KDF滤料在水处理应用中的技术探讨

一.概述
近年来，世界范围的环境污染，及饮水对人体健康所带来的影响，通过各种媒体宣传及人们的切身体验，已经逐渐被人们所认识，饮水的质量已经成为一种社会问题而日益受到关注。新技术、新材料以及各式各样的净水机、净水器正逐步走进千家万户，经济而有效的水处理设备成为人们共同追求的目标，人们希望饮用一种去毒除害、保留有益、恢复水的自然品质的健康的饮用水。在这样的背景下，铜锌合金滤料KDF作为一种去除水中氯气、重金属、抑制细菌及藻类繁殖的高效滤材被广泛地应用在净水设备当中。目前在国内许多净水器、滤水器中均可见到KDF的应用。
铜锌合金滤料KDF被广泛应用的原因，在于它即是一种比较强的还原剂，可以去除水中的氯气，同时铜锌两种金属所构成的微电池可以同时去除多种重金属离子且能够抑制细菌藻类的繁殖。这种多重作用是其它单一滤料所不能实现的,尤其是KDF在去除有毒有害重金属方面是更胜一筹。然而，KDF滤料虽然经过了几年的推广，但其应用却主要凭经验和感觉。应该指出的是任何一种水处理手段及滤料都不是万能的，使用及最终获得的结果都是有条件的，希望他取代其他方式也是不科学。只有充分掌握了解了KDF的结构与性质，在满足一定条件下来获得最佳使用效果，否则有时也会事与愿违。理论电化学为KDF的研究提供了坚实的理论基础，加上实践经验的积累，KFD、KDF反应装置及KDF的其他形态的开发应用扩大了其使用范围，KDF氧化还原水处理手段也会逐渐形成单一的完善的水处理单元操作。因此，应该开展从KDF微观结构与性质、生产制造、实际应用的定量数学模型的建立、氧化还原反应装置的开发等方面的研究，理论研究与实际应用能以全新体系的形式实施。在此我们提出提出一些问题供大家一起讨论。
二.KDF的结构与性质
1.铜锌合金滤料KDF的制造
KDF是铜锌合金滤料的商品名，是铜锌合金通过特定工艺加工制造的。
众所周知，在我国冶炼及应用铜己有数千年的历史。铜锌合金俗称黄铜，它具有许多优异的特性和奇妙的功能，在漫长的历史进程中不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献；而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。它既是一种古老的金属，又是一种充满生机和活力的现代工程材料。当前人类已经步入了丰富多彩的新纪元，KDF滤料在环保水处理方面的应用也为铜锌合金拓展了新的领域。
KDF滤料可以采用不同的方法制作，目前工业化制作的方法，主要是采用水雾化法制作。其制作的原理是，选用高纯度的铜、锌两种金属在熔炉中熔化，经中间包过渡，注入到雾化区雾化。为了控制金属流的大小，在中间包的底部装入特制的限流漏嘴。进入雾化区的融熔金属液在漏嘴的控制下，呈稳定的液流柱垂直落下。在雾化区，来自喷嘴的高速水流从不同的方向冲击金属液流，将液流击成碎块，分散成为铜锌合金颗粒。单位体积的金属的表面积增大了千万倍，形成大量的肌肤微电池。
工艺流程如下：
选用优质铜锌原料--中频感应炉内熔化--成份调整--脱氧除渣--雾化制粉--质量检测--筛分--包装入库
在我国有着非常丰富的铜锌资源及成熟的冶炼技术，加快KDF国产化进程必然会扩大KDF的应用领域，还会大大地降低环保水处理企业的生产成本。
2.KDF的结构与微电池原理
KDF是铜锌合金，在微观上组成了无数个微电池，其原理我们可以用宏观的丹尼尔电池来解释，我们知道不同的金属具有不同的电极电位，如表6-1：
当把两种电极电位不同的金属铜和锌用导线连接起来放入水溶液中后，则构成了一个电化学体系，电极电位较低的也就是比较活泼的金属锌的电子会通过导线流到电极电位较高的也就是比较不活泼的金属铜上，锌极板上聚集了过多的正电荷，铜极上聚集了过多的负电荷，在水中铜锌两个极板之间形成了电场，水中离子开始产生定向迁移，如下图：
按照金属活动顺序，即金属电极电位，所有比锌电极电位高的重金属离子都可以在阴极（铜极板）上放电还原，镀在铜极上从而脱离水溶液，而在阳极上只有锌放电成为锌离子进入水中，因此，总反应为：Pb2+(水中)+Zn====Pb(Cu)+Zn2+（水中）从上面的例子可以看出，构成电化学体系的条件：一是要有两种金属，二是两种金属要用导线连接起来，三是将其置于水溶液中。那么，将铜锌合金制成颗粒即KDF滤料用来处理水时，会是一种什么情况，我们来看下图，这里是KDF合金滤料的微观结构示意图：
从图中可以清楚地看到，KDF合金滤料在水中具备了构成电化学体系的条件，形成了无数个微电池，也就具备了发生电化学反应的条件。依据电化学反应可以起到净化水质的作用。
如果我们称取1摩尔的KDF55也就是129克的KDF55，则其中在理论上可以构成0.5X6.023X1023个微电池，可见微电池的数量是十分庞大的。但这里需要特别指出的是，能够发生电化学反应的即用于净化水质的是处在颗粒表面上的微电池，我们称之为“肌肤微电池”。肌肤微电池仅仅是整个微电池中的一小部分，而恰恰是这一小部分肌肤微电池是我们计算、设计合金滤料反应器的依据。处在合金滤料颗粒内部的微电池自始至终都没有参与任何反应。
3.KDF作用及机理
(1)去除余氯
KDF去除余氯是通过化学氧化还原反应完成的，因为氯是比较强的氧化剂，锌是比较强的还原剂，当流动的水中的氯气与KDF中的金属锌发生有效碰撞时，即发生如下反应：Zn+Cl2====Zn2++2Cl –其最终结果是，将有毒有害的氯气转化成无毒的氯离子，增加了水中锌离子的含量。
(2)去除重金属KDF去除有毒有害的重金属是通过肌肤微电池电化学反应进行的。当水中含有有毒有害的重金属离子M + 时，重金属离子M + 会定向地向着铜阳极迁移，并且按照电极电位的大小顺序先后放电变成金属原子而镀在铜极上，使得有毒有害重金属离子从水脱离出来，达到净化水质的目的。
三.影响KDF处理效果因素
1. 铜锌合金滤料KDF是依据化学反应去除水中氯气，依据电化学反应去除有毒有害的重金属，其发生反应的前提是反应物之间要先进行有效的碰撞，因此，凡是阻碍这一过程发生的因素均会影响KDF的水处理效果。
2. 表面覆盖
表面覆盖是指铜锌合金滤料KDF的表面被悬浮物、胶体等杂质所包裹，阻挡了氯分子和重金属离子向铜极板上扩散和传质，降低了有效碰撞的几率，造成大量氯分子和重金属离子的泄漏，影响了水质净化效果。
这种情况大多发生在进水水质不好或KDF滤器前不设预处理的情况下，一旦KDF受到污染，即使启动反冲洗功能破除表面覆盖层的效果也不大。在实际应用中如果进水水质不良时，应在KDF前设置预处理设备，避免KDF受到污染而降低使用效果。
a. 孔隙度及有效碰撞KDF的净化作用基于微观的化学反应及电化学反应，前提是污染物与KDF的有效碰撞。因此，合理的滤床高度、压头损失允许的颗粒粒度、有效的过滤面积等都是非常重要的。在实际应用中是选择开放式KDF反应器，还是选择抛弃式KDF滤芯，或是选择具有活化功能的KDF过滤器，要根据具体水质净化工况来决定。
b. 极性有机物存在
KDF的表面是带有不同电荷的活化表面，水中含有的极性有机污染物会吸附在合金滤料表面形成保护膜，同样地阻挡了氯分子和重金属离子向铜极板上扩散和传质，使KDF的作用下降。因此，去除有机污染物是提高KDF净化效果的重要手段。
c. 电极极化
3. 目前KDF在使用中普遍存在问题
a. 实际投加量太少
目前由于进口的KDF价格昂贵，加上在使用上缺少理论指导，许多厂家在净水机中的投加KDF的量非常少，按照其净化工况很难达到照其说明书介绍的作用。
b. 标注的使用寿命过长许多净水机的技术文件中给出的KDF使用寿命过长，在净水机的实际使用当中KDF过早失效，水质恶化，投诉时有发生。
c. 进水太脏表面覆盖严重
由于进水水质恶劣，没有预处理措施，造成悬浮物、胶体、大分子有机物覆盖于KDF表面，KDF只是起到一般颗粒滤料的作用，而造成氯气、重金属离子泄漏，严重影响了净水机的出水效果。
d. 进水不规范出水有问题
KDF在饮用水中使用时，由于没有对进水提出严格的规范，忽略了在净化水的同时向水中释放锌离子的倾向，而且净化与释放具有正相关性，当重金属污染严重或氯气投放量大时，有时出水会泛白，影响水的表观效果。
4. 总结
在处理水中微量氯气、重金属、抑制细菌和藻类方面KDF是十分有效，可以作到去毒除害保留有益，对污染的水进行有效的修复，可以作为一种单元操作而进行推广应用。应该总结实际应用经验，加强理论研究。建立KDF水质净化的数学模型，更好地指导实践。同时利用我国的资源加快KDF国产化进程，降低使用成本，扩大应用范围，研制专用设备，造福人民。
5.参考资料
1. 氧化还原水处理技术　刘玉敏　中国给水排水　1997　No.3
2. 氧化还原滤料新进展　张寿恺　邱梅　给水排水　2000　No.10
3. 水雾化纯铜粉抗氧化性研究　冬建中　粉末冶金工业　1995　No.2
4. 健康水理论　李复兴　中国医促会健康饮水专业委员会
5. 电化学实验　刘　瑜　首都师范大学出版社
6. 环境工程学　姜安玺　黑龙江科学技术出版社