[科普中国]-铜锌合金

简介

铜锌合金也称为黄铜，具有很多优异的性能。在我们中国，铜锌合金的应用有着悠久的历史历程，在现代社会它是一种不可或缺的现代工程材料。随着人类进入科技高速发展的今天，铜锌合金滤料在水处理方面的应用也为其拓展了新的领域。

铜锌记忆合金的成分有数十种之多，通常我们能使用到的铜锌记忆合金主要成分为：铜64%锌18%镍18%或者铜锌铝的记忆合金。马氏体转变温度大概在100℃左右。密度是6.75g/cm³。

铜锌合金又叫假黄金。铜锌合金是铜金属单质（Cu）、锌金属单质（Zn）组成的混合物。

特点是密度大，容易充型、导热性能好，氧化倾向因合金成分不同而各异。其中铸造锡青铜的结晶温度范围宽，易产生缩松缺陷，氧化不强烈。铜锌合金

在我国铜锌合金的出现可以追溯到几千年前，据故宫博物院马越等人的研究发现，将中国古代黄铜冶炼技术的发展归为3 个阶段:

(1) 铜锌共生矿的冶炼，公元前1000 年前人们冶铸出了材质不纯净的黄铜器物属于该阶段;

(2) 菱锌矿和纯铜的合炼，我国西北部的少数民族聚居区挖出的公元4 ～ 13 世纪的黄铜物件属于该阶段;

(3) 用纯铜和单质锌冶炼，我国明清时期，黄铜用于铸造钱币，与此同时出现了很多黄铜物品，还有万历年间开始用单质锌冶炼黄铜，属于第三阶段。

黄铜具有很好的机械性能以及良好的耐蚀性、导电和导热性能，而且具有比较低的价格和漂亮的外观，所以在电子电讯、家电、饮用水工程、航空航天、五金装饰、机械、仪表等领域应用比较广泛1。

铜锌合金水处理的机理水是人类生存不可或缺的资源，目前水的净化问题在国内外有着很高的关注度，不仅是生活用水的净化，还有工业用水的净化问题也亟待解决。近些年油田水处理的问题也慢慢开始成为关注的焦点。铜锌合金在水处理方面的应用和发展前景值得我们学习研究。

在铜锌合金中加入其它的微量元素能够起到除垢和防垢的作用。铜锌合金在水处理中具有以下作用:

( 1) 铜锌合金通过氧化-还原反应可以降低水里的余氯、溶解氧、可溶性重金属离子的浓度，因此可以降低金属管壁的腐蚀;

( 2) 它利用调解水质参数来改变形成的水垢的晶体结构，由方解石型水垢转变成针棒状的文石型水垢，文石型水垢和换热壁的结合力比较弱，容易被水流冲走;

( 3) 铜锌合金和水接触的瞬间可以使接触界面处的水的氧化还原电位发生很大的变化，不仅破坏了微生物的细胞壁，还抑制了微生物的生长和繁殖，降低了水垢和换热壁粘接的强度;

( 4) 铜锌合金使得固相颗粒处于悬浮分散的状态，抑制了蜡、垢以及腐蚀的产生。

由于铜锌合金在水处理中具有高效率、稳定性好、寿命长、成本低、后期维护简单、没有污染、没有能量损耗等优点，这些年在中央空调系统、工业换热器系统、锅炉水处理系统、反渗透预处理系统以及油田中防蜡、防垢、防腐蚀系统等领域得到了很大的推广，可是成本很高。

在铜锌合金里加入锡、镍等金属元素，合金与水中的杂质发生氧化还原反应的电位势会升高; 这样，铜锌合金与水中的杂质发生的氧化还原反应呈多元化，铜锌合金的稳定性、抗氧化性以及抗腐蚀性会有很大的提高。在复杂铜锌合金中有很多不同的金属，它们的电极电位都是不相同的，电极电位比较低的金属被氧化成离子进入水中，水中离子的浓度便发生了变化，影响了钙、镁等阳离子与阴离子的运动和结合; 而且将失去的电子提供给钙、镁离子，使其变成了稳定结构，减少了结垢形成，铜锌合金的表面自由能对水里钙、镁等离子的运动行为和转化规律等可能也具有重要的影响。

高纯铜锌合金的水处理机理是金属离子覆盖在高纯铜锌合金滤材处理介质的表面或者进入高纯铜锌合金滤材的晶格之中，使有毒重金属污染物结合在高纯铜锌合金滤材上面。

铜锌合金水处理的主要原理就是水中的离子在合金的表面发生了电化学反应来达到去除污染物的效果。

铜锌合金在水处理中的应用要使铜锌合金中的氧化还原反应呈多元化，以此来增强氧化还原反应的过程，就要在铜锌合金中加入一些其它的元素，使其具有更强的氧化还原反应以及水净化效果。化学家袁葆生博士在应用铜锌合金的基础上，经过潜心研究，发明了应用三种或者更多的无机元素制成铜锌合金滤料，并命名为多重氧化还原电位系统( MRPS: Multiple Redox PotentialSystem)。

Mueller 研究发现在铜锌合金中加入一些其它的

金属氧化物、互化物也可以改善合金的性能。苏宁等人也发现在铜锌合金中添加化学性质活泼的稀土金属制备成一种粉末材料。因为其中的稀土金属会与Zn、Cu 两种元素匹配，形成一个氧化还原电位较高的合金，使铜锌合金难以消除的有害物质更有效地清除。

水处理铜锌合金滤料其实是一种纯度很高的铜锌合金粉，也称为KDF( Kinetic Degradation Fluxion) 。KDF 是一种新型的、多功能的并且可再生的水处理用的铜锌合金材料。1984 年美国的水处理专家Done Heskett 发明了KDF 滤料，并且申请了很多项专利，通过了美国国家卫生基金会( NSF) 、水质协会( WQA) 等机构的认证。KDF 现在主要有两种: KDF55 和KDF85。KDF55 是50% Cu 和50% Zn 的合金，呈金黄色，颗粒状，大小为0． 145 ～2． 000 mm，表观密度为2． 4 ～ 2． 9 g /cm3，去除水溶性重金属和氯非常有效。KDF85 则是85% Cu 和15% Zn 的合金，红褐色，也是颗粒状，大小0． 149 ～2． 00 mm，表观密度为2． 2 ～ 2． 7 g /cm3，去除铁和硫化氢非常有效。KDF 去污染物质的机理是水中的污染物在滤料表面发生氧化还原反应来达到的。

和传统的滤料相比，KDF 滤料使用寿命长，能100%的恢复过滤能力; 可以有效地减少水中的氯和重金属元素，对控制微生物和锅垢比较有效; 并且在去除铁、降低氟化物、硝酸盐、碳酸盐和硫酸盐等的效果也比较好; 且有维护简单，综合性能优良等特点。KDF55 在我国应用的比较晚，1994 年底才被引入。现在，KDF 合金滤料被应用于生活用水的深度净化、工业用水的净化和废水处理等方面。

KDF 在饮用水处理的应用上得到了美国环境保护机构( EPA) 、联邦药物管理局( FDA) 、水质协会( WQA) 和国家卫生机构( NSF) 的认可。

目前，高纯铜锌合金滤料被广泛应用于各种水处理设备中，高纯铜锌合金滤料用于预处理用的水过滤滤材相比来说是一种简单且低耗的方法。昂贵且易坏的水处理设备零件可以利用它来使其不受水中的氯、微生物和水垢的影响，水中98%的重金属可以用高纯铜锌合金滤材介质去除。高纯铜锌合金滤材介质与其他水处理介质相比，在提高水处理的效率和持续保持高效等方面具有优势，而且消耗更低。

恩曼技术( 上海) 有限公司研究生产的防蜡、防垢、防腐蚀系统( CPRS) 是一种多元铜锌合金过滤装置，在铜锌合金中加入了其他几种元素，可以用于解决结蜡、结垢、腐蚀、水质差等问题。该系统的设计及专利合金材料成分，可以形成一种特性晶相结构，这种特殊的晶体结构可以控制固体颗粒、蜡和垢的产生，使流体的静电位被改变，固体浮在液体中，阻止形成蜡和垢，设备的结垢和腐蚀情况减少; CPRS系统没有磁性也没有电，不用添加其它的化学品。

现在国内外的一些用户已经认可了它的功能效果，主要用于油田井下系统、油田地面系统、水质处理系统以及燃料处理系统中，如美国壳牌公司、大庆油田等。CPRS 系统目前已在美国、加拿大、墨西哥、中国以及其他国家和地区取得专利，广泛应用于防蜡、除蜡、除垢和防腐蚀，改善了水质和燃油燃烧的质量2。

水处理用铜锌合金存在的问题铜锌合金可能是未来水处理过滤介质的主力军，它不仅可以去除水中的重金属、水垢及污染物，还能限制它们的形成，并能给人补充一定的微量元素，铜锌合金表面的抗氧化性能特别高，对于水质的净化及过滤效果非常好，目前已经应用于家庭用水、工业和商业用水的水处理中。但是目前在国内对于铜锌合金水处理的研究和使用依然非常有限。因为铜锌合金水处理的机理没有得到更大的认同，在其水处理的原理方面还有一些分歧; 而且我国的水处理用铜锌合金依然发展缓慢，大部分水处理用铜锌合金滤料等需要进口国外的产品来解决。由于高昂的价格使其在国内的应用和发展受到一定的限制。

还有水处理用铜锌合金的制备方法、制备合金时需要加入的其他元素的种类及多少、合金的冶炼以及工艺方法等都有一定的技术问题。另外，合金晶体结构对于去除污染物和水垢的性能的影响; 合金表面的加工要求以及其形貌要求不同对水处理效果的影响; 对于什么样的水以及水的多少及速度有什么样的要求; 不同的水和不同的环境对于合金加入比例的影响等问题还都有待于探讨和解决。

另外，在普通铜锌合金中加入的稀土金属及金属氧化物、互化物等比较难制备，造成了合金的成本过高，很难普及。而且，现在我国铜锌合金水净化材料主要是铜锌合金高纯的固体颗粒，其密度非常高，而铜锌合金进行水的净化处理的关键是利用它的表面进行化学反应。由此可以得到铜锌合金在水处理的应用过程存在的一些问题，首先铜锌合金需要具有非常高的密度来进行化学反应，但是这样的话对于设备和工艺的要求就会更高，不仅很难达到而且成本会特别高; 其次是需要很多实心的固体铜锌合金颗粒放进水中进行水处理，这样就会造成滤料的堵塞，不仅影响水的流速以及流出水的质量，还有可能损坏设备; 再次用铜锌合金滤料进行水处理时合金的数量必须非常大，但是铜锌合金的价格昂贵，前期投资资金会很高。因此，中国在水处理领域推广铜锌合金，降低铜锌合金的投资是关键。

鉴于价格较高的铜锌合金会增加很多成本，如果我们可以利用具有很大的比表面积( 如多孔材料)和轻质的材料作为衬底，对衬底进行一定的加工处理，然后在上面覆上厚度相当的铜锌合金，制备出具有铜锌合金膜的组件，这样整体的比表面积会变大很多，密度也会变小; 铜锌合金的重量不发生变化但却可以有更大的比表面积，那么，与之前相比，相等质量的铜锌合金在相等的时间里可以去除更多的污染物，使得成本下降。

总结目前有很多的水处理技术应用于生活用水和工业用水中，例如活性炭技术、预氧化技术、膜分离技术等，但铜锌合金水处理技术将是未来的主要发展方向。目前铜锌合金滤料水处理技术发展进入了瓶颈阶段，铜锌合金滤料在水处理过程中滤料的损耗和水处理能力的降低、滤料的易堵塞性以及适用于小浓度的水处理都给铜锌合金滤料水处理提出了更高的要求，而整块铜锌合金过滤块的成本太高，使它的发展和大范围使用受到限制。随着对铜锌合金水处理原理及工艺的进一步研究，制备铜锌合金涂层将是未来铜锌合金水处理的主要发展方向3。