强化催化还原材料基因技术
——ECR技术简介
中文全称：强化催化还原材料基因技术
英文全称：Enhanced Catalytic Reduction Technology of Material Genome Engineering
一、强化催化还原材料基因技术简介
强化催化还原材料基因技术及其反应器是沈阳工业大学辽阳产业技术研究院、浙江美纳环保科技有限公司、萍乡拓步环保科技有限公司联合研发的以常温催化还原反应为主导的高浓母液预处理材料和相关应用技术。其核心技术是一种“强化催化还原基因材料（ECR-1基因材料）”（以下简称ECR-1基因材料）的研制和相关反应器的设计和应用技术。
ECR-1基因材料的核心技术原理为：不同的但相关的几种活性金属元素及其氧化物在一定比例的掺状态，和特定的制备工艺条件下，采用材料基因技术形成一系列具备常温条件下可以提供强化催化还原反应的特殊材料，该系列材料根据其组合成分不同，可分别提供常温强化脱色、常温强化脱氮和高效有机化合物的氢解和矿化反应。该产品广泛应用于医药化工行业高浓度有毒废水和母液的预处理，是未来数十年医药化工行业高浓母液预处理的高效手段之一。
材料基因组技术是近年来兴起的材料研究新理念和新方法，是当今世界材料科学与工程领域的最前沿。2012年，中国工程院召开《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目启动会，由屠海令院士主持，近40位院士专家分别作为项目组顾问和课题组负责人出席了会议。2014 年，陈立泉院士建议成立3 - 4 个国家级的材料基因研究院、若干个地方级材料基因研究院以及一批自筹资金的材料基因实验室。北京材料基因工程高精尖创新中心是中国材料基因工程重点课题组，该课题组由院士牵头，主要组成人员为来自中科院、各大院校的数十名材料科学及其相关学科的专家教授，其中非金属材料基因组数据采集分析项目组组长王德喜教授主要负责高效催化材料领域的专用材料基因组数据库的建设。王德喜为工学博士，二级教授，现为沈阳工业大学辽阳产业技术研究院院长，是中组部第三批国家级高端领军人才“万人计划”——创新创业领军人才，国务院政府特殊津贴获得者，“兴辽英才计划”高层次人才培养计划科技创业领军人才，科技部“国家创新人才推进计划科技创新创业人才”，“省劳动奖章获得者”，“省优秀科技工作者”，全国科技创新创业领军人才联盟理事，辽宁机械工程学环保分会理事长，其主要研究方向为针对污水处理领域高效催化材料的制备以及高端环保装备的制造。
ECR-1基因材料的核心组份和优选系列元素组合作为该项目组的研发成果之一，经沈阳工业大学辽阳产业技术研究院、浙江美纳环保科技有限公司的一年多来的联合产业化攻关，目前已经通过了染料废水、多种医药化工高浓母液废水的小试、中试实验和工程应用测试，该材料在高浓染料废水脱色（色度15000以上）、高有机氮母液（重氮有机物、叠氮化合物、总氮超过10000mg/L）处理、苯环及氮杂环类有机化合物（COD大于10万mg/L）降解等领域，展现出了优异的降解性能，目前已经在500t/d高色度染料废水、150t/d有机过氧化物废水、400t/d高浓医药化工母液废水项目中实现了工程化应用并取得了良好的应用效果。
二、 强化催化还原材料基因技术原理
强化催化还原材料基因技术是ECR-1基因材料及其应用技术的集合，ECR-1基因材料的工程应用体是材料基因工程与微纳米技术的有机结合。该材料由于采用了超细粉末材料和均匀分布的离子态沉积形成的金属、贵金属氧化物，使得该材料拥有数百倍于现有普通铁碳微电解填料的比表面积和更小（尺寸小于50nm，是现有普通铁碳微电解填料的几十分之一）的孔隙结构。特有的元素组合（材料基因技术）提供了超高的催化活性，极高的比表面为电化学传质提供了广阔的反应场所和极高的碰撞几率，超细的孔隙使得分子级的微电化学电解成为可能。
采用ECR-1基因材料和微纳米技术制备的强化催化还原材料，在酸性环境下无需外接电源，低温强化催化还原填料（ECR-1）的空隙间、不同活性的金属非金属间即可产生0.4—1.2伏电位差，形成无数个微电池，在特定的贵金属和过渡金属的催化活性的作用下，将付着于材料表面、材料孔道、空隙间的有机物作为微电池的外部电回路的一部分，直接在有机分子间完成电化学氧化还原反应。这种将有机分子或分子团直接作为电回路的一部分的电化学过程，类似于直接将有机物通电使其碳化（动物触电瞬间碳化）的过程，有机物矿化效率极高。
以上技术应用于医化高浓度废水预处理，和现有的铁碳微电解（利用微电池阳极溶出的Fe2+的还原性）技术相比，在降解效率、氢解脱氮、有机物矿化度、产泥量等指标上有着显著的优势。
本技术核心产品所提供反应主要为加氢还原反应(包括氢解）。以往的加氢还原反应通常在一定的温度和压力下进行，本基因材料在特定的基质载体上将贵金属单质以及过渡族金属元素进行复合，通过严格特定的工艺方法改变各元素原来的形貌特征、晶格排列、内部缺陷及电子结构，并为生成的活性金属复合物提供壳核结构，大幅增加了纳米界面且形成大量的催化活性点，促进还原反应的发生，提高了微电解反应的极限功率，突破了常温实现加氢还原的技术壁垒，大幅提高了催化性能。
强化催化还原基因技术(ECR)的实现紧密结合了催化过程与还原反应过程，填料的催化性能受反应条件影响较大。因此，本技术的测试通过高通量微流体结构进行表征，获取材料中海量原位成分、结构和性能信息，最终证明本技术能够将电化学氧化—还原反应、物理化学吸附、混凝物化等复杂化学反应过程稳定实现，技术服役性能优异。
材料基质、贵金属及过渡金属分布示意图见图a，壳核结构示意图见图b。
图a元素分布示意图图 图b壳核结构示意图
三、 强化催化还原基因技术特点
强化催化还原基因填料通过高通量实验，集成计算模拟、结构筛选，元素替代，性能与成分优化等手段进行制备，产品具有高比表面积、均匀的贵金属利用率、多催化活性点，使催化反应与微电解电子产生协同作用，实现了在不同尺度和层次桥接模式的真正融合，达到了优异、高稳定性的还原催化功能。
本技术相比通常的铁碳微电解技术，可更加高效的去除废水中有机物、重金属离子、色度；在其本身的催化剂作用下，对环状及长链大分子有机物进行开环断链的能力得到大幅度提高（同等条件下，有机物降解率比传统铁碳微电解技术提高30%）；对含有氨基、硝基的有机化合物，该材料所表现出来的加氢还原和常温氢解的能力，是传统铁碳微电解技术所不具备的；对具有生化毒性的有机污染物，可还原破解其有毒官能团，从而提高工业废水的可生化性。该反应器在使用过程中，能够长期稳定、高效运行，满足在各类不同的复杂水质环境下运行。
本强化催化还原基因填料技术特点如下：
1、促进激发原生态［H］、［O］，多孔酸性氛围下［H］表现为强还原性，反应产生的OH-，使得水溶液pH上升，［O］表现出氧化性；
2、将溶液中硝酸根离子还原为NOX，直至部分还原成N2;
3、将重金属（如汞、铜）离子还原为单质，沉淀分离；
4、将硝基（苯）还原为胺基（苯胺），降低生物毒性，提高可生化性；
5、将共轭有色基团（如偶氮类等有色基团或助色基团）氧化--还原，使发色基团降解脱色；
6、将长链或环状大分子有机物开环、断链降解，提高了废水的可生化性。
7、废水在经过低温强化催化还原反应器处理后，出水在调解pH8~9条件下形成的氢氧化物是一种很好的絮凝剂。具有强烈的吸附-絮凝作用，分散在废水中被断链的的有机悬浮物、有毒有机物、重金属离子水合物及有机大分子均能被吸附-絮凝、沉淀分离。
8、将无机阴离子（如PO43-离子）沉淀分离，从而达到去除废水TP的目标
9、将六价铬还原为三价铬，经沉淀分离。
四、强化催化还原基因技术反应器使用说明
1 强化催化还原基因技术反应器使用步骤
（1）将进水调节至酸性条件，进水pH控制在2.5~5左右；
（2）反应停留时间2~4小时（可根据水质实际情况调整），反应过程中同时曝气，曝气强度2~5L/m2·s；
（3）反应出水调节pH至8~10，然后进行加药混凝物化。
（4）使用一定时间后进行反冲洗操作，保持催化剂微孔特性，以保证反应效果维持在较高水平。
2 强化催化还原基因技术使用注意事项
（1）进水pH宜控制在2.5~5，pH过低会增大填料消耗量从而增加运行成本，pH过高则会影响处理效果；
（2）根据污染物的特性控制反应过程pH，达到控制还原、氧化反应的作用强弱转换，达到预期的处理目标。
（3）ECR-1还原填料不能直接暴露在空气中，反应停止时应保持还原填料全部被水淹没，避免与空气接触；
（4）曝气量不宜过大，曝气主要起到水力均匀和冲刷填料表面防止填料堵塞的作用，曝气过量会影响处理效果；
（5）可根据填料实际情况进行反冲洗，反冲洗可采用大流量自来水冲刷或在酸性自来水中加大曝气冲洗。
（6）反应进水SS小于30mg/L，油类＜5mg/L，无凝胶类物质。
