KDF发展史

KDF发展史
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。

1．适用范围
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。

2．什么是KDF55处理介质
KDF水处理介质是一种独一无二的、新颖的，符合环保要求的水处理介质。

是目前较为理想的水处理方法。

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）反应有效地减少或除去水中的氯和重金属，并抑制水中微生物的生长繁殖。

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。

3．KDF55处理介质的作用及机理
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
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、鎘、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
用KDF55处理介质进行高纯水生产预处理简介
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。

8．从厨房水龙头到工业冷却水处理中的应用
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
提要ＫＤＦ55过滤介质是一种高纯度的铜锌合金,通过电化学(氧化还原)反应将水中的余氯转变成为氯离子。

介绍了除氯的机理及试验研究,对ＫＤＦ55与颗粒活性炭(ＧＡＣ)除氯作了比较,并给出了两个应用实例。

关键词ＫＤＦ除氯过滤介质
0前言
氯是生活饮用水中最常用的消毒剂,用它来控制细菌和其他的微生物,在用氯消毒水的同时也带来一些严重的缺点,为了去除水中多余的氯,常用活性炭吸附法。

在离子交换器的进水中含有氯,会使树脂被氧化变质和破坏,树脂的使用寿命缩短或工作交换容量降低。

对于反渗透膜水中余氯超过规定指标时,膜会被氯氧化而受损伤,特别对于复合膜和聚酰胺膜,除氯的要求更高。

在工业设备中,一般通过加化学还原剂来除氯,其中以用亚硫酸钠除氯较多,但也有用活性炭吸附除氯的。

美国ＫＤＦ液体处理公司生产的ＫＤＦ过滤介质,是一种高纯度的铜锌合金,其中ＫＤＦ55是50%为铜和50%为锌的合金,当这种材料与水接触后会与水和水中的杂质产生氧化还原反应。

该材料在1980年发明之初,就发现了这种材料也具有很好的除氯效果,经过试验研究和实际应用,证明这种材料性能比颗粒活性炭(ＧＡＣ)除氯效果更好,也更为经济。

目前用ＫＤＦ55过滤介质除氯,已在美国、我国等一些国家应用。

1除氯机理
水中游离氯的去除是通过电化学(氧化和还原)反应完成的,氧化还原反应的发生是因为ＫＤＦ55是由两种不同的金属组成的,与水发生直接的电接触,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电子,锌离子成为牺牲者进入溶液,由于游离氯的还原反应铜阴极被钝化,而不会发生金属的溶解,结果水和余氯成为电子接受者,同时产生的还有氢、羟基和氯化物离子。

2试验研究
2 1美国的试验
为了证明这一工艺的有效性,美国ＫＤＦ液体处理公司进行了试验,试验时应用了一台家庭用的过滤器,高为248ｍｍ,直径70ｍｍ,内置高度为95ｍｍ的ＫＤＦ55过滤介质,经计算介质的容积为0 365Ｌ,其余空间填充了柘榴石。

试验时采用的流量为3.785Ｌ/ｍｉｎ,相当于滤速66 5ｍ/ｈ。

游离氯的制取用1 9Ｌ的浓度为12 5%的次氯酸钠加入存放于容器中的190Ｌ去离子水中,用水泵(或水射器)将该溶液注入试验用的管道中。

试验结果见表1。

从表1可见,经ＫＤＦ55过滤介质处理后在各种处理水量时,游离氯的去除率均在90%以上,处理效果良好。

在图1上列出了试验数据的线性回归分析,从分析可知ＫＤＦ55过滤介质在处理水达6813Ｌ时流出水中的余氯减少90%,而在29523Ｌ时跌至70%,进水中余氯浓度2 00ｍｇ/Ｌ超过了实际市政供水中的余氯浓度1 00ｍｇ/Ｌ。

因此,根据这一线性关系,进水浓度减小,除氯效率将提高,也就是当进水余氯1 00ｍｇ/Ｌ,去除效率为90%时,可处理水量将达到6813×2Ｌ,直到处理量29523×2Ｌ,去除余氯的效率也不会跌到70%以下。