工作原理

本文的目的是为DMI-65催化水过滤介质用户提供关于材料如何工作的定性信息,以及其功能和局限性,使用户能够以适当的方式和充足的信心将材料应用于水处理过程。本文未提及固体表面电化学层和胶体学,定量的物理和化学过程及反应的详细复杂性。对于在该领域已经掌握重要知识的读者,本文将更加深入地讨论DMI-65的定义及其用途。本文也为这一领域的新手提供了基础或动机,指导他们按照他们希望的那样进行更深入的研究。

DMI-65工作原理

绪论

本文的目的是为 DMI-65 催化水过滤介质用户提供关于材料如何工作的定性信息,以及其功能和局 限性,使用户能够以适当的方式和充足的信心将材料应用于水处理过程。本文未提及固体表面电 化学层和胶体学,定量的物理和化学过程及反应的详细复杂性。对于在该领域已经掌握重要知识 的读者,本文将更加深入地讨论 DMI-65 的定义及其用途。本文也为这一领域的新手提供了基础或 动机,指导他们按照他们希望的那样进行更深入的研究。

历史

在水处理的早期阶段,天然存在的沸石(如海绿石绿砂)被用于软化和去除锅炉补给水和工艺水 中的铁和锰。随着对水质要求越来越高(部分归因于较高压力级锅炉),水处理行业大部分开始减 少这些软化产品的使用,取而代之的是合成离子交换树脂。

然而,在去除铁和锰的情况下,该过程相对较慢,结果,海绿石绿砂(绿砂)过滤介质持续使用 到现在。在离子交换过程之前,绿砂经常被用于预处理过程,因为给水中的铁可以并且已经污染 了阳离子树脂。其他工艺包括用标准介质过滤器或专有类型的介质和/或过滤器进行曝气和氧化过 滤

虽然在绿砂被引进时,已经开发了其他的铁/锰去除产品和工艺,绿砂仍被继续使用,尽管其由于 各种原因不及理想介质。需使用高锰酸钾进行定期再生,不能用于较低 pH 值的水域(<6.2),操 作温度相对较低(80°F),并且随着时间的推移变得软化,导致较高流速下的压降问题。此外,由 于美国东海岸加工设施的环境问题,供应有时会受到限制。

由于 20世纪 70年代的这些问题,水处理公司和用户开始对可以取代绿砂的“别的介质”感兴趣。 根据他们的要求,日本的科学家和研究人员开始寻找将氧化剂注入到不同基质材料中的方法。据 认为,商业生产的产品可以具有更强大更好的物理性能,比任何天然存在的介质更易于提高和/或 改进。

数十年来日本注液技术的研究和开发已经形成了独特的澳大利亚制造产品。DMI-65 是一种粒状催 化介质,用于促进水中高级还原/氧化(氧化还原)过程。该介质是大类产品的一部分,其物理和 化学作用源于其金属氧化物表面与溶液中的水分子和离子的相互作用。该产品是革命性的,专有 的注液技术使溶液能够渗透基体材料的微倾斜基质,允许更大的催化表面积和更紧密的粒度分布。 DMI-65 粉末含量低,在正常操作条件下,能耐受较大 pH 范围和注入催化剂表面积,不会被消耗 或减少。持续使用 5~10年。

背景信息

DMI-65 是一种非常强大的催化水过滤介质,设计用于除去水溶液(水)中的铁和锰元素,而不需 要高锰酸钾或化学再生。DMI-65 独特微孔结构能有效去除溶解铁,使铁和锰元素浓度低至几乎探 测不到的水平,即铁元素浓度为 0.001 ppm,锰元素浓度为 0.001 ppm。DMI-65作为氧化催化剂, 能够立即氧化和过滤氧化反应产生的不溶性沉淀物。在特定条件下,DMI-65 也可以去除砷、铝和 其他重金属及硫化氢。

该材料是大类产品的一部分,其物理和化学作用源于其金属氧化物表面与溶液中的水分子和离子 的相互作用。

在叔丁基苯乙烯的聚合物或通过液-液萃取的吸附过程中,将疏水分子保持在刚性核心介质(例如 活性炭)中的弱范德华吸附与将疏水分子保持在膨胀基质(例如苯)中的弱范德华吸附,其二者 之间水与固体表面的相互作用不同。离子交换树脂利用吸收过程,而 DMI-65 与溶液中的水分子和 离子的相互作用是通过吸附引发的。

非催化型吸附材料从水中保留目标离子,直到可吸附点达到最大密度,处理水中目标离子的饱和
度或浓度达到最大可接受浓度。此时,必须再生吸附剂材料以除去或更换污染离子,或者使用装 载在处理容器中的新材料替换所使用过的材料。当一种离子在水中被交换为目标离子时,该过程 被称为离子交换。这类吸附剂和一些部分吸收性材料从水中除去目标离子。材料的体积表面越大, 从水中保留的污染物目标离子的量就越大

催化材料从溶液中吸收反应物离子,使其接近化学键合。随后,反应产物离开催化剂表面。严格 来说催化剂促进化学反应;它们并不暗自除去任何东西。如果反应产物是固体沉淀物,通常将该 沉淀物保留在催化床中,通过过滤除去。

许多材料以混合模式发生作用;同时发生离子交换和催化作用。对于主要用于催化作用的材料, 导致催化层溶解的离子交换,需周期性再生或再活化以在其活性表面上校正离子基质。

DMI-65——高级氧化催化介质

DMI-65是深棕色至黑色的颗粒状物质。该颜色由颗粒外层的氧化锰产生。DMI-65是一种真正意义 上的催化介质,有助于氧化—沉淀—过滤,不会在反应中消耗。严格来说,该介质促进化学反应, 明确不会去除任何东西。一旦被氧化,介质的深度过滤去除从过滤器容器周期性反洗出的固体。

介质不需要再生或重新活化,并且不会显示出腐蚀能力来进行其催化工作。经过 5 到 10 年的时间, 通过对离子交换器的多次反洗以除去残留固体,介质通过颗粒之间的接触和机械磨损而降解。必 须更换材料。

基本操作:

在 DMI-65 交换器上发生的过程涉及还原/氧化(氧化还原)。氧化还原反应涉及不同种类之间的电 子转移。还原是电子的增加,或分子、原子或离子氧化态的减少。氧化是电子的损耗,或分子、 原子或离子氧化态的增加。氧化还原反应同时发生,由此在没有氧化反应的情况下不能有还原反 应。通过与氧化反应相互作用,在不发生永久改变的情况下,介质“有助于” 发生化学反应。关于 氧化还原化学的深入讨论超出了本文的范围,本文仅讨论氧化还原如何适用于使用 DMI-65 去除铁 和锰元素的过程。单个氧化还原公式将在以下铁和锰去除部分中进行讨论。

为了开始溶液中离子的氧化过程,并确保氧化层不受损害,设计介质在有氯或其它氧化剂存在的 情况下操作。在这一过程中,氧化剂除去电子,并在该过程中被消耗。操作者需要确保滤液中含 0.1-0.3 ppm的游离余氯。

用于次氯酸钠或漂白剂(12.5%次氯酸钠)的氯元素,由于价格相对便宜,世界各地均可买到且性 能有效,可作为首选的氧化剂。 只要残渣能够测量和保存,那么其他氧化剂如过氧化氢(H2O2)、 二氧化氯(ClO2)或臭氧也可长期使用。

氯的另一个功能是它保持介质没有细菌或粘液生长。氧化锰催化剂表面必须保持清洁,使得水中 的离子可以与其接触。同时,氯是比分子氧更具反应性的氧源。下表显示可能干扰表面相互作用 的其他水质的安全水平。

与离子交换树脂不同,如果增加再生剂的用量将提高离子交换能力,则余氯或其浓度高于氧化铁 锰所需的浓度不会提高这种介质的氧化性能。另外,这种介质在反渗透(RO)系统前常用于水质 预处理;更高浓度的游离余氯经过广泛处理后,减少了残留物且膜不再受到氯的袭击。

DMI-65 必须在首次投入使用之前被激活。首次激活需要比正常操作时更高的氯剂量,但是在初始 启动时仅需执行一次。剂量为 10 液量盎司 12.5%氯/立方英尺(ft3)活化只需要几个小时的浸泡, 但建议整晚浸泡。一旦激活,必须将容器反冲洗以除去多余的次氯酸钠和粉末。由于氧化锰是用 于制造介质的成分之一,因此在启动时需要延长冲洗以除去制造过程中留下的无痕氧化锰残留物。 一旦反洗水中的锰水平达到 0.05至 0.15ppm,并且设定游离氯残留物水平,则准备投入使用过滤器。

由于物理磨损造成介质的物理过滤性能降低,由此导致的介质置换将在催化层完全降解之前发生。 在正常运行条件下,介质的使用寿命估计为 5~10年。

使用 DMI 65沉淀和去除铁(Fe)。

铁(Fe)是地壳中发现的第四大常见元素,尽管最常见的状态是亚铁(+2)和三价铁(+3),它仍 存在于从-2到+6 的大范围氧化态中。

亚铁盐易溶。在二价铁之前,可通过过滤除去通常被称为碳酸亚铁的溶解固体,必须被氧化,成 为氢氧化铁,并且在中性 pH 水中经介质交换器沉淀出来。DMI-65 的催化剂表面含有氧化锰或暴 露锰和氧的位置,用于吸附水中的【Fe】离子。碳酸亚铁和次氯酸钠的反应几乎是瞬时的,并且 碳酸亚铁氧化(放出 OH-)成为不溶性氢氧化铁,然后在介质的催化表面经过滤除去。以下氧化 还原反应公式阐释了该过程。

在上图以简易流畅的形式呈现了催化表面。字母“M”代表该表面晶格中的一般金属离子。圆中心 的字母“O”表示氧原子。各种离子尺寸和氧分子(蓝色)以实际相对比例表示。除了氧分子之外, 粘结的铁以切线圆的形式进行展示。图“离子氧化催化剂表面”中的字母和离子的解释:

M:催化表面晶格中的一般金属离子(Mn+); n = 1,2…… O:氧原子或离子(O-),铁:铁原子 或离子(Fe2+, Fe3+)

H:氢原子或离子(H+) OH:氢氧化物或羟基阴离子(OH-)H2O、水分子如切线圆所示 Fe (OH)2、氢氧化铁如切线圆所示 Fe(OH)3、棕色 O2、氧分子、以共价键距离显示的原子、蓝 色溶解的碳酸亚铁被 Fe末端吸引到催化材料的晶格氧侧。促使 Fe与邻近的氢氧根离子共价结合, 碳酸亚铁变成不溶性氢氧化铁,以结晶形式形成大小为 3纳米或更大的聚合体。聚合体凝结成为更 大的絮状体并保留在催化交换器中。

当碳酸亚铁转化为氢氧化铁时,其在催化表面的浓度降低。在水中离开催化表面时,碳酸氢亚铁 的浓度较高,导致其根据扩散规律向低浓度扩散。扩散通量随距离浓度梯度呈线性关系。溶解氧 有助于氢氧根离子的生产,该过程通过氢的直接氧化与铁结合分解出水分子,并与催化表面上的 氢反应完成。

值得注意的是,尽管需要氧源,Fe 的氧化和沉淀是由氢氧根离子驱动。即使在相对酸性的条件下, 与氧相比,氢氧根离子(强阴离子)也更容易与 Fe 结合。因此,在中性 pH 条件下,Fe 的氧化和 沉淀不是很难。此外,羟基离子的浓度随 pH值呈指数增加,Fe的氧化和沉淀速率也随之增加。

氯(通常以次氯酸钠的形式)是比分子氧更具反应性的氧源。催化过滤器下游的残留物理应维持 在 0.2mg / l(0.1至 0.3)游离氯。催化过滤器中的高游离氯残留量,高次氯酸钠含量并不总是有利。 由于氯的排出和钠离子 Na +的增加,可能会造成不利影响。催化剂表面必须清洁,使水中的离子 可与其接触,注入的氯也可以防止细菌生长,用粘液阻隔催化剂表面。

使用 DMI 65沉淀和去除锰(Mn)。

DMI-65 是专门用于氧化和去除锰的催化材料。催化表面含有氧化锰,促使水中锰和氧原子的共价 结合。然而,锰(Mn)的氧化和去除与 Fe 截然不同。主要差异由氢氧化锰 MnO(OH)2 的溶解 度造成

锰元素不会以氢氧化物形式沉淀,而是以氧化物、二氧化锰和较高的价态氧化物形式沉淀。氢氧 根阴离子的浓度对锰的沉淀和去除没有太大帮助。氢氧化锰将在催化晶格表面被锰末端吸引到氧 侧。必须在附近提供氧分子以促进晶格氧的氧化过程,并用分子氧交换到晶格。根据统计数据, 这种情况不太可能发生,该反应速度比通过氢氧化物氧化 Fe的速度慢得多。

尽管 pH 值升高到碱性水平有助于锰的氧化和去除,但在这些条件下,氧化的锰也可能溶解回水中。 因此,无论目标污染物是否被去除,都应避免缺氧条件,以保护催化层免于浸于水中。对锰进行 氧化时,推荐 pH值接近 8。

氧化锰具有良好的自催化作用。反冲洗时,在水变的澄清之前最好停止该过程。过滤交换器中的 氧化锰残留物将促进锰的氧化。

DMI-65主要运行条件

必须以此方式进行处理,使材料的催化表面保持清洁并且可接触水中离子。

含有大量悬浮固体的水必须在通过 DMI-65 催化过滤器之前澄清。悬浮固体含量标准取决于其性质。 可以处理比有机悬浮固体更多的矿物悬浮固体。

细菌可以生长并沉积在 DMI-65上。因此必须维持消毒和氧化条件。

含有粘土和大的有机分子的水会导致该材料在 DMI 65 表面沉积,挡住催化剂表面。需要在催化过 滤器之前去除该污染物。

聚合物絮凝剂也可以粘附到 DMI-65挡住催化剂表面。

不稳定的硬地下水会导致催化过滤器积垢,并使材料在固体单组中失效。在这种情况下,交换器 中的 DMI-65材料损耗,必须进行更换。必须对水进行稳定处理,以防止催化过滤器中结垢。

低酸性 pH 和缺氧条件都可能导致锰从 DMI-65 催化层中溶解并丧失其性能。过高的 pH 值意味着 过高的羟基离子浓度(对金属具有腐蚀性),也可能导致锰从催化层中溶解。

不要用除盐水、蒸馏水或已知对金属有强腐蚀性的水来对 DMI-65进行初步浸泡和激活。

AustraliaRussia