马鲁铭 :铁基臭氧催化剂整砌填料的内容与形式

      有位细心工程师找到我询问：他已核过价格，整砌填料的外包装占全部成本的比例显著，为什么不能省去外包装呢？其实，这个问题也曾困扰过我团队，随着工程实践，现在大家都明白了。

      对于砼结构的催化臭氧化反应池，我们设计并制备了单元化铁基催化剂整砌填料。外部特征为一个不锈钢矩形外筐，比较美观；内部为“横七竖八”铁刨花构成的“沙琪玛”，一身“黄锈”，比较难看。“货卖一张皮”，是不是这只不锈钢的外包装，就是为了好卖？真的不是，作为技术发明者肯定想把制造成本降至 很低！问题关键：不锈钢外筐构成整砌填料不可分割部分，是功能性包装。打个比喻：罐装鲜啤酒，很可能易拉罐比鲜啤酒成本更高，顾客购买时会要求省去易拉罐吗？

      我们的铁基催化剂与其他催化剂不同，不是通过“浸渍”、“烧结”等工序制备的；而是通过在液相中迅速氧化，使铁刨花表面形成致密γ-FeOOH膜（当然是相对的，详见XPS蚀刻表征图，表面以Fe(III)为主），成为臭氧分解的催化层；同时，它又是内部Fe(0)氧化的钝化层。这种制备方法优点：一是工艺简单，一步完成；二是表面主要成份为γ-FeOOH，催化臭氧效果好。而烧结方法，表面不会形成过渡金属羟基化物（Me-OH），理论认为：表面羟基（-OH）才是催化臭氧的有效官能团。

      不论是烧结法还是表面改性法，催化剂仅在填料（担体）表面薄薄的一层，不耐摩擦。因此，散装填料（如数毫米的颗粒担体）在运输和反冲洗过程中，表面易损伤。而我们的整砌填料是“沙琪玛”状，不会形成表面摩擦，这是整砌化填料 很大的优点。

      确定了整砌填料形式，就要追求比表面积 很大化，当然这个表面是供传质和反应的，不包括“死空穴”面积。一种准确表述：构成“微通道”的比表面积才是有效比表面积。我们通过实验，找出了堆积密度与有效比表面积的关系曲线，就是下图中红色的“风阻抛物线”。这表明：当堆积密度大于一定值后，有效比表面积迅速下降，内部“通道”急速关门，变成了“死空穴”。

      综合考虑，工程上采用的堆积密度值小于 很大值一截，实用整砌填料有效比表面积可达3500M2/M3（而我们承诺值远远保守）。

 

      由于堆积密度较大，制备整砌填料要用油压机械等；且将铁刨花一次均匀压缩到1米高度是困难的，一般须分块多次压缩；铁刨花也没有粘性，不可能压缩成棱角分明的矩形；因此使用外筐，加工成内部密度均匀、形状规则的整砌填料是必要的。这里要强调水平截面铁刨花密度均匀的重要性：由于反应器（反应池分割而成）流型是竖流式的，尽管该填料水流阻力不大，但布水的不均匀程度取决于水流截面阻力的不均匀程度。一个外筐，上下都有筛板，内部是自由流场；而每个外筐均放置于反应器横梁上，筐与筐之间水流不能窜流（壁隔离）。这些措施，都对整个反应器均匀布水发挥重要作用。若不做成单元化整砌填料，根本无法实现。

      通常反应池水深6米甚至更深；规范规定池体必须是密封的，池顶盖板只能设人孔。故外筐不能太高，否则影响吊装，二层以上的安装方式是必然选择。问题来了：当上、下外筐筛板与筛板紧贴，若上、下两孔完全对中，水流尚凑合；若上、下两孔不完全对中，将造成短流、甚至断流；总之，两筛板紧贴问题很大。因此，我们在外筐上设计了0.2米高的镂空层（见照片，不填催化剂）。它在反应器运行时功能是“二次配水”；在运输、吊装过程中作用很大 — 方便使用叉车和缆绳（如照片显示）。

      制备过程：先压缩铁刨花，均匀充填外筐；然后铁刨花表面改性，清洗外筐。应该看到，我们制备整砌填料的方法实际上拣到了大“便宜”：厚度很小、螺旋状的铁刨花，压缩性好，具有较高强度，作为填料原料属性优秀，且是“废品”的价钱。否则，若采用特定型钢加工，恐怕制造成本要翻3至5倍。既然如此，外筐制造就甭想再能拣便宜了。

      很后声明：该填料的表面改性方法、整砌填料制备方法、外框形式结构等都已取得 权。