凱得菲(KDF)濾料在水處理中的應用

摘要：介紹高純銅鋅合金凱得菲（KDF）的特性，在水處理行業的應用范圍及前景

關鍵詞：高純銅鋅合金、凱得菲（KDF）、電化反應、重金屬、余氯、阻垢、水處理

一、 凱得菲（KDF）的作用及作用機理
凱得菲（KDF）是高純度的銅/鋅合金顆粒，它通過微電化學氧化-還原反應（Redox）進行水處理工作，在與水接觸時，合金中的兩種金屬在亞微觀尺度上構成無數小的原電池系統，這種材料在水中具有強大的反應能力和極快的反應速度，可以清除水中高達99%的氯和水中溶解的鉛、汞、鎳、鉻等金屬離子和化合物。對抑制細菌、真菌、污垢、水藻的滋生效果卓著。被用于預處理、主處理與廢水處理設備。凱得菲(KDF)完善或取代現有技術，可大輻度延長了系統壽命，減少了重金屬、微生物、污垢，降低了總費用，減化系統維護。
(1) 去除強氧化劑(余氯)
凱得菲(KDF)具有強大的還原能力，能去除水中的各種強氧化劑，對余氯特別有效。凱得菲(KDF)是由銅、鋅二種不同的金屬組成的，與水接觸時，合金中電位正的銅成為陰極，而電位負的鋅是陽極，構成原電池。鋅陽極在反應中失去了電子，生成鋅離子進入溶液，銅陰極上發生游離氯的還原反應，而不會發生金屬銅的溶解，水和余氯成為最后的電子接受者，同時生成氫離子、氫氧根離子和氯離子總反應式如下：

Zn+HOCl+H2O+2e—Zn2++Cl-+H++2OH-

水中其他的氧化劑，如臭氧、溴、碘等與凱得菲(KDF)接觸后也能發生類似的氧化還原反應。
(2)去除重金屬
凱得菲(KDF)處理介質可以去除水中的多種重金屬離子，如鉛、汞、銅、鎳、鎘、砷、銻、鋁和其他許多可溶性重金屬離子，它們的去除是通過置換反應和物理和化學吸附反應來完成的。凱得菲(KDF)去除重金屬離子的機理如下：金屬離子吸附于凱得菲(KDF)處理介質的表面并與凱得菲(KDF)中的鋅發生置換反應，生成的金屬或吸附在凱得菲(KDF)表面，或進入凱得菲(KDF)晶格中，從而使有毒重金屬污染物結合在凱得菲(KDF)上。例如，水中溶解的鉛離子還原成不溶性的鉛原子，并吸附于凱得菲(KDF)介質的表面,汞離子與凱得菲(KDF)也發生類似的反應，X射線衍射研究發現汞的去除是形成了銅－汞合金。凱得菲(KDF)處理重金屬離子的化學反應式如下：

　　Zn/Cu/Zn+Pb2+ →Zn/Cu/Pb+Zn2+

　　Zn/Cu/Zn+Hg2+→Zn/Cu/Hg+Zn2+
金屬離子在水的PH升高時水解形成金屬氫氧化物沉淀，也能去除金屬離子。
(3)去除硫化氫
在應用膜法進行水處理時，如果選用地下水作水源，水中可能存在硫化氫，硫化氫如被氧化成硫磺就會污染濾膜表面，凱得菲(KDF)過濾介質有去除硫化氫的功能，生成的硫化銅不溶于水，可在凱得菲(KDF)介質反沖洗時去除，化學反應式如下：

　　Cu/Zn + H2S → Cu/Zn + CuS + H2

　　2H2 +02 →2H20

　　(4)減少懸浮固體
凱得菲（KDF）處理介質的顆粒平均尺寸大約為60目，最小的顆粒約110目，也能起到物理過濾去除懸浮物質的作用，通常凱得菲（KDF）過濾介質能夠有效地去除直徑小于至50μm的顆粒。
由鋼鐵材料制成的輸水管件腐蝕時，鐵氧化形成FeO膠體，FeO與凱得菲（KDF）接觸，也可以發生氧化還原反應，FeO最終形成Fe2O3固體沉淀在凱得菲(KDF)表面，可用反沖洗方法將它們去除，化學反應式如下：

　　Zn + FeO ＝ ZnO + Fe

　　2Fe + 3O2＝2Fe2O3
(5)減少礦物質結垢
凱得菲(KDF)處理介質對碳酸鈣垢的作用有兩上方面。
①一方面，根據PH、二氧化碳濃度和碳酸鈣溶解度之間的關系，當二氧化碳從溶液中除去時，PH值升高，因而使碳酸鈣的溶解度降低。凱得菲(KDF)通過電化學反應也使水的PH值升高，降低碳酸鈣的溶解度，結果使碳酸鈣垢容易析出。
②另一方面，由于凱得菲(KDF)處理介質中鋅離子的溶出，水中的鋅離子含量有所增加，水中鋅離子的存在能改變垢的晶體生長機理，使水中的碳酸鈣垢以文石的結晶形態產生沉淀，在容器的器壁上形成軟垢，而不是結晶為方解石型的硬垢。曾有人研究過水中雜質存在對方解石結晶生長的影響，研究發現，即使鋅離子的濃度很低時，也能阻止方解石結晶的形成。
通過試驗可以進一步證明，凱得菲(KDF)處理介質防止礦物硬垢的形成和積累，主要是阻止方解石形態碳酸鈣的結晶。采用掃描電子顯微鏡和X射線衍射進行結晶學研究證明，未經凱得菲(KDF)處理的水中產生的硬垢是一些相對大的、具有規則形態的針狀鈣鹽和鎂鹽的結晶，這些鹽類質地堅硬、溶解度低、具有網狀結構，是玻璃石灰石垢，經過凱得菲(KDF)處理介質的水中結成的垢，從根本上改變了碳酸鈣（鎂）結晶的形態，垢形相對變小，外觀平坦呈圓形、顆粒形和棒形，都是由不堅硬的粉狀成分組成的，這些成分不會粘附于金屬、塑料或陶瓷的表面，很容易用物理過濾方法將它們除去。
(6)抑制微生物繁殖
凱得菲(KDF)處理介質不是通過一種機理、而是幾種機理控制微生物的生長繁殖，通過每一種的單獨作用或協同作用來達到抑制微生物的作用。主要機理包括：氧化還原電位的變化，氫氧根離子和過氧化氫的形成，介質中鋅的溶出等。在一般情況下，凱得菲(KDF)處理介質作為反滲透膜的預處理手段時，能夠抑制細菌、藻類等微生物的繁殖，從而防止了微生物對膜的破壞。
①氧化還原電位的變化
水通過凱得菲(KDF)處理介質時，其氧化還原電位從＋200mV變化到－500mV，在一般情況下，各種類型的微生物只能在特定的氧化還原電位下生長，電位的大幅度變化，能破壞細菌的細胞，從而控制了微生物的生長。但是，水的氧化還原電位變化很小，用凱得菲(KDF)控制細菌，必須使細菌與凱得菲(KDF)直接接觸，凱得菲(KDF)對細菌的抑制作用主要發生于凱得菲(KDF)與水接觸面上，所以僅靠氧化還原電位的變化并不能完全控制微生物。
②氫氧根離子和過氧化氫
在凱得菲(KDF)將二價鐵氧化到三價鐵的過程中會產生氫氧根離子和過氧化氫，這就可以抑制那些在低氧化電位時尚能存活，但對氫離子和過氧化氫敏感的微生物，但是氫氧根離子和過氧化氫的壽命短，只是在過濾過程中具有高的反應活性，對微生物的抑制效果比較明顯，在流出水中的殘余效應比較小。
③鋅離子對微生物的控制
凱得菲(KDF)處理介質中釋放出來的鋅對微生物有明顯的控制作用，鋅能阻止酶的合成，從而影響有機體的正常生長，達到抑制微生物繁殖的目的.另外，凱得菲(KDF)介質通過阻止葉綠素合成而控制藻類生長，鋅離子的存在從本質上降低了有機體從光合作用生產食物的能力，這將顯著影響細菌的生長。
二、凱得菲（KDF）的可應用范圍
凱得菲(KDF)可廣泛應用于預處理、主處理與廢水處理設備中。它們多與活性碳顆粒過濾器，碳塊或管內過濾器共同使用，也可單獨使用。
用凱得菲（KDF）介質進行水的預處理是一種簡單、低耗的方法。對于微濾、超濾、反滲透膜、離子交換樹脂、顆粒狀活性碳，凱得菲（KDF）介質能夠保護這些昂貴易損的水處理組件不受氯、微生物、結垢影響。此外，凱得菲（KDF）介質能去除高達98%的重金屬，如Pb、Cd、Ce、Ag、Ar、Al、Se、Cu、Hg，另外，借助沉淀在凱得菲（KDF）介質上發生的氧化還原反應還可以降低水中碳酸鹽、硝酸鹽和硫酸鹽。
影響膜分離工藝效率的主要問題是各種污染物在膜表面的沉積，造成膜表面孔的堵塞，這已是無可爭議的事實。凱得菲（KDF）介質與微濾、超濾、反滲透膜、離子交換樹脂、顆粒狀活性碳相比，在提高水處理效率和持續保持高效方面具有更多的優勢，消耗更低。
(1)去除市政飲用水中的余氯
凱得菲(KDF)處理介質正日益被用來替代或與活性碳過濾器聯合使用，去除市政自來水中的余氯（可高達99%），其主要特點是使用壽命長。進行凱得菲(KDF)介質預處理可延長顆粒活性炭的使用壽命，并保護活性炭層（床）免受細菌污染。使碳的去污能力提升到原來的15倍，并且凱得菲（KDF）使更小型的碳過濾器的使用成為可能，從而降低了使用成本。
(2)保護反滲透裝置
反滲透膜很容易受氯腐蝕。凱得菲(KDF)介質可代替活性炭處理以保護反滲透（RO）免受氯氣、細菌污染。活性炭過濾器也可有效地去除余氯，但是由于活性炭在高氯水中會很快吸附飽和，所以在操作時必須嚴格控制水中氯氣的濃度，而且活性炭過濾床容易孳生細菌。凱得菲(KDF)處理介質除氯率高。有抑制微生物繁殖的作用，因而可為反滲透膜提供了穩定、長期的保護。
(3)抑制冷卻水中細菌及藻類的繁殖、減少結垢
冷卻塔及水冷式熱交換器中的水常被加溫并曝于空氣——因而成為細菌、藻類繁殖的絕好溫床（例如LEGIONELLA（軍團菌）可得自冷卻塔）。傳統化學方法通過投加藥劑控制冷卻塔中藻類及細菌生長、其費用昂貴，后續污水處理成本也高。凱得菲(KDF)處理介質處理冷卻水成本低，可有效控制藻類及細菌生長，不使用對環境有害的化學物質。另外，經凱得菲(KDF)介質處理后的水可減少硬水垢的生成。
(4)凱得菲（KDF）處理介質與其它凈水系統
凱得菲（KDF）介質可以控制顆粒活性碳層或活性碳濾芯內細菌、藻類和繁殖。當活性碳與凱得菲（KDF）處理介質一起使用時，活性碳去除有機雜質及余氯的能力增強。
凱得菲（KDF）處理介質也可以代替滲銀活性炭。從而降低成本。也避免了滲銀活性炭銀的毒性造成的潛在危險。
(5)去除有害重金屬及其他可溶性重金屬離子
凱得菲（KDF）介質，可單獨用來從水中除去鉛、汞、砷等有害重金屬以達到滿足飲用水的要求。以除砷為例，美國《水工業》雜志1994年第4期報導，當進水含砷量為5mg/l，凱得菲（KDF）過濾處理后水中含砷量為0.01mg/l，去除率達99.7%。在應用凱得菲（KDF）除砷時，毋須投加藥劑，所需設備也較簡單，僅需配備一臺凱得菲（KDF）過濾器，處理過程也十分迅速，其過濾速度是一般采用石英砂的機械過濾器的三倍，因而設備占地面積也較小。
三、凱得菲（KDF）的其他優點
凱得菲（KDF）處理介質的高壽命
所有的水處理介質都具有一個有效期。硅砂（SiO2）無疑是壽命最長的過濾介質，其次就是使用凱得菲(KDF)處理介質。有兩種情況會降低凱得菲(KDF)的使用壽命，每一種都有很長的時間。第一種是水中余氯的含量比鋅的溶解量要大得多時，余氯濃度為0.55ppm的市政自來水通過凱得菲(KDF)僅產生0.25ppm的鋅，除去10ppm的氯，其鋅的含量也不會超標。第二種是凱得菲(KDF)的物理降解，如腐蝕、磨擦或消耗，但是物理作用對凱得菲(KDF)使用壽命影響很小，據保守估計使用壽命在10年以上。
提供高質量家庭用水
天然無毒的高純銅鋅合金凱得菲（KDF）減少了飲用水與其它家庭用水中的細菌、重金屬、氯及其它有害成份，使用戶看不到氯的影響，如片狀皮膚干燥、頭發粗糙、浴缸蓬頭中的青苔、綠藻的減少，從而得到口感更好，雜味更少的水質。

四、 總結
KDF已經在國外水處理行業中得到普遍使用，但國內企業應用較少，我公司通過不斷的嘗試，使其成功的國產化，且已批量出口，凱得菲（KDF）在我公司自有產品中使用，有良好的使用效果，并通過了北京市防疫站的鑒定，從國內外用戶反饋來看，也達到了國外同類產品的水平。可以預見，隨著國內企業對凱得菲（KDF）的逐步認識，凱得菲（KDF）在國內水處理行業中必將得到更加廣泛的應用。