KDF發(fā)展史.doc

KDF發(fā)展史19世紀(jì)60年代中期，DON HESKETT作為MORTON鹽公司的顧問，推動了新的活性炭過濾技術(shù)的發(fā)展。1972年，DON與BILL STEGER研究出了最初的非電子的水軟化器雛型，應(yīng)用于水處理工業(yè)。這兩項發(fā)展均具有創(chuàng)新性、走在時代前沿。1984年，DON又有新的發(fā)現(xiàn)。在一次用水泥做碳膠過濾器時，DON偶然發(fā)現(xiàn)銅鋅合金可以對氯產(chǎn)生巨大作用。早上4點，他用黃銅圓珠筆攪拌一些化學(xué)品，其中有氯的成份。當(dāng)他注意到代表氯存在的紅色逐漸消失時，他產(chǎn)生了極大的好奇心。第二天，他用不同的化學(xué)品與各種銅鋅合金進(jìn)行實驗，直到他偶然發(fā)現(xiàn)的實驗現(xiàn)象不斷重復(fù)出現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)的電化學(xué)氧化還原過程就是眾所周知的“REDOX, 在氧化還原過程中氯被還原。DON不僅發(fā)現(xiàn)了從水中去除氯的新反應(yīng)，還開辟了水處理的新紀(jì)元。DON發(fā)明的新方法，即用金屬去除水中的重金屬與氯是和傳統(tǒng)的通過離子交換去除水中金屬的思路背道而馳的。他很快地將他的發(fā)明產(chǎn)業(yè)化，三年中他得到了許多該方面的專利。他還授權(quán)美國ZINC公司生產(chǎn)KDF處理介質(zhì)。通過他的游說，面對面的交流，加上許多成功的水處理范例，使水處理工業(yè)逐漸認(rèn)可了其“發(fā)明”的重要性與實用性。通過媒體廣告與市場營銷，開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)品銷量也穩(wěn)定提高，生意逐漸擴(kuò)大。1991年，美國環(huán)境保護(hù)署（USEPA）關(guān)閉了KDF液體處理公司直到DON HEDKETT向USEPA證實了KDF用于活性炭過濾設(shè)備中具有明顯的抑菌效果，USEPA才將廣受歡迎的KDF處理介質(zhì)定為“微生物抑制裝置”。1992年，KDF85與KDF55處理介質(zhì)通過了美國國家衛(wèi)生基金會（NSF）認(rèn)證，符合飲用水的61項標(biāo)準(zhǔn)。1997年，在KDF液體處理公司成為美國水質(zhì)聯(lián)盟成員10年后，美國水質(zhì)協(xié)會（WQA）把KDF水處理介質(zhì)列入其GLOSSARY OF TEAMS AND RESIDENTIAL WATER PROCESSING，同一年，KDF55處理介質(zhì)通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)化組織（ANSI ）和NSF的飲用水42項標(biāo)準(zhǔn)。1適用范圍適用于氯氣處理過的市政自來水。包括居民（家用）、商業(yè)、學(xué)校、公用事業(yè)及輕工業(yè)、建筑工地和工廠等使用自來水的場所，其用水流量在3324加侖/分鐘（111226 L/min）范圍內(nèi)。2什么是KDF55處理介質(zhì)KDF水處理介質(zhì)是一種獨一無二的、新穎的，符合環(huán)保要求的水處理介質(zhì)。是目前較為理想的水處理方法。KDF55處理介質(zhì)為高純銅/鋅合金，通過電化學(xué)氧化還原（電子轉(zhuǎn)移）反應(yīng)有效地減少或除去水中的氯和重金屬，并抑制水中微生物的生長繁殖。KDF55處理介質(zhì)滿足美國環(huán)境保護(hù)署（EPA），聯(lián)邦藥物管理局（FDA）、水質(zhì)協(xié)會（WQA）和國家衛(wèi)生基金會（NSF）關(guān)于飲用水中最高鋅和銅含量的標(biāo)準(zhǔn)的要求，如KDF處理介質(zhì)能去除水中濃度為10ppm的氯，但仍能滿足EPA關(guān)于飲用水中最高允許含鋅量的規(guī)定。3KDF55處理介質(zhì)的作用及機(jī)理KDF處理水的原理是利用氧化還原反應(yīng)，KDF與水中氧化性有害物質(zhì)進(jìn)行電子交換，把許多有害物質(zhì)變?yōu)闊o害物質(zhì)。3.1 使用壽命長，可重復(fù)循環(huán)使用3.2 減少礦物結(jié)垢KDF處理介質(zhì)對碳酸鈣垢的作用有二個方面。一方面，根據(jù)pH、二氧化碳濃度和碳酸鈣溶解度之間的關(guān)系，當(dāng)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；KDF55通過電化學(xué)反應(yīng)也使水的pH值升高，降低碳酸鈣的溶解度，結(jié)果使碳酸鈣垢容易析出。另一方面，由于KDF處理介質(zhì)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(jī)理，使水中的碳酸鈣垢以文石的結(jié)晶形態(tài)產(chǎn)生沉淀，在容器的器壁上形成軟垢，而不是結(jié)晶為方解石型的硬垢。曾有人研究過水中雜質(zhì)存在對方解石結(jié)晶生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)，即使鋅離子的濃度很低時，也能阻止方解石結(jié)晶的形成。通過試驗可以進(jìn)一步證明，KDF處理介質(zhì)防止礦物硬垢的形成和積累，主要是阻止方解石形態(tài)碳酸鈣的結(jié)晶。采用掃描電子顯微鏡和X射線衍射進(jìn)行結(jié)晶學(xué)研究證明，未經(jīng)KDF處理的水中產(chǎn)生的硬垢是一些相對大的、具有規(guī)則形態(tài)的針狀鈣鹽和鎂鹽的結(jié)晶，這些鹽類質(zhì)地堅硬、溶解度低、具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是玻璃石灰石垢。經(jīng)過KDF處理介質(zhì)的水中結(jié)成的垢，從根本上改變了碳酸鈣（鎂）結(jié)晶的形態(tài)，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。3.3 減少懸浮固體KDF55處理介質(zhì)的顆粒平均尺寸大約為60目，最小的顆粒約115目，也能起到物理過濾去除懸浮物質(zhì)的作用，通常KDF55過濾介質(zhì)能夠有效地去除直徑小至50m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，F(xiàn)eO與KDF接觸，也可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)eO最終形成Fe2O3固體沉淀在KDF表面，可用反沖洗方法將它們?nèi)コ?，化學(xué)反應(yīng)式如下：2Cu+FeO Cu2O+Fe4Fe+3O2 2Fe2O33.4 去除氧化劑（余氯）KDF55能去除水中的氧化劑，例如余氯。該作用是通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)完成的。氧化還原反應(yīng)的發(fā)生是因為KDF55是由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(fù)的鋅是陽極。在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。鋅陽極在反應(yīng)中失去了電子，鋅離子成為犧牲者進(jìn)入溶液，銅陰極上發(fā)生游離氯的還原反應(yīng)，而不會發(fā)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(yīng)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KDF55接觸后也能進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。3.5 抑制微生物的繁殖美國環(huán)境保護(hù)署將KDF55處理介質(zhì)作為一種微生物抑制劑，說明該處理介質(zhì)能起到抑制微生物繁殖的作用，但不能完全殺滅微生物種群。KDF55處理介質(zhì)不是通過一種機(jī)理、而是幾種機(jī)理控制微生物的生長繁殖，通過每一種的單獨作用或協(xié)同作用來達(dá)到抑制微生物的作用。主要機(jī)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(zhì)中鋅的溶出等。在一般情況下，KDF55處理介質(zhì)作為反滲透膜的預(yù)處理手段時，能夠抑制細(xì)菌、藻類等微生物的繁殖，從而防止了微生物對膜的破壞。3.5.1 氧化還原電位的變化水通過KDF55處理介質(zhì)時，其氧化還原電位從+200mV變化到-500 mV，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(xì)菌的細(xì)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KDF控制細(xì)菌，必須使細(xì)菌與KDF直接接觸，KDF對細(xì)菌的抑制作用主要發(fā)生于KDF-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。3.5.2 氫氧根離子和過氧化氫美國印第安納州南本德圣母大學(xué)在研究KDF處理介質(zhì)降低水中鐵離子濃度時發(fā)現(xiàn)，在KDF將二價鐵氧化到三價鐵的過程中會產(chǎn)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，但對氫氧根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(yīng)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(yīng)比較小。3.5.3 鋅離子對微生物的控制KDF處理介質(zhì)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(jī)體的正常生長，達(dá)到抑制微生物繁殖的目的。另外，KDF55介質(zhì)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(zhì)上降低了有機(jī)體從光合作用生產(chǎn)食物的能力，細(xì)菌種群的食物和能量來源是依靠藻類群落，藻類的減少將顯著影響細(xì)菌的生長。3.6 重金屬的去除KDF處理介質(zhì)可以去除水中的重金屬離子，如鉛、汞、銅、鎳、鎘、砷、銻、鋁和其他許多可溶性重金屬離子，它們的去除是通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)和催化作用完成的。KDF55去除重金屬離子的機(jī)理如下：金屬離子鍍覆于KDF處理介質(zhì)的表面或進(jìn)入KDF晶格中，從而使有毒重金屬污染物結(jié)合在KDF上。例如，水中溶解的鉛離子還原成不溶性的鉛原子，并鍍覆于KDF介質(zhì)的表面； X射線衍射研究發(fā)現(xiàn)汞的去除是形成了銅汞合金。KDF處理重金屬離子的化學(xué)反應(yīng)式如下：Zn/Cu/Zn+Pb(NO3)2 Zn/Cu/Pb + Zn(NO3)2Zn/Cu/Zn+HgCl2 Zn/Cu/Hg+ ZnCl2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。3.7 去除硫化氫在應(yīng)用膜法進(jìn)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膜表面，KDF55過濾介質(zhì)有去除硫化氫的功能，生成的硫化銅不溶于水，可在KDF55介質(zhì)反沖洗時去除，化學(xué)反應(yīng)式如下：Cu/Zn+H2S Cu/Zn+CuS+H22H2+O2 2H2O用KDF55處理介質(zhì)進(jìn)行高純水生產(chǎn)預(yù)處理簡介用KDF55介質(zhì)進(jìn)行水的預(yù)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、顆粒狀活性炭，KDF介質(zhì)能夠保護(hù)這些昂貴易損的水處理組件不受氯、微生物、結(jié)垢的影響。此外，KDF55介質(zhì)能去除高達(dá)98%的重金屬，如Pb 、Cd、 Ce、 Ag、 Ar、Al、 Se、 Cu、 Hg，另外，借助沉淀在KDF介質(zhì)上發(fā)生的氧化還原反應(yīng)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。KDF55介質(zhì)與微濾、超濾、反滲透膜、離子交換樹脂、顆?；钚蕴肯啾?，在提高水處理效率和持續(xù)保持高效方面具有更多的優(yōu)勢，消耗更低。8從廚房水龍頭到工業(yè)冷卻水處理中的應(yīng)用KDF介質(zhì)可應(yīng)用于很多的水處理預(yù)處理及污水處理方面。以下為幾個例子：8.1 國內(nèi)研究結(jié)果北京工業(yè)大學(xué)呂亞文等對KDF的反滲透預(yù)處理系統(tǒng)中的可行性研究證明：（1） KDF去除余氯的效果明顯在實驗條件下，出水完全能夠滿足反滲預(yù)處理對余氯含量的要求，甚至在濾速為96m/min的條件下，余氯的去除率仍在99%以上，對霉菌和酵母的去除率更高；除此以外還具有延時殺菌的效果。（2） KDF對重金屬離子具有一定的去除作用（3） KDF具有一定的阻垢效能8.2 國外應(yīng)用情況（1） 去除市政飲用水中的余氯KDF處理介質(zhì)正日益被用來替代或與活性炭過濾器聯(lián)合使用，去除市政自來水中的余氯（可高達(dá)99%），其主要特點是使用壽命長。進(jìn)行KDF介質(zhì)預(yù)處理可延長顆?；钚蕴康氖褂脡勖?，并保護(hù)活性炭濾層（床）免受細(xì)菌污染。同時KDF介質(zhì)可去除鉛及其他重金屬，去除率高達(dá)98%，重金屬的污染問題正日益引起衛(wèi)生部門的高度重視。（2） 保護(hù)反滲透裝置反滲透膜很容易受氯腐蝕。KDF介質(zhì)可代替活性炭處理以保護(hù)反滲透（RO）裝置免受氯氣、細(xì)菌污染?；钚蕴窟^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(yán)格控制水中氯氣的濃度，而且活性炭過濾床容易孳生細(xì)菌。KDF處理介質(zhì)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(wěn)定、長期的保護(hù)。美國美國現(xiàn)代中西部門診部實驗室處理量為 355L/d的反滲透裝置，裝了KDF55過濾介質(zhì)預(yù)處理設(shè)備后，膜的使用壽命明顯延長。實驗室的操作管理人員的報告表明：反滲透膜工作了整整八年，給美國病理學(xué)院提供了大量試劑用水，出水水質(zhì)一直保持在一級水平。（3） 抑制冷卻水中細(xì)菌及藻類的繁殖、減少結(jié)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(xì)菌、藻類繁殖的絕好溫床（例如Legionella（軍團(tuán)?。┛傻米岳鋮s塔）。傳統(tǒng)化學(xué)法通過投加藥劑控制冷卻塔中藻類及細(xì)菌生長，其費用昂貴，后續(xù)污水處理成本也高。KDF處理介質(zhì)處理冷卻水成本低，可有效控制藻類及細(xì)菌生長，不使用對環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。另外，經(jīng)KDF介質(zhì)處理后的水可減少硬水垢的生成。（4） KDF處理介質(zhì)與其它凈水系統(tǒng)KDF介質(zhì)可以控制顆?；钚蕴繉踊蚧钚蕴繛V芯內(nèi)細(xì)菌、藻類的繁殖。當(dāng)活性炭與KDF處理介質(zhì)一起使用時，活性炭去除有機(jī)雜質(zhì)及余氯的能力增強(qiáng)。KDF處理介質(zhì)也可以代替滲銀活性炭。因為銀是有毒金屬，故滲銀活性炭必須在美國環(huán)境保護(hù)署注冊。KDF介質(zhì)則不必作為有毒的微生物抑制劑在美國環(huán)保署注冊。KDF處理介質(zhì)通過廢金屬回收（循環(huán)）系統(tǒng)來達(dá)到自我循環(huán)，比滲銀活性炭成本低得多。（5） KDF介質(zhì)也能有效地保護(hù)昂貴的離子交換器免受氯及微生物的污染。注:* KDF55獲中國衛(wèi)生部衛(wèi)生許可：進(jìn)口國衛(wèi)字(1998)JS0006號* 制造公司：美國KDF FLUID TREATMENT，INC.* 美國專利4642192，5122274；5135654。專利發(fā)明人Don Heskett提要55過濾介質(zhì)是一種高純度的銅鋅合金,通過電化學(xué)(氧化還原)反應(yīng)將水中的余氯轉(zhuǎn)變成為氯離子。介紹了除氯的機(jī)理及試驗研究,對55與顆?；钚蕴?)除氯作了比較,并給出了兩個應(yīng)用實例。 關(guān)鍵詞除氯過濾介質(zhì) 0前言 氯是生活飲用水中最常用的消毒劑,用它來控制細(xì)菌和其他的微生物,在用氯消毒水的同時也帶來一些嚴(yán)重的缺點,為了去除水中多余的氯,常用活性炭吸附法。在離子交換器的進(jìn)水中含有氯,會使樹脂被氧化變質(zhì)和破壞,樹脂的使用壽命縮短或工作交換容量降低。對于反滲透膜水中余氯超過規(guī)定指標(biāo)時,膜會被氯氧化而受損傷,特別對于復(fù)合膜和聚酰胺膜,除氯的要求更高。在工業(yè)設(shè)備中,一般通過加化學(xué)還原劑來除氯,其中以用亞硫酸鈉除氯較多,但也有用活性炭吸附除氯的。 美國液體處理公司生產(chǎn)的過濾介質(zhì),是一種高純度的銅鋅合金,其中55是50%為銅和50%為鋅的合金,當(dāng)這種材料與水接觸后會與水和水中的雜質(zhì)產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。該材料在1980年發(fā)明之初,就發(fā)現(xiàn)了這種材料也具有很好的除氯效果,經(jīng)過試驗研究和實際應(yīng)用,證明這種材料性能比顆?；钚蕴?)除氯效果更好,也更為經(jīng)濟(jì)。目前用55過濾介質(zhì)除氯,已在美國、我國等一些國家應(yīng)用。 1除氯機(jī)理 水中游離氯的去除是通過電化學(xué)(氧化和還原)反應(yīng)完成的,氧化還原反應(yīng)的發(fā)生是因為55是由兩種不同的金屬組成的,與水發(fā)生直接的電接觸,合金中電位正的銅成為陰極,而電位負(fù)的鋅是陽極,在陰極發(fā)生還原反應(yīng),陽極發(fā)生氧化反應(yīng),鋅陽極在反應(yīng)中失去電子,鋅離子成為犧牲者進(jìn)入溶液,由于游離氯的還原反應(yīng)銅陰極被鈍化,而不會發(fā)生金屬的溶解,結(jié)果水和余氯成為電子接受者,同時產(chǎn)生的還有氫、羥基和氯化物離子。 2試驗研究 21美國的試驗 為了證明這一工藝的有效性,美國液體處理公司進(jìn)行了試驗,試驗時應(yīng)用了一臺家庭用的過濾器,高為248,直徑70,內(nèi)置高度為95的55過濾介質(zhì),經(jīng)計算介質(zhì)的容積為0365,其余空間填充了柘榴石。 試驗時采用的流量為3.785/,相當(dāng)于濾速665/。游離氯的制取用19的濃度為125%的次氯酸鈉加入存放于容器中的190去離子水中,用水泵(或水射器)將該溶液注入試驗用的管道中。試驗結(jié)果見表1。 從表1可見,經(jīng)55過濾介質(zhì)處理后在各種處理水量時,游離氯的去除率均在90%以上,處理效果良好。 在圖1上列出了試驗數(shù)據(jù)的線性回歸分析,從分析可知55過濾介質(zhì)在處理水達(dá)6813時流出水中的余氯減少90%,而在29523時跌至70%,進(jìn)水中余氯濃度200/超過了實際市政供水中的余氯濃度100/。因此,根據(jù)這一線性關(guān)系,進(jìn)水濃度減小,除氯效率將提高,也就是當(dāng)進(jìn)水余氯100/,去除效率為90%時,可處理水量將達(dá)到68132,直到處理量295232,去除余氯的效率也不會跌到70%以下。 2回復(fù)：應(yīng)用55過濾介質(zhì)從水中除氯 22澳大利亞的試驗 澳大利亞政府分析實驗室對與活性炭組成的凈水器的除氯效果進(jìn)行了分析,分析結(jié)果如下:原水中余氯為30/,過濾后02/,去除率933%。 23國內(nèi)的試驗 將過濾介質(zhì)引進(jìn)國內(nèi)的美國公司,曾委托上海市衛(wèi)生防疫站和上海市自來水公司做過試驗。 上海市衛(wèi)生防疫站的試驗是將各為320的55介質(zhì)分別置于直徑為3,35和65的圓筒中,然后用實驗室配制的