KDF金屬濾料去除水中余氯的實驗研究

李欣

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院制藥工程學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

氯化消毒法是飲用水常用的消毒方法之一，同時也是反滲透預(yù)處理中原水消毒的主要手段。氯化消毒法在處理過程中會產(chǎn)生諸如三鹵甲烷（氯仿、一溴二氯甲烷、嗅仿）、氯酚、氯醚等有害于人體健康的有機(jī)氯化物[1]。當(dāng)離子交換器的進(jìn)水中含有氯時，會使樹脂被氧化變質(zhì)和破壞，造成樹脂的使用壽命縮短或工作交換容量降低。去除水中余氯的方法主要有活性炭吸附法、化學(xué)還原法[2]和KDF 介質(zhì)過濾法[3-5]。其中，KDF 介質(zhì)過濾法以其良好的處理效果受到了人們越來越多的重視。

KDF 是由50%的銅和50%的鋅組成，顏色金黃，顆粒直徑0.145～2.000 mm，表觀密度為2.4～2.9 g/cm3，主要用于去除水中的余氯及可溶性重金屬，作用原理均基于電化學(xué)（氧化還原）反應(yīng)。當(dāng)與水接觸時，合金表面的銅、鋅形成無數(shù)小的原電池系統(tǒng)，與污染物質(zhì)進(jìn)行電子交換，放出或得到電子，從而將污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。在去除余氯的過程中，電位負(fù)的鋅作為陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，以Zn2+形態(tài)進(jìn)入水中；電位正的銅陰極上則發(fā)生游離氯的還原反應(yīng)，水和余氯成為電子的接受者，同時生成H+、OH-和Cl-。作用機(jī)理的反應(yīng)方程式如下：

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

2.1.1 實驗儀器

pH 計，分析天平，分光光度計，KDF。

2.2.2 實驗試劑

DPD 溶液，硫酸溶液，二苯胺磺酸鈉指示液（3 g/L），次氯酸鈉溶液（0.1 g/L），碘酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液（0.06 mg/L）。

2.2 實驗方法

實驗采用兩根有機(jī)玻璃過濾柱（高度100 cm，直徑8 cm），在過濾柱上分別有4 個高度相差10 cm 的取樣口。兩根過濾柱分別用KDF 和GAC 填充，以便研究不同濾速、濾料層高度、初始濃度等條件下，KDF 對水中余氯的去除效果。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 KDF 對余氯的去除效果

3.1.1 濾速對處理效果的影響

濾速不僅直接影響濾料與處理水的接觸時間，在處理原水濃度、濾料層高和濾柱直徑一定的情況下，濾速更是影響過濾效果的決定性因素。

圖1是在濾料層高300 mm 時，原水濃度分別為1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L，濾速分別為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 情況下的去除效果。

圖1 濾速對余氯去除效果的影響

由圖1可知，隨著濾速的提高，KDF 對余氯的去除率呈現(xiàn)總體下降的趨勢，這主要是因為在濾料層高度一定的情況下，濾速的大小直接影響了原水與濾料的接觸時間，濾速越低，接觸時間就越長，納米KDF 對余氯的去除量就越大；濾速越高，原水與過濾介質(zhì)的接觸時間會減小，去除率也就會降低。因此，濾速作為KDF 去除余氯的重要影響因素，除去個別的不利水力條件造成的接觸不充分，在濾料層高度一定時，余氯去除率隨著濾速提高而降低。

3.1.2 初始濃度對處理效果的影響

圖2是在層高300 mm 處，原水含余氯量分別為1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、6 mg/L、7 mg/L，濾速分別為12 m/h、18 m/h、22 m/h情況下的去除率。

圖2 初始濃度對余氯去除效果的影響

由圖2可知，KDF 去除余氯的效果隨著初始濃度的減小而變好。這是因為當(dāng)濾速一定時，初始濃度越高，參與反應(yīng)需要的金屬簇的量越多，但原水與過濾介質(zhì)接觸的表面積與在濾柱中的停留時間都是有限的，即與余氯反應(yīng)的金屬簇的量是一定的，所以提高余氯的初始濃度自然會影響去除率。

3.1.3 濾料層高度對去除率的影響

圖3是初始濃度1 mg/L，濾料層高分別為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm，濾速分別為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 情況下，KDF 對余氯的去除率。

圖3 濾料層高對余氯去除的影響

由圖3可知，KDF 對余氯的去除率隨著層高的增加而呈現(xiàn)整體提高的趨勢。增加濾料層高度，一方面增加了KDF 的量，參與反應(yīng)的金屬簇的總量和與原水接觸的過濾介質(zhì)表面積都有所增加；另一方面，層高增加延長了原水在濾柱中的停留時間。這兩方面都可以提高余氯的去除率，使出水中余氯濃度降低。

3.2 KDF 與GAC聯(lián)用對余氯的去除效果

3.2.1 濾速的影響

圖4是濾料層高為300 mm，初始濃度3 mg/L，濾速分別為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 情況下，KDF與GAC單用或聯(lián)用的處理效果。

圖4 濾速對GAC與KDF去除余氯的影響

由圖4可知，在處理3 mg/L 的余氯時，當(dāng)濾速在25 m/h 以下時，去除率都能達(dá)到95%以上。然而，GAC 處理效果不明顯，維持在75%～85%之間。因此，兩者聯(lián)用處理效果在兩者單獨(dú)使用之間。

3.2.2 初始濃度的影響

圖5是濾料層高為300 mm，濾速為12 m/h，初始濃度分別為1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L 情況下，KDF 與GAC 單用與聯(lián)用的處理效果。

圖5 初始濃度對GAC與KDF去除余氯的影響

由圖5可知，在KDF 處理超過10 mg/L 的余氯時，當(dāng)去除率在90%以下、濃度達(dá)到25 mg/L 時，去除率會下降到55%，而GAC 對不同余氯濃度的去除率比較穩(wěn)定。因此，兩者聯(lián)用的去除率都能維持在90%以上。

4 結(jié)論

（1）在保持濾料層高度和初始濃度不變的條件下，濾速是影響余氯去除率的重要因素。本實驗在層高300 mm、初始濃度1 mg/L、濾速25 m/h時，KDF 對余氯的去除率為98%，說明KDF 濾料在較高濾速下對余氯仍有著很好的去除效果。

（2）在保持濾料層高度和濾速不變的條件下，初始濃度也會影響余氯去除率。本實驗在層高300 mm、濾速24 m/h、初始濃度3 mg/L 時，對余氯的去除率為95%。

（3）在保持濾速和初始濃度不變的條件下，濾料層高度也是余氯去除率的影響因素。本實驗在初始余氯濃度l mg/L、濾速24 m/h、層高300 mm 時，去除率能保持在95%以上。

（4）KDF 對余氯的去除在低濃度（＜10 mg/L）時效果非常明顯，但對濃度較高的余氯去除效果不太理想；GAC 對余氯的去除率比較低，但受濃度的影響不大。因此，KDF 與GAC 聯(lián)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，使較高濃度余氯的去除效果也比較明顯。