KDF金属滤料去除水中余氯的实验研究

李欣

（吉林工业职业技术学院制药工程学院，吉林 吉林 132013）

1 引言

氯化消毒法是饮用水常用的消毒方法之一，同时也是反渗透预处理中原水消毒的主要手段。氯化消毒法在处理过程中会产生诸如三卤甲烷（氯仿、一溴二氯甲烷、嗅仿）、氯酚、氯醚等有害于人体健康的有机氯化物[1]。当离子交换器的进水中含有氯时，会使树脂被氧化变质和破坏，造成树脂的使用寿命缩短或工作交换容量降低。去除水中余氯的方法主要有活性炭吸附法、化学还原法[2]和KDF 介质过滤法[3-5]。其中，KDF 介质过滤法以其良好的处理效果受到了人们越来越多的重视。

KDF 是由50%的铜和50%的锌组成，颜色金黄，颗粒直径0.145～2.000 mm，表观密度为2.4～2.9 g/cm3，主要用于去除水中的余氯及可溶性重金属，作用原理均基于电化学（氧化还原）反应。当与水接触时，合金表面的铜、锌形成无数小的原电池系统，与污染物质进行电子交换，放出或得到电子，从而将污染物质转化为无害物质。在去除余氯的过程中，电位负的锌作为阳极发生氧化反应，失去电子，以Zn2+形态进入水中；电位正的铜阴极上则发生游离氯的还原反应，水和余氯成为电子的接受者，同时生成H+、OH-和Cl-。作用机理的反应方程式如下：

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验仪器

pH 计，分析天平，分光光度计，KDF。

2.2.2 实验试剂

DPD 溶液，硫酸溶液，二苯胺磺酸钠指示液（3 g/L），次氯酸钠溶液（0.1 g/L），碘酸钾标准液（0.06 mg/L）。

2.2 实验方法

实验采用两根有机玻璃过滤柱（高度100 cm，直径8 cm），在过滤柱上分别有4 个高度相差10 cm 的取样口。两根过滤柱分别用KDF 和GAC 填充，以便研究不同滤速、滤料层高度、初始浓度等条件下，KDF 对水中余氯的去除效果。

3 实验结果与分析

3.1 KDF 对余氯的去除效果

3.1.1 滤速对处理效果的影响

滤速不仅直接影响滤料与处理水的接触时间，在处理原水浓度、滤料层高和滤柱直径一定的情况下，滤速更是影响过滤效果的决定性因素。

图1是在滤料层高300 mm 时，原水浓度分别为1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L，滤速分别为0.5 m/h、3 m/h、5 m/h、7 m/h、12 m/h、18 m/h、22 m/h、25 m/h 情况下的去除效果。

图1 滤速对余氯去除效果的影响

由图1可知，随着滤速的提高，KDF 对余氯的去除率呈现总体下降的趋势，这主要是因为在滤料层高度一定的情况下，滤速的大小直接影响了原水与滤料的接触时间，滤速越低，接触时间就越长，纳米KDF 对余氯的去除量就越大；滤速越高，原水与过滤介质的接触时间会减小，去除率也就会降低。因此，滤速作为KDF 去除余氯的重要影响因素，除去个别的不利水力条件造成的接触不充分，在滤料层高度一定时，余氯去除率随着滤速提高而降低。

3.1.2 初始浓度对处理效果的影响

图2是在层高300 mm 处，原水含余氯量分别为1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、6 mg/L、7 mg/L，滤速分别为12 m/h、18 m/h、22 m/h情况下的去除率。

图2 初始浓度对余氯去除效果的影响

由图2可知，KDF 去除余氯的效果随着初始浓度的减小而变好。这是因为当滤速一定时，初始浓度越高，参与反应需要的金属簇的量越多，但原水与过滤介质接触的表面积与在滤柱中的停留时间都是有限的，即与余氯反应的金属簇的量是一定的，所以提高余氯的初始浓度自然会影响去除率。

3.1.3 滤料层高度对去除率的影响

图3是初始浓度1 mg/L，滤料层高分别为100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm，滤速分别为0.5 m/h、3 m/h、5 m/h、7 m/h、12 m/h、18 m/h、22 m/h、25 m/h 情况下，KDF 对余氯的去除率。

图3 滤料层高对余氯去除的影响

由图3可知，KDF 对余氯的去除率随着层高的增加而呈现整体提高的趋势。增加滤料层高度，一方面增加了KDF 的量，参与反应的金属簇的总量和与原水接触的过滤介质表面积都有所增加；另一方面，层高增加延长了原水在滤柱中的停留时间。这两方面都可以提高余氯的去除率，使出水中余氯浓度降低。

3.2 KDF 与GAC联用对余氯的去除效果

3.2.1 滤速的影响

图4是滤料层高为300 mm，初始浓度3 mg/L，滤速分别为0.5 m/h、3 m/h、5 m/h、7 m/h、12 m/h、15 m/h、18 m/h、22 m/h、25 m/h 情况下，KDF与GAC单用或联用的处理效果。

图4 滤速对GAC与KDF去除余氯的影响

由图4可知，在处理3 mg/L 的余氯时，当滤速在25 m/h 以下时，去除率都能达到95%以上。然而，GAC 处理效果不明显，维持在75%～85%之间。因此，两者联用处理效果在两者单独使用之间。

3.2.2 初始浓度的影响

图5是滤料层高为300 mm，滤速为12 m/h，初始浓度分别为1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L 情况下，KDF 与GAC 单用与联用的处理效果。

图5 初始浓度对GAC与KDF去除余氯的影响

由图5可知，在KDF 处理超过10 mg/L 的余氯时，当去除率在90%以下、浓度达到25 mg/L 时，去除率会下降到55%，而GAC 对不同余氯浓度的去除率比较稳定。因此，两者联用的去除率都能维持在90%以上。

4 结论

（1）在保持滤料层高度和初始浓度不变的条件下，滤速是影响余氯去除率的重要因素。本实验在层高300 mm、初始浓度1 mg/L、滤速25 m/h时，KDF 对余氯的去除率为98%，说明KDF 滤料在较高滤速下对余氯仍有着很好的去除效果。

（2）在保持滤料层高度和滤速不变的条件下，初始浓度也会影响余氯去除率。本实验在层高300 mm、滤速24 m/h、初始浓度3 mg/L 时，对余氯的去除率为95%。

（3）在保持滤速和初始浓度不变的条件下，滤料层高度也是余氯去除率的影响因素。本实验在初始余氯浓度l mg/L、滤速24 m/h、层高300 mm 时，去除率能保持在95%以上。

（4）KDF 对余氯的去除在低浓度（＜10 mg/L）时效果非常明显，但对浓度较高的余氯去除效果不太理想；GAC 对余氯的去除率比较低，但受浓度的影响不大。因此，KDF 与GAC 联用既可以克服活性炭方法的不足，又可以充分利用KDF 的去除作用，使较高浓度余氯的去除效果也比较明显。