KDF濾料在水處理應用中的技術探討 

一.概述
　　近年來，世界范圍的環(huán)境污染，及飲水對人體健康所帶來的影響，通過各種媒體宣傳及人們的切身體驗，已經(jīng)逐漸被人們所認識，飲水的質(zhì)量已經(jīng)成為一種社會問題而日益受到關注。新技術、新材料以及各式各樣的凈水機、凈水器正逐步走進千家萬戶，經(jīng)濟而有效的水處理設備成為人們共同追求的目標，人們希望飲用一種去毒除害、保留有益、恢復水的自然品質(zhì)的健康的飲用水。在這樣的背景下，銅鋅合金濾料KDF作為一種去除水中氯氣、重金屬、抑制細菌及藻類繁殖的高效濾材被廣泛地應用在凈水設備當中。目前在國內(nèi)許多凈水器、濾水器中均可見到KDF的應用。
　　銅鋅合金濾料KDF被廣泛應用的原因，在于它即是一種比較強的還原劑，可以去除水中的氯氣，同時銅鋅兩種金屬所構成的微電池可以同時去除多種重金屬離子且能夠抑制細菌藻類的繁殖。這種多重作用是其它單一濾料所不能實現(xiàn)的,尤其是KDF在去除有毒有害重金屬方面是更勝一籌。然而，KDF濾料雖然經(jīng)過了幾年的推廣，但其應用卻主要憑經(jīng)驗和感覺。應該指出的是任何一種水處理手段及濾料都不是萬能的，使用及最終獲得的結果都是有條件的，希望他取代其他方式也是不科學。只有充分掌握了解了KDF的結構與性質(zhì)，在滿足一定條件下來獲得最佳使用效果，否則有時也會事與愿違。理論電化學為KDF的研究提供了堅實的理論基礎，加上實踐經(jīng)驗的積累，KFD、KDF反應裝置及KDF的其他形態(tài)的開發(fā)應用擴大了其使用范圍，KDF氧化還原水處理手段也會逐漸形成單一的完善的水處理單元操作。因此，應該開展從KDF微觀結構與性質(zhì)、生產(chǎn)制造、實際應用的定量數(shù)學模型的建立、氧化還原反應裝置的開發(fā)等方面的研究，理論研究與實際應用能以全新體系的形式實施。在此我們提出提出一些問題供大家一起討論。

二.KDF的結構與性質(zhì)
1.銅鋅合金濾料KDF的制造
　　KDF是銅鋅合金濾料的商品名，是銅鋅合金通過特定工藝加工制造的。
　　眾所周知，在我國冶煉及應用銅己有數(shù)千年的歷史。銅鋅合金俗稱黃銅，它具有許多優(yōu)異的特性和奇妙的功能，在漫長的歷史進程中不但為人類社會的進步作出了不可磨滅的貢獻；而且隨著人類文明的發(fā)展不斷開發(fā)出新的用途。它既是一種古老的金屬，又是一種充滿生機和活力的現(xiàn)代工程材料。當前人類已經(jīng)步入了豐富多彩的新紀元，KDF濾料在環(huán)保水處理方面的應用也為銅鋅合金拓展了新的領域。
　　KDF濾料可以采用不同的方法制作，目前工業(yè)化制作的方法，主要是采用水霧化法制作。其制作的原理是，選用高純度的銅、鋅兩種金屬在熔爐中熔化，經(jīng)中間包過渡，注入到霧化區(qū)霧化。為了控制金屬流的大小，在中間包的底部裝入特制的限流漏嘴。進入霧化區(qū)的融熔金屬液在漏嘴的控制下，呈穩(wěn)定的液流柱垂直落下。在霧化區(qū)，來自噴嘴的高速水流從不同的方向沖擊金屬液流，將液流擊成碎塊，分散成為銅鋅合金顆粒。單位體積的金屬的表面積增大了千萬倍，形成大量的肌膚微電池。
工藝流程如下：
　　選用優(yōu)質(zhì)銅鋅原料--中頻感應爐內(nèi)熔化--成份調(diào)整--脫氧除渣--霧化制粉--質(zhì)量檢測--篩分--包裝入庫
　　在我國有著非常豐富的銅鋅資源及成熟的冶煉技術，加快KDF國產(chǎn)化進程必然會擴大KDF的應用領域，還會大大地降低環(huán)保水處理企業(yè)的生產(chǎn)成本。
2.KDF的結構與微電池原理
　　KDF是銅鋅合金，在微觀上組成了無數(shù)個微電池，其原理我們可以用宏觀的丹尼爾電池來解釋，我們知道不同的金屬具有不同的電極電位，如表6-1：
　　當把兩種電極電位不同的金屬銅和鋅用導線連接起來放入水溶液中后，則構成了一個電化學體系，電極電位較低的也就是比較活潑的金屬鋅的電子會通過導線流到電極電位較高的也就是比較不活潑的金屬銅上，鋅極板上聚集了過多的正電荷，銅極上聚集了過多的負電荷，在水中銅鋅兩個極板之間形成了電場，水中離子開始產(chǎn)生定向遷移，如下圖：
　　按照金屬活動順序，即金屬電極電位，所有比鋅電極電位高的重金屬離子都可以在陰極（銅極板）上放電還原，鍍在銅極上從而脫離水溶液，而在陽極上只有鋅放電成為鋅離子進入水中，因此，總反應為：Pb2+(水中)+Zn====Pb(Cu)+Zn2+（水中）從上面的例子可以看出，構成電化學體系的條件：一是要有兩種金屬，二是兩種金屬要用導線連接起來，三是將其置于水溶液中。那么，將銅鋅合金制成顆粒即KDF濾料用來處理水時，會是一種什么情況，我們來看下圖，這里是KDF合金濾料的微觀結構示意圖：
　　從圖中可以清楚地看到，KDF合金濾料在水中具備了構成電化學體系的條件，形成了無數(shù)個微電池，也就具備了發(fā)生電化學反應的條件。依據(jù)電化學反應可以起到凈化水質(zhì)的作用。
　　如果我們稱取1摩爾的KDF55也就是129克的KDF55，則其中在理論上可以構成0.5X6.023X1023個微電池，可見微電池的數(shù)量是十分龐大的。但這里需要特別指出的是，能夠發(fā)生電化學反應的即用于凈化水質(zhì)的是處在顆粒表面上的微電池，我們稱之為“肌膚微電池”。肌膚微電池僅僅是整個微電池中的一小部分，而恰恰是這一小部分肌膚微電池是我們計算、設計合金濾料反應器的依據(jù)。處在合金濾料顆粒內(nèi)部的微電池自始至終都沒有參與任何反應。
3.KDF作用及機理
(1)去除余氯
　　KDF去除余氯是通過化學氧化還原反應完成的，因為氯是比較強的氧化劑，鋅是比較強的還原劑，當流動的水中的氯氣與KDF中的金屬鋅發(fā)生有效碰撞時，即發(fā)生如下反應：Zn+Cl2====Zn2++2Cl –其最終結果是，將有毒有害的氯氣轉化成無毒的氯離子，增加了水中鋅離子的含量。
(2)去除重金屬KDF去除有毒有害的重金屬是通過肌膚微電池電化學反應進行的。當水中含有有毒有害的重金屬離子M + 時，重金屬離子M + 會定向地向著銅陽極遷移，并且按照電極電位的大小順序先后放電變成金屬原子而鍍在銅極上，使得有毒有害重金屬離子從水脫離出來，達到凈化水質(zhì)的目的。

三.影響KDF處理效果因素
1. 銅鋅合金濾料KDF是依據(jù)化學反應去除水中氯氣，依據(jù)電化學反應去除有毒有害的重金屬，其發(fā)生反應的前提是反應物之間要先進行有效的碰撞，因此，凡是阻礙這一過程發(fā)生的因素均會影響KDF的水處理效果。
2. 表面覆蓋
　　表面覆蓋是指銅鋅合金濾料KDF的表面被懸浮物、膠體等雜質(zhì)所包裹，阻擋了氯分子和重金屬離子向銅極板上擴散和傳質(zhì)，降低了有效碰撞的幾率，造成大量氯分子和重金屬離子的泄漏，影響了水質(zhì)凈化效果。
　　這種情況大多發(fā)生在進水水質(zhì)不好或KDF濾器前不設預處理的情況下，一旦KDF受到污染，即使啟動反沖洗功能破除表面覆蓋層的效果也不大。在實際應用中如果進水水質(zhì)不良時，應在KDF前設置預處理設備，避免KDF受到污染而降低使用效果。
　　a. 孔隙度及有效碰撞KDF的凈化作用基于微觀的化學反應及電化學反應，前提是污染物與KDF的有效碰撞。因此，合理的濾床高度、壓頭損失允許的顆粒粒度、有效的過濾面積等都是非常重要的。在實際應用中是選擇開放式KDF反應器，還是選擇拋棄式KDF濾芯，或是選擇具有活化功能的KDF過濾器，要根據(jù)具體水質(zhì)凈化工況來決定。
　　b. 極性有機物存在
　　KDF的表面是帶有不同電荷的活化表面，水中含有的極性有機污染物會吸附在合金濾料表面形成保護膜，同樣地阻擋了氯分子和重金屬離子向銅極板上擴散和傳質(zhì)，使KDF的作用下降。因此，去除有機污染物是提高KDF凈化效果的重要手段。
　　c. 電極極化
3. 目前KDF在使用中普遍存在問題
　　a. 實際投加量太少
　　目前由于進口的KDF價格昂貴，加上在使用上缺少理論指導，許多廠家在凈水機中的投加KDF的量非常少，按照其凈化工況很難達到照其說明書介紹的作用。
　　b. 標注的使用壽命過長許多凈水機的技術文件中給出的KDF使用壽命過長，在凈水機的實際使用當中KDF過早失效，水質(zhì)惡化，投訴時有發(fā)生。
　　c. 進水太臟表面覆蓋嚴重
　　由于進水水質(zhì)惡劣，沒有預處理措施，造成懸浮物、膠體、大分子有機物覆蓋于KDF表面，KDF只是起到一般顆粒濾料的作用，而造成氯氣、重金屬離子泄漏，嚴重影響了凈水機的出水效果。
　　d. 進水不規(guī)范出水有問題
　　KDF在飲用水中使用時，由于沒有對進水提出嚴格的規(guī)范，忽略了在凈化水的同時向水中釋放鋅離子的傾向，而且凈化與釋放具有正相關性，當重金屬污染嚴重或氯氣投放量大時，有時出水會泛白，影響水的表觀效果。
4. 總結
　　在處理水中微量氯氣、重金屬、抑制細菌和藻類方面KDF是十分有效，可以作到去毒除害保留有益，對污染的水進行有效的修復，可以作為一種單元操作而進行推廣應用。應該總結實際應用經(jīng)驗，加強理論研究。建立KDF水質(zhì)凈化的數(shù)學模型，更好地指導實踐。同時利用我國的資源加快KDF國產(chǎn)化進程，降低使用成本，擴大應用范圍，研制專用設備，造福人民。
5.參考資料
1. 氧化還原水處理技術　劉玉敏　中國給水排水　1997　No.3
2. 氧化還原濾料新進展　張壽愷　邱梅　給水排水　2000　No.10
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4. 健康水理論　李復興　中國醫(yī)促會健康飲水專業(yè)委員會
5. 電化學實驗　劉　瑜　首都師范大學出版社
6. 環(huán)境工程學　姜安璽　黑龍江科學技術出版社