CN104888834A - 一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境保护与环境催化领域，具体涉及一种非金属元素掺杂的改性二氧化钛催化剂，用于光催化降解生活垃圾渗滤液。本发明是以生活垃圾热解气为非金属源和热源，制备得到非金属元素掺杂的改性纳米二氧化钛；然后经混合、辊压涂覆、压褶、剪切、干燥和焙烧，制得平板式催化剂。该催化剂成本低、光催化活性高、稳定性好；能够在太阳光、普通灯光照射下，高效降解生活垃圾渗滤液，在污染物降解方面具有很好的应用前景。

Description

一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于环境保护与环境催化领域，具体涉及一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂及其制备方法。
背景技术
城市生活垃圾在堆放和填埋过程中由于压实、发酵和降水渗流等作用，会产生一种高浓度的有机废水，即垃圾渗滤液。垃圾渗滤液中含有大量有毒有害的物质，包括酚类化合物、苯胺类化合物、氯化芳香化合物、磷酸酯以及萘、蒽等非氯化芳香化合物等。因此如果垃圾渗滤液不加处理、直接排放，会对自然水体及环境造成严重的污染。
光催化氧化技术是近年来新兴的垃圾渗滤液处理技术。半导体光催化剂在光源照射下产生催化作用，使周围的水分子及氧气激发形成极具氧化活性的羟基自由基和超氧自由基，将水中的有机物最终氧化为CO2、H2O和其他简单低分子物质，是一种环境友好型绿色水处理技术。
光催化氧化剂技术的关键在于光催化剂。常见的具有光催化活性的半导体光材料有TiO2、ZnO、WO3、ZnS等；这些材料带隙较宽，光吸收波长集中在光能较高的紫外光区，在可见光下没有光催化活性。然而太阳光中紫外光仅仅只占很少量的部分(约4％)，而可见光则占43％，因而半导体材料在太阳光下仅仅具有非常低的催化活性，大部分的光能没有得到利用，造成能源的浪费。因此开发具有可见光催化活性的催化剂，并将其应用于垃圾渗滤液的处理，具有很高的应用价值和广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有可见光催化活性、绿色安全、稳定性好、适合光降解生活垃圾渗滤液的催化剂及其制备方法；以生活垃圾热解气为非金属源和热源，制备得到具有可见光活性的非金属元素掺杂的纳米二氧化钛，实现在可见光下降解生活垃圾渗滤液的目的。
根据本发明的一方面，本发明提供了一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂，该催化剂包括活性组分、成型助剂和担体；所述活性组分为以生活垃圾热解气为非金属源形成的非金属元素掺杂的纳米二氧化钛，所述成型助剂为高岭土，所述担体为不锈钢网板。
优选的，所述生活垃圾热解气中至少含有C、N、P、S四种元素中的一种。
优选的，所述催化剂各组分重量百分比分别为非金属元素掺杂的纳米二氧化钛占35-55％，高岭土占5-25％，不锈钢网板占30-50％。
优选的，所述活性组分中非金属元素与纳米二氧化钛的质量比满足0.01∶1～0.1∶1。
根据发明的另一方面，本发明提供了一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)催化剂膏体的制备
①非金属元素掺杂纳米二氧化钛的制备：
以生活垃圾热解气为非金属源和热源，将纳米二氧化钛置于生活垃圾热解炉排气管道内，反应10-30小时，即可得到非金属元素掺杂的纳米二氧化钛粉末。
②催化剂膏体的混捏
称取100重量份的上述步骤①中所得的非金属元素掺杂纳米二氧化钛粉末、10-50重量份的高岭土、10-20重量份的羟丙基甲基纤维素、40-70重量份的去离子水加入混合器中进行混合并搅拌，即得到催化剂膏体。
(2)平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂的制备
将步骤(1)中获得的催化剂膏体，置于不锈钢网板上，经辊压涂覆、压褶、剪切、干燥和焙烧后即可获得平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂。
优选的，所述制备方法中涉及的纳米二氧化钛晶型均为锐钛矿型。
优选的，所述步骤(1)之①中的非金属元素掺杂的纳米二氧化钛粉末至少含有C、N、P、S四种元素中的一种。
优选的，所述步骤(1)之①中的生活垃圾热解炉排气管的温度为400-600℃。
优选的，所述步骤(1)之①中的生活垃圾热解炉排气管道内是无氧或少量氧气气氛。
优选的，所述步骤(2)中干燥温度为80-120℃，焙烧温度为300-600℃。
本发明的有益效果为：
本发明是以生活垃圾热解获得的热解气为非金属源制备得到改性二氧化钛催化剂，在可见光下具有良好的光催化活性，可以有效降解生活垃圾渗滤液。热解是一种重要的生活垃圾处理方式，具体是将垃圾在无氧或有限供氧的情况下加热使其分解形成固体和热解气(经冷凝后形成液体和不可冷凝气两种产物)的过程；因此垃圾热解气中一般都含有C、N、P、S等元素，这些元素在较高温度下部分取代TiO2中的氧元素，非金属掺杂使TiO2带隙的夹带引入一个分离能级，使夹带宽度上移，禁带宽度减小，从而将TiO2吸收波长范围扩大到可见光区域。整个催化剂的制备过程无需添加额外的非金属源和热源，合理有效的利用生活垃圾热解气中的非金属元素，变废为宝；不仅工艺简单，易操作，且成本低廉，催化效果好。
将制备得到的平板式催化剂插入到垃圾渗滤液中，经太阳光照射，即可达到去除渗滤液中有机物染污物的效果；且在阴雨天或夜晚等没有太阳光照射时，可以通过开启白炽灯等提供光源，无需配置额外的紫外光源，催化剂仍有很好的催化活性，可以有效降解污染物。平板式催化剂具有体积小、比表面积大、节省原料等优势，易于最大限度地利用光源完成催化降解反应。整个处理过程绿色、环保、高效，适用范围广，具有很好的工业应用前景。
具体实施方式
本发明提供了一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂及其制备方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)催化剂膏体的制备
①非金属元素掺杂纳米二氧化钛的制备：
将100重量份的纳米二氧化钛置于450℃生活垃圾热解炉排气管道内反应15小时，得到C、P两者掺杂的纳米二氧化钛粉末。
②催化剂膏体的混捏
称取50重量份的上述步骤①中所得的非金属元素掺杂纳米二氧化钛粉末、10重量份的高岭土、5重量份的羟丙基甲基纤维素、30重量份的去离子水加入混合器中进行混合并搅拌，即得到催化剂膏体。
(2)将步骤(1)中获得的催化剂膏体，置于不锈钢网板上，经辊压涂覆、压褶、剪切后，在鼓风干燥箱中110℃干燥2h、马弗炉550℃焙烧5h后获得平板式催化剂，催化剂各组分重量百分比分别为：C、P两者掺杂纳米二氧化钛占50％，高岭土占10％，不锈钢网板占40％。
取1000重量份的垃圾渗滤液水样置于烧杯中，垃圾渗滤液的COD为6200mg/L；另取一张重量份为10的催化剂网板置于水样中，然后将烧杯置于太阳光下照射8小时，反应结束后测得垃圾渗滤液COD值为610mg/L，垃圾渗滤液中有机物降解率为90.2％。
实施例2
(1)催化剂膏体的制备
①非金属元素掺杂纳米二氧化钛的制备：
将100重量份的纳米二氧化钛置于550℃生活垃圾热解炉排气管道内反应20小时，得到C、N两者掺杂的纳米二氧化钛粉末。
②催化剂膏体的混捏
称取50重量份的上述步骤①中所得的非金属元素掺杂纳米二氧化钛粉末、10重量份的高岭土、10重量份的羟丙基甲基纤维素、35重量份的去离子水加入混合器中进行混合并搅拌，即得到催化剂膏体。
(2)将步骤(1)中获得的催化剂膏体，置于不锈钢网板上，经辊压涂覆、压褶、剪切后，在鼓风干燥箱中110℃干燥2h、马弗炉550℃焙烧5h后获得平板式催化剂，催化剂各组分重量百分比分别为：C、P两者掺杂纳米二氧化钛占41.7％，高岭土占8.3％，不锈钢网板占50％。
取1000重量份的垃圾渗滤液水样置于烧杯中，垃圾渗滤液的COD为6350mg/L；另取一张重量份为20的催化剂网板置于水样中，然后将烧杯置于100W白炽灯下照射12小时，反应结束后测得垃圾渗滤液COD值为1350mg/L，垃圾渗滤液中有机物降解率为78.7％。
实施例3
(1)催化剂膏体的制备
①非金属元素掺杂纳米二氧化钛的制备：
将100重量份的纳米二氧化钛置于600℃生活垃圾热解炉排气管道内反应20小时，得到C、N、S三者掺杂的纳米二氧化钛粉末。
②催化剂膏体的混捏
称取50重量份的上述步骤①中所得的非金属元素掺杂纳米二氧化钛粉末、5重量份的高岭土、10重量份的羟丙基甲基纤维素、35重量份的去离子水加入混合器中进行混合并搅拌，即得到催化剂膏体。
(2)将步骤(1)中获得的催化剂膏体，置于不锈钢网板上，经辊压涂覆、压褶、剪切后，在鼓风干燥箱中110℃干燥4h、马弗炉550℃焙烧5h后获得平板式催化剂，催化剂各组分重量百分比分别为：C、N、S三者掺杂纳米二氧化钛占55.6％，高岭土占5.6％，不锈钢网板占38.8％。
取1000重量份的垃圾渗滤液水样置于烧杯中，垃圾渗滤液的COD为6150mg/L；另取一张重量份为40的催化剂网板置于水样中，然后将烧杯置于太阳光下照射8小时，反应结束后测得垃圾渗滤液COD值为350mg/L，垃圾渗滤液中有机物降解率为94.3％。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂，包括活性组分、成型助剂和担体，其特征在于，所述活性组分为以生活垃圾热解气为非金属源形成的非金属元素掺杂的纳米二氧化钛，所述成型助剂为高岭土，所述担体为不锈钢网板。
2.根据权利要求1所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂，其特征在于，所述生活垃圾热解气中至少含有C、N、P、S四种元素中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂，其特征在于，所述催化剂各组分重量百分比分别为：非金属元素掺杂的纳米二氧化钛占35-55％，高岭土占5-25％，不锈钢网板占30-50％。
4.根据权利要求1所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂，其特征在于，所述活性组分中非金属元素与纳米二氧化钛的质量比满足0.01∶1～0.1∶1。
5.一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)催化剂膏体的制备
①非金属元素掺杂纳米二氧化钛的制备：
以生活垃圾热解气为非金属源和热源，将纳米二氧化钛置于生活垃圾热解炉排气管道内，反应10-30小时，即可得到非金属元素掺杂的纳米二氧化钛粉末。
②催化剂膏体的混捏
称取100重量份的上述步骤①中所得的非金属元素掺杂纳米二氧化钛粉末、10-50重量份的高岭土、10-20重量份的羟丙基甲基纤维素、40-70重量份的去离子水加入混合器中进行混合并搅拌，即得到催化剂膏体。
(2)平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂的制备
将步骤(1)中获得的催化剂膏体，置于不锈钢网板上，经辊压涂覆、压褶、剪切、干燥和焙烧后即可获得平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂。
6.根据权利要求5所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂，其特征在于，所述纳米二氧化钛晶型为锐钛矿型。
7.根据权利要求5所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤(1)之①中的非金属元素掺杂的纳米二氧化钛粉末至少含有C、N、P、S四种元素中的一种。
8.根据权利要求5所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤(1)之①中的生活垃圾热解炉排气管道内的温度为400-600℃。
9.根据权利要求5所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤(1)之①中的生活垃圾热解炉排气管道内是无氧或少量氧气气氛。
10.根据权利要求5所述的一种平板式光降解生活垃圾渗滤液催化剂制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中干燥温度为80-120℃，焙烧温度为300-600℃。
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