一种催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料制造技术

本发明专利技术涉及一种催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料，用于臭氧处理废水，采用刨花状钢材或铁屑为原料置于模具中，通过机械压缩成单元模块，其堆积密度ρ为100～730kg/m3，形成大量的微通道，微通道孔径在5.0～0.5mm范围；使用氧化剂对其表面进行钝化改性，材料表面形成γ

【技术实现步骤摘要】
一种催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料


[0001]本专利技术涉及填料制造
，具体涉及一种催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料。

技术介绍

[0002]填料是装填于化工反应器的基本构件，为气液反应物提供传质条件和化学反应提供反应场所，填料须有巨大的比表面积和孔隙率，且几何形状易于形成多相流体在其内部的错流、紊流，以促进多相界面的传质和化学反应。工业上应用的填料种类很多，拉西环是使用最早的一种填料，结构简单、制造容易，但填料层存在偏流和沟流现象，操作弹性范围较窄；网体整砌填料特点是网材薄，比表面积和空隙率都很大，气体阻力小，传质效率高。填料性能的改进，将大幅度提高生产效率。
[0003]随着工业废水排放要求的提高，化学方法不断引进于污水处理工艺。臭氧在给水处理领域的应用已有较长历史；在污水处理领域，利用臭氧自身的氧化能力，氧化部分有机物，已有一批研究成果，也有少量工程实践。但臭氧自身氧化能力较弱，不能彻底降解绝大部分有机物，且部分有机物经臭氧不完全氧化后，分子官能团改变，生物毒性更强，由此限制了臭氧作为工业废水生物预处理的应用。诱发臭氧产生羟基自由基，对不能被普通氧化剂氧化的有机物进行氧化降解，实现有机物的彻底分解，即形成高级氧化技术，已成为当前的研究热点。臭氧形成高级氧化机制有多种途径，如：使用H2O2、UV耦合活化，贵金属氧化物催化(如TiO2)等，这些方法虽已有大量的研究，但工程应用规模很小。
[0004]现有技术虽有铁材料与臭氧反应形成高级氧化机制的废水深度处理方法，如专利CN100591632C，但其中的零价铁并不是真正意义的催化剂，而是反应物；零价铁与臭氧反应过程中形成
·
OH，具有较强的氧化作用，氧化废水中的有机物，部分小分子有机物甚至直接氧化为CO2和H2O。上述的铁材料，在反应过程中生成Fe
2+
或Fe
3+
陆续被消耗殆尽，材料使用寿命短，一般仅在3～5个月就需要更换一批，处理成本高。
[0005]专利申请CN 106396077 A公开了一种催化臭氧氧化的铁基催化剂单元化填料，其特征在于将钢材在刨床上刨成刨花状，或直接使用刨花状铁屑，然后对其进行表面改性，将改性后的材料通过机械压缩，制成单元化填料；所述单元化填料形态为半成品形态和成品形态；比表面积为820m2/m3至5700m2/m3，空隙率为：91.0％至98.7％。尽管该专利申请制成了表面积可到5700m2/m3，且孔隙率很高的填料，但由于没有掌握比表面积与堆积密度之间的关系，加工中没有控制机械压缩的初始高度，由此导致压缩后部分“微通道”堵死现象，造成有效比表面积大大减小；在制备过程中，先将材料表面改性再进行机械压缩，破坏了改性后已形成的保护层，容易使材料在催化臭氧氧化过程中成为反应物，快速消耗掉。
[0006]在废水处理实际应用中，人们致力于研发一种不仅表面成份催化性能好、化学性质稳定，而且具有巨大比表面积和空隙率，即同时兼备填料功能的材料，以便配合反应池流态，实现高效的传质和反应；同时使用寿命延长、消耗减少。但是现有拉西环等填料，一方面比表面积不够大，另一方面催化氧化臭氧的催化剂难以负载到拉西环等填料表面，因此效
果不佳。特别重要的是，近年来研究发现：由于
·
OH寿命仅为纳秒级，高级氧化催化剂表面作用域很小，通常只有几十微米。由此，在催化臭氧形成高级氧化机制时，所使用的固相催化剂表面间空隙尺寸极为重要，一般空隙孔径应到毫米级。这是高级氧化催化剂比通常化学催化剂所不同的特殊要求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种催化臭氧形成高级氧化机制的微通道整砌填料。由于填料具有大量的“微通道”结构，不仅反应面积大、传质效率高，更为重要的是可有效地利用
·
OH氧化有机污染物；填料的整砌化，避免了散装填料运行过程中相互摩擦，保护了催化剂表面，大大延长了使用寿命长。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料，用于臭氧处理废水。以刨花状钢材原料，置于模具中，压缩成单元模块，使单元模块的厚度不超过0.5m，堆积密度ρ为100～730kg/m3，多个单元模块组合，辅以外包装，起整流作用，然后进行材料表面钝化改性，使其表面生成一层致密的γ-FeOOH保护层，该保护层的初始厚度大于0.15μm，表面初始覆盖度大于99.9％，最终形成整砌填料。填料堆积密度ρ为100～730kg/m3，最大有效比表面积可达5340m2/m3；整砌填料具有大量的“微通道”，臭氧在所述的整砌填料微通道内形成羟基自由基(
·
OH)，有效地氧化废水中的有机物。
[0009]常规催化臭氧处理废水系统中，臭氧可在固相催化剂表面形成
·
OH，但由于
·
OH在水中的寿命只有纳秒级，因此不可能通过水流传质、去氧化液相主体中的有机污染物。安装本专利技术微通道整砌填料后，臭氧在整砌填料的微通道内形成的
·
OH可通过微观传质(如布朗运动)，就近氧化液体中的有机物；大量的“微通道”为
·
OH产生提供了足够的场所，且“微通道”使气液流程大大延长，紊流效果好；上下贯通的“微通道”，可使上升的臭氧微气泡不断溶解于水中，不断在“微通道”填料表面形成新的
·
OH，从而高效持续地氧化废水中的有机物。
[0010]所述的整砌填料，在低堆积密度(ρ≦550kg/m3)时，有效比表面积A与堆积密度ρ之间满足线性关系：A＝kρ，k＝8.2～8.1m2/kg；较高堆积密度(550<ρ≦950kg/m3)时，呈风阻抛物线函数关系：A＝60217
–
260.65ρ+0.40495ρ2–
2.0667
×
10-4
ρ3；最大有效比表面积为5340m2/m3，出现在密度ρ为730kg/m3时，大于此密度，制备填料已无意义。
[0011]进一步地，所述的堆积密度ρ为300～500kg/m3范围内，整砌填料的有效比表面积和“微通道”长度均适宜，此时处理废水效果最好，且随着整砌填料堆积密度的升高，有效比表面积线性增加，是工程中适宜的使用范围。实验发现：当整砌填料的堆积密度ρ超过730kg/m3时，有效比表面积急剧下降，其实质是由于“微通道”长度总和减小。“微通道”概念区别于“空隙”，前者为流体可流动的区域；而后者包含“死穴”，流体在此区域不能流动。有效比表面积就是单位空间“微通道”的表面积。
[0012]有效比表面积的函数曲线存在极值点，超过这一极值点整砌填料制造过程中机械压缩力、和整砌填料使用过程中水流阻力都急剧上升。因此，该极值点的发现，具有重要的理论与实用价值。
[0013]要使整砌填料的有效比表面积和“微通道”适宜，可通过装填在模具中的装填方式，原料装填量以及最终压缩后的装填高度来实现对有效比表面与堆积密度的精度控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料，用于臭氧处理废水，其特征在于，采用刨花状钢材或铁屑为原料置于模具中，通过机械压缩成单元模块，使单元模块的厚度不超过0.5m，堆积密度ρ为100～730kg/m3；经表面钝化改性后，使其表面生成一层致密的γ-FeOOH保护层，该保护层的初始厚度大于0.15μm，表面初始覆盖度大于99.9％，形成整砌填料，臭氧在所述整砌填料的微通道内形成
·
OH，氧化废水中的有机物。2.根据权利要求1所述的催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料，其特征在于，所述的整砌填料，在低堆积密度ρ≦550kg/m3时，有效比表面积A与堆积密度ρ之间满足线性关系：A＝kρ，k＝8.2～8.1m2/kg；较高堆积密度550<ρ≦950kg/m3时，呈风阻抛物线函数关系，A＝60217
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260.65ρ+0.40495ρ2–
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ρ3；最大有效比表面积为5340m2/m3，出现在密度ρ为730kg/m3时。3.根据权利要求1所述的催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料，其特征在于，所述的表面钝化改性方式为氧化剂迅速氧化方法，使其表面生成一层致密的γ-FeOOH保护层，该保护层的初始厚度为0.15～0.50μm，表面初始覆盖度为99.9％～99.99％。4.根据权利要求1所述的催化臭氧形成高级氧化的微通道整砌填料，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鲁铭，马捷汀，陈林，刘新亚，
申请(专利权)人：南京铭宁水处理科技有限公司，
类型：发明
国别省市：