套用
摘要：介紹高純銅鋅合金（KDF）的特性，在水處理行業的套用範圍及前景
關鍵字：高純銅鋅合金、（KDF）、電化反應、重金屬、余氯、阻垢、水處理
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的發展。1972年，DON與BILL STEGER研究出了最初的非電子的水軟化器雛型，套用於水處理工業。這兩項發展均具有創新性、走在時代前沿。
1984年，DON又有新的發現。在一次用水泥做碳膠過濾器時，DON偶然發現銅鋅合金可以對氯產生巨大作用。早上4點，他用黃銅原子筆攪拌一些化學品，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，他產生了極大的好奇心。第二天，他用不同的化學品與各種銅鋅合金進行實驗，直到他偶然發現的實驗現象不斷重複出現。他發現的電化學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不僅發現了從水中去除氯的新反應，還開闢了水處理的新紀元。DON發明的新方法，即用金屬去除水中的重金屬與氯是和傳統的通過離子交換去除水中金屬的思路背道而馳的。他很快地將他的發明產業化，三年中他得到了許多該方面的專利。他還授權美國ZINC公司生產KDF處理介質。通過他的遊說，面對面的交流，加上許多成功的水處理範例，使水處理工業逐漸認可了其“發明”的重要性與實用性。通過媒體廣告與市場行銷，開闢了許多新的套用領域，產品銷量也穩定提高，生意逐漸擴大。
1991年，美國環境保護署（USEPA）關閉了KDF液體處理公司——直到DON HEDKETT向USEPA證實了KDF用於活性炭過濾設備中具有明顯的抑菌效果，USEPA才將廣受歡迎的KDF處理介質定為“微生物抑制裝置”。
1992年，KDF85與KDF55處理介質通過了美國國家衛生基金會（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聯盟成員10年後，美國水質協會（WQA）把KDF水處理介質列入其GLOSSARY OF TEAMS AND RESIDENTIAL WATER PROCESSING，同一年，KDF55處理介質通過美國國家標準化組織（ANSI ）和NSF的飲用水42項標準。
適用範圍
本指南適用於氯氣處理過的市政自來水。包括居民（家用）、商業、學校、公用事業及輕工業、建築工地和工廠等使用自來水的場所，其用水流量在3~324加侖/分鐘（11～1226 L/min）範圍內。（其他的KDF處理介質和使用手冊函索即寄）
處理介質
KDF水處理介質是一種獨一無二的、新穎的，符合環保要求的水處理介質。是目前較為理想的水處理方法。KDF55處理介質為高純銅/鋅合金，通過電化學氧化—還原（電子轉移）反應有效地減少或除去水中的氯和重金屬，並抑制水中微生物的生長繁殖。
KDF55處理介質滿足美國環境保護署（EPA），聯邦藥物管理局（FDA）、水質協會（WQA）和國家衛生基金會（NSF）關於飲用水中最高鋅和銅含量的標準的要求，如KDF處理介質能去除水中濃度為10ppm的氯，但仍能滿足EPA關於飲用水中最高允許含鋅量的規定。
作用機理
KDF處理水的原理是利用氧化還原反應，KDF與水中氧化性有害物質進行電子交換，把許多有害物質變為無害物質。
3.1 使用壽命長，可重複循環使用（詳見4、5類介紹）
3.2 減少礦物結垢
KDF處理介質對碳酸鈣垢的作用有二個方面。
一方面，根據pH、二氧化碳濃度和碳酸鈣溶解度之間的關係，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。
另一方面，由於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澱，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，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。採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，這些成分不會粘附於金屬、塑膠或陶瓷的表面，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的作用，通常KDF55過濾介質能夠有效地去除直徑小至50μm的顆粒。
由鋼鐵材料製成的輸水管件腐蝕時，鐵氧化形成FeO膠體，FeO與KDF接觸，也可以發生氧化還原反應，FeO最終形成Fe2O3固體沉澱在KDF表面，可用反衝洗方法將它們去除，化學反應式如下：
2Cu+FeO Cu2O+Fe
4Fe+3O2 2Fe2O3
3.4 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氧化還原反應完成的。氧化還原反應的發生是因為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。在陰極發生還原反應，陽極發生氧化反應。鋅陽極在反應中失去了電子，鋅離子成為犧牲者進入溶液，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，水和余氯成為最後的電子接受者，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KDF55接觸後也能進行氧化還原反應。
3.5 抑制微生物的繁殖
美國環境保護署將KDF55處理介質作為一種微生物抑制劑，說明該處理介質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，KDF55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。
3.5.1 氧化還原電位的變化
水通過KDF55處理介質時，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生於KDF-水接觸面上，所以僅靠氧化還原電位的變化並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聖母大學在研究KDF處理介質降低水中鐵離子濃度時發現，在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活性，對微生物的抑制效果比較明顯，在流出水中的殘餘效應比較小。
3.5.3 鋅離子對微生物的控制
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，KDF55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，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氧化還原反應和催化作用完成的。
KDF55去除重金屬離子的機理如下：金屬離子鍍覆於KDF處理介質的表面或進入KDF晶格中，從而使有毒重金屬污染物結合在KDF上。例如，水中溶解的鉛離子還原成不溶性的鉛原子，並鍍覆於KDF介質的表面； X射線衍射研究發現汞的去除是形成了銅—汞合金。
KDF處理重金屬離子的化學反應式如下：
Zn/Cu/Zn+Pb(NO3)2 Zn/Cu/Pb + Zn(NO3)2
Zn/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澱，也能去除金屬離子。
3.7 去除硫化氫
在套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過濾介質有去除硫化氫的功能，生成的硫化銅不溶於水，可在KDF55介質反衝洗時去除，化學反應式如下：
Cu/Zn+H2S Cu/Zn+CuS+H2
2H2+O2 2H2O
方法壽命
4.1 使用反衝洗裝置
在大多數以電化學氧化還原過程為基礎的水中會形成少量的氧化物，隨之而產生的鈣/鎂沉澱物必須定時清除。選擇知名廠家生產的3步循環反衝控制閥、採用高流量反衝裝置，可以除去任何滯留在KDF表面的污物，反衝流速應是正常使用流速的2倍。反衝洗時間為10分鐘，然後淨化漂洗3分鐘。每周至少進行兩次反衝，如必要時可適當增加，但每次反衝時間不宜超過10分鐘。反衝流速受反衝水溫、介質的類型、顆粒尺寸、介質密度等因素的影響。
KDF55處理介質堆積密度為171磅/立方英尺（2.74g/cm3）。這樣高密度介質反衝水流速要達到正常用水流速的2倍，需39gpm/平方英尺（2.65cm/s）的回流速率。如水溫比較低可採用稍低的反衝速度。溫度稍高的水用較高的水流速度反衝。如果由於泵及管子的尺寸限制使反衝水流速率達不到正常流速的2倍，應使用2個KDF55反應床，並使每一個反應床都達到正常流速的1.5倍。依次類推，當KDF反應床足夠多時，反衝也可使用正常的水流速度來完成。（計算略）
推薦的操作條件（用3步循環反衝控制閥）
正常水流流速（10"床深） 15gpm/平方英尺（57升/分鐘）
反衝10分鐘 速率：正常水流流速的2倍
淨化/漂洗3分鐘 速率； 正常水流流速的2倍
介質床擴張 反衝：10～15%
無基板 20%
最小床深（6"） 10英尺
pH範圍：飲用水 6.5~8.5
溶解性總固體流量 >150ppm(毫克/升)/分鐘
水溫(水流) 350-2120F
4.2 KDF55處理介質的高壽命
所有的水處理介質都具有一個有效期。矽砂（SiO2）無疑是壽命最長的過濾介質，其次就是使用KDF55處理介質。
有兩種情況會降低KDF55處理介質的使用壽命，每一種都需很長時間。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KDF55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KDF55的物理降解，如腐蝕、磨擦或消耗，但是物理作用對KDF55使用壽命影響很小。根據保守的估計，KDF55處理介質的使用壽命為10年。其主要依據如下：
* 經過6年的實際套用，由氯的減少量推算出消耗1/3立方英尺的KDF55這樣計算其壽命可達25年。
* 在實驗室內用含10ppm氯的水進行加速實驗，使KDF55介質完全消耗掉，推算KDF壽命可達26.5年。
* 1/3立方英尺的KDF55介質用200萬加侖含0.5~1.2ppm氯的自來水處理兩年，推算出其壽命達23.4年。
* 一個五口之家（每人每天耗50加侖水）每天用250加侖自來水，含0.5ppm氯通過1/3立方英尺KDF55介質推算出理論壽命為24.4年。
清洗介質
用鹽酸可以清洗受污染的KDF55介質。注意必須在通風良好的地方使用鹽酸，切記禁止吸菸和明火，因為處理時產生的氫氣易爆。
清洗步驟為：將濃鹽酸溶解於水中製得稀酸液，使pH值不低於2.5，將稀酸液倒入KDF介質床上，直至稀酸液浸過介質床，然後持續進行反衝約20分鐘。反衝直至流出清水，當流出水的pH與進水pH相同時即可。
本公司強烈推薦使用Quick Brite 公司生產的KDF55清潔劑。
用Quick Brite.清潔劑清洗KDF55介質的方法：
1) 排出淨水器中的水；
2) 加入足夠量的強力Quick Brite 浸過KDF介質（1加侖Quick Brite可清洗1/3立方英尺KDF55）；
3) 浸泡至少10分鐘；
4) 攪拌溶液和介質；
5) 再浸泡5分鐘以上；
6) 將清洗劑排放進下水道；
7) 用水反衝，漂洗乾淨，沖洗水排入下水道；
8) 用新鮮水重複反衝、漂洗、排水、直至流出清水，pH值達到Quick Brite的值即可。
介質標準
目數（U.S.Mesh） 10～100目
顆粒大小範圍 2.00~0.145mm
堆積密度 2.4～2.9克/立方厘米（171磅/立方英尺）
濁度 >20 NTU
味道 無
處理簡介
用KDF55介質進行水的預處理是一種簡單、低耗的方法。對於微濾、超濾、反滲透膜、離子交換樹脂、顆粒狀活性炭，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、結垢的影響。此外，KDF55介質能去除高達98%的重金屬，如Pb 、Cd、 Ce、 Ag、 Ar、Al、 Se、 Cu、 Hg，另外，藉助沉澱在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。KDF55介質與微濾、超濾、反滲透膜、離子交換樹脂、顆粒活性炭相比，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。
套用
KDF介質可套用於很多的水處理預處理及污水處理方面。以下為幾個例子：
8.1 國內研究結果
北京工業大學呂亞文等對KDF的反滲透預處理系統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，對黴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 國外套用情況
（1） 去除市政飲用水中的余氯
KDF處理介質正日益被用來替代或與活性炭過濾器聯合使用，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KDF介質預處理可延長顆粒活性炭的使用壽命，並保護活性炭濾層（床）免受細菌污染。
同時KDF介質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。
活性炭過濾器也可有效地去除余氯，但是由於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。
美國美國現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過濾介質預處理設備後，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，給美國病理學院提供了大量試劑用水，出水水質一直保持在一級水平。
（3） 抑制冷卻水中細菌及藻類的繁殖、減少結垢
冷卻塔及水冷式熱交換器中的水常被加溫並曝於空氣——因而成為細菌、藻類繁殖的絕好溫床（例如Legionella（軍團病）可得自冷卻塔）。傳統化學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，後續污水處理成本也高。
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KDF介質處理後的水可減少硬水垢的生成。
（4） KDF處理介質與其它淨水系統
KDF介質可以控制顆粒活性炭層或活性炭濾芯內細菌、藻類的繁殖。當活性炭與KDF處理介質一起使用時，活性炭去除有機雜質及余氯的能力增強。
KDF處理介質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境保護署註冊。KDF介質則不必作為有毒的微生物抑制劑在美國環保署註冊。KDF處理介質通過廢金屬回收（循環）系統來達到自我循環，比滲銀活性炭成本低得多。
（5） KDF介質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獲中國衛生部衛生許可：進口國衛字(1998)JS0006號
* 製造公司：美國KDF FLUID TREATMENT，INC.
* 美國專利4642192，5122274；5135654。專利發明人Don Heskett
目前有兩種主要產品：KDF55，它是50%銅和50%鋅的合金；KDF85，它是85%的銅和15%鋅的合金。KDF作為過濾介質的濾水器具有許多優點：使用壽命長；可以100%恢復過濾能力；可以去除水中的余氯；能有效地控制微生物的生長；阻止硬垢的積累等。
