馬魯銘 :鐵基臭氧催化劑整砌填料的內容與形式
本文來自馬魯銘教授 鐵基催化劑催化臭氧公眾號
有位細心工程師找到我詢問：他已核過價格，整砌填料的外包裝占全部成本的比例顯著，為什么不能省去外包裝呢？其實，這個問題也曾困擾過我團隊，隨著工程實踐，現在大家都明白了。
對于砼結構的催化臭氧化反應池，我們設計并制備了單元化鐵基
催化劑整砌填料。外部特征為一個不銹鋼矩形外筐，比較美觀；內部為“橫七豎八”鐵刨花構成的“沙琪瑪”，一身“黃銹”，比較難看。“貨賣一張皮”，是不是這只不銹鋼的外包裝，就是為了好賣？真的不是，作為技術發明者肯定想把制造成本降至 很低！問題關鍵：不銹鋼外筐構成整砌填料不可分割部分，是功能性包裝。打個比喻：罐裝鮮啤酒，很可能易拉罐比鮮啤酒成本更高，顧客購買時會要求省去易拉罐嗎？
我們的鐵基催化劑與其他催化劑不同，不是通過“浸漬”、“燒結”等工序制備的；而是通過在液相中迅速氧化，使鐵刨花表面形成致密γ-FeOOH膜（當然是相對的，詳見XPS蝕刻表征圖，表面以Fe(III)為主），成為臭氧分解的催化層；同時，它又是內部Fe(0)氧化的鈍化層。這種制備方法優點：一是工藝簡單，一步完成；二是表面主要成份為γ-FeOOH，催化臭氧效果好。而燒結方法，表面不會形成過渡金屬羥基化物（Me-OH），理論認為：表面羥基（-OH）才是催化臭氧的有效官能團。
不論是燒結法還是表面改性法，催化劑僅在填料（擔體）表面薄薄的一層，不耐摩擦。因此，散裝填料（如數毫米的顆粒擔體）在運輸和反沖洗過程中，表面易損傷。而我們的整砌填料是“沙琪瑪”狀，不會形成表面摩擦，這是整砌化填料 很大的優點。
確定了整砌填料形式，就要追求比表面積 很大化，當然這個表面是供傳質和反應的，不包括“死空穴”面積。一種準確表述：構成“微通道”的比表面積才是有效比表面積。我們通過實驗，找出了堆積密度與有效比表面積的關系曲線，就是下圖中紅色的“風阻拋物線”。這表明：當堆積密度大于一定值后，有效比表面積迅速下降，內部“通道”急速關門，變成了“死空穴”。
綜合考慮，工程上采用的堆積密度值小于 很大值一截，實用整砌填料有效比表面積可達3500M2/M3（而我們承諾值遠遠保守）。
由于堆積密度較大，制備整砌填料要用油壓機械等；且將鐵刨花一次均勻壓縮到1米高度是困難的，一般須分塊多次壓縮；鐵刨花也沒有粘性，不可能壓縮成棱角分明的矩形；因此使用外筐，加工成內部密度均勻、形狀規則的整砌填料是必要的。這里要強調水平截面鐵刨花密度均勻的重要性：由于反應器（反應池分割而成）流型是豎流式的，盡管該填料水流阻力不大，但布水的不均勻程度取決于水流截面阻力的不均勻程度。一個外筐，上下都有篩板，內部是自由流場；而每個外筐均放置于反應器橫梁上，筐與筐之間水流不能竄流（壁隔離）。這些措施，都對整個反應器均勻布水發揮重要作用。若不做成單元化整砌填料，根本無法實現。
通常反應池水深6米甚至更深；規范規定池體必須是密封的，池頂蓋板只能設人孔。故外筐不能太高，否則影響吊裝，二層以上的安裝方式是必然選擇。問題來了：當上、下外筐篩板與篩板緊貼，若上、下兩孔完全對中，水流尚湊合；若上、下兩孔不完全對中，將造成短流、甚至斷流；總之，兩篩板緊貼問題很大。因此，我們在外筐上設計了0.2米高的鏤空層（見照片，不填催化劑）。它在反應器運行時功能是“二次配水”；在運輸、吊裝過程中作用很大 — 方便使用叉車和纜繩（如照片顯示）。
制備過程：先壓縮鐵刨花，均勻充填外筐；然后鐵刨花表面改性，清洗外筐。應該看到，我們制備整砌填料的方法實際上揀到了大“便宜”：厚度很小、螺旋狀的鐵刨花，壓縮性好，具有較高強度，作為填料原料屬性優秀，且是“廢品”的價錢。否則，若采用特定型鋼加工，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揀便宜了。
很后聲明：該填料的表面改性方法、整砌填料制備方法、外框形式結構等都已取得 權。
