KDF滤芯

净水设备部件
KDF是一种高纯度的铜合金，能够去除水中的重金属与酸根离子，提高水的活化程度。
应用
摘要：介绍高纯铜锌合金（KDF）的特性，在水处理行业的应用范围及前景
关键词：高纯铜锌合金、（KDF）、电化反应、重金属、余氯、阻垢、水处理
19世纪60年代中期，DON HESKETT作为MORTON盐公司的顾问，推动了新的活性炭过滤技术的发展。1972年，DON与BILL STEGER研究出了最初的非电子的水软化器雏型，应用于水处理工业。这两项发展均具有创新性、走在时代前沿。
1984年，DON又有新的发现。在一次用水泥做碳胶过滤器时，DON偶然发现铜锌合金可以对氯产生巨大作用。早上4点，他用黄铜圆珠笔搅拌一些化学品，其中有氯的成份。当他注意到代表氯存在的红色逐渐消失时，他产生了极大的好奇心。第二天，他用不同的化学品与各种铜锌合金进行实验，直到他偶然发现的实验现象不断重复出现。他发现的电化学氧化还原过程就是众所周知的“REDOX", 在氧化还原过程中氯被还原。
DON不仅发现了从水中去除氯的新反应，还开辟了水处理的新纪元。DON发明的新方法，即用金属去除水中的重金属与氯是和传统的通过离子交换去除水中金属的思路背道而驰的。他很快地将他的发明产业化，三年中他得到了许多该方面的专利。他还授权美国ZINC公司生产KDF处理介质。通过他的游说，面对面的交流，加上许多成功的水处理范例，使水处理工业逐渐认可了其“发明”的重要性与实用性。通过媒体广告与市场营销，开辟了许多新的应用领域，产品销量也稳定提高，生意逐渐扩大。
1991年，美国环境保护署（USEPA）关闭了KDF液体处理公司——直到DON HEDKETT向USEPA证实了KDF用于活性炭过滤设备中具有明显的抑菌效果，USEPA才将广受欢迎的KDF处理介质定为“微生物抑制装置”。
1992年，KDF85与KDF55处理介质通过了美国国家卫生基金会（NSF）认证，符合饮用水的61项标准。1997年，在KDF液体处理公司成为美国水质联盟成员10年后，美国水质协会（WQA）把KDF水处理介质列入其GLOSSARY OF TEAMS AND RESIDENTIAL WATER PROCESSING，同一年，KDF55处理介质通过美国国家标准化组织（ANSI ）和NSF的饮用水42项标准。
适用范围
本指南适用于氯气处理过的市政自来水。包括居民（家用）、商业、学校、公用事业及轻工业、建筑工地和工厂等使用自来水的场所，其用水流量在3~324加仑/分钟（11～1226 L/min）范围内。（其他的KDF处理介质和使用手册函索即寄）
处理介质
KDF水处理介质是一种符合环保要求的水处理介质与水处理方法。KDF55处理介质为高纯铜/锌合金，通过电化学氧化—还原（电子转移）原理工作。
KDF55处理介质满足美国环境保护署（EPA），联邦药物管理局（FDA）、水质协会（WQA）和国家卫生基金会（NSF）关于饮用水中最高锌和铜含量的标准的要求，如KDF处理介质能去除水中浓度为10ppm的氯，但仍能满足EPA关于饮用水中最高允许含锌量的规定。
作用机理
KDF处理水的原理是利用氧化还原反应，KDF与水中氧化性有害物质进行电子交换，把许多有害物质变为无害物质。
3.1 使用寿命长，可重复循环使用（详见4、5类介绍）
3.2 减少矿物结垢
KDF处理介质对碳酸钙垢的作用有二个方面。
一方面，根据pH、二氧化碳浓度和碳酸钙溶解度之间的关系，当二氧化碳从溶液中除去时，pH值升高，因而使碳酸钙的溶解度降低；KDF55通过电化学反应也使水的pH值升高，降低碳酸钙的溶解度，结果使碳酸钙垢容易析出。
另一方面，由于KDF处理介质中锌离子的溶出，水中的锌离子含量有所增加，水中锌离子的存在能改变垢的晶体生长机理，使水中的碳酸钙垢以文石的结晶形态产生沉淀，在容器的器壁上形成软垢，而不是结晶为方解石型的硬垢。曾有人研究过水中杂质存在对方解石结晶生长的影响，研究发现，即使锌离子的浓度很低时，也能阻止方解石结晶的形成。
通过试验可以进一步证明，KDF处理介质防止矿物硬垢的形成和积累，主要是阻止方解石形态碳酸钙的结晶。采用扫描电子显微镜和X射线衍射进行结晶学研究证明，未经KDF处理的水中产生的硬垢是一些相对大的、具有规则形态的针状钙盐和镁盐的结晶，这些盐类质地坚硬、溶解度低、具有网状结构，是玻璃石灰石垢。经过KDF处理介质的水中结成的垢，从根本上改变了碳酸钙（镁）结晶的形态，垢形相对变小，外观平坦呈圆形、颗粒形和棒形，都是由不坚硬的粉状成分组成的，这些成分不会粘附于金属、塑料或陶瓷的表面，很容易用物理过滤方法将它们除去。
3.3 减少悬浮固体
KDF55处理介质的颗粒平均尺寸大约为60目，最小的颗粒约115目，也能起到物理过滤去除悬浮物质的作用，通常KDF55过滤介质能够有效地去除直径小至50μm的颗粒。
由钢铁材料制成的输水管件腐蚀时，铁氧化形成FeO胶体，FeO与KDF接触，也可以发生氧化还原反应，FeO最终形成Fe2O3固体沉淀在KDF表面，可用反冲洗方法将它们去除，化学反应式如下：
2Cu+FeO Cu2O+Fe
4Fe+3O2 2Fe2O3
3.4 去除氧化剂（余氯）
KDF55能去除水中的氧化剂，例如余氯。该作用是通过电化学氧化还原反应完成的。氧化还原反应的发生是因为KDF55是由二种不同的金属组成的，与水接触时，合金中电位正的铜成为阴极，而电位负的锌是阳极。在阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应。锌阳极在反应中失去了电子，锌离子成为牺牲者进入溶液，铜阴极上发生游离氯的还原反应，而不会发生金属铜的溶解，水和余氯成为最后的电子接受者，同时生成氢离子、氢氧根离子和氯离子，总反应式如下：
Zn+HOCl+H2O+2e- Zn2+ +Cl-+H++2OH-
水中其他的氧化剂，如臭氧、溴、碘等与KDF55接触后也能进行氧化还原反应。
3.5 抑制微生物的繁殖
美国环境保护署将KDF55处理介质作为一种微生物抑制剂，说明该处理介质能起到抑制微生物繁殖的作用，但不能完全杀灭微生物种群。KDF55处理介质不是通过一种机理、而是几种机理控制微生物的生长繁殖，通过每一种的单独作用或协同作用来达到抑制微生物的作用。主要机理包括：氧化还原电位的变化，氢氧根离子和过氧化氢的形成，介质中锌的溶出等。在一般情况下，KDF55处理介质作为反渗透膜的预处理手段时，能够抑制细菌、藻类等微生物的繁殖，从而防止了微生物对膜的破坏。
3.5.1氧化还原电位的变化
水通过KDF55处理介质时，其氧化还原电位从+200mV变化到-500 mV，在一般情况下，各种类型的微生物只能在特定的氧化还原电位下生长，电位的大幅度变化，能破坏细菌的细胞，从而控制了微生物的生长。但是，水的氧化还原电位变化很小，用KDF控制细菌，必须使细菌与KDF直接接触，KDF对细菌的抑制作用主要发生于KDF-水接触面上，所以仅靠氧化还原电位的变化并不能完全控制微生物。
3.5.2氢氧根离子和过氧化氢
美国印第安纳州南本德圣母大学在研究KDF处理介质降低水中铁离子浓度时发现，在KDF将二价铁氧化到三价铁的过程中会产生氢氧根离子和过氧化氢，这就可以抑制那些在低氧化电位时尚能存活，但对氢氧根离子和过氧化氢敏感的微生物，但是氢氧根离子和过氧化氢的寿命短，只是在过滤过程中具有高的反应活性，对微生物的抑制效果比较明显，在流出水中的残余效应比较小。
3.5.3 锌离子对微生物的控制
KDF处理介质中释放出来的锌对微生物有明显的控制作用，锌能阻止酶的合成，从而影响有机体的正常生长，达到抑制微生物繁殖的目的。
另外，KDF55介质通过阻止叶绿素合成而控制藻类生长，锌离子的存在从本质上降低了有机体从光合作用生产食物的能力，细菌种群的食物和能量来源是依靠藻类群落，藻类的减少将显著影响细菌的生长。
3.6 重金属的去除
KDF处理介质可以去除水中的重金属离子，如铅、汞、铜、镍、镉、砷、锑、铝和其他许多可溶性重金属离子，它们的去除是通过电化学氧化还原反应和催化作用完成的。
KDF55去除重金属离子的机理如下：金属离子镀覆于KDF处理介质的表面或进入KDF晶格中，从而使有毒重金属污染物结合在KDF上。例如，水中溶解的铅离子还原成不溶性的铅原子，并镀覆于KDF介质的表面；X射线衍射研究发现汞的去除是形成了铜—汞合金。
KDF处理重金属离子的化学反应式如下：
Zn/Cu/Zn+Pb(NO3)2 Zn/Cu/Pb + Zn(NO3)2
Zn/Cu/Zn+HgCl2 Zn/Cu/Hg+ ZnCl2
金属离子在水的pH升高时水解形成金属氢氧化物沉淀，也能去除金属离子。
3.7 去除硫化氢
在应用膜法进行水处理时，如果选用地下水作水源，水中可能存在硫化氢，硫化氢如被氧化成硫磺就会污染膜表面，KDF55过滤介质有去除硫化氢的功能，生成的硫化铜不溶于水，可在KDF55介质反冲洗时去除，化学反应式如下：
Cu/Zn+H2S Cu/Zn+CuS+H2
2H2+O2 2H2O
方法寿命
4.1 使用反冲洗装置
在大多数以电化学氧化还原过程为基础的水中会形成少量的氧化物，随之而产生的钙/镁沉淀物必须定时清除。选择知名厂家生产的3步循环反冲控制阀、采用高流量反冲装置，可以除去任何滞留在KDF表面的污物，反冲流速应是正常使用流速的2倍。反冲洗时间为10分钟，然后净化漂洗3分钟。每周至少进行两次反冲，如必要时可适当增加，但每次反冲时间不宜超过10分钟。反冲流速受反冲水温、介质的类型、颗粒尺寸、介质密度等因素的影响。
KDF55处理介质堆积密度为171磅/立方英尺（2.74g/cm3）。这样高密度介质反冲水流速要达到正常用水流速的2倍，需39gpm/平方英尺（2.65cm/s）的回流速率。如水温比较低可采用稍低的反冲速度。温度稍高的水用较高的水流速度反冲。如果由于泵及管子的尺寸限制使反冲水流速率达不到正常流速的2倍，应使用2个KDF55反应床，并使每一个反应床都达到正常流速的1.5倍。依次类推，当KDF反应床足够多时，反冲也可使用正常的水流速度来完成。（计算略）
推荐的操作条件（用3步循环反冲控制阀）
正常水流流速（10"床深） 15gpm/平方英尺（57升/分钟）
反冲10分钟 速率：正常水流流速的2倍
净化/漂洗3分钟 速率； 正常水流流速的2倍
介质床扩张 反冲：10～15%
无基板 20%
最小床深（6"） 10英尺
pH范围：饮用水 6.5~8.5
溶解性总固体流量 >150ppm(毫克/升)/分钟
水温(水流) 350-2120F
4.2 KDF55处理介质的高寿命
所有的水处理介质都具有一个有效期。硅砂（SiO2）无疑是寿命最长的过滤介质，其次就是使用KDF55处理介质。
有两种情况会降低KDF55处理介质的使用寿命，每一种都需很长时间。第一种是水中余氯的含量比锌的溶解量要大得多时，余氯浓度为0.55ppm的市政自来水通过KDF55仅产生0.25ppm的锌，除去10ppm的氯，其锌的含量也不会超标。第二种是KDF55的物理降解，如腐蚀、磨擦或消耗，但是物理作用对KDF55使用寿命影响很小。根据保守的估计，KDF55处理介质的使用寿命为10年。其主要依据如下：
* 经过6年的实际应用，由氯的减少量推算出消耗1/3立方英尺的KDF55这样计算其寿命可达25年。
* 在实验室内用含10ppm氯的水进行加速实验，使KDF55介质完全消耗掉，推算KDF寿命可达26.5年。
* 1/3立方英尺的KDF55介质用200万加仑含0.5~1.2ppm氯的自来水处理两年，推算出其寿命达23.4年。
* 一个五口之家（每人每天耗50加仑水）每天用250加仑自来水，含0.5ppm氯通过1/3立方英尺KDF55介质推算出理论寿命为24.4年。
清洗介质
用盐酸可以清洗受污染的KDF55介质。注意必须在通风良好的地方使用盐酸，切记禁止吸烟和明火，因为处理时产生的氢气易爆。
清洗步骤为：将浓盐酸溶解于水中制得稀酸液，使pH值不低于2.5，将稀酸液倒入KDF介质床上，直至稀酸液浸过介质床，然后持续进行反冲约20分钟。反冲直至流出清水，当流出水的pH与进水pH相同时即可。
该公司强烈推荐使用Quick Brite 公司生产的KDF55清洁剂。
用Quick Brite.清洁剂清洗KDF55介质的方法：
1) 排出净水器中的水；
2) 加入足够量的强力Quick Brite 浸过KDF介质（1加仑Quick Brite可清洗1/3立方英尺KDF55）；
3) 浸泡至少10分钟；
4) 搅拌溶液和介质；
5) 再浸泡5分钟以上；
6) 将清洗剂排放进下水道；
7) 用水反冲，漂洗干净，冲洗水排入下水道；
8) 用新鲜水重复反冲、漂洗、排水、直至流出清水，pH值达到Quick Brite的值即可。
介质标准
目数（U.S.Mesh） 10～100目
颗粒大小范围 2.00~0.145mm
堆积密度 2.4～2.9克/立方厘米（171磅/立方英尺）
浊度 >20 NTU
味道 无
处理简介
用KDF55介质进行水的预处理是一种简单、低耗的方法。对于微滤、超滤、反渗透膜、离子交换树脂、颗粒状活性炭，KDF介质能够保护这些昂贵易损的水处理组件不受氯、微生物、结垢的影响。此外，KDF55介质能去除高达98%的重金属，如Pb 、Cd、 Ce、 Ag、 Ar、Al、 Se、 Cu、 Hg，另外，借助沉淀在KDF介质上发生的氧化还原反应还可以降低水中碳酸盐、硝酸盐和硫酸盐。
影响膜分离工艺效率的主要问题是各种污染物在膜表面的沉积，造成膜表面孔的堵塞，这已是无可争议的事实。KDF55介质与微滤、超滤、反渗透膜、离子交换树脂、颗粒活性炭相比，在提高水处理效率和持续保持高效方面具有更多的优势，消耗更低。
应用
KDF介质可应用于很多的水处理预处理及污水处理方面。以下为几个例子：
8.1 国内研究结果
北京工业大学吕亚文等对KDF的反渗透预处理系统中的可行性研究证明：
（1） KDF去除余氯的效果明显
在实验条件下，出水完全能够满足反渗预处理对余氯含量的要求，甚至在滤速为96m/min的条件下，余氯的去除率仍在99%以上，对霉菌和酵母的去除率更高；除此以外还具有延时杀菌的效果。
（2） KDF对重金属离子具有一定的去除作用
（3） KDF具有一定的阻垢效能
8.2 国外应用情况
（1） 去除市政饮用水中的余氯
KDF处理介质正日益被用来替代或与活性炭过滤器联合使用，去除市政自来水中的余氯（可高达99%），其主要特点是使用寿命长。进行KDF介质预处理可延长颗粒活性炭的使用寿命，并保护活性炭滤层（床）免受细菌污染。
同时KDF介质可去除铅及其他重金属，去除率高达98%，重金属的污染问题正日益引起卫生部门的高度重视。
（2） 保护反渗透装置
反渗透膜很容易受氯腐蚀。KDF介质可代替活性炭处理以保护反渗透（RO）装置免受氯气、细菌污染。
活性炭过滤器也可有效地去除余氯，但是由于活性炭在高氯水中会很快吸附饱和，所以在操作时必须严格控制水中氯气的浓度，而且活性炭过滤床容易孳生细菌。KDF处理介质除氯率高，有抑制微生物繁殖的作用，因而可为反渗透膜提供了稳定、长期的保护。
美国美国现代中西部门诊部实验室处理量为 355L/d的反渗透装置，装了KDF55过滤介质预处理设备后，膜的使用寿命明显延长。实验室的操作管理人员的报告表明：反渗透膜工作了整整八年，给美国病理学院提供了大量试剂用水，出水水质一直保持在一级水平。
（3） 抑制冷却水中细菌及藻类的繁殖、减少结垢
冷却塔及水冷式热交换器中的水常被加温并曝于空气——因而成为细菌、藻类繁殖的绝好温床（例如Legionella（军团病）可得自冷却塔）。传统化学法通过投加药剂控制冷却塔中藻类及细菌生长，其费用昂贵，后续污水处理成本也高。
KDF处理介质处理冷却水成本低，可有效控制藻类及细菌生长，不使用对环境有害的化学物质。另外，经KDF介质处理后的水可减少硬水垢的生成。
（4） KDF处理介质与其它净水系统
KDF介质可以控制颗粒活性炭层或活性炭滤芯内细菌、藻类的繁殖。当活性炭与KDF处理介质一起使用时，活性炭去除有机杂质及余氯的能力增强。
KDF处理介质也可以代替渗银活性炭。因为银是有毒金属，故渗银活性炭必须在美国环境保护署注册。KDF介质则不必作为有毒的微生物抑制剂在美国环保署注册。KDF处理介质通过废金属回收（循环）系统来达到自我循环，比渗银活性炭成本低得多。
（5） KDF介质也能有效地保护昂贵的离子交换器免受氯及微生物的污染。
注:
* KDF55获中国卫生部卫生许可：进口国卫字(1998)JS0006号
* 制造公司：美国KDF FLUID TREATMENT，INC.
* 美国专利4642192，5122274；5135654。专利发明人Don Heskett
到2019年，有两种主要产品：KDF55，它是50%铜和50%锌的合金；KDF85，它是85%的铜和15%锌的合金。KDF作为过滤介质的滤水器具有许多优点：使用寿命长；可以100%恢复过滤能力；可以去除水中的余氯；能有效地控制微生物的生长；阻止硬垢的积累等。