KDF、活性碳、超滤介绍

“超能芯”介绍净来“超能芯”是净来牌净水机各系列产品核心技术的总称，它包含了现今净来公司掌握的各项先进的水处理技术：KDF、GAC、UF、RO等以及与之相关的各种控制系统。它是净来公司“家庭饮用水五星净化中心”的核心驱动器，为实现家庭饮用水净化中心的超能化运行，保证整个系统的高标准运作提供动力和保障，它是一个包容性的概念，今后净来掌握的一切先进水处理技术都将丰富超能芯的内涵。

“超能芯”一：KDF铜锌合金滤料

一、什么是KDF KDF是一种高纯度的铜锌合金，是美国Don HesKett博士在1984年发明的一种新型的水过滤介质。其净水原理是利用氧化还原反应，KDF介质与污染物进行电子交换，把许多污染物质变成无害物质。KDF颗粒在去除水中氯和水溶性重金属方面更有效。能有效去除水中氯、有机化合物、重金属、防止致癌物质三卤甲烷的产生，产水安全、可直接生饮。

二、KDF的作用及作用机理

KDF是高纯度的铜/锌合金颗粒，它通过微电化学氧化-还原反应（Redox）进行水处理工作，在与水接触时，合金中的两种金属在亚微观尺度上构成无数小的原电池系统，这种材料在水中具有强大的反应能力和极快的反应速度，可以清除水中高达99%的氯和水中溶解的铅、汞、镍、铬等金属离子和化合物。

对抑制细菌、真菌、污垢、水藻的滋生效果卓著。被用于预处理、主处理与废水处理设备。KDF完善或取代现有技术，可大辐度延长了系统寿命，减少了重金属、微生物、污垢，降低了总费用，减化系统维护。

(1) 去除强氧化剂(余氯) KDF具有强大的还原能力，能去除水中的各种强氧化剂，对余氯特别有效。KDF是由铜、锌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，构成原电池。锌阳极在反应中失去了电子，生成锌离子进入溶液，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＋HClO＋H2O ＋2e Zn2＋＋Cl－＋H＋＋2OH- 水中其他的氧化剂，如臭氧、溴、碘等与KDF接触后也能发生类似的氧化还原反应。

(2) 去除重金属 KDF处理介质可以去除水中的多种重金属离子，如铅、汞、铜、镍、镉、砷、锑、铝和其他许多可溶性重金属离子，它们的去除是通过置换反应和物理和化学吸附反应来完成的。KDF去除重金属离子的机理如下：金属离子吸附于KDF处理介质的表面并与KDF中的锌发生置换反应，生成的金属或吸附在KDF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，并吸附于KDF介质的表面,汞离子与KDF也发生类似的反应，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+Pb2+ →Zn/Cu/Pb+Zn2+ Zn/Cu/Zn+Hg2+→Zn/Cu/Hg+Zn2+ 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) 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滤膜表面，KDF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KDF介质反冲洗时去除。

(4) 减少悬浮固体 KDF处理介质的颗粒平均尺寸大约为60目，最小的颗粒约110目，也能起到物理过滤去除悬浮物质的作用，通常KDF过滤介质能够有效地去除直径小于至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： Zn + FeO ＝ ZnO + Fe 2Fe + 3O2＝2Fe2O3

(5) 减少矿物质结垢 KDF处理介质对碳酸钙垢的作用有两上方面。

①一方面，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。KDF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。

②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。

(6) 抑制微生物繁殖 KDF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，KDF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。

①氧化还原电位的变化水通过KDF处理介质时，其氧化还原电位从＋200mV 变化到－500mV，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与水接触面上，所以仅靠氧化还原电位的变化并不能完全控制微生物。②氢氧根离子和过氧化氢在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，KDF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，这将显著影响细菌的生长。

三、KDF的可应用范围 KDF可广泛应用于预处理、主处理与废水处理设备中。它们多与活性碳颗粒过滤器，碳块或管内过滤器共同使用，也可单独使用。

用KDF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、颗粒状活性碳，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、结垢影响。此外，KDF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。KDF介质与微滤、超滤、反渗透膜、离子交换树脂、颗粒状活性碳相比，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。

1、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碳过滤器

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，并保护活性炭层（床）免受细菌污染。使碳的去污能力提升到原来的15倍，并且KDF使更小型的碳过滤器的使用成为可能，从而降低了使用成本。

2、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）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。

3、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（军团菌）可得自冷却塔）。传统化学方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、 DF处理介质与其它净水系统 KDF介质可以控制颗粒活性碳层或活性碳滤芯内细菌、藻类和繁殖。当活性碳与KDF处理介质一起使用时，活性碳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。从而降低成本。也避免了渗银活性炭银的毒性造成的潜在危险。

5、除有害重金属及其他可溶性重金属离子 KDF介质，可单独用来从水中除去铅、汞、砷等有害重金属以达到满足饮用水的要求。以除砷为例，美国《水工业》杂志1994年第4期报导，当进水含砷量为5mg/l，KDF过滤处理后水中含砷量为0.01mg/l，去除率达99.7%。在应用KDF除砷时，毋须投加药剂，所需设备也较简单，仅需配备一台KDF过滤器，处理过程也十分迅速，其过滤速度是一般采用石英砂的机械过滤器的三倍，因而设备占地面积也较小。

四、KDF的其他优点

1、KDF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KDF处理介质。有两种情况会降低KDF的使用寿命，每一种都有很长的时间。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KDF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KDF的物理降解，如腐蚀、磨擦或消耗，但是物理作用对KDF使用寿命影响很小，据保守估计使用寿命在10年以上。

2、提供高质量家庭用水天然无毒的高纯铜锌合金KDF减少了饮用水与其它家庭用水中的细菌、重金属、氯及其它有害成份，使用户看不到氯的影响，如片状皮肤干燥、头发粗糙、浴缸蓬头中的青苔、绿藻的减少，从而得到口感更好，杂味更少的水质。

五、总结 KDF已经在国外水处理行业中得到普遍使用，但国内企业应用较少，KDF在我公司自有产品中使用，有良好的使用效果，从国内外用户反馈来看，也达到了国外同类产品的水平。

“超能芯”二：GAC 粒活性炭

一、什么是GAC？

GAC即颗粒活性炭，它是含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用转换生成的。在此活化过程中，巨大的表面积和复杂的孔隙结构逐渐形成，而所谓的吸附过程正是在这些孔隙中和表面上进行的。它的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、

木材、果壳等。而由椰壳烧结而成的碳具有最好的稳定性、孔的分布及其表面积都较其他种类的碳效果好，这些特性使得它在水处理上有更良好的表现。

净来牌净水机所采用的即是这种椰壳活性炭。根据IUPAC的定义，活性炭的孔隙的半径大小可分为：

大孔半径>20 000nm

过渡孔半径150 ～20 000nm

微孔半径< 150nm

活性炭的表面积主要是由微孔提供的，微孔的孔隙容积一般为0.25～0.9vml/g, 孔隙数量约为1020个/g，全部微孔表面积约为500～1500m2/g,通常以BET法计算。二、活性炭的分类

（一）活性炭从外观上分为两种：粉状活性炭: 粒度在1-150微米之间

粒状活性炭:

有不定型颗粒状和挤压成型柱状颗粒两种，粒度在0.5-4mm之间.

（二）从制作材料上可分为以下三种形态

1、颗粒活性炭

较为常用，多用本质、煤质、果壳（核）等含碳物质通过化学法或物理活化法制

成。它有非常多的微孔和比表面积，因而具有很强的吸附能力，能有效地吸附水中的

有机污染物。此外在活化过程中，活性碳表面的非结晶部位形成一些含氧官能团，这

些基团使活性碳具有化学吸附和催化氧化、还原性能，能有效去除水中一些金属离子。

2、渗银活性碳

将活性炭和银结合在一起，不仅对水中有机污染物有吸附作用，还具有杀菌作用，

而且在活性炭内不会滋长细菌，解决了净水器出水有时出现亚硝酸盐含量高的问题。

当水通过渗银活性碳时，银离子就会慢慢释放出来，起到消毒杀菌作用。由于活性炭

对除去水中色、嗅、氯、铁、砷、汞，氰化物、酚等具有较好效果，除菌效果

90%以上，因此被应用小型净水器中。

3、纤维活性炭

有机炭纤维经活化处理后形成的一种新型吸附材料，具有发达的微孔结构，巨大

的比表面积，以及众多的官能团。国外在采用纤维活性炭进行溶剂回收，气体净化等

方面已取得了显著的成就；在水处理应用方面也做了大量的研究工作。

三、活性炭是如何发挥作用的？

活性炭的吸附可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附主要发生在活性炭去除液相和气相中杂质的过程中。活性炭的多孔结构

提供了大量的表面积，从而使其非常容易达到吸收收集杂质的目的。就象磁力一样，

所有的分子之间都具有相互引力。正因为如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以产生

强大的引力，从而达到将介质中的杂质吸引到孔径中的目的。必须指出的是，这些被

吸附的杂质的分子直径必须是要小于活性炭的孔径，这样才可可能保证杂质被吸收到

孔径中。这也就是为什么我们通过不断地改变原材料和活化条件来创造具有不同的孔

径结构的活性炭，从而适用于各种杂质吸收的应用。除了物理吸附之外，化学反应也经常发生在活性炭的表面。活性炭不仅含碳，而且在其表面含有少量的化学结合、功能团形式的氧和氢，例如羧基、羟基、酚类、内脂类、醌类、醚类等。这些表面上含有地氧化物或络合物可以与被吸附的物质发生化学反应，从而与被吸附物质结合聚集到活性炭的表面。取一个

典型的例子：水处理过程中活性炭可以与水中的亚氯酸盐发生反应使亚氯酸盐变成氯离子形式，从而达到去除水中亚氯酸盐的目的，使水不再有令人反感的味道和气味。

“超能芯”三、UF超滤

一、什么是UF

UF即超滤，

21世纪高新技术之一，它是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对

液体进行分离的物理筛分过程，孔径为0.01微米。

粒状活性炭:

有不定型颗粒状和挤压成型柱状颗粒两种，粒度在0.5-4mm之间.

二、超滤膜的发展

起源于是1748年，Schmidt用棉花胶膜或璐膜分滤溶液，当施加一定压力时，溶

液（水）透过膜，而蛋白质、胶体等物质则被截留下来，其过滤精度远远超过滤纸，

于是他提出超滤一语；1896年，Martin制出了第一张人工超滤膜；

20世纪60年代，分子量级概念的提出，是现代超滤的开始； 70年代和80年代是高速发展期，90年代以后开始趋于成熟。我国对该项技术研究较晚，70年代尚处于研究期限，80 年代末，才进入工业化生产和应用阶段，是国家“七.五”和“八.五”重点科技攻关项目。

三、超滤膜的分类：

1、根据样式主要分为卷式，板框式，管式和中空纤维式。其中，中空纤维式国内

应用最为广泛的一种，其典型特点为没有膜的支撑物，是靠纤维管的本身强度来承受

工作压压力的。

2、据膜的致密层是在中空纤维的内表面或者外表面，双分为内压式和外压式。现

在应用的为清一色全为外压式。主要优点为单位容积内装填的有有效膜面积大，且占

地面积小。

一支超滤膜由成百到上千根细小的中空纤维丝组成，一般将中空纤维膜内径在0.6-6mm之间的超滤膜称为毛细管式超滤膜，毛细管式超滤膜因内径较大，不易被大颗粒物质堵塞。

按进水方式的不同，超滤膜又分为内压式和外压式两种：

（1）.内压式：即原液先进入中空丝内部，经压力差驱动，沿径向由内向外渗透过

中空纤维成为透过液，浓缩液则留在中空死的内部，由另一端流出，其流向参见下图

所示

内压式中空纤维超滤膜

（2）.外压式中空纤维超滤膜则是原液经压力差沿径向由外向内渗透过中空纤维成为透过液，而截留的物质则汇集在中空丝的外部，其流向见图所示：

外压式中空纤维超滤膜

四、超滤膜技术过滤原理及性能特点

超滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤

膜为过滤介质，在一定压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的

微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物

质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。

2.1.1超滤膜的制水流程

自来水先进入超滤膜管内，在水压差的作用下，膜表面上密布的许多0.01微米的微孔只允许水分子、有益矿物质和微量元素透过，成为净化水。而细菌、铁锈、胶体、泥沙、悬浮物、大分子有机物等有害物质则被截留在超滤膜管内，在超滤膜进行冲洗时排出。

2.1.2超滤膜的冲洗流程

超滤膜使用一段时间后，被截留下来的细菌、铁锈、胶体、悬浮物、大分子有机物等有害物质会依附在超滤膜的内表面，使超滤膜的产水量逐渐下降，尤其是自来水质污染严重时，更易引起超滤膜的堵塞，定期对超滤膜进行冲洗可有效恢复膜的产水量。

2.2超滤芯

将成束的超滤膜丝经过浇铸工艺后制成如下图所示的超滤芯，滤芯由ABS 外壳、外壳两端的环氧封头和成束的超滤膜丝三部分组成。环氧封头填充了膜丝之间的空隙，形成原液与透过液之间的隔离，原液首先进入超滤膜孔内，经超滤膜过滤后成为透过夜，防止了原液不经过滤直接进入到透过液中。

超滤芯示意图

2.3超滤膜芯膜丝总面积的计算：

在单位膜丝面积产水量不变的情况下，滤芯装填的膜面积越大，则滤芯的总产水量越多，其计算公式为：

S内=∏dL×n

S外=∏DL×n

其中：S内膜丝总内表面积，d为超滤膜丝的内径；S外为膜丝总外表面积，D为超滤膜丝的外径；L为超滤膜丝的长度；n为超滤膜丝的根数。

单根膜丝尺寸图

五、超滤膜的性能表征

超滤膜的性能通常是指膜的物化性能和分离透过性能，物化性能主要包括膜的机械强度、耐化学药品、耐热温度范围和适用PH值范围等，分离透过性能主要指膜的水通量和切割分子量及截留率。

六、影响超滤膜产水量因素

1、温度对产水量的影响：温度升高水分子的活性增强，粘滞性减小，故产水量增加。反之则产水量减少，因此即使是同一超滤系统在冬天和夏天的产水量的差异也是很大的。

2、操作压力对产水量的影响：在低压段时超滤膜的产水量与压力成正比关系，即产水量随着压力升高随着增加，但当压力值超过0.3MPa时，外压式超滤膜即使压力再升高，其产水量的增加也很小，主要是由于在高压下超滤膜被压密而增大透水阻力所致。

3、进水浊度对产水量的影响：进水浊度越大时，超滤膜的产水量越少，而且进水浊度大更易引起超滤膜的堵塞。

4、流速对产水量的影响：流速的变化对产水量的影响不像温度和压力那样明显，

流速太慢容易导致超滤膜堵塞，太快则影响产水量。

七、超滤膜的化学清洗

八、超滤膜的工艺参数、性能特点及过滤效果

具有良好的机械性能和耐热、耐化学性能以及较强的抗污染能力；

产水量大：亲水性好，产水量大；

膜丝强度好：采用双层浇铸，膜丝强度好，不容易断丝；

d.

适用

PH值范围广：适用范围为1-13，不易受酸碱的化学腐蚀；