針對粉末狀活性炭催化劑在處理難降解有機污染物時易揚塵、堵塞床層且需固液分離的痛點，研究人員成功將3D打印活性炭催化劑與一種新型穿孔磁力攪拌器結合，用于半間歇式催化臭氧氧化水處理系統(tǒng)。該裝置有效克服了傳統(tǒng)攪拌剪切力導致的催化劑結構崩解問題，在實驗室規(guī)模下實現(xiàn)了草酸的高效穩(wěn)定去除。

研究采用直寫成型技術制備催化劑顆粒，將商業(yè)活性炭（Norit W35）與質量分數約20%的羧甲基纖維素鈉（CMC）或海藻酸鈉（ALG）粘合劑混合。流變測試表明，兩種墨水的粘度隨剪切速率升高而降低，符合直寫成型要求。熱重分析顯示，海藻酸鈉基顆粒（AC_20ALG）保留16.8%粘合劑，CMC基顆粒（AC_20CMC）保留27.0%。氮氣吸附測試證實，粘合劑雖略微稀釋總比表面積，但活性炭的微孔結構基本保持完整。實驗以經典難降解中間體草酸為目標污染物，在半間歇反應器中模擬實際工況。

初步攪拌試驗暴露出核心瓶頸：在優(yōu)化轉速400 rpm下，標準磁力攪拌產生的剪切應力直接導致3D打印顆粒粉碎脫落；降至300 rpm則顆粒沉降失效。粉碎后的殘余物因活性位點被粘合劑部分覆蓋，降解效果甚至不及純粉末。為此，團隊設計并制造了孔徑為80×80 μm2的穿孔外殼磁力攪拌器。該裝置將催化劑顆粒封閉于籃筐內，底部磁棒驅動旋轉，液體與臭氧氣泡可自由穿過網孔接觸固體，但攪拌剪切不直接作用于顆粒。光學顯微鏡驗證了網格尺寸，水力計算確認其仍誘導湍流狀態(tài)。

在穿孔攪拌器中以200 rpm運行，AC_20ALG顆粒表現(xiàn)出顯著催化活性：180分鐘內草酸去除率達90%，其中單純吸附貢獻僅約3%，證實主要依賴催化氧化機制。清除劑實驗表明，反應路徑以羥基自由基主導而非臭氧直接攻擊。在酸性條件下，活性炭表面帶正電，吸引帶負電的草酸根離子富集于固液界面，促進自由基生成。對比發(fā)現(xiàn)，僅海藻酸鈉粘合劑顆粒能在此結構中保持完整，CMC基顆粒仍發(fā)生碎裂。

重復使用測試顯示，連續(xù)三個臭氧氧化周期后，草酸去除率穩(wěn)定在90%至92%之間。盡管第三次運行后顆粒表面出現(xiàn)可見裂紋，且海藻酸鈉含量從27.0%降至20.4%（損失6.6個百分點），但脫落碎片可能擴大了接觸面積，或裂紋使氣液滲入內部暴露出新活性位點，維持了整體效能。作者坦言機械穩(wěn)定性仍是主要局限，建議未來嘗試聚乳酸等耐臭氧粘合劑。該直寫成型工藝具備環(huán)境友好、參數可控及規(guī)?；瘽摿?，有望推動結構化催化劑在工業(yè)級半間歇或連續(xù)臭氧反應器中的應用。目前研究單一體體系模型污染物及一升級實驗室批次，真實廢水基質下的長期耐久性與多污染物適應性仍需進一步驗證。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-29。本文為資料編譯。