CN105668719B - 负载钴氧化物的活性炭催化粒子电极及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污废水处理领域,具体地,本发明涉及一种负载钴氧化物的活性炭催化粒子电极及制备方法。本发明所述的活性炭催化粒子电极包括活性炭粉、粘结剂及负载在活性炭粉上的CoO催化剂。本发明的方法包括活性炭粉的预处理、金属盐溶液的制备、浸渍、制胶、焙烧活化和造粒几个步骤。本发明制备的负载CoO催化粒子电极具有污染物去除率高、催化活性高、粒子电极吸附性能高、电流效率高、能耗低等特点且制备方法简单。本发明制备的负载CoO催化粒子电极应用于三维电极反应器中处理含有腐殖酸类污染物的废水时,能将腐殖酸类污染物快速分解为小分子有机物或者彻底矿化,COD去除率大于90%,从而提高了废水的可生化性。
Description
技术领域
本发明属于污废水处理领域,具体涉及一种负载催化剂活性炭的粒子电极及其制备方法,可作为三维电极反应器的粒子电极用于降解去除水中腐殖酸类难降解有机物。
技术背景
腐殖酸是一类广泛存在于自然界的有机高分子化合物,主要由C、H、O、N和少量的S、P等元素组成。在水环境中,腐殖酸是水溶性有机质的主要成分,其含量越高,水体卫生状况越差,腐殖酸不仅是水体的色度物质,而且还是消毒副产物的前驱物,其与消毒剂氯气反应后可生成具有潜在“三致”效应的环境污染物。因腐殖酸具有生物毒性,故生物对其的降解能力低而且降解过程极其缓慢,用常规的生物方法处理含有腐殖酸的废水,其废水排放很难达到排放要求。
含有腐殖酸的废水常用的处理技术主要包括吸附、萃取、混凝沉淀、化学沉淀、膜分离、化学氧化法和电化学氧化法等。三维电极作为一种新型的电化学氧化方法,其优点主要有:(1)比表面积大、传质速率快、单位槽体处理量大,因此具有较高的电流效率和单位空间产率;(2)降解有机物效果好;(3)在处理电导率较低的废水时,二维电极处理效果不好,需要投加大量电解质,使处理费用增加,而三维电极在一定程度上克服了这一缺点。由于以上的优点,近年来三维电极受到广泛关注。三维电极反应器的反应原理是,难降解有机物废水流过反应器时,其中难降解有机物被电解槽中的粒子电极吸附在表面,在三维电极反应器通电、曝气的条件下,空气中的氧气在粒子表面被还原生成H2O2,并迅速分解为具有强氧化性的羟基自由基。因此,反应器中的三维粒子电极为三维电极的工作核心。粒子电极的选择是否合理,直接影响到粒子电极对废水中难降解有机物的吸附和分解,影响粒子电极对有机物的降解效果。
活性炭因具有比表面积高、廉价易得、化学稳定性好等优点,是目前使用最为广泛的三维粒子电极。但未经处理的活性炭作为三维粒子电极存在以下缺点:(1)吸附能力低;(2)选择吸附性差;(3)生成羟基自由基数量少。为改善活性炭作为粒子电极时的上述缺点,目前对活性炭粒子电极的处理主要以在商品颗粒活性炭(碎屑或柱状)上涂膜和负载金属氧化物为主,但是这两种处理后的活性炭的比表面积会大幅减少,而且活性组分容易流失,从而导致催化活性降低。中国专利CN1669942将活性炭和过渡金属通过粘结烧结后作为粒子电极催化剂,虽提高了羟基自由基的产生量,但处理后的活性炭粒子电极比表面积大幅减少,降低了粒子电极对污染物的吸附和氧化分解能力。
因此,对粒子电极性能及制备方法进行改进后,既能提高羟基自由基产生量、减少活性组分的流失量,又能保证改性后的粒子电极吸附性能,成为改善三维电极反应器处理能力的研究关键。
发明内容
本发明的目的是克服上述粒子电极存在的问题,提供一种负载催化剂活性炭的三维粒子电极及其制备方法,使其具有污染物去除率高、催化活性高、粒子电极吸附性能高、电流效率高、能耗低等特点且制备方法简单。
本发明的再一目的是提供上述负载催化剂粒子电极在处理水中腐殖酸类物质的应用。本发明的技术方案如下:一种负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,由活性炭粉、CoO、粘结剂组成。按照质量百分比计,活性炭粉占50-70%、CoO占8-23%、粘结剂占10-30%。
本发明提供一种负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极的制备方法,包括如下步骤:
1)活性炭粉预处理:将活性炭粉用去离子水洗涤、浸泡、离心后,烘干,冷却至室温待用;
2)钴盐溶液的制备:将金属钴盐溶于去离子水中搅拌均匀后待用;
3)催化剂负载:将1)中的活性炭粉浸渍在金属钴盐溶液2)中,振荡、离心后,烘干,冷却至室温待用;
4)焙烧活化:将3)中干燥好的活性炭粉在N2保护下高温焙烧一定时间,冷却至室温,备用;
5)制胶:在水浴条件下将聚乙烯醇溶于去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解后在催化剂存在的条件下加入羧酸后反应一定时间,备用;
6)造粒:将4)中焙烧活化后的活性炭粉与粘结剂5)混合均匀,转鼓造粒,烘干后既得催化粒子电极。
上述步骤1)所选的活性炭粉为果壳活性炭粉,按活性炭制备时所采用的原料不同,活性炭可分为:果壳活性炭、煤质活性炭、木质活性炭和合成活性炭等。果壳活性炭是一种优良的吸附剂,它选用优质杏壳、核桃壳、枣壳等果壳为原料,采用炭化、活化、过热蒸汽催化等工艺精制加工而成,具有孔隙发达、比表面积巨大、化学稳定性及热稳定性较好、原料充足等优点。电化学降解污染物主要通过直接降解与间接降解来完成。其中直接降解主要发生在电极表面,主要包括两个步骤:1)传质过程:污染物质从溶液中吸附到电极表面;2)电子转移过程:污染物质在电极表面降解。在电化学降解反应过程中,传质过程的反应速率要远低于电子转移过程,是电化学反应的控制因素,提高传质速率可增加电化学降解污染物效率,因此粒子电极材料优选吸附性能好的材料,以保证高的传质速率。对于同等的污染物质,果壳活性炭粉的吸附速率、饱和吸附容量分别是木质活性炭粉的1.5-2、1.1-1.4倍,其高效的吸附性能,缩短了污染物到达粒子电极表面的时间,增加了单位时间内污染物到达粒子表面的数量,极大提高了电化学降解速率。
更进一步,上述步骤1)所述去离子水反复清洗,至离心后上清液的电导率与去离子水的电导率一致后(4.6-5.3μm/cm),取沉积物烘干,所述的烘干温度为100-105℃,烘干时间为8-12h。
上述步骤2)所述钴盐优选:硝酸钴或硫酸钴。
更进一步,上述步骤2)所述钴盐溶液中钴的摩尔浓度为0.05-1.00mol/L。
上述步骤3)所述振荡反应条件为:在转速120-200rpm的振荡培养箱中恒温(20-30℃)振荡反应4-12h;所述的离心条件为:2500-4000r/min下离心10-15min;所述的烘干温度为:100-105℃,烘干时间为8-12h。
上述步骤4)所述焙烧温度为450-800℃,优选600℃,焙烧时间为1-6h,优选2h。
上述步骤5)所述催化剂为浓硫酸、浓盐酸、浓磷酸,加入量为每100mL去离子水中加入3-8mL催化剂,优选5mL;羧酸为质量浓度为4-10%的马来酸、柠檬酸,优选5%,加入量为每100mL聚乙烯醇溶液中加入20-30mL羧酸,优选22.5mL。
更进一步,上述步骤5)所述聚乙烯醇水浴溶解温度条件设置依次为40-60℃搅拌30min,70-80℃搅拌30min,90-100℃搅拌1h,40-60℃搅拌30min。
更进一步,上述步骤5)所述粘结剂的制备方法为,在水浴条件下将聚乙烯醇溶于去离子水中,待其完全溶解后在催化剂存在的条件下加入羧酸,在40-60℃的水浴条件下搅拌反应1h。
更进一步,上述步骤6)所述烘干温度为100-105℃,烘干时间为24-48h。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及突出的技术效果:(1)传统催化粒子电极的制备方法是先将催化元素负载到颗粒活性炭后再对颗粒活性炭进行焙烧活化,而本专利采用先将催化剂负载到活性炭粉上,炭粉经焙烧活化后再加入粘结剂进行造粒。本专利制备的催化粒子电极,克服了传统催化粒子电极制备过程中由于催化剂的负载而造成的粒子电极比表面积降低的缺点,使粒子电极具有催化性能的同时,又保留了粒子电极丰富的微孔结构和高的吸附容量;(2)本发明制备的负载型催化粒子电极在用于处理含有腐殖酸类污染物的废水时,有机物去除率有明显提高。和二维体系相比,在相同条件下处理含腐殖酸类物质的废水,COD的去除率可从20-25%提高至85%以上,UV254与色度的去除率可从25-30%提高至90%以上。对比商业颗粒活性炭在与本专利相同的钴盐负载液浓度、烧结温度与烘干温度条件下制备的负载催化粒子电极,COD的去除率可从30-40%提高至85%以上,UV254与色度的去除率可从20-30%提高至90%以上;(3)本发明的催化粒子电极催化活性高,单位化学需氧量(COD)能耗低至10-15kW·h/kg·COD,废水在反应器中的停留时间和处理成本得到极大降低;(4)本发明制备方法简便,无贵重金属的使用,原材料来源广泛,制造成本低。
综上所述,本发明的负载型粒子催化电极,具有催化活性高、廉价易得、制备简便、COD去除率高、能耗低的优点。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步的阐述。
实施例1。
1)活性炭粉预处理:活性炭粉洗净、浸泡,测定水中的电导率与去离子水一致后,于3000r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
2)钴盐溶液的制备:称取硫酸钴溶于500mL去离子水中搅拌30min,使其完全溶解,钴元素的摩尔浓度为0.1mol/L,备用。
3)催化剂负载:将经过预处理的活性炭粉1)浸渍在等体积的溶液2)中,放入恒温振荡箱中,在转速150rpm,恒温30℃下振荡8h后,于3000r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
4)焙烧活化:将干燥后的活性炭粉置于N2保护条件下,在500℃条件下焙烧2h。
5)制胶:在水浴条件下将40g聚乙烯醇溶于400mL去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解加入20mL浓盐酸做为催化剂,再加入90mL质量浓度为5%的柠檬酸后搅拌反应1h,备用。
6)造粒:将4)中的活性炭粉与粘结剂5)按质量比为4:1的比例混合均匀,转鼓造粒后放置于105℃的烘箱中干燥交联24h,既得负载型催化粒子电极。
7)应用:将获得的负载型催化粒子电极材料应用于三维电极反应器中,以钛网电极、钌钛电极分别为阴、阳极,负载型催化粒子电极填充于阴阳极之间形成三维电极反应体系,处理含有腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A的条件下进行处理,20min后出水达到稳定,对COD、UV254和色度的去除率分别为85.2%、95.2%和98.2%。
实施例2。
1)活性炭粉预处理:活性炭粉洗净、浸泡,测定水中的电导率与去离子水一致后,于3500r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
2)钴盐溶液的制备:称取硫酸钴溶于500mL去离子水中搅拌30min,使其完全溶解,钴元素的摩尔浓度为0.2mol/L,备用。
3)催化剂负载:将经过预处理的活性炭粉1)浸渍在等体积的溶液2)中,放入恒温振荡箱中,在转速150rpm,恒温30℃下振荡8h后,于3500r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
4)焙烧活化:将干燥后的活性炭粉置于N2保护条件下,在600℃条件下焙烧4h。
5)制胶:在水浴条件下将40g聚乙烯醇溶于400mL去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解后加入20mL浓盐酸做为催化剂,再加入90mL质量浓度为5%的柠檬酸后搅拌反应1h,备用。
6)造粒:将4)中的活性炭粉与粘结剂5)按质量比为4:1的比例混合均匀,转鼓造粒后放置于105℃的烘箱中干燥交联48h,既得负载型催化粒子电极。
7)应用:将获得的负载型催化粒子电极应用于三维电极反应器中,以钛网电极、钌钛电极分别为阴、阳极,负载型催化粒子电极填充于阴阳极之间形成三维电极反应体系,处理含有腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A的条件下进行处理,20min后出水达到稳定,对COD、UV254和色度的去除率分别为86.9%、96.2%和97.8%。
实施例3。
1)活性炭粉预处理:活性炭粉洗净、浸泡,测定水中的电导率与去离子水一致后,于3500r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内100℃下干燥12h,冷却至室温,备用。
2)钴盐溶液的制备:称取硝酸钴溶于500mL去离子水中搅拌30min,使其完全溶解,钴元素的摩尔浓度为0.1mol/L,备用。
3)催化剂负载:将经过预处理的活性炭粉1)浸渍在等体积的溶液2)中,放入恒温振荡箱中,在转速120rpm,恒温20℃下振荡12h后,于3500r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
4)焙烧活化:将干燥后的活性炭置于N2保护条件下,在800℃条件下焙烧6h。
5)制胶:在水浴条件下将40g聚乙烯醇溶于400mL去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解后加入20mL浓硫酸做为催化剂,再加入90mL质量浓度为5%的柠檬酸后搅拌反应1h,备用。
6)造粒:将4)中的活性炭粉与粘结剂5)按质量比为4:1的比例混合均匀,转鼓造粒后放置于105℃的烘箱中干燥交联24h,既得负载型催化粒子电极。
7)应用:将获得的负载型催化粒子电极材料应用于三维电极反应器中,以钛网电极、钌钛电极分别为阴、阳极,负载型催化粒子电极填充于阴阳极之间形成三维电极反应体系,处理含有腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A的条件下进行处理,20min后出水达到稳定,对COD、UV254和色度的去除率分别为87.2%、90.6%和91.8%。
实施例4。
1)活性炭粉预处理:活性炭粉洗净、浸泡,测定水中的电导率与去离子水一致后,于3000r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
2)钴盐溶液的制备:称取硝酸钴溶于500mL去离子水中搅拌30min,使其完全溶解,钴元素的摩尔浓度为0.4mol/L,备用。
3)催化剂负载:将经过预处理的活性炭粉1)浸渍在等体积的溶液2)中,放入恒温振荡箱中,在转速150rpm,恒温30℃下振荡8h后,于3000r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
4)焙烧活化:将干燥后的活性炭粉置于N2保护条件下,在600℃条件下焙烧2h。
5)制胶:在水浴条件下将40g聚乙烯醇溶于400mL去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解后加入20mL浓盐酸做为催化剂,再加入90mL质量浓度为5%的马来酸后搅拌反应1h,备用。
6)造粒:将4)中的活性炭粉与粘结剂5)按质量比为4:1的比例混合均匀,转鼓造粒后放置于105℃的烘箱中干燥交联36h,既得负载型催化粒子电极。
7)应用:将获得的负载型催化粒子电极材料应用于三维电极反应器中,以钛网电极、钌钛电极分别为阴、阳极,负载型催化粒子电极填充于阴阳极之间形成三维电极反应体系,处理含有腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A的条件下进行处理,20min后出水达到稳定,对COD、UV254和色度的去除率分别为89.2%、93.2%和92.6%。
实施例5。
1)活性炭粉预处理:活性炭粉洗净、浸泡,测定水中的电导率与去离子水一致后,于3500r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内100℃下干燥12h,冷却至室温,备用。
2)钴盐溶液的制备:称取硝酸钴溶于500mL去离子水中搅拌30min,使其完全溶解,钴元素的摩尔浓度为0.2mol/L,备用。
3)催化剂负载:将经过预处理的活性炭粉1)浸渍在等体积的溶液2)中,放入恒温振荡箱中,在转速120rpm,恒温20℃下振荡12h后,于3500r/min的转速下离心10min,取沉积物于烘箱内105℃下干燥8h,冷却至室温,备用。
4)焙烧活化:将干燥后的活性炭置于N2保护条件下,在600℃条件下焙烧6h。
5)制胶:在水浴条件下将40g聚乙烯醇溶于400mL去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解后加入20mL浓硫酸做为催化剂,再加入90mL质量浓度为5%的马来酸后搅拌反应1h,备用。
6)造粒:将4)中的活性炭粉与粘结剂5)按质量比为4:1的比例混合均匀,转鼓造粒后放置于105℃的烘箱中干燥交联24h,既得负载型催化粒子电极。
7)应用:将获得的负载型催化粒子电极材料应用于三维电极反应器中,以钛网电极、钌钛电极分别为阴、阳极,负载型催化粒子电极填充于阴阳极之间形成三维电极反应体系,处理含有腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A的条件下进行处理,20min后出水达到稳定,对COD、UV254和色度的去除率分别为85.4%、95.2%和97.8%。
对比实施例1。
将不同的粒子电极材料应用于三维电极反应器中,以钌钛电极为阳极,钛网电极为阴极,粒子电极材料填充于阴阳极之间形成三维电极体系,采用连续进出水的方式处理含腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A,流量为9mL/min的条件下进行处理,结果如表1所示。
表1不同类型的活性炭粒子电极对含腐殖酸模拟废水的处理效果。
采用实验室自制的由果炭粉制成的粒子做粒子电极时,三维电极的处理效果明显优于其他商业活性炭,COD、UV254、色度的去除率有明显的提高。在果粉炭上负载催化金属所形成的负载型催化粒子电极,其对COD、UV254、色度的去除率有了进一步提升,其中COD去除率由负载前的56%提升至85-90%,UV254与色度的去除率也分别提升至90%。
对比实施例2。
采用果壳粉炭作为金属元素的载体,制备负载型催化粒子电极,金属盐选用硝酸钴,溶液的摩尔浓度为0.1mol/L,烧结温度按一下方式进行:
A、400℃;
B、450℃;
C、500℃;
D、600℃;
E、800℃。
除烧结温度之外其他制备步骤相同。将制备好的负载型催化粒子电极填充于阴阳极之间,形成三维电极氧化体系,采用连续进水的方式分别处理含有腐殖酸的模拟废水,在进水COD=200-220mg/L,UV254=7.8-7.9,A400=2.3-2.4,电流为0.2A,流量为9mL/min的条件下,20min后出水达到稳定状态,COD的去除率分别为35%、50%、88%、92%、93%;UV254的去除率分别为41%、57%、93%、95%、97%;色度的去除率分别为32%、95%、97%、98%。
Claims (8)
1.一种负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,由活性炭粉、CoO、粘结剂组成,其特征在于,其组成按照质量百分比为:活性炭粉50-70%、CoO8-23%、粘结剂10-30%,其中,所述负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极由包括以下步骤的方法制备而得:
1)活性炭粉预处理:将活性炭粉用去离子水洗涤、浸泡、离心后,烘干,冷却至室温待用;
2)钴盐溶液的制备:将金属钴盐溶于去离子水中搅拌均匀后待用;
3)催化剂负载:将1)中的活性炭粉浸渍在等体积的金属钴盐溶液2)中,振荡、离心后,烘干,冷却至室温;
4)焙烧活化:将3)中活性炭粉在N2保护下高温焙烧一定时间,冷却至室温,备用;
5)制胶:在水浴条件下将聚乙烯醇溶于去离子水中,待聚乙烯醇完全溶解后在催化剂存在的条件下加入羧酸,反应一定时间,备用;
6)造粒:将4)中活性炭粉与粘结剂5)混合均匀,转鼓造粒,烘干后获得催化粒子电极。
2.根据权利要求1所述的负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,其特征在于,所述粘结剂为聚乙烯醇。
3.根据权利要求1所述的负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,其特征在于,所述步骤2)中,金属盐为硝酸钴或硫酸钴。
4.根据权利要求1所述的负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,其特征在于,金属钴盐溶液中钴元素的摩尔浓度为0.05-1.00mol/L。
5.根据权利要求1所述的负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,其特征在于,所述步骤4)中,焙烧温度为450-800℃,焙烧时间为1-6h。
6.根据权利要求1所述的负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,其特征在于,步骤5)中催化剂为浓硫酸、浓盐酸或浓磷酸,羧酸为马来酸或柠檬酸。
7.根据权利要求1或6所述的负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极,其特征在于,每100mL去离子水中加入3-8mL催化剂,羧酸质量浓度为4-10%,加入量为每100mL聚乙烯醇溶液中加入20-30mL羧酸。
8.权利要求1所述负载钴氧化物活性炭的催化粒子电极用于降解水中难降解腐殖酸类污染物质的应用。
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