KDF發(fā)展史.doc

KDF發(fā)展史19世紀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，生意逐漸擴大。1991年，美國環(huán)境保護署（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）認證，符合飲用水的61項標準。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)通過美國國家標準化組織（ANSI ）和NSF的飲用水42項標準。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準的要求，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(xié)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(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KDF控制細菌，必須使細菌與KDF直接接觸，KDF對細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，從而影響有機體的正常生長，達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)上降低了有機體從光合作用生產(chǎn)食物的能力，細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理如下：金屬離子鍍覆于KDF處理介質(zhì)的表面或進入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)進行高純水生產(chǎn)預(yù)處理簡介用KDF55介質(zhì)進行水的預(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?；钚蕴肯啾龋谔岣咚幚硇屎统掷m(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99%），其主要特點是使用壽命長。進行KDF介質(zhì)預(yù)處理可延長顆粒活性炭的使用壽命，并保護活性炭濾層（床）免受細菌污染。同時KDF介質(zhì)可去除鉛及其他重金屬，去除率高達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反滲透（RO）裝置免受氯氣、細菌污染?；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格控制水中氯氣的濃度，而且活性炭過濾床容易孳生細菌。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。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菌、藻類繁殖的絕好溫床（例如Legionella（軍團?。┛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)細菌、藻類的繁殖。當活性炭與KDF處理介質(zhì)一起使用時，活性炭去除有機雜質(zhì)及余氯的能力增強。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,用它來控制細菌和其他的微生物,在用氯消毒水的同時也帶來一些嚴重的缺點,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。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6813時流出水中的余氯減少90%,而在29523時跌至70%,進水中余氯濃度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,進水濃度減小,除氯效率將提高,也就是當進水余氯100/,去除效率為90%時,可處理水量將達到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