CN105536773B - 陶基质催化剂及其制备方法 - Google Patents

陶基质催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶基质催化剂及其制备方法，将高锰酸钾水溶液、硫酸锰水溶液与载体混合，高温烧结；所述载体由下述重量份原料混合而成：高岭土40‑60份、膨润土20‑40份、尖晶石10‑30份、膨化剂10‑30份。本发明以粉煤灰、高岭土作为载体，制备出高效催化臭氧氧化的催化剂，以提高臭氧的利用率和臭氧对难分解有机物的降解率，本发明的陶基质催化剂以固体形式存在，易于分离，避免了催化剂的流失，从而降低了废水处理成本，具有成本低廉、高催化性能、高稳定性的特点，用于催化臭氧氧化深度处理废水，使废水达到回用标准，且降低处理成本，蕴含着巨大的环境效益和经济效益，具有较深远的社会发展的意义和实用价值。

Description

陶基质催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于臭氧催化剂制备技术领域，特别涉及一种陶基质催化剂及其制备方法。
背景技术
水是自然界一切生命赖以生存的不可缺少的物质，也是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的最宝贵的自然资源，也是社会发展不可缺少的重要资源。我国人均水资源占有量仅为2300m3，只有世界人均占有量的1/4，排在世界的121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。
由于人类的生产和生活活动，将大量的生活污水、工业废水、农业回流水及其他废弃物未经任何处理就直接排入水体，造成湖泊、江、河、海及地下水资源的污染。越来越严重的水污染问题不仅降低水体的使用状况，同时加剧了水资源短缺的矛盾，使得水资源保护显得尤为重要。
目前常用的废水处理技术有三大类，分别是物理处理法、化学处理法和生物处理法。
臭氧氧化技术具有氧化能力强、反应快、原材料易得、使用方便、能就地生产使用、无二次污染等优点，被广泛运用于废水的处理中。臭氧能将不饱和的发色基团的化学键打开，将大分子有机物氧化分解成分子量小的有机醛和酸等，从而达到脱色和降解有机物的目的。臭氧氧化技术在废水处理领域的应用具有较好的市场前景和经济效益，但是由于臭氧的利用率不高，氧化效率低，使得处理成本较大，限制了臭氧氧化技术的大规模应用。
催化臭氧氧化是通过催化剂的作用，提高臭氧的氧化能力，使有机物在较短的时间内降解、矿化成二氧化碳、水和无机物，或者氧化成无害的物质。催化臭氧化技术按所用催化剂的相态可分为均催化臭氧化和非均相催化臭氧化两大类。均相催化臭氧氧化选用过渡金属，如Mn(II)、Ni(II)、Fe(II)、Co(II)、Cd(II)、Cu(II)、Ag(I)、Cr(III)、Zn(II)等金属离子作为催化剂。
非均相催化臭氧氧化法是采用固体催化剂来催化臭氧氧化的方法。与均相催化臭氧氧化法相比，非均相催化臭氧氧化法具有催化剂易于回收，处理成本较低，二次污染较小等优点，因而日益受到人们的重视。
本发明提供一种陶基质催化剂，以固态形式存在，易于分离，避免了催化剂的流失，从而降低了废水处理成本。
发明内容
针对现有技术的缺点与不足，本发明要解决的问题之一是提供一种陶基质催化剂。
本发明要解决的问题之二是提供上述陶基质催化剂的制备方法。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种陶基质催化剂的制备方法，将高锰酸钾水溶液、硫酸锰水溶液与载体混合，高温烧结；
所述载体由下述重量份原料混合而成：高岭土40-60份、膨润土20-40 份、尖晶石10-30份、膨化剂10-30份。
优选地，
所述膨化剂为碳酸钠、碳酸氢铵和碳酸钙的混合物，所述碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸钙的质量比为(1-3)：(1-3)：(1-3)。
所述载体、高锰酸钾和硫酸锰的质量比为1：(0.003-0.005)： (0.006-0.008)。
所述高温烧结为在1150-1200℃烧结，烧结时间为2-10小时。
本发明还提供了一种陶基质催化剂，采用上述方法制备而成。
该陶基质催化剂既可单独对水进行处理，也可与其他方法联用。臭氧经过该陶基质催化剂催化以后，能更有效地去除水中有机污染物，其氧化能力有明显的提高，从而降低了臭氧的投加量，节省了运行成本；通过制备表层具有丰富微孔的负载二氧化锰的陶基质催化剂，可以极大地提高催化剂利用率，降低催化剂的生产成本，减少催化剂流失率，防止二次污染。
本发明的机理为：
载体生产的原料都是粉末状原料，生产过程中必须通过与水混合，形成载体坯料，经烧结而形成载体。本发明将具有臭氧催化活性的高锰酸钾和硫酸锰溶于水中，得到高锰酸钾和硫酸锰的水溶液，用来代替制造载体坯料的水，而制得载体坯料，经高温烧结，得到负载二氧化锰陶基质催化剂。
使用高锰酸钾和硫酸锰溶液作为粘结剂，由于其物料相近，因此其附着强度高，使余下载体原料附着于载体原料核表面，得到粒径增大的载体。
高锰酸钾和硫酸锰同时加入，一部分直接进行化学反应，形成微小的二氧化锰，附着在载体上，一部分残留的高锰酸钾和硫酸锰存在于载体中，高锰酸钾自我较为不稳定，慢慢氧化还原生成二氧化锰，而硫酸锰溶液中的硫酸锰在温度高于800℃时，分解为MnO2与二氧化硫等气体，气体随加热炉的尾气经处理后排放。而分解形成的MnO2颗粒细小，均匀分布于陶粒中，提高了MnO2活性组分的利用率。
本发明通过把高锰酸钾和硫酸锰溶于水中，作为粘结剂，与载体混合形成载体胚料；高锰酸钾经过与硫酸锰反应，以及自我氧化还原，生成二氧化锰，硫酸锰在高温下分解为MnO2、二氧化硫等气体，气体随加热炉的尾气经处理后排放，而分解形成的MnO2颗粒细小，均匀分布于载体中，提高了MnO2活性组分的利用率。由于催化剂的活性组分是以水溶液和载体混合后负载在载体原料核上，由于其物料相近，因此其附着强度高，同时通过一次烧结成型。
本发明的陶基质催化剂，以粉煤灰、高岭土作为载体，制备出高效催化臭氧氧化的催化剂，以提高臭氧的利用率和臭氧对难分解有机物的降解率，本发明的陶基质催化剂以固体形式存在，易于分离，避免了催化剂的流失，从而降低了废水处理成本，具有成本低廉、高催化性能、高稳定性的特点，用于催化臭氧氧化深度处理废水，使废水达到回用标准，且降低处理成本，蕴含着巨大的环境效益和经济效益，具有较深远的社会发展的意义和实用价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
实施例各原料介绍：
高锰酸钾，CAS号：7722-64-7。
硫酸锰，CAS号：7785-87-7。
高岭土，CAS号：1332-58-7。
碳酸钠，CAS号：497-19-8。
碳酸氢铵，CAS号：1066-33-7。
碳酸钙，CAS号：471-34-1。
膨润土，CAS号：1302-78-9。
尖晶石，CAS号：12068-51-8。
实施例1
载体：取高岭土5kg、膨润土3kg、尖晶石2kg、碳酸钠0.6kg、碳酸氢铵0.6kg、碳酸钙0.6kg混合均匀即得。
陶基质催化剂的制备方法，包含以下具体步骤：
(1)将高锰酸钾和硫酸锰分别溶于水中，分别得到高锰酸钾水溶液和硫酸锰水溶液，其中高锰酸钾水溶液中高锰酸钾的浓度为5wt％，硫酸锰水溶液中硫酸锰的浓度为10wt％。
(2)取载体总量的50wt％通过糖衣制备机制备得到粒径为2.5mm的陶粒原料核；取高锰酸钾水溶液0.944kg(即高锰酸钾加入量为0.0472kg)、硫酸锰水溶液0.826kg(即硫酸锰加入量为0.0826kg)与剩余50wt％载体混合均匀，得到混合物；然后将混合物加入到制备有陶粒原料核的糖衣制备机中与陶粒原料核混合，混合物附着于上述陶粒原料核上，生成粒径为5mm的陶粒；1180℃下烧结，烧结时间为4小时，制备得到所述陶基质催化剂。
实施例2
载体：取高岭土5kg、膨润土3kg、尖晶石2kg、碳酸钠0.6kg、碳酸氢铵0.6kg、碳酸钙0.6kg混合均匀即得。
陶基质催化剂的制备方法，包含以下具体步骤：
(1)将高锰酸钾溶于水中，得到高锰酸钾水溶液，其中高锰酸钾水溶液中高锰酸钾的浓度为5wt％。
(2)取载体总量的50wt％通过糖衣制备机制备得到粒径为2.5mm的陶粒原料核；取高锰酸钾水溶液2.596kg(即高锰酸钾加入量为0.1298kg)与剩余50wt％载体混合均匀，得到混合物；然后将混合物加入到制备有陶粒原料核的糖衣制备机中与陶粒原料核混合，混合物附着于上述陶粒原料核上，生成粒径为5mm的陶粒；1180℃下烧结，烧结时间为4小时，制备得到所述陶基质催化剂。
实施例3
载体：取高岭土5kg、膨润土3kg、尖晶石2kg、碳酸钠0.6kg、碳酸氢铵0.6kg、碳酸钙0.6kg混合均匀即得。
陶基质催化剂的制备方法，包含以下具体步骤：
(1)将硫酸锰溶于水中，得到硫酸锰水溶液，其中硫酸锰水溶液中硫酸锰的浓度为10wt％。
(2)取载体总量的50wt％通过糖衣制备机制备得到粒径为2.5mm的陶粒原料核；取硫酸锰水溶液1.298kg(即硫酸锰加入量为0.1298kg)与剩余50wt％载体混合均匀，得到混合物；然后将混合物加入到制备有陶粒原料核的糖衣制备机中与陶粒原料核混合，混合物附着于上述陶粒原料核上，生成粒径为5mm的陶粒；1180℃下烧结，烧结时间为4小时，制备得到所述陶基质催化剂。
实施例4
按实施例1的方法制备陶基质催化剂，区别仅仅在于：载体：取高岭土5kg、膨润土3kg、尖晶石2kg、碳酸钠0.9kg、碳酸氢铵0.9kg混合均匀即得。得到实施例4的陶基质催化剂。
实施例5
按实施例1的方法制备陶基质催化剂，区别仅仅在于：载体：取高岭土5kg、膨润土3kg、尖晶石2kg、碳酸钠0.9kg、碳酸钙0.9kg混合均匀即得。得到实施例5的陶基质催化剂。
实施例6
按实施例1的方法制备陶基质催化剂，区别仅仅在于：载体：取高岭土5kg、膨润土3kg、尖晶石2kg、碳酸氢铵0.9kg、碳酸钙0.9kg混合均匀即得。得到实施例5的陶基质催化剂。
测试例1
利用臭氧氧化深度处理某造纸厂排放的废水(COD为458mg/L)，臭氧投加量为229mg/L，其中6组加入上述实施例1-6制备得到的陶基质催化剂催化，陶基质催化剂加入量为23mg/L，对比例不加入陶基质催化剂。30min 后处理效果见表1。
表1：造纸厂废水COD处理效果表
COD，mg/L
实施例1 93
实施例2 134
实施例3 161
实施例4 107
实施例5 115
实施例6 111
对比例 275
由表1可以明显看出，在同样的臭氧投加量下，加入实施例1-6制得的陶基质催化剂COD处理效果明显高于对比例。比较实施例1-3，实施例1(采用高锰酸钾和硫酸锰与载体混合)COD处理效果明显高于实施例2-3(采用高锰酸钾或硫酸锰与载体混合)；比较实施例1与实施例4-6，实施例1(膨化剂采用碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸钙复配)COD处理效果明显高于实施例 4-6(膨化剂采用碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸钙中任意二者复配)。
测试例2
利用臭氧氧化处理某化工厂含酚废水(COD为356mg/L)，臭氧投加量为356mg/L，其中6组加入上述实施例1-6制备得到的陶基质催化剂催化，陶基质催化剂加入量为35mg/L，对比例不加入陶基质催化剂。30min后处理效果见表2。
表2：含酚废水COD处理效果表
COD，mg/L
实施例1 81
实施例2 120
实施例3 149
实施例4 93
实施例5 98
实施例6 96
对比例 232
由表2可以明显看出，在同样的臭氧投加量下，加入实施例1-6制得的陶基质催化剂COD处理效果明显高于对比例。比较实施例1-3，实施例1(采用高锰酸钾和硫酸锰与载体混合)COD处理效果明显高于实施例2-3(采用高锰酸钾或硫酸锰与载体混合)；比较实施例1与实施例4-6，实施例1(膨化剂采用碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸钙复配)COD处理效果明显高于实施例4-6(膨化剂采用碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸钙中任意二者复配)。
上述实施例中的陶基质催化剂是通过加入到臭氧催化反应装置中进行催化臭氧氧化水中有机污染物的。臭氧催化反应装置由布水系统、催化反应层、出水系统，尾气吸收器组成，其中布水系统通过滤板上面设置布水器实现，滤板上面充满固相催化剂组成催化反应层，出水系统装载滤网使得带催化剂的载体不被带出，尾气吸收器收集反应后残留的臭氧。收集的臭氧可在其它氧化工序中应用，若臭氧不回收利用，则通过臭氧尾气破坏器对臭氧进行处理，以防止臭氧逸出造成污染。其工艺流程是臭氧先经由气体吸收器使得气水混合均匀，然后进入臭氧催化反应装置，经过布水系统，使得水与臭氧、催化剂充分接触，然后催化剂催化臭氧氧化水中污染物，提高臭氧对污染物的去除能力，从而节省臭氧投加量，降低水处理运行成本。
臭氧催化反应器可根据水流方向分为上流式(水从下往上流动)和下流式(水从上往下流动)两种，可根据实际工程做出调整。
该催化反应器的工艺参数如下：催化剂充满催化反应装置，上面预留0.2-1m的保护高度，以利于上流式反应时催化剂层的膨胀；废水和臭氧混合后迅速进入催化反应器，与催化剂的接触时间为5-60min。
反应器的材料以耐臭氧腐蚀的材料制作，如不锈钢、玻璃，聚四氟乙烯等。

Claims (3)

1.一种陶基质催化剂的制备方法，其特征在于，将高锰酸钾水溶液、硫酸锰水溶液与载体混合，高温烧结；
所述载体由下述重量份原料混合而成：高岭土40-60份、膨润土20-40份、尖晶石10-30份、膨化剂10-30份；
所述膨化剂为碳酸钠、碳酸氢铵和碳酸钙的混合物，所述碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸钙的质量比为(1-3)：(1-3)：(1-3)；
所述载体、高锰酸钾和硫酸锰的质量比为1：(0.003-0.005)：(0.006-0.008)。
2.根据权利要求1所述的陶基质催化剂的制备方法，其特征在于：所述高温烧结为在1150-1200℃烧结，烧结时间为2-10小时。
3.一种陶基质催化剂，其特征在于，由权利要求1-2中任一项所述的方法制备而成。
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