高效多相催化氧化鐵碳微電解填料及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵碳微電解填料技術(shù)領域，特別是一種高效多相催化氧化鐵碳微電解 填料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微電解技術(shù)，又稱內(nèi)電解、鐵還原、鐵碳法、零價鐵法等技術(shù)，是目前處理高濃度有 機廢水的一種理想工藝。它無需通電，是利用廢水自身作為電解液，填充在酸性廢水中的鐵 作為陽極，碳作為陰極，自身產(chǎn)生1. 2V電位差，形成千千萬萬個微小電池對廢水進行電解 處理，達到降解廢水中有機污染物的目的。
[0003] 現(xiàn)有的鐵碳床微電解填料所使用的材料為鐵肩刨花(含碳量為8~15%)和碳渣， 市場價格約1800元/噸，制成微電解填料成品為3. 0~3. 5噸/立方米，市場價格約0. 6~ 0. 8萬元/立方米。但是現(xiàn)有的鐵碳床微電解處理器能夠維持初始處理效果的時間僅為1~ 2個月，此后就會存在板結(jié)、鈍化、鐵泥堵塞等問題，對設備帶來損傷，并需要更換新的填料， 實際使用成本高得驚人。經(jīng)本發(fā)明人研宄，現(xiàn)有鐵碳床微電解填料存在上述問題的原因是： (1)所使用的廢鐵肩活性太強；（2)廢鐵肩的密度和碳渣的密度不同；（3)水流和氣流的沖 擊作用；（4)廢鐵肩和碳渣不能夠均勻分布。因為廢鐵肩活性太強，如果廢鐵肩之間沒有東 西把他們間隔開來就會相互粘接在一起，形成一個鐵疙瘩，就會形成板結(jié)和溝流。這種填料 在設備剛開始運行時效果良好，但是存在很大的缺點：廢鐵肩和碳渣的密度不同，隨著水流 和氣流的沖擊，原本鐵碳均勻分布的狀態(tài)被打破，密度比較大的鐵肩就會下降到廢水底部， 密度比較小的碳渣會上升到廢水表面，這樣廢鐵肩相互粘接到一起，就重新形成了板結(jié)的 條件，繼而發(fā)生鈍化板結(jié)、鐵泥堵塞等問題，而且鐵與碳是物理接觸，鐵與碳之間很容易形 成隔離層，使微電流產(chǎn)生斷流而失去作用。在這種情況下，就需要更換填料來解決這一問 題，但是在實際工程應用中更換填料的工作量極大，另外，現(xiàn)有微電解填料比表面積小，使 得廢水處理需要很長時間，這也嚴重影響了微電解技術(shù)的推廣和應用。
[0004] 事實上，目前現(xiàn)有的微電解填料，不論用在哪個領域廢水處理中，都存在上述諸多 問題，因此，目前的微電解技術(shù)在實際環(huán)保工程中基本上行不通。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是要解決現(xiàn)有鐵碳填料存在運行時間短，填料易板結(jié)、容易造成 處理設備鐵泥堵塞等問題，提供一種尚效多相催化氧化鐵碳微電解填料及其制備方法，本 發(fā)明填料具有比表面積大、密度輕、活性強、電流密度大等特點，針對高濃度有機廢水處理 可高效去除COD、氨氮、總磷，并能降低色度、提高可生化性，處理效果極為穩(wěn)定。
[0006] 本發(fā)明的高效多相催化氧化鐵碳微電解填料，由下述重量份的原料組成： 純鐵粉 45~65 生鐵粉 10~25 石墨粉 2~8 活性炭粉 5~15 銅粉 2~10 錳粉 2~10 鋁粉 2~10 細木肩 2~10 娃酸鈉 1~6 硼酸鈉 1~6 硫鐵礦粉 2~6 粘合劑 5~15 ; 其中所述純鐵粉純度多99%，粒徑為90~100目，生鐵粉純度多95%，粒徑為90~100 目； 所述石墨粉及活性炭粉的含碳量多98%，粒徑為90~100目； 所述銅粉的純度彡90%，粒徑為90~100目； 所述錳粉的純度彡98%，粒徑為90~100目； 所述細木肩的粒徑為15~30目。
[0007] 本發(fā)明的高效多相催化氧化鐵碳微電解填料，其優(yōu)選配方由下述重量份的原料組 成： 純鐵粉 50~60 生鐵粉 15~20 石墨粉 3~6 活性炭粉 8~12 銅粉 3~8 錳粉 3~8 鋁粉 3~8 細木肩 3~8 娃酸鈉 2~5 硼酸鈉 2~5 硫鐵礦粉 2~5 粘合劑 5~10。
[0008] 本發(fā)明的高效多相催化氧化鐵碳微電解填料，其最優(yōu)選配方由下述重量份的原料 組成： 純鐵粉 55 生鐵粉 18 石墨粉 5 活性炭粉 10 銅粉 5 錳粉 5 鋁粉 5 細木肩 5 硅酸鈉 3. 5 硼酸鈉 3. 5 硫鐵礦粉 2.5 粘合劑 6.5。
[0009]本發(fā)明的高效多相催化氧化鐵碳微電解填料的制備方法，包括以下步驟： (1) 按量準確稱取上述各組分，先將純鐵粉和生鐵粉混合均勻，然后將石墨粉和活性碳 粉混合均勻，再將混合好的鐵粉與銅粉、錳粉、鋁粉混合均勻，將混合好的金屬粉末、混合好 的碳粉、細木肩、硅酸鈉、硼酸鈉、硫鐵礦粉混合攪拌均勻，然后添加粘合劑，攪拌混合均勻， 將混合物置于滾軸壓力機中在250KN的壓力下壓制成直徑為4~7cm的不規(guī)則形狀； (2) 在溫度為20~30°C下自然晾干24小時，使其成型； (3) 在高溫850~950°C充氮條件下燒結(jié)4~6小時，冷卻后成型即可。
[0010] 本發(fā)明中所用的滾軸壓力機中，所采用的滾軸上設置有圓柱狀或圓球狀凸起，在 混合物進行滾壓時，可以將填料壓制成不規(guī)則形狀。本發(fā)明填料采用不規(guī)則外形的主要目 的是增大填料的表面積，從而增加廢水與填料的接觸面積。
[0011] 本發(fā)明微電解填料中，同時采用純度為99%純鐵粉和純度為95%的生鐵粉，并采用 純度為98%的石墨粉和活性炭粉，主要是鐵粉作為微電池反應(或原電池反應)的陽極，碳粉 或石墨粉作為微電池反應的陰極，在一定的酸度和一定濃度的溶解氧的條件下，陰極和陽 極純度越高，原電池反應才會更完全更徹底，而且陰極和陽極純度越高，雜質(zhì)越少，越不會 形成板結(jié)和堵塞；采用銅粉、錳粉、鋁粉的主要原因是在微電解反應氧化某些高分子難降解 有機物時，少量的銅粉、錳粉及鋁粉可以作為氧化還原反應的催化劑；細木肩主要是在高溫 850~950°C充氮條件下燒結(jié)4~6小時后，細木肩會化為灰燼，其所占的細微空間最后形 成微孔結(jié)構(gòu)；硅酸鈉及硼酸鈉作為無機催化劑，主要是協(xié)助金屬催化劑形成多元催化，最大 限度的發(fā)揮微電解效果；硫鐵礦粉主要增強高碳鐵的強度和硬度，粘合劑可以確保高碳鐵 在燒結(jié)過程中成型不松散。
[0012] 本發(fā)明是在充分研宄了現(xiàn)有鐵碳微電解填料存在板結(jié)、溝流、鈍化等問題的基礎 上作出的，本發(fā)明選用高純鐵粉、廢生鐵粉、高純活性炭粉、細木肩、多種活性金屬、非金屬 做催化劑，配合粘合劑，利用高溫微孔焙燒技術(shù)，制成的不規(guī)整填料中鐵和碳以鐵碳包容構(gòu) 架的形式存在，鐵骨架與碳鏈相互交叉，這種交叉性使得鐵顆粒被碳顆粒均勻分散了，因此 解決了傳統(tǒng)填料容易發(fā)生板結(jié)、溝流、鈍化的問題。并通過在原料中配加一定比例的細木 肩，使填料內(nèi)部在高溫燒結(jié)過程中產(chǎn)生無數(shù)個微孔，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使填料內(nèi)部通道相 連，這樣不僅大大提高了廢水與填料的接觸面積，還使填料一直保持鐵碳原電池的高活性 狀態(tài)，保證填料永不產(chǎn)生斷路、永遠不形成板結(jié)現(xiàn)象，從而達到無需更換或再生填料的目 的，使用本發(fā)明填料，只需要每年添加10~15%的新填料即可保證設備運轉(zhuǎn)，每立方水的處 理成本為〇. 4-0. 6元，大大減少了工人的勞動強度，降低了企業(yè)的生產(chǎn)費用。
[0013] 本發(fā)明高效多相催化氧化鐵碳微電解填料的主要成分為鐵和碳、低電位合金、粘 土及無機催化劑，這些物質(zhì)以極小顆粒的形式分散在微電解填料內(nèi)外，其密度為1~1. 2t/ m3,比表面積為4500m2/m3,孔隙率為65%，物理強度多l(xiāng)OOOkg/cm3,因此，本發(fā)明的微電解填 料可以與廢水充分接觸。由于碳、金屬合金的電極電位比鐵低，加上催化劑的催化作用，當 本發(fā)明微電解填料處在酸性廢水中時，就會產(chǎn)生無數(shù)個原電池，鐵作為陽極被腐蝕消耗，當 體系中有宏觀陰極材料存在時，又可以形成宏觀多腐蝕電池。電極反應后生成的Fe2+進一 步氧化成Fe3+，他們的水合物具有較強的吸附-絮凝活性，特別是在加堿調(diào)節(jié)pH值后，生成 氫氧化亞鐵和和氫氧化鐵膠體絮凝劑，它們的吸附能力遠遠高于一般藥劑水解所得到的氫 氧化鐵膠體，能夠大量吸附廢水中分散的小顆粒、金屬離子及有機大分子。另外，本發(fā)明微 電解填料在中性或偏酸性的環(huán)境中，微電解填料本身所產(chǎn)生的新生態(tài)H+、Fe2+等于廢水中的 許多組成部分發(fā)生氧化還原反應，比如能破壞有色廢水中的有色物質(zhì)的發(fā)色基團或助色基 團，甚至發(fā)生"斷鏈開環(huán)"，并可以脫色、脫氮除磷、降低C0D&，提高可生化性，還可以除去重 金屬離子，并能與H202形成芬頓試劑降低廢水中有毒有害的物質(zhì)。由于原電池的電極周圍 存在電場效應，使溶液中的帶電粒子在電場作用下作定向移動，附積到電極上，從而去除水 中的有機污染物，特別對廢水中的氨氮、有機磷有更好的去除效果。
[0014] 本發(fā)明高效多相催化氧化鐵碳微電解填料的特點： (1) 防板結(jié)：經(jīng)過高溫冶煉，多相金屬、鐵和碳、非金屬融合為一體，這種鐵碳一體式結(jié) 構(gòu)呈現(xiàn)出蜂窩狀構(gòu)架，并且在填料內(nèi)部鐵和碳均是以非常細小的粉狀形式存