CN104261518A - 一种锰炭催化内电解填料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锰炭催化内电解填料及其制备方法与应用，该内电解填料由锰矿废弃物、活性炭、粘结剂及致孔剂组成；所述锰矿废弃物的质量百分比为40～65％，活性炭的质量百分比为35～60％，所述锰矿废弃物和活性炭的质量百分比之和为100％。所述方法通过研磨锰矿废弃物，添加活性炭、粘结剂及致孔剂，成球后放入马弗炉1100℃焙烧2～3h，制取最终的产物；同时在高浓度有机废水中使用该最终产物，曝气2h，去除有机物。本发明的有益效果为：本方法运用锰矿废弃物制备一种新型的催化内电解材料，操作方便，以废治废，节省能源，对有机物的去除效果好，实用性强，前景广泛。

Description

一种锰炭催化内电解填料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种锰炭催化内电解填料及其制备方法与应用，属污水处理控制领域，尤其是高浓度有机废水预处理领域。
背景技术
工业废水尤其是高浓度有机废水是危害我国生态环境的重要污染源。其COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高达几万甚至几十万，可生化性较差，成分复杂、排放量大、处理难度大，因此亟待解决。
针对难降解有机废水，目前采取的主要是物理、化学预处理和生化处理相组合的工艺手段，包括混凝沉淀，吸附，气浮，萃取，膜技术等，普遍存在着处理效率低下的技术难题。
目前铁炭内电解法已在工程实践中被证明是一种有效的处理高浓度有机废水的方法。传统的铁炭内电解法是利用Fe/C原电池反应原理对废水进行处理的良好工艺，铁炭内电解法集氧化还原、絮凝吸附、催化氧化、络合、电沉积以及共沉淀等作用于一体。作为一种生化处理前预处理技术，铁炭内电解技术不仅仅能大大的降低有机物浓度，同时能去除或降低废水毒性，提高废水的可生化性。由于此法具有适用范围广、处理效果好、使用寿命长、成本低廉及操作维护方便等诸多优点，并使用废铁屑为原料，也不需消耗电力资源，具有以废治废的意义。但由于铁炭混合不均匀，传统内电解法存在着填料的板结和钝化的问题，同时铁屑表面会生产一层金属氧化物和氢氧化物膜，致使铁屑钝化，进而导致微电解过程中断，影响处理效果。另一方面，利用铁炭内电解填料去除COD，其去除率很难达到60％，这对于高浓度有机废水来说，并没有达到预期的效果，分析原因，可能是在铁炭内电解反应中，阳极的Fe失去电子，生成Fe2+，阳极的电势电位为0.44v，与阴极形成的电位差较小，难以使电子迅速移动，最终导致去除率难以上升。因此研发制备一种高效的新型内电解材料是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种COD去除率较高的锰炭催化内电解填料及其制备方法与应用。
本发明为解决上述技术问题所采用的方案为:
一种锰炭催化内电解填料，它由锰矿废弃物、活性炭、粘结剂及致孔剂组成；所述锰矿废弃物的质量百分比为40～65％，活性炭的质量百分比为35～60％，所述锰矿废弃物和活性炭的质量百分比之和为100％。
上述方案中，所述锰矿废弃物主要成分的重量百分含量为：Mn 15～25％，SiO210～18％，Fe 2～2.5％，Al2O31～3％，CaO 2～3％。
上述方案中，所述的粘结剂为高岭土，用量为锰矿废弃物和活性炭总质量的20～30％。
上述方案中，所述的致孔剂为过100目筛煤粉，用量为锰矿废弃物和活性炭总质量的5～12％。
一种锰炭催化内电解填料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)将锰矿废弃物和活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛，所述锰矿废弃物的质量百分比为40～65％，活性炭的质量百分比为35～60％，所述锰矿废弃物和活性炭的质量百分比之和为100％；
2)加入粘结剂和致孔剂，混合搅拌均匀；
3)成型成球状颗粒；
4)干燥所述球状颗粒：
5)加热：在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2～3小时，冷却后即得。
上述方案中，所述步骤4)中的干燥条件为：以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，然后继续干燥20min。
所述的锰炭催化内电解填料在处理高浓度有机废水中的应用。
上述方案中，将COD浓度为3000-4000mg/L的有机废水的pH调节为3，然后向其中放入锰炭催化内电解填料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后取上清液。
上述方案中，所述锰炭催化内电解填料的质量与有机废水的体积比为1:1g/mL。
本发明的原理为：锰炭内电解材料所需的基本元素为锰和炭，低电位的锰与高电位的炭在废水中产生电位差，具有一定的导电性的废水充当电解质，锰作为阳极被腐蚀，炭作为阴极形成无数微电池。电极反应如下：
阳极(Mn):Mn-2e＝Mn2+E0(Mn2+/Mn)＝-1.18V
阴极(C):2H++2e＝2[H]＝H2E0(H/H2)＝0.00V
有氧气时，在酸性条件下发生如下反应：
O2+4H++4e＝2H2O E0(O2)＝1.23V
在碱性条件下发生如下反应：
O2+2H2O+4e＝4OH-E0(O2/OH-)＝0.40V
需要说明的是，由于锰矿废弃物中含有多种杂质元素，如S、P等，有可能影响最终填料成品的处理效果。所以在本发明中考虑利用锰炭填料制备过程中所必需的加热烧结工艺在高温条件下将其有效去除。
本发明的有益效果为：
1.本发明中的原料采用锰矿废弃物，实现了固废资源化，用其作为原料处理高浓度有机废水，达到以废治废、循环利用的目的，可谓一举两得。
2.在新型锰炭内电解材料中用锰代替传统填料中的铁，阳极电位由0.44V增加到1.18V，更利用于反应的进行；此外，反应生成的Mn2+可以作为催化剂，提高化学反应速率。
3.锰矿废弃物中存在一定量的SiO2、Al2O3、CaO、K2O，这些成分可以作为粘结剂，提高填料成品的稳定性，减少了其它粘结剂的投加量，可以有效的节省资源。实验表明减少了粘结剂的投加量以后，锰炭材料仍然保持了较高的COD去除率。
4.在锰矿废弃物中还含有2～2.5％Fe，同时也能够作为原电池的阳极，使反应更加迅速彻底，有效去除有机物。同时在酸性条件下处理废水时会产生Fe2+，在混凝阶段，如果进行曝气，Fe2+被氧化成Fe3+，进一步发生氧化还原反应，降解有机物。同时又是很好的絮凝剂，将pH值调至碱性，会形成Fe(OH)2和Fe(OH)3絮凝体，具有很强的絮凝功能，使得废水中原有的有机悬浮物、微电池反应产生的不溶物、构成色度的部分物质均可被其吸附凝聚，最后通过沉淀被去除。
5.本填料中的锰和炭以锰炭包容构架的形式存在，锰骨架与炭相互交叉，锰炭颗粒均匀的分散在炭颗粒周围，解决了传统内电解材料的板结问题。本填料具有很大的比表面积，机械强度高，同时由于Mn2+的催化作用使得填料的活性较好，产生的电流密度大，吸附絮凝效果好，作用效率稳定的优点，有效提高了高浓度有机废水的生化性，有利于后续生化反应的进行。
具体实施方式
以下结合实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下所有实施例中所使用的锰矿废弃物的成分如表1所示：
表1
实施例1
将75g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为1～2mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.30m2/g，孔隙率为66％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达85％。
实施例2
将75g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为3～5mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.13m2/g，孔隙率为65％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达80％。
实施例3
将75g锰矿废弃物和60g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为1～2mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.28m2/g，孔隙率为65％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达82％。
实施例4
将75g锰矿废弃物和60g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为3～5mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.16m2/g，孔隙率为65％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达84％。
实施例5
将60g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为1～2mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.29m2/g，孔隙率为65％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达75％。
实施例6
将60g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为3～5mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.15m2/g，孔隙率为66％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达69％。
实施例7
将60g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为1～2mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料3小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.29m2/g，孔隙率为65％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达74％。
实施例8
将60g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土40g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为3～5mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料3小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.14m2/g，孔隙率为66％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达66％。
实施例9
将75g锰矿废弃物和75g活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛。然后加入高岭土30g，煤粉15g，混合搅拌均匀。添加一定量的水后缓慢将其摇制成粒径为1～2mm的球状颗粒。随后放入马弗炉中以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，继续干燥20min，将水分蒸出，最后在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料3小时，焙烧结束后将填料取出、冷却后即得到锰炭催化内电解填料，其比表面积为1.14m2/g，孔隙率为66％。200mlCOD浓度为3000mg/L的溶液，调节pH为3，向其中放入200g锰炭内电解材料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后去上清液测量COD浓度，其去除率达78％。

Claims (9)

1.一种锰炭催化内电解填料，其特征在于，它由锰矿废弃物、活性炭、粘结剂及致孔剂组成；所述锰矿废弃物的质量百分比为40～65％，活性炭的质量百分比为35～60％，所述锰矿废弃物和活性炭的质量百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述的锰炭催化内电解填料，其特征在于，所述锰矿废弃物主要成分的重量百分含量为：Mn 15～25％，SiO210～18％，Fe 2～2.5％，Al2O31～3％，CaO 2～3％。
3.如权利要求1所述的锰炭催化内电解填料，其特征在于，所述的粘结剂为高岭土，用量为锰矿废弃物和活性炭总质量的20～30％。
4.如权利要求1所述的锰炭催化内电解填料，其特征在于，所述的致孔剂为过100目筛煤粉，用量为锰矿废弃物和活性炭总质量的5～12％。
5.一种锰炭催化内电解填料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)将锰矿废弃物和活性炭混合，进行研磨，过100-130目筛，所述锰矿废弃物的质量百分比为40～65％，活性炭的质量百分比为35～60％，所述锰矿废弃物和活性炭的质量百分比之和为100％；
2)加入粘结剂和致孔剂，混合搅拌均匀；
3)成型成球状颗粒；
4)干燥所述球状颗粒：
5)加热：在1100℃充氮条件下烧结上述锰炭材料2～3小时，冷却后即得。
6.如权利要求1所述的锰炭催化内电解填料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的干燥条件为：以3～5℃/分的速度逐渐升温至70～80℃，然后继续干燥20min。
7.如权利要求1所述的锰炭催化内电解填料在处理高浓度有机废水中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，将COD浓度为3000-4000mg/L的有机废水的pH调节为3，然后向其中放入锰炭催化内电解填料，曝气2h后，调节pH到8，静沉后取上清液。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述锰炭催化内电解填料的质量与有机废水的体积比为1:1g/mL。
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