[科普中國]-銅鋅合金

簡介

銅鋅合金也稱為黃銅，具有很多優(yōu)異的性能。在我們中國，銅鋅合金的應(yīng)用有著悠久的歷史歷程，在現(xiàn)代社會它是一種不可或缺的現(xiàn)代工程材料。隨著人類進(jìn)入科技高速發(fā)展的今天，銅鋅合金濾料在水處理方面的應(yīng)用也為其拓展了新的領(lǐng)域。

銅鋅記憶合金的成分有數(shù)十種之多，通常我們能使用到的銅鋅記憶合金主要成分為：銅64%鋅18%鎳18%或者銅鋅鋁的記憶合金。馬氏體轉(zhuǎn)變溫度大概在100℃左右。密度是6.75g/cm3。

銅鋅合金又叫假黃金。銅鋅合金是銅金屬單質(zhì)（Cu）、鋅金屬單質(zhì)（Zn）組成的混合物。

特點(diǎn)是密度大，容易充型、導(dǎo)熱性能好，氧化傾向因合金成分不同而各異。其中鑄造錫青銅的結(jié)晶溫度范圍寬，易產(chǎn)生縮松缺陷，氧化不強(qiáng)烈。銅鋅合金

在我國銅鋅合金的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前，據(jù)故宮博物院馬越等人的研究發(fā)現(xiàn)，將中國古代黃銅冶煉技術(shù)的發(fā)展歸為3 個(gè)階段:

(1) 銅鋅共生礦的冶煉，公元前1000 年前人們冶鑄出了材質(zhì)不純凈的黃銅器物屬于該階段;

(2) 菱鋅礦和純銅的合煉，我國西北部的少數(shù)民族聚居區(qū)挖出的公元4 ～ 13 世紀(jì)的黃銅物件屬于該階段;

(3) 用純銅和單質(zhì)鋅冶煉，我國明清時(shí)期，黃銅用于鑄造錢幣，與此同時(shí)出現(xiàn)了很多黃銅物品，還有萬歷年間開始用單質(zhì)鋅冶煉黃銅，屬于第三階段。

黃銅具有很好的機(jī)械性能以及良好的耐蝕性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而且具有比較低的價(jià)格和漂亮的外觀，所以在電子電訊、家電、飲用水工程、航空航天、五金裝飾、機(jī)械、儀表等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛1。

銅鋅合金水處理的機(jī)理水是人類生存不可或缺的資源，目前水的凈化問題在國內(nèi)外有著很高的關(guān)注度，不僅是生活用水的凈化，還有工業(yè)用水的凈化問題也亟待解決。近些年油田水處理的問題也慢慢開始成為關(guān)注的焦點(diǎn)。銅鋅合金在水處理方面的應(yīng)用和發(fā)展前景值得我們學(xué)習(xí)研究。

在銅鋅合金中加入其它的微量元素能夠起到除垢和防垢的作用。銅鋅合金在水處理中具有以下作用:

( 1) 銅鋅合金通過氧化-還原反應(yīng)可以降低水里的余氯、溶解氧、可溶性重金屬離子的濃度，因此可以降低金屬管壁的腐蝕;

( 2) 它利用調(diào)解水質(zhì)參數(shù)來改變形成的水垢的晶體結(jié)構(gòu)，由方解石型水垢轉(zhuǎn)變成針棒狀的文石型水垢，文石型水垢和換熱壁的結(jié)合力比較弱，容易被水流沖走;

( 3) 銅鋅合金和水接觸的瞬間可以使接觸界面處的水的氧化還原電位發(fā)生很大的變化，不僅破壞了微生物的細(xì)胞壁，還抑制了微生物的生長和繁殖，降低了水垢和換熱壁粘接的強(qiáng)度;

( 4) 銅鋅合金使得固相顆粒處于懸浮分散的狀態(tài)，抑制了蠟、垢以及腐蝕的產(chǎn)生。

由于銅鋅合金在水處理中具有高效率、穩(wěn)定性好、壽命長、成本低、后期維護(hù)簡單、沒有污染、沒有能量損耗等優(yōu)點(diǎn)，這些年在中央空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)換熱器系統(tǒng)、鍋爐水處理系統(tǒng)、反滲透預(yù)處理系統(tǒng)以及油田中防蠟、防垢、防腐蝕系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了很大的推廣，可是成本很高。

在銅鋅合金里加入錫、鎳等金屬元素，合金與水中的雜質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電位勢會升高; 這樣，銅鋅合金與水中的雜質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)呈多元化，銅鋅合金的穩(wěn)定性、抗氧化性以及抗腐蝕性會有很大的提高。在復(fù)雜銅鋅合金中有很多不同的金屬，它們的電極電位都是不相同的，電極電位比較低的金屬被氧化成離子進(jìn)入水中，水中離子的濃度便發(fā)生了變化，影響了鈣、鎂等陽離子與陰離子的運(yùn)動和結(jié)合; 而且將失去的電子提供給鈣、鎂離子，使其變成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減少了結(jié)垢形成，銅鋅合金的表面自由能對水里鈣、鎂等離子的運(yùn)動行為和轉(zhuǎn)化規(guī)律等可能也具有重要的影響。

高純銅鋅合金的水處理機(jī)理是金屬離子覆蓋在高純銅鋅合金濾材處理介質(zhì)的表面或者進(jìn)入高純銅鋅合金濾材的晶格之中，使有毒重金屬污染物結(jié)合在高純銅鋅合金濾材上面。

銅鋅合金水處理的主要原理就是水中的離子在合金的表面發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到去除污染物的效果。

銅鋅合金在水處理中的應(yīng)用要使銅鋅合金中的氧化還原反應(yīng)呈多元化，以此來增強(qiáng)氧化還原反應(yīng)的過程，就要在銅鋅合金中加入一些其它的元素，使其具有更強(qiáng)的氧化還原反應(yīng)以及水凈化效果?；瘜W(xué)家袁葆生博士在應(yīng)用銅鋅合金的基礎(chǔ)上，經(jīng)過潛心研究，發(fā)明了應(yīng)用三種或者更多的無機(jī)元素制成銅鋅合金濾料，并命名為多重氧化還原電位系統(tǒng)( MRPS: Multiple Redox PotentialSystem)。

Mueller 研究發(fā)現(xiàn)在銅鋅合金中加入一些其它的

金屬氧化物、互化物也可以改善合金的性能。蘇寧等人也發(fā)現(xiàn)在銅鋅合金中添加化學(xué)性質(zhì)活潑的稀土金屬制備成一種粉末材料。因?yàn)槠渲械南⊥两饘贂cZn、Cu 兩種元素匹配，形成一個(gè)氧化還原電位較高的合金，使銅鋅合金難以消除的有害物質(zhì)更有效地清除。

水處理銅鋅合金濾料其實(shí)是一種純度很高的銅鋅合金粉，也稱為KDF( Kinetic Degradation Fluxion) 。KDF 是一種新型的、多功能的并且可再生的水處理用的銅鋅合金材料。1984 年美國的水處理專家Done Heskett 發(fā)明了KDF 濾料，并且申請了很多項(xiàng)專利，通過了美國國家衛(wèi)生基金會( NSF) 、水質(zhì)協(xié)會( WQA) 等機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。KDF 現(xiàn)在主要有兩種: KDF55 和KDF85。KDF55 是50% Cu 和50% Zn 的合金，呈金黃色，顆粒狀，大小為0． 145 ～2． 000 mm，表觀密度為2． 4 ～ 2． 9 g /cm3，去除水溶性重金屬和氯非常有效。KDF85 則是85% Cu 和15% Zn 的合金，紅褐色，也是顆粒狀，大小0． 149 ～2． 00 mm，表觀密度為2． 2 ～ 2． 7 g /cm3，去除鐵和硫化氫非常有效。KDF 去污染物質(zhì)的機(jī)理是水中的污染物在濾料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)來達(dá)到的。

和傳統(tǒng)的濾料相比，KDF 濾料使用壽命長，能100%的恢復(fù)過濾能力; 可以有效地減少水中的氯和重金屬元素，對控制微生物和鍋垢比較有效; 并且在去除鐵、降低氟化物、硝酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等的效果也比較好; 且有維護(hù)簡單，綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)。KDF55 在我國應(yīng)用的比較晚，1994 年底才被引入?，F(xiàn)在，KDF 合金濾料被應(yīng)用于生活用水的深度凈化、工業(yè)用水的凈化和廢水處理等方面。

KDF 在飲用水處理的應(yīng)用上得到了美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)( EPA) 、聯(lián)邦藥物管理局( FDA) 、水質(zhì)協(xié)會( WQA) 和國家衛(wèi)生機(jī)構(gòu)( NSF) 的認(rèn)可。

目前，高純銅鋅合金濾料被廣泛應(yīng)用于各種水處理設(shè)備中，高純銅鋅合金濾料用于預(yù)處理用的水過濾濾材相比來說是一種簡單且低耗的方法。昂貴且易壞的水處理設(shè)備零件可以利用它來使其不受水中的氯、微生物和水垢的影響，水中98%的重金屬可以用高純銅鋅合金濾材介質(zhì)去除。高純銅鋅合金濾材介質(zhì)與其他水處理介質(zhì)相比，在提高水處理的效率和持續(xù)保持高效等方面具有優(yōu)勢，而且消耗更低。

恩曼技術(shù)( 上海) 有限公司研究生產(chǎn)的防蠟、防垢、防腐蝕系統(tǒng)( CPRS) 是一種多元銅鋅合金過濾裝置，在銅鋅合金中加入了其他幾種元素，可以用于解決結(jié)蠟、結(jié)垢、腐蝕、水質(zhì)差等問題。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及專利合金材料成分，可以形成一種特性晶相結(jié)構(gòu)，這種特殊的晶體結(jié)構(gòu)可以控制固體顆粒、蠟和垢的產(chǎn)生，使流體的靜電位被改變，固體浮在液體中，阻止形成蠟和垢，設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕情況減少; CPRS系統(tǒng)沒有磁性也沒有電，不用添加其它的化學(xué)品。

現(xiàn)在國內(nèi)外的一些用戶已經(jīng)認(rèn)可了它的功能效果，主要用于油田井下系統(tǒng)、油田地面系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)以及燃料處理系統(tǒng)中，如美國殼牌公司、大慶油田等。CPRS 系統(tǒng)目前已在美國、加拿大、墨西哥、中國以及其他國家和地區(qū)取得專利，廣泛應(yīng)用于防蠟、除蠟、除垢和防腐蝕，改善了水質(zhì)和燃油燃燒的質(zhì)量2。

水處理用銅鋅合金存在的問題銅鋅合金可能是未來水處理過濾介質(zhì)的主力軍，它不僅可以去除水中的重金屬、水垢及污染物，還能限制它們的形成，并能給人補(bǔ)充一定的微量元素，銅鋅合金表面的抗氧化性能特別高，對于水質(zhì)的凈化及過濾效果非常好，目前已經(jīng)應(yīng)用于家庭用水、工業(yè)和商業(yè)用水的水處理中。但是目前在國內(nèi)對于銅鋅合金水處理的研究和使用依然非常有限。因?yàn)殂~鋅合金水處理的機(jī)理沒有得到更大的認(rèn)同，在其水處理的原理方面還有一些分歧; 而且我國的水處理用銅鋅合金依然發(fā)展緩慢，大部分水處理用銅鋅合金濾料等需要進(jìn)口國外的產(chǎn)品來解決。由于高昂的價(jià)格使其在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展受到一定的限制。

還有水處理用銅鋅合金的制備方法、制備合金時(shí)需要加入的其他元素的種類及多少、合金的冶煉以及工藝方法等都有一定的技術(shù)問題。另外，合金晶體結(jié)構(gòu)對于去除污染物和水垢的性能的影響; 合金表面的加工要求以及其形貌要求不同對水處理效果的影響; 對于什么樣的水以及水的多少及速度有什么樣的要求; 不同的水和不同的環(huán)境對于合金加入比例的影響等問題還都有待于探討和解決。

另外，在普通銅鋅合金中加入的稀土金屬及金屬氧化物、互化物等比較難制備，造成了合金的成本過高，很難普及。而且，現(xiàn)在我國銅鋅合金水凈化材料主要是銅鋅合金高純的固體顆粒，其密度非常高，而銅鋅合金進(jìn)行水的凈化處理的關(guān)鍵是利用它的表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。由此可以得到銅鋅合金在水處理的應(yīng)用過程存在的一些問題，首先銅鋅合金需要具有非常高的密度來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，但是這樣的話對于設(shè)備和工藝的要求就會更高，不僅很難達(dá)到而且成本會特別高; 其次是需要很多實(shí)心的固體銅鋅合金顆粒放進(jìn)水中進(jìn)行水處理，這樣就會造成濾料的堵塞，不僅影響水的流速以及流出水的質(zhì)量，還有可能損壞設(shè)備; 再次用銅鋅合金濾料進(jìn)行水處理時(shí)合金的數(shù)量必須非常大，但是銅鋅合金的價(jià)格昂貴，前期投資資金會很高。因此，中國在水處理領(lǐng)域推廣銅鋅合金，降低銅鋅合金的投資是關(guān)鍵。

鑒于價(jià)格較高的銅鋅合金會增加很多成本，如果我們可以利用具有很大的比表面積( 如多孔材料)和輕質(zhì)的材料作為襯底，對襯底進(jìn)行一定的加工處理，然后在上面覆上厚度相當(dāng)?shù)你~鋅合金，制備出具有銅鋅合金膜的組件，這樣整體的比表面積會變大很多，密度也會變小; 銅鋅合金的重量不發(fā)生變化但卻可以有更大的比表面積，那么，與之前相比，相等質(zhì)量的銅鋅合金在相等的時(shí)間里可以去除更多的污染物，使得成本下降。

總結(jié)目前有很多的水處理技術(shù)應(yīng)用于生活用水和工業(yè)用水中，例如活性炭技術(shù)、預(yù)氧化技術(shù)、膜分離技術(shù)等，但銅鋅合金水處理技術(shù)將是未來的主要發(fā)展方向。目前銅鋅合金濾料水處理技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了瓶頸階段，銅鋅合金濾料在水處理過程中濾料的損耗和水處理能力的降低、濾料的易堵塞性以及適用于小濃度的水處理都給銅鋅合金濾料水處理提出了更高的要求，而整塊銅鋅合金過濾塊的成本太高，使它的發(fā)展和大范圍使用受到限制。隨著對銅鋅合金水處理原理及工藝的進(jìn)一步研究，制備銅鋅合金涂層將是未來銅鋅合金水處理的主要發(fā)展方向3。