（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，借助沉淀在凯得菲（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。凯得菲（KDF）介质与微滤、超滤、反渗透膜、离子交换树脂、颗粒状活性碳相比，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
凯得菲(KDF)处理介质正日益被用来替代或与活性碳过滤器联合使用，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。进行凯得菲(KDF)介质预处理可延长颗粒活性炭的使用寿命，并保护活性炭层（床）免受细菌污染。使碳的去污能力提升到原来的15倍，并且凯得菲（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。凯得菲(KDF)介质可代替活性炭处理以保护反渗透（RO）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。凯得菲(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。
(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（军团菌）可得自冷却塔）。传统化学方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。凯得菲(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，经凯得菲(KDF)介质处理后的水可减少硬水垢的生成。
(4)凯得菲（KDF）处理介质与其它净水系统
凯得菲（KDF）介质可以控制颗粒活性碳层或活性碳滤芯内细菌、藻类和繁殖。当活性碳与凯得菲（KDF）处理介质一起使用时，活性碳去除有机杂质及余氯的能力增强。
凯得菲（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
凯得菲（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《水工业》杂志1994年第4期报导，当进水含砷量为5mg/l，凯得菲（KDF）过滤处理后水中含砷量为0.01mg/l，去除率达99.7%。在应用凯得菲（KDF）除砷时，毋须投加药剂，所需设备也较简单，仅需配备一台凯得菲（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、凯得菲（KDF）的其他优点
凯得菲（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（SiO2）无疑是寿命最长的过滤介质，其次就是使用凯得菲(KDF)处理介质。有两种情况会降低凯得菲(KDF)的使用寿命，每一种都有很长的时间。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的市政自来水通过凯得菲(KDF)仅产生0.25ppm的锌，除去10ppm的氯，其锌的含量也不会超标。第二种是凯得菲(KDF)的物理降解，如腐蚀、磨擦或消耗，但是物理作用对凯得菲(KDF)使用寿命影响很小，据保守估计使用寿命在10年以上。
提供高质量家庭用水
天然无毒的高纯铜锌合金凯得菲（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。

四、 总结
KDF已经在国外水处理行业中得到普遍使用，但国内企业应用较少，我公司通过不断的尝试，使其成功的国产化，且已批量出口，凯得菲（KDF）在我公司自有产品中使用，有良好的使用效果，并通过了北京市防疫站的鉴定，从国内外用户反馈来看，也达到了国外同类产品的水平。可以预见，随着国内企业对凯得菲（KDF）的逐步认识，凯得菲（KDF）在国内水处理行业中必将得到更加广泛的应用。