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关于臭氧催化剂单元化填料

        填料是化工领域最重要的工艺构件。填料性能的改进,将大幅提高生产效率。一般在酸性、强碱性、腐蚀性条件下,铁刨花是没有资格成为填料的。但在催化臭氧深度处理废水过程中,将铁刨花经表面改性,形成α-FeOOH等铁的氧化物,不仅能有效催化臭氧,而且保护了内层的零价铁,避免被继续氧化。表面改性的铁刨花可视为惰性固体,具备了作为化工填料的必要条件。由此制备的填料,比表面积巨大,可达5700m2/m3,是常规商品填料的七至八倍,所有其它填料难以达到的。原因很简单:铁刨花只有0.01至0.10mm厚,且表面存在大量的裂纹。
 

        目前从事材料表面改性研究的科研项目众多,但大部分并不涉及填料研究。化工填料必须有巨大的比表面积和孔隙率,这就希望铁刨花更薄、更为密实。在了解到改性铁刨花性质后,依据化工填料知识,对铁刨花形状、大小的筛选,然后通过机械设备进行适当的压缩,制作成单元化填料,这是我们工程化研究成果。目前市面上常见的填料为散装填料,即每个填料是个小物件;也有规整填料,即大块状,如蜂窝或沙琪玛。我们的专利产品单元化填料为规整填料。若同样的铁刨花经机械粉碎,完全可制备成同样比表面积和孔隙率的散装填料。问题是在运输和使用过程中,散装填料的相互摩擦,会损伤铁刨花表面形成的有效催化成份FeOOH,从而影响催化效果。用机械设备在适宜的参数范围内对铁刨花进行压缩,制作成单元化填料,圆满地解决了这一问题。在此强调适宜的参数范围,除指比表面积、空隙率外,单元化填料中还要引入一个重要概念——孔隙连通率。铁刨花压缩到一定程度,孔隙连通率急剧下降,很多孔隙成为死胡同,水流和臭氧气泡无法通过,填料效果下降。通过给出“比表面积”与“孔隙率”两概念数值范围,可在制造过程中有效控制孔隙孔径和孔隙连通率。
 

        在臭氧反应池中投加单元化填料,目的是为了催化臭氧形成羟基自由基;羟基自由基在水中的寿命只有纳秒级,即:羟基自由基不可能通过水流扩散传质,去氧化液相主体的有机污染物;只能通过微观传质(如布朗运动),就近氧化液体中有机物。所以沙琪玛状单元化填料孔隙率虽大,孔隙孔径却很小。通过采用一定厚度的铁刨花,用比表面积范围约束,使之符合这一条件,这对催化臭氧工艺的水处理效果非常关键。
 

        催化臭氧反应池整体水流可设计为折流式,每个反应单元中气液异向流,这也很重要。臭氧不是化学稳定物质,半衰期较短,其利用率与流态关系甚大。理论分析表明:在催化剂为3米高的条件下,气液同向流时,臭氧利用率仅为27%;而气液异向流时,臭氧利用率可达99%以上。在废水深度处理催化臭氧氧化领域,这种布置及形成的流态,尚没有发现类似成果。
 

        我们的单元化填料都有外包装,且用材讲究。难道仅是为了产品外观?答案是否定的。前已讲了铁刨花表面改性形成催化成份,也论述了规整化填料的重要性。在实践上,还有很多具体问题需深入研究,以保证单元化填料在水处理过程中的持续效果。端午节吃粽子时,如何解释外包装的作用,我豁然开朗:粽子不等于(芦叶+糯米);包装成粽子,才在水煮后产生独特的口感和青香……
 

        我们的单元化填料,在工程上又称之为模块化催化剂,都是一会事。

 

作者: 马鲁铭  铁基催化剂催化臭氧