在水處理除氟領(lǐng)域，顆粒狀除氟劑因其操作簡便、易于裝填與再生，被廣泛應(yīng)用于連續(xù)流固定床吸附工藝中。然而，一個(gè)常見的痛點(diǎn)在于：同一批次性能優(yōu)異的除氟劑，在連續(xù)使用3-6個(gè)月后，時(shí)常出現(xiàn)粉化、碎裂現(xiàn)象，導(dǎo)致床層壓降急劇升高、液流分布不均、甚至穿透漏料，不得不提前更換，很大地增加了運(yùn)行成本和操作負(fù)擔(dān)。本文旨在深度剖析這一粉化現(xiàn)象的根源，并系統(tǒng)地探討通過生產(chǎn)工藝改進(jìn)來提升其機(jī)械強(qiáng)度的有效策略。

一、 粉化現(xiàn)象根源：多應(yīng)力耦合下的失效機(jī)理

顆粒狀除氟劑的粉化絕非偶然，它是物理、化學(xué)和機(jī)械應(yīng)力在長期運(yùn)行中共同作用的結(jié)果，是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷在外界環(huán)境下的集中體現(xiàn)。究其根源，主要有以下幾個(gè)方面：

1. 化學(xué)應(yīng)力：反復(fù)吸附-再生下的本體侵蝕與相變 這是導(dǎo)致粉化的較核心化學(xué)因素。

羥基的周期性消耗與再生： 大多數(shù)高性能除氟劑（如鋁基、鋯基材料）的活性位點(diǎn)是表面的羥基（-OH）。除氟時(shí)，F(xiàn)?通過配位體交換機(jī)制置換OH?，生成≡M-F。再生時(shí)，使用高濃度堿液（如NaOH）將F?置換下來，恢復(fù)為≡M-OH。這個(gè)可逆反應(yīng)本身看似，但每一次循環(huán)都伴隨著金屬-O鍵的斷裂與重建，本質(zhì)上是對(duì)材料表面的一次微蝕刻。經(jīng)過數(shù)十次甚至上百次的循環(huán)，這種微觀層面的反復(fù)“膨脹與收縮”會(huì)逐漸累積，破壞顆粒內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和交聯(lián)度，導(dǎo)致內(nèi)聚力下降。

pH值的劇烈波動(dòng)： 運(yùn)行階段，進(jìn)水通常為弱酸性（pH 5.5-6.5）；再生階段，是強(qiáng)堿性（pH >13）；再生后中和清洗又可能變?yōu)橹行曰蛉跛嵝?。這種周期性的強(qiáng)酸強(qiáng)堿沖擊，對(duì)于無定形或微晶態(tài)的金屬氧化物骨架而言，是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，會(huì)加速活性成分的溶蝕和解聚，特別是對(duì)于鋁基材料，在高低pH下都存在一定的溶解度，長期必然削弱顆粒整體性。

相變與結(jié)構(gòu)重組： 某些除氟劑在多次高溫再生或長期使用后，其活性組分可能從高比表面積、高活性的無定形態(tài)（如無定形氫氧化鋯）向低比表面積、低活性的穩(wěn)定晶態(tài)（如單斜氧化鋯）轉(zhuǎn)變。這種相變通常伴隨顯著的體積收縮和密度變化，在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

2. 物理與機(jī)械應(yīng)力：水流動(dòng)力學(xué)下的磨損與壓力

水力剪切與顆粒間摩擦： 在連續(xù)運(yùn)行的吸附塔中，水流持續(xù)地沖刷顆粒表面，尤其是在升流式膨脹床或高速反沖洗過程中，顆粒間、顆粒與器壁間發(fā)生劇烈碰撞和摩擦。若顆粒本身機(jī)械強(qiáng)度不足，表面會(huì)逐漸被磨蝕，棱角被磨圓，產(chǎn)生細(xì)粉。

靜壓與床層壓力： 尤其是深床層設(shè)計(jì)中，底部的顆粒承受著上方所有物料和水的巨大靜壓力。長期受壓下，強(qiáng)度較弱的顆?？赡馨l(fā)生蠕變甚至被壓碎。

干濕循環(huán)與毛細(xì)管力： 在再生、干燥和再水化的過程中，顆粒內(nèi)部的毛細(xì)孔道會(huì)經(jīng)歷反復(fù)的充水和排水。水分蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的毛細(xì)管張力會(huì)對(duì)孔壁施加巨大的應(yīng)力（類似干燥泥土開裂），這種周期性應(yīng)力會(huì)加速微裂紋的生成。

3. 生產(chǎn)工藝根源：強(qiáng)度不足的“先天缺陷”

上述外部應(yīng)力是“催化劑”，而粉化的根本原因往往在于顆粒成型的“先天不足”：

粘結(jié)劑缺失或選擇不當(dāng)： 許多除氟劑以高活性粉末形式存在，必須通過添加粘結(jié)劑才能造粒成型。若粘結(jié)劑添加量不足、粘結(jié)力弱、或與活性組分相容性差，則顆粒初始強(qiáng)度就低。

成型工藝缺陷： 擠壓造粒或滾圓造粒時(shí)，壓力不足、捏合不均、水分控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，存在大量缺陷和應(yīng)力集中點(diǎn)，成為未來破碎的源頭。

焙燒固化不充分： 成型后的顆粒需要通過熱處理（焙燒）來去除化學(xué)結(jié)合水、實(shí)現(xiàn)活性組分的交聯(lián)固化并賦予較終強(qiáng)度。焙燒溫度過低、時(shí)間過短，則粘結(jié)橋不牢固，骨架強(qiáng)度差；溫度過高，又可能燒結(jié)過度，導(dǎo)致活性下降和孔隙封閉。

二、 工藝改進(jìn)：構(gòu)建堅(jiān)固耐用的除氟劑骨架

基于以上分析，提升除氟劑機(jī)械強(qiáng)度是一個(gè)系統(tǒng)工程，需從配方、成型和后處理全流程進(jìn)行優(yōu)化。

1. 優(yōu)化配方設(shè)計(jì)：引入高性能粘結(jié)與增強(qiáng)相

精選高效粘結(jié)劑： 摒棄傳統(tǒng)的粘土（雖增強(qiáng)度但大幅降低吸附容量），轉(zhuǎn)向開發(fā)功能性粘結(jié)劑。例如：

無機(jī)粘結(jié)劑： 采用硅溶膠、鋁溶膠等。它們?cè)诒簾竽苄纬蓤?jiān)固的Si-O-Si或Al-O-Al網(wǎng)絡(luò)，將活性組分顆粒牢固地包裹和連接起來，且本身對(duì)氟吸附影響甚微甚至有協(xié)同作用。

有機(jī)-無機(jī)復(fù)合粘結(jié)劑： 添加少量高分子聚合物（如聚乙烯醇PVA、聚丙烯酸鈉）作為臨時(shí)粘結(jié)劑，改善造粒塑性；在后續(xù)焙燒中，有機(jī)物被燒失，留下孔隙，而無機(jī)粘結(jié)劑發(fā)揮作用。這種組合能在保證強(qiáng)度的同時(shí)維持高孔隙率。

構(gòu)建復(fù)合增強(qiáng)材料： 將活性除氟組分（如納米水合氧化鋯）負(fù)載到高強(qiáng)度宏觀載體上。例如：

多孔剛性載體： 使用具有高機(jī)械強(qiáng)度的多孔二氧化硅球、活性炭顆?；蛱沾汕蜃鳛楣羌?，通過浸漬法將活性組分引入其孔道內(nèi)。載體提供了機(jī)械強(qiáng)度，活性組分提供吸附容量，各司其職。

纖維增強(qiáng)： 在造粒過程中混入少量無機(jī)短纖維（如陶瓷纖維、玻璃纖維），它們能在顆粒內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡(luò)，有效地分散應(yīng)力，阻止裂紋擴(kuò)展，顯著改善韌性和抗壓強(qiáng)度。

2. 革新成型與固化工藝：打造致密均勻的微觀結(jié)構(gòu)

先進(jìn)造粒技術(shù)：

高壓力擠壓造粒： 在允許范圍內(nèi)適當(dāng)提高擠壓壓力，使物料更致密，減少內(nèi)部缺陷。

噴霧造粒成型： 將活性組分、粘結(jié)劑的前驅(qū)體配成漿料，通過噴霧干燥形成中空微球。此法得到的顆粒強(qiáng)度高、球形度好、粒度均勻，流體動(dòng)力學(xué)性能很佳，能有效減少磨損。

精準(zhǔn)控制的焙燒制度：

梯度升溫與保溫： 制定優(yōu)化的焙燒曲線。緩慢升溫以充分去除物理水和結(jié)晶水，避免突然汽化導(dǎo)致顆粒炸裂。在關(guān)鍵溫度點(diǎn)進(jìn)行充分保溫，使粘結(jié)劑與活性組分之間、活性組分顆粒之間充分發(fā)生固相反應(yīng)和化學(xué)鍵合，形成牢固的“橋梁”。

較佳焙燒溫度確定： 通過熱重-差示掃描量熱法（TG-DSC）分析確定粘結(jié)劑的分解溫度和活性組分的相變溫度，將較終焙燒溫度設(shè)定在能實(shí)現(xiàn)較大強(qiáng)度而又不損害吸附活性的較佳區(qū)間。

3. 表面強(qiáng)化處理：構(gòu)筑較后一道防線

對(duì)已成型的顆粒進(jìn)行后處理，可進(jìn)一步提升其耐久性。

表面涂層： 使用很薄一層疏水但透水的聚合物膜（如聚偏氟乙烯PVDF）或無機(jī)膜對(duì)顆粒進(jìn)行表面包覆。這層“盔甲”可以很大地減輕水力剪切和摩擦對(duì)顆粒本體的直接磨損，同時(shí)又不嚴(yán)重影響F?和OH?的擴(kuò)散傳質(zhì)。

溫和化學(xué)預(yù)處理： 在首次使用前，用較溫和的條件進(jìn)行數(shù)次預(yù)吸附-脫附循環(huán)，讓顆粒在正式投入高強(qiáng)度運(yùn)行前，先完成初步的“自我調(diào)整”和結(jié)構(gòu)弛豫，穩(wěn)定其內(nèi)部應(yīng)力。

顆粒除氟劑的粉化問題，是其“體質(zhì)”（內(nèi)在化學(xué)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）無法適應(yīng)復(fù)雜“工作環(huán)境”（水力、化學(xué)、機(jī)械應(yīng)力）的集中體現(xiàn)。解決這一問題，必須從源頭入手，很越單純追求高吸附容量的傳統(tǒng)思路，轉(zhuǎn)向強(qiáng)度與活性并重的設(shè)計(jì)理念。

通過精選功能性粘結(jié)劑與增強(qiáng)材料優(yōu)化配方，通過革新造粒與精準(zhǔn)焙燒工藝優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，并通過表面強(qiáng)化處理提升耐久性，可以系統(tǒng)地打造出兼具高吸附容量、高選擇性以及優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和很長使用壽命的新一代高效除氟劑。這不僅能夠降低水處理系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，更是推動(dòng)除氟技術(shù)大規(guī)模、長周期穩(wěn)定應(yīng)用的關(guān)鍵所在。