CN105384297B - 一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法，由混凝池、进水装置、加热反应池、冷凝排气室、铁锰浓度传感器、冷凝纯水外排管、排泥管、控制系统、回流管组成；进水装置将初步处理矿井水从混凝池底部输送到加热反应池上部，控制系统控制加热反应池进行加热，S形触媒板与初步处理矿井水反应产生沉淀，同时加热蒸汽进入冷凝排气室，通过冷凝纯水外排管排出。传感器监测到部分水质未达标，将此部分水体通过回流管流回混凝池，沉积在加热反应池底部的污泥，通过排泥管排出。本发明所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法，处理高浓度铁锰效果好，效率高，占地面积小，适合富含高浓度铁锰地下水的处理。

Description

一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法
技术领域
本发明属于地下水污染处理装置领域，具体涉及一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法。
背景技术
我国许多地区的矿井水源，尤其是东北地区、华南地区、中南地区和西南地区的主要城市和地区的矿井水源中存在铁、锰超标现象，对矿区居民的身心健康、日常生活、矿区供水管网和工业生产等均造成不利影响。早在建国初期我国就确立了“地下水除铁除锰”，其理论及应用先后经历了自然氧化法、接触氧化法、生物法三个发展阶段。但至今为止，如何实现铁、锰的快速高效去除仍是常规水处理工艺流程所面临与需要解决的常见问题之一。为此，本专利针对铁、锰的去除提出创新技术，这一具有重要社会效益及经济效益。
随着我国经济的快速发展，人类活动所导致的地下水污染已从点状污染逐渐扩展到面状污染。地下水尤其是矿井水源污染超标项目中铁、锰是造成水质污染的最常见因素。铁和锰超标有自然产生和人为造成两种途径。自然产生的主要为原生环境引起的污染，与地质构造有很大的关系，其污染普遍。而人为造成的主要是含铁含锰废水的肆意排放。
铁、锰是人体必需的生理微量元素，但人体摄取过多铁、锰也会导致慢性中毒。其中铁中毒的症状为肝、脾有大量铁沉积，并出现肝硬化、骨质疏松、软骨钙化、皮肤棕黑色、腺体纤维化、胰岛素分泌减少等，进而导致碳水化合物代谢紊乱和糖尿病。锰的生理毒性比铁更严重，人体过量摄取锰会使脑中神经递质合成减少，严重的将损坏神经，水中含铁、锰量高时，会有色、臭、味。而且会污染卫生设备、家用器具，使其出现锈斑或棕褐色。洗涤衣物时也会留下斑渍。从而影响人们生活。
对于矿区供水系统，当原水中铁没有被充分去除就直接供给用户，会产生黄褐色、红褐色的浑浊自来水。当锰含量高时会出现黑褐色自来水。矿区供水系统在投氯消毒后，水中残留的锰被氯氧化生成水合二氧化锰的黑色沉淀，沉淀物沉积到净水设施和输、配水管网的内壁上。随着沉积物渐多，将缩小过水断面，降低输水能力。当水中含有溶解氧时，含铁含锰水为铁细菌和锰细菌大量繁殖提供了条件，铁锰细菌和硫酸盐还原菌共生，加速了金属管道的腐蚀。
水中过量铁、锰对工业生产也会产生极大危害。作为洗涤用水或生产原料时会降低产品光泽颜色等质量，如纺织、印染、针织、造纸等行业影响尤为突出。水中的铁、锰能固着于纤维上，在纺织品上产生锈色斑点。染色时，铁、锰能与染料结合，使色调不鲜艳。
铁、锰还对漂白剂的分解有催化作用，使漂白作业发生困难。在造纸工业中，水中的铁、锰能选择性的吸附于纤维素之间，使纸浆颜色变黄，并使漂白和染色效果降低。在酿造用水中，铁、锰有异味，并能与某些有机物生成带色的化合物，使产品色和味的质量降低。在食品工业中，水中过量的铁、锰能影响产品的色泽。在锅炉用水中，铁、锰是生成水垢和罐泥的成分之一。在冷却用水中，铁能附着于加热管壁上，降低管壁的传热系数，当水中含铁量高时，甚至能堵塞冷却水管。在油田的油层注水中，铁、锰能堵塞地层孔隙，减少注水量，降低注水效果。
综上所述，水中过量的铁、锰不仅对人们生活、供水系统、工业生产有影响，对人类健康也是百害而无一利。因此各国的饮用水水质指标中都对铁、锰的含量做了严格的限制。我国在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中对作为集中式生活饮用水地表水源地补充项目的铁、锰指标进行限制：Fe <0.3 mg/L， Mn <0.1 mg/L，在《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中也作了相同规定。
除铁、锰的现有技术是。
自然氧化法
自然氧化法包括曝气、氧化反应、沉淀、过滤等一系列工序。其中曝气可根据需要充氧或投加氯气。该方法对铁的去处效果较好。含铁地下水经曝气充氧或投加氯气后，水中的Fe2+被氧化为Fe（OH）3颗粒，因其溶解度小而沉淀析出，经过滤等固液分离净化工序而去除。空气氧化除铁法无论从运转费用或对铁的氧化性能上看都是很有价值的方法，但Fe2+被氧化生成的Fe（OH）3颗粒难以絮凝，总会有部分胶体粒子穿透滤层而影响出水水质。此外，水中溶解性硅酸还会影响Fe（OH）3的絮凝，当硅酸浓度大于40-50 mg/L时，硅酸会与铁反应生成某种高分子物质而影响铁的氧化。
自然氧化法除铁、锰反应过程中，氧化和沉淀两过程要求水在反应沉淀池中停留相当长的时间。该工艺系统复杂，设备庞大，投资多，且除铁、锰效果不甚理想。实践表明，这种方法是不适合我国供水设施建设基金有限的现实国情。
接触氧化法
接触氧化法是李圭白院士等于20世纪60年代实验成功的一套方法。该工艺流程主要是曝气后直接过滤。水中的铁、锰在滤池中被氧化为高价铁、锰的氢氧化物，并逐渐附着在滤料的表面上，形成“活性滤膜”。50年代初日本和我国学者通过多次实验证实，滤料表面形成的“活性滤膜’，具有接触催化作用，能大大加快氧化速度。接触氧化法已被应用于我国地下水除铁、锰的很多实际工程，实践表明，该法对于易氧化的铁的去除非常有效。
在接触氧化除锰方面发现一些问题。一方面，地下水一般为铁、锰共存，铁的氧化电位比锰低，铁比锰容易被氧化，水中铁的存在对锰的氧化有干扰作用。为排除铁快速氧化对锰氧化的干扰，接触氧化法采用一级曝气过滤除铁，二级曝气过滤除锰的分级方法。分级曝气过滤工艺流程复杂，运行费用高；另一方面，锰难以在滤层中快速氧化为MnO2而附着于滤料上形成“锰质活性滤膜”，除锰能力形成周期比较长，而且由于经常性反冲洗等外界因素的干扰，“锰质活性滤膜”较难形成，除锰效果呈现很不稳定的状态。
生物氧化法
20世纪90年代，张杰院士等通过在沈阳李官卜、鞍山大赵台、抚顺开发区水厂等地进行除铁除锰的现场试验研究，发现了生物氧化现象。通过大量微生物学试验，证明了滤池中铁细菌的高效除锰作用，最终确立了“生物固锰除锰”理论。该理论认为，在生物除锰滤层中，滤料表面生成了一个复杂的微生物生态系统，在该系统中存在着大量具有铁、锰氧化能力的细菌，除锰滤层的活性就来自于滤料表面所固着的铁、锰氧化细菌的氧化活性。在pH中性域范围内，除铁除锰滤层中Mn2+的氧化是以铁、锰氧化细菌为主的生物氧化。
生物法除铁除锰的研究已经持续多年，但工程实践相对较少，目前尚未构建起完善的工程设计理论及参数确定方法，例如因生物除锰动力学模式尚未确立而使除锰滤层厚度难以通过理论计算，只能通过不精确的经验方法或繁琐的试验方法确定；同时在工程实践方面尚缺乏一套规范化的运行调试方法，例如铁细菌在初期接入滤层时优势地位的确立与稳固过程，可能对滤层生物相造成较大扰动与破坏的外界运行参数如滤速、反冲洗强度及时间等，目前尚无确切的控制标准。
药剂氧化法
药剂氧化法除铁、锰是利用氧化剂的强氧化性将水中溶解性的铁、锰氧化，生成高价的铁、锰化合物固体，再通过各种沉淀、过滤方式将这些铁、锰化合物从水中去除。可选用的氧化剂有臭氧、氯气、二氧化氯和高锰酸钾等。
臭氧是一种很强的氧化剂，不仅能迅速氧化水中的二价铁，并且在比较低的pH值和无催化剂的条件下，能将二价锰完全氧化。其反应式为：
2Fe2++O3+5 H2O--2Fe（OH）3+4H++O2
Mn2++O3+2H2O--Mn（OH）2+2H++O2
但臭氧发生装置价格昂贵，成本高，臭氧投量难以控制，一般要与活性炭等后处理联用，使工艺流程复杂。臭氧氧化一般多用于饮用水的深度处理。
在现有技术条件下，除铁、锰处理的建设成本和运行成本的增加将成为必然。目前没有除铁、锰处理一体化装置，现有的传统工艺，处理方法具有工艺流程长，控制复杂，占地大，处理成本高等缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置，包括混凝池1，进水装置2，加热反应池3，冷凝排气室4，铁锰浓度传感器5，冷凝纯水外排管6，排泥管7，支架8，控制系统9，回流管10，电控阀11；所述支架8的底部设有混凝池1，支架8的上部设置有加热反应池3，所述混凝池1上部和加热反应池3一侧上部通过进水装置2相连，加热反应池3底部和混凝池1底部通过回流管10连通，回流管10中部设有电控阀11，电控阀11与控制系统9导线连接，加热反应池3另一侧上部设有铁锰浓度传感器5，铁锰浓度传感器5与控制系统9通过导线连接；加热反应池3底部连接有排泥管7，加热反应池3上部设有冷凝排气室4，冷凝排气室4上部连接冷凝纯水外排管6，支架8上还设有控制系统9。
进一步的，所述加热反应池3，包括S形触媒板3-1，加热导流板3-2，温度传感器3-3，水位传感器3-4，污泥传感器3-5；所述S形触媒板3-1竖直布置在加热反应池3内部，S形触媒板3-1前后壁与加热反应池3前后内壁无缝焊接，S形触媒板3-1上端与加热反应池3上檐口齐平，S形触媒板3-1下端与加热反应池3池底的距离为10cm~15cm，S形触媒板3-1在加热反应池3内均匀布置，S形触媒板3-1前后截面为S形弯曲结构，S形触媒板3-1数量不少于5块；所述加热导流板3-2竖直布置在加热反应池3内部，加热导流板3-2下部和前后壁分别与加热反应池3下部和前后部内壁无缝焊接，加热导流板3-2上端距加热反应池3上檐口的距离为8cm~15cm，加热导流板3-2均匀的布置在两个S形触媒板3-1之间，加热导流板3-2的数量不少于4片，加热导流板3-2与控制系统9通过导线连接；所述温度传感器3-3位于加热反应池3一侧壁上，温度传感器3-3距离加热反应池3上檐口的距离为20cm~30cm，温度传感器3-3与控制系统9通过导线连接；所述水位传感器3-4位于加热反应池3另一侧壁上，水位传感器3-4距离加热反应池3上檐口的距离为5cm~10cm，水位传感器3-4与控制系统9通过导线连接；污泥传感器3-5位于加热反应池3的底部，污泥传感器3-5与控制系统9通过导线连接。
进一步的，S形触媒板3-1的显微结构，包括六棱柱孔洞3-1-1，六棱柱壁3-1-2；所述六棱柱孔洞3-1-1为正六边形，边长为2nm～250nm，六棱柱壁3-1-2壁厚度为0.1nm～0.25nm。
进一步的，所述冷凝排气室4，包括聚拢室4-1，集气室4-2，冷凝室4-3；其中所述聚拢室4-1位于冷凝排气室4下端，聚拢室4-1为上下开有矩形开口的中空梯形台结构，聚拢室4-1下部的开口的尺寸与加热反应池3上端开口相同，聚拢室4-1下端与加热反应池3上檐口无缝焊接；所述集气室4-2位于聚拢室4-1正上方，集气室4-2为上下开有矩形开口的中空梯形台结构，集气室4-2下端距聚拢室4-1上端的距离为5cm~10cm，集气室4-2下端矩形开口的长宽为聚拢室4-1上端矩形开口长宽的0.9~0.8倍；所述冷凝室4-3位于集气室4-2上方，冷凝室4-3为下端开口的倒V字形结构，冷凝室4-3的前后壁与聚拢室4-1前后壁垂直无缝焊接，冷凝室4-3的两侧壁倾斜无缝焊接在聚拢室4-1两侧壁外部，冷凝室4-3的顶角的角度范围为30°~60°。
进一步的，所述S形触媒板3-1由高分子材料压模成型，S形触媒板3-1的组成成分和制造过程如下：
一、S形触媒板3-1组成成分：
按重量份数计，二溴醋酸乙酯1～25份，甲酸异丁酯2～13份，正丁酸正丁酯1～15份，甲酸另丁酯10～20份，磷酸三辛酯8～20份，纳米级硼酸钯60～100份，浓度为1ppm～15ppm的硫酸二正丁酯100～230份，对甲苯苯甲酸1～25份，乙醇酸乙酯1～15份，交联剂2～10份，苯乙醚10～15份，甲基炔丙基醚15～25份，乙二胺四亚甲基磷酸钠1～20份；
二、S形触媒板3-1的制造过程，包含以下步骤：
第1步、在反应釜中加入电导率为0.003μS/cm～0.05μS/cm的超纯水1000～1500份，启动反应釜内搅拌器，转速为50rpm～90rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至40℃～60℃；依次加入二溴醋酸乙酯、甲酸异丁酯、正丁酸正丁酯，搅拌至完全溶解，调节pH值为6.8～9.0，将搅拌器转速调至10rpm～50rpm，温度为30℃～40℃，酯化反应5～9小时；
第2步、取甲酸另丁酯、磷酸三辛酯粉碎，粉末粒径为100～150目；加入纳米级硼酸钯混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为15mm～40mm，采用剂量为1.5kGy～3.5kGy、能量为1.3MeV～3.5MeV的α射线辐照30min～50min；
第3步、经第2步处理的混合粉末溶于硫酸二正丁酯中，加入反应釜，搅拌器转速为150rpm～180rpm，温度为60℃～90℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.01MPa～-0.03MPa，保持此状态反应2h～4h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.003～0.05MPa，保温静置2h～4h；之后搅拌器转速提升至200rpm～300rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入对甲苯苯甲酸、乙醇酸乙酯完全溶解后，加入交联剂搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为4.3～5.5，保温静置1h～2h；
第4步、在搅拌器转速为50rpm～120rpm时，依次加入苯乙醚、甲基炔丙基醚和乙二胺四亚甲基磷酸钠，提升反应釜压力，使其达到0.05MPa～0.20MPa，温度为150℃～180℃，聚合反应10h～15h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至25℃～40℃，出料，入压模机即可制得S形触媒板3-1；
所述交联剂为2-4-6-三硝基苯甲酸；
所述纳米级硼酸钯的粒径为10nm～30nm。
进一步的，本发明还公开了一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰的方法，包括以下内容：含有高浓度铁锰的矿井水进入混凝池1，加入聚合硫酸铝混匀沉降，进水装置2将初步处理矿井水从混凝池1上部输送到加热反应池3一侧上部位置，初步处理矿井水进入加热反应池3后，经过S形触媒板3-1改变流向并与S形触媒板3-1发生接触化学反应，并自左向右依次从S形触媒板3-1底部和加热导流板3-2顶部流过，控制系统9控制加热导流板3-2对初步处理矿井水进行加热，使温度保持在80℃~90℃之间，当温度高于90℃时，温度传感器3-3传递信号至控制系统9，控制系统9控制加热导流板3-2停止加热，当温度低于80℃时，温度传感器3-3传递信号至控制系统9，控制系统9控制加热导流板3-2开始加热；加热反应池3内产生的水蒸汽经过聚拢室4-1聚拢后进入集气室4-2，蒸汽迅速降温，水蒸汽在冷凝室4-3内壁上冷凝并沿着水蒸汽在冷凝室4-3与聚拢室4-2之间的缝隙，流入冷凝纯水外排管6排出；系统运行中，当铁锰浓度传感器5监测到处理后水质未达标，产生电信号传递给控制系统9，控制系统9开启电控阀11将未达标的矿井水通过回流管10回流进入混凝池1，进行二次处理；当水位超出设定高度，水位传感器3-4产生电信号传递给控制系统9，控制系统9关闭水泵以降低水位；当加热反应池3底部蓄积较多污泥时，污泥传感器3-5产生电信号传递给控制系统9开启排泥泵，将污泥从排泥管7排出。
本发明专利公开的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法，其优点在于。
（1）该装置为采用化学触媒与铁锰离子反应，处理效率高，节能环保。
（2）该装置通过S形触媒板和加热导流板组合，水流在加热反应池内流程加大，能耗低，处理效果好。
（3）整体设备占地面积小，维护方便。
本发明所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法，处理高浓度铁锰效果好，效率高，占地面积小，适合富含高浓度铁锰地下水的处理。
附图说明
图1是本发明中所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置的示意图。
图2是本发明中所述的加热反应池的示意图。
图3是本发明中所述的S形触媒板显微结构示意图。
图4是本发明中所述的冷凝排气室结构示意图。
图5是本发明所述的S形触媒板3-1对铁锰总转化量。
以上图1~图4中，混凝池1，进水装置2，加热反应池3，S形触媒板3-1，六棱柱孔洞3-1-1，六棱柱壁3-1-2，加热导流板3-2，温度传感器3-3，水位传感器3-4，污泥传感器3-5，冷凝排气室4，聚拢室4-1，集气室4-2，冷凝室4-3，铁锰浓度传感器5，冷凝纯水外排管6，排泥管7，支架8，控制系统9，回流管10，电控阀11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法进行进一步说明。
如图1所示，是本发明提供的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法示意图。图中看出，包括混凝池1，进水装置2，加热反应池3，冷凝排气室4，铁锰浓度传感器5，冷凝纯水外排管6，排泥管7，支架8，控制系统9，回流管10，电控阀11；含有高浓度铁锰的矿井水进入混凝池1，加入聚合硫酸铝混匀沉降，进水装置2将初步处理矿井水从混凝池1上部输送到加热反应池3一侧上部位置，控制系统9控制加热反应池3进行加热，加热反应池3内温度保持在80℃~90℃，触媒化学反应，同时加热导流板3-2加热产生蒸发，生成的蒸汽进入冷凝排气室4，其中的水蒸汽在冷凝排气室4冷凝后，从冷凝纯水外排管6排出，沉降在加热反应池底部的污泥从排泥管7排出。
如图2所示，是本发明中所述的加热反应池的示意图。图中看出，加热反应池3由S形触媒板3-1，加热导流板3-2，温度传感器3-3，水位传感器3-4，污泥传感器3-5组成；初步处理矿井水进入加热反应池3后，经过S形触媒板3-1改变流向并与S形触媒板3-1上的活性材料发生反应，自左向右依次从S形触媒板3-1底部和加热导流板3-2顶部流过，控制系统9控制加热导流板3-2对初步处理矿井水进行加热，使温度保持在80℃~90℃之间，当温度高于90℃时，温度传感器3-3传递信号至控制系统9，控制系统9控制加热导流板3-2停止加热，当温度低于80℃时，温度传感器3-3传递信号至控制系统9，控制系统9控制加热导流板3-2开始加热。
如图3所示，是本发明中所述的S形触媒板显微结构示意图。图中看出，S形触媒板3-1的显微结构，包括六棱柱孔洞3-1-1，六棱柱壁3-1-2；所述六棱柱孔洞3-1-1为正六边形，边长为2nm～250nm，六棱柱壁3-1-2壁厚度为0.1nm～0.25nm。
如图4所示，是本发明中所述的冷凝排气室结构示意图。图中看出，包括聚拢室4-1，集气室4-2，冷凝室4-3；其中所述聚拢室4-1位于冷凝排气室4下端，聚拢室4-1为上下开有矩形开口的中空梯形台结构，聚拢室4-1下部的开口的尺寸与加热反应池3上端开口相同，聚拢室4-1下端与加热反应池3上檐口无缝焊接；所述集气室4-2位于聚拢室4-1正上方，集气室4-2为上下开有矩形开口的中空梯形台结构，集气室4-2下端距聚拢室4-1上端的距离为5cm~10cm，集气室4-2下端矩形开口的长宽为聚拢室4-1上端矩形开口长宽的0.9~0.8倍；所述冷凝室4-3位于集气室4-2上方，冷凝室4-3为下端开口的倒V字形结构，冷凝室4-3的前后壁与聚拢室4-1前后壁垂直无缝焊接，冷凝室4-3的两侧壁倾斜无缝焊接在聚拢室4-1两侧壁外部，冷凝室4-3的顶角的角度范围为30°~60°。加热反应池3内产生的水蒸汽经过聚拢室4-1聚拢后进入集气室4-2，蒸汽迅速降温，水蒸汽在冷凝室4-3内壁上冷凝并沿着水蒸汽在冷凝室4-3与聚拢室4-2之间的缝隙，流入冷凝纯水外排管6排出。
本发明所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法的工作过程是。
含有高浓度铁锰的矿井水进入混凝池1，加入聚合硫酸铝混匀沉降，进水装置2将初步处理矿井水从混凝池1上部输送到加热反应池3一侧上部位置，初步处理矿井水进入加热反应池3后，经过S形触媒板3-1改变流向并与S形触媒板3-1发生接触化学反应，并自左向右依次从S形触媒板3-1底部和加热导流板3-2顶部流过，控制系统9控制加热导流板3-2对初步处理矿井水进行加热，使温度保持在80℃~90℃之间，当温度高于90℃时，温度传感器3-3传递信号至控制系统9，控制系统9控制加热导流板3-2停止加热，当温度低于80℃时，温度传感器3-3传递信号至控制系统9，控制系统9控制加热导流板3-2开始加热；加热反应池3内产生的水蒸汽经过聚拢室4-1聚拢后进入集气室4-2，蒸汽迅速降温，水蒸汽在冷凝室4-3内壁上冷凝并沿着水蒸汽在冷凝室4-3与聚拢室4-2之间的缝隙，流入冷凝纯水外排管6排出；系统运行中，当铁锰浓度传感器5监测到处理后水质未达标，产生电信号传递给控制系统9，控制系统9开启电控阀11将未达标的矿井水通过回流管10回流进入混凝池1，进行二次处理；当水位超出设定高度，水位传感器3-4产生电信号传递给控制系统9，控制系统9关闭水泵以降低水位；当加热反应池3底部蓄积较多污泥时，污泥传感器3-5产生电信号传递给控制系统9开启排泥泵，将污泥从排泥管7排出。
本发明所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置和方法，处理高浓度铁锰效果好，效率高，占地面积小，适合富含高浓度铁锰地下水的处理。
以下为本发明所述S形触媒板3-1的制造过程的实施例，实施例是为了进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
按照以下步骤制造本发明所述S形触媒板3-1：
第1步、在反应釜中加入电导率为0.003μS/cm的超纯水1000份，启动反应釜内搅拌器，转速为50rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至40℃；依次加入二溴醋酸乙酯1份，甲酸异丁酯2份，正丁酸正丁酯1份，搅拌至完全溶解，调节pH值为6.8，将搅拌器转速调至10rpm，温度为30℃，酯化反应5小时；
第2步、取甲酸另丁酯10份，磷酸三辛酯8份粉碎，粉末粒径为100目；加入纳米级硼酸钯60份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为15mm，采用剂量为1.5kGy、能量为1.3MeV的α射线辐照30min；
第3步、经第2步处理的混合粉末溶于浓度为1ppm的硫酸二正丁酯100份中，加入反应釜，搅拌器转速为150rpm，温度为60℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.01MPa，保持此状态反应2h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.003，保温静置2h；之后搅拌器转速提升至200rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入对甲苯苯甲酸1份，乙醇酸乙酯1份完全溶解后，加入交联剂2份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为4.3，保温静置1h；
第4步、在搅拌器转速为50rpm时，依次加入苯乙醚10份，甲基炔丙基醚15份，乙二胺四亚甲基磷酸钠1份，提升反应釜压力，使其达到0.05MPa，温度为150℃，聚合反应10h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至25℃，出料，入压模机即可制得S形触媒板3-1；
所述交联剂为2-4-6-三硝基苯甲酸；
所述纳米级硼酸钯的粒径为10nm。
实施例2
按照以下步骤制造本发明所述S形触媒板3-1：
第1步、在反应釜中加入电导率为0.05μS/cm的超纯水1500份，启动反应釜内搅拌器，转速为90rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至60℃；依次加入二溴醋酸乙酯25份，甲酸异丁酯13份，正丁酸正丁酯15份，搅拌至完全溶解，调节pH值为9.0，将搅拌器转速调至50rpm，温度为40℃，酯化反应9小时；
第2步、取甲酸另丁酯20份，磷酸三辛酯20份粉碎，粉末粒径为150目；加入纳米级硼酸钯100份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为40mm，采用剂量为3.5kGy、能量为3.5MeV的α射线辐照50min；
第3步、经第2步处理的混合粉末溶于浓度为15ppm的硫酸二正丁酯230份中，加入反应釜，搅拌器转速为180rpm，温度为90℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.03MPa，保持此状态反应4h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.05MPa，保温静置4h；之后搅拌器转速提升至300rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入对甲苯苯甲酸25份，乙醇酸乙酯15份完全溶解后，加入交联剂10份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为5.5，保温静置2h；
第4步、在搅拌器转速为120rpm时，依次加入苯乙醚15份，甲基炔丙基醚25份，乙二胺四亚甲基磷酸钠20份，提升反应釜压力，使其达到0.20MPa，温度为180℃，聚合反应15h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至40℃，出料，入压模机即可制得S形触媒板3-1；
所述交联剂为2-4-6-三硝基苯甲酸；
所述纳米级硼酸钯的粒径为30nm。
实施例3
按照以下步骤制造本发明所述S形触媒板3-1：
第1步、在反应釜中加入电导率为0.013μS/cm的超纯水1050份，启动反应釜内搅拌器，转速为60rpm，启动加热泵，使反应釜内温度上升至50℃；依次加入二溴醋酸乙酯12份，甲酸异丁酯12份，正丁酸正丁酯9份，搅拌至完全溶解，调节pH值为8.0，将搅拌器转速调至30rpm，温度为35℃，酯化反应6小时；
第2步、取甲酸另丁酯15份，磷酸三辛酯12份粉碎，粉末粒径为130目；加入纳米级硼酸钯90份混合均匀，平铺于托盘内，平铺厚度为25mm，采用剂量为2.5kGy、能量为2.45MeV的α射线辐照45min；
第3步、经第2步处理的混合粉末溶于浓度为10ppm的硫酸二正丁酯130份中，加入反应釜，搅拌器转速为177rpm，温度为78℃，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.02MPa，保持此状态反应3h；泄压并通入氨气，使反应釜内压力为0.0045MPa，保温静置3.2h；之后搅拌器转速提升至245rpm，同时反应釜泄压至0MPa；依次加入对甲苯苯甲酸12份，乙醇酸乙酯9份完全溶解后，加入交联剂7份搅拌混合，使得反应釜溶液的亲水亲油平衡值为4.78，保温静置1.2h；
第4步、在搅拌器转速为78rpm时，依次加入苯乙醚11份，甲基炔丙基醚21份，乙二胺四亚甲基磷酸钠11份，提升反应釜压力，使其达到0.1255MPa，温度为178℃，聚合反应10.5h；反应完成后将反应釜内压力降至0MPa，降温至29℃，出料，入压模机即可制得S形触媒板3-1；
所述交联剂为2-4-6-三硝基苯甲酸；
所述纳米级硼酸钯的粒径为16nm。
对照例
对照例为市售某品牌的触媒板用于矿井水的处理过程。
实施例4
将实施例1~3制备获得的S形触媒板3-1和对照例所述的触媒板用于矿井水的处理过程。处理结束后分别对矿井水的性质，及其对矿井水各项参数的影响做检测。表1为实施例1~3和对照例所述的触媒板用于矿井水的处理过程中的性能参数的影响，从表1可见，本发明所述的S形触媒板3-1，其催化聚合度、催化强度提升率、催化产量提升率、净水率、均高于现有技术生产的产品。
此外，如图5所示，是本发明所述的S形触媒板3-1对铁锰总转化量。图中看出，材料的高分子触媒催化材料分布均匀，高分子触媒催化材料表面积与体积比较大，表面分散性好，连续相中游离的分散载体的浓度相对对照例高。使用本发明的S形触媒板3-1，使得铁锰离子聚集成团小，形成分散结构的沉淀体，高分子触媒催化材料对铁锰具有良好催化性能；使用本发明所述S形触媒板3-1，其对铁锰总转化量均优于现有产品。

Claims (4)

1.一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置，包括混凝池（1），进水装置（2），加热反应池（3），冷凝排气室（4），铁锰浓度传感器（5），冷凝纯水外排管（6），排泥管（7），支架（8），控制系统（9），回流管（10），电控阀（11）；其特征在于：所述支架（8）的底部设有混凝池（1），支架（8）的上部设置有加热反应池（3），所述混凝池（1）上部和加热反应池（3）一侧上部通过进水装置（2）相连，加热反应池（3）底部和混凝池（1）底部通过回流管（10）连通，回流管（10）中部设有电控阀（11），电控阀（11）与控制系统（9）导线连接，加热反应池（3）另一侧上部设有铁锰浓度传感器（5），铁锰浓度传感器（5）与控制系统（9）通过导线连接；加热反应池（3）底部连接有排泥管（7），加热反应池（3）上部设有冷凝排气室（4），冷凝排气室（4）上部连接冷凝纯水外排管（6），支架（8）上还设有控制系统（9）；
所述加热反应池（3），包括S形触媒板（3-1），加热导流板（3-2），温度传感器（3-3），水位传感器（3-4），污泥传感器（3-5）；所述S形触媒板（3-1）竖直布置在加热反应池（3）内部，S形触媒板（3-1）前后壁与加热反应池（3）前后内壁无缝焊接，S形触媒板（3-1）上端与加热反应池（3）上檐口齐平，S形触媒板（3-1）下端与加热反应池（3）池底的距离为10cm~15cm，S形触媒板（3-1）在加热反应池（3）内均匀布置，S形触媒板（3-1）前后截面为S形弯曲结构，S形触媒板（3-1）数量不少于5块；所述加热导流板（3-2）竖直布置在加热反应池（3）内部，加热导流板（3-2）下部和前后壁分别与加热反应池（3）下部和前后部内壁无缝焊接，加热导流板（3-2）上端距加热反应池（3）上檐口的距离为8cm~15cm，加热导流板（3-2）均匀的布置在两个S形触媒板（3-1）之间，加热导流板（3-2）的数量不少于4片，加热导流板（3-2）与控制系统（9）通过导线连接；所述温度传感器（3-3）位于加热反应池（3）一侧壁上，温度传感器（3-3）距离加热反应池（3）上檐口的距离为20cm~30cm，温度传感器（3-3）与控制系统（9）通过导线连接；所述水位传感器（3-4）位于加热反应池（3）另一侧壁上，水位传感器（3-4）距离加热反应池（3）上檐口的距离为5cm~10cm，水位传感器（3-4）与控制系统（9）通过导线连接；污泥传感器（3-5）位于加热反应池（3）的底部，污泥传感器（3-5）与控制系统（9）通过导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置，其特征在于：S形触媒板（3-1）的显微结构，包括六棱柱孔洞（3-1-1），六棱柱壁（3-1-2）；所述六棱柱孔洞（3-1-1）为正六边形，边长为2nm～250nm，六棱柱壁（3-1-2）壁厚度为0.1nm～0.25nm。
3.根据权利要求1所述的一种触媒加热联合作用处理矿井水中高浓度铁锰装置，其特征在于：所述冷凝排气室（4），包括聚拢室（4-1），集气室（4-2），冷凝室（4-3）；其中所述聚拢室（4-1）位于冷凝排气室（4）下端，聚拢室（4-1）为上下开有矩形开口的中空梯形台结构，聚拢室（4-1）下部的开口的尺寸与加热反应池（3）上端开口相同，聚拢室（4-1）下端与加热反应池（3）上檐口无缝焊接；所述集气室（4-2）位于聚拢室（4-1）正上方，集气室（4-2）为上下开有矩形开口的中空梯形台结构，集气室（4-2）下端距聚拢室（4-1）上端的距离为5cm~10cm，集气室（4-2）下端矩形开口的长宽为聚拢室（4-1）上端矩形开口长宽的0.9~0.8倍；所述冷凝室（4-3）位于集气室（4-2）上方，冷凝室（4-3）为下端开口的倒V字形结构，冷凝室（4-3）的前后壁与聚拢室（4-1）前后壁垂直无缝焊接，冷凝室（4-3）的两侧壁倾斜无缝焊接在聚拢室（4-1）两侧壁外部，冷凝室（4-3）的顶角的角度范围为30°~60°。
4.一种使用根据权利要求1中的所述装置处理矿井水中高浓度铁锰的方法，其特征在于：含有高浓度铁锰的矿井水进入混凝池（1），加入聚合硫酸铝混匀沉降，进水装置（2）将初步处理矿井水从混凝池（1）上部输送到加热反应池（3）一侧上部位置，初步处理矿井水进入加热反应池（3）后，经过S形触媒板（3-1）改变流向并与S形触媒板（3-1）发生接触化学反应，并自左向右依次从S形触媒板（3-1）底部和加热导流板（3-2）顶部流过，控制系统（9）控制加热导流板（3-2）对初步处理矿井水进行加热，使温度保持在80℃~90℃之间，当温度高于90℃时，温度传感器（3-3）传递信号至控制系统（9），控制系统（9）控制加热导流板（3-2）停止加热，当温度低于80℃时，温度传感器（3-3）传递信号至控制系统（9），控制系统（9）控制加热导流板（3-2）开始加热；加热反应池（3）内产生的水蒸汽经过聚拢室（4-1）聚拢后进入集气室（4-2），蒸汽迅速降温，水蒸汽在冷凝室（4-3）内壁上冷凝并沿着水蒸汽在冷凝室（4-3）与聚拢室（4-1 ）之间的缝隙，流入冷凝纯水外排管（6）排出；系统运行中，当铁锰浓度传感器（5）监测到处理后水质未达标，产生电信号传递给控制系统（9），控制系统（9）开启电控阀（11）将未达标的矿井水通过回流管（10）回流进入混凝池（1），进行二次处理；当水位超出设定高度，水位传感器（3-4）产生电信号传递给控制系统（9），控制系统（9）关闭水泵以降低水位；当加热反应池（3）底部蓄积较多污泥时，污泥传感器（3-5）产生电信号传递给控制系统（9）开启排泥泵，将污泥从排泥管（7）排出。
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