CN106732643A - 一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法，属于水处理技术领域。该改性载体的制备方法为：(1)将改性剂溶于水中，搅拌使之溶解得到浸渍液；(2)用浸渍或离子交换的方法将上述浸渍液中的改性剂负载在催化剂成型载体上；(3)养生、干燥、焙烧后即得到表面改性的催化剂载体。本发明解决了现有技术中臭氧氧化催化剂COD去除率低和金属离子溶出率高的问题。用本发明提供的改性催化剂载体所制备的臭氧氧化催化剂，成本低廉、制备工艺简单，适合工业化生产，可应用于污水处理。

Description

一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域。具体涉及一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法。
背景技术
臭氧是一种强氧化剂，单纯的臭氧虽然能够降解有机物，但具有选择性，不能有效处理化学结构复杂、难以被生物降解的有机污染物。为了解决臭氧氧化的这一缺陷，催化臭氧氧化技术应运而生。催化臭氧氧化技术作为一种高效、实用、无二次污染的高级氧化技术，在处理难降解污水领域具有广泛的应用前景，是近年来污水处理领域的研究热点。
根据所用催化剂的不同，催化臭氧氧化技术可分为两类：一类是以金属离子为催化剂的均相催化臭氧氧化技术；另一类是使用固体催化剂的非均相催化臭氧氧化技术。与均相催化臭氧氧化技术相比，非均相催化臭氧氧化技术具有催化剂能够重复利用和易回收处理的优点。
但是非均相催化臭氧氧化技术大规模应用于水处理领域存在处理成本高的问题，而提高催化剂的活性可以大大减少臭氧投加量，从而降低污水处理的运行成本。此外，目前应用于水处理技术领域的臭氧氧化催化剂的主要活性成分为过渡金属化合物，存在COD去除效率较低和金属离子溶出率高的问题。因此亟待开发COD去除率高、催化剂寿命长、并且成本低廉的新型催化剂。
发明内容
由于催化臭氧氧化技术去除COD的反应速率控制步骤是动力学控制，所以将催化剂制备成均匀型，有利于提高其反应速率。此外，将活性组分负载在催化剂载体上，可使其分布在载体孔隙内部，从而减少活性组分在反应器中的磨损，有利于延长催化剂的寿命。
针对现有技术存在的上述问题。本发明提供一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，所述制备方法包含以下步骤：
步骤1、将改性剂溶于水中，搅拌使之溶解得到浸渍液；
步骤2、用浸渍或离子交换的方法将上述浸渍液中的改性剂负载在催化剂成型载体上；
步骤3、养生、干燥、焙烧后即得到表面改性的催化剂载体。
根据本发明的一种优选实施方式，所述改性剂为第一主族元素、氮族元素、氧族元素、卤族元素中一种或多种元素的化合物。
进一步，所述改性剂优选第一主族元素、氮族元素、卤族元素中的一种或多种元素的化合物。
更进一步，所述改性载体中的改性剂质量含量为0.1-10mmol/g，优选0.1-6mmol/g。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述催化剂载体为活性炭、碳纳米管、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、陶粒、碳化硅、MCM-41型分子筛或SBA-15型分子筛。
进一步，所述催化剂载体为活性炭、氧化铝、陶粒、MCM-41型分子筛或SBA-15型分子筛。
更进一步，所述催化剂载体中柱状活性炭直径4-6mm，比表面积≥500m2/g，抗压强度>95N，堆积密度>0.6g/ml；
颗粒状活性氧化铝小球粒径为3-5mm，比表面积≥300m2/g，抗压强度>100N，堆积密度>0.65g/ml，磨损率≤0.3％W；
颗粒状多孔陶瓷小球粒径为2-5mm，比表面积≥245m2/g，抗压强度>120N，堆积密度>0.17g/ml；
颗粒状MCM-41型分子筛小球粒径为3-5mm，比表面积≥800m2/g，相对结晶度≥90％，孔径3-5nm，抗压强度>130N；
颗粒状SBA-15型分子筛小球粒径为3-5mm，比表面积550-600m2/g，相对结晶度≥90％，孔径6-10nm，抗压强度>130N。
所述步骤3中，焙烧温度为400-1100℃，焙烧时间为2-6h。
所述改性剂质量含量为0.1-10mmol/g，优选0.1-6mmol/g；余量为催化剂成型载体。
本发明还涉及根据所述制备方法制备得到的可应用于污水处理领域的催化剂载体。
本发明产生的有益效果：
本发明提供一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法，通过对催化剂载体进行改性，改善载体的孔道结构和极性，有利于催化剂形成均匀型，促进催化活性位的形成及其性能发挥，且活性组分负载牢固，溶出量低，延长了催化剂的使用寿命。使用本发明提供的一种改性载体制备成的非均相臭氧氧化催化剂对污水中COD的去除率比使用未改性载体制备的非均相臭氧氧化催化剂高28％-35％，大大减少了臭氧投加量，从而降低了污水处理的运行成本。
此外，使用本发明提供的改性载体制备的催化剂不仅适用于深度处理市政污水的MBR产水、市政污水双膜法中的DF膜浓水、炼化反渗透浓水、煤化工反渗透浓水，也适用于处理采油反渗透浓水等其他体系的反渗透浓水。此外，也可用于其他体系的污水处理，例如：处理印染污水、含酚污水，含酯类化合物、芳香烃类化合物和小分子酸的污水等。
具体实施方式
通过下述实施例将能够更好地理解本发明。
实施例1：
载体：选用粒径为3-5mm的氧化铝作为载体，但是没有对载体进行改性。
催化剂制备步骤：配制金属离子浓度均为10wt.％的醋酸锰、硝酸铁，然后按20:10的体积比分别量取上述两种溶液配制成混合浸渍液，再将上述混合浸渍液喷浸在载体上，然后于120℃干燥5h，最后于500℃焙烧3h制得催化剂。
测试条件：用内径40mm的固定床反应器对催化剂进行性能评价。催化剂装填量为200ml，污水体积空速为1h-1(即停留时间为60min)，臭氧投加量为O3/COD＝2(W)。在室温下连续运行10h、20h与30h时，对催化剂性能进行评价测试。测试结果如表1所示。
催化臭氧氧化试验：本实施例中污水取自北京碧水源科技股份有限公司某市政污水处理工程项目中双膜法的DF膜浓水，其COD含量为105mg/L。经过催化臭氧氧化处理后，COD含量降至75mg/L，COD去除率为29％。
实施例2：
载体：对实施例1中的载体进行改性，具体改性方法为：将二甲基甲酰胺(DMF)的水溶液喷浸在载体上，其中DMF的加入量为2mmol/g，然后密封养生2h，再于100℃干燥4h，最后于400℃焙烧6h即得到表面改性的催化剂载体。
催化剂制备步骤：配制金属离子浓度均为10wt.％的醋酸锰、硝酸铁，然后按20:10的体积比分别量取上述两种溶液配制成混合浸渍液，再将上述混合浸渍液喷浸在载体上，然后于120℃干燥5h，最后于500℃焙烧3h制得催化剂。
测试条件同实施例1。
催化臭氧氧化试验：本实施例中污水取自北京碧水源科技股份有限公司某市政污水处理工程项目中双膜法的DF膜浓水，其COD含量为105mg/L。经过催化臭氧氧化处理后，COD含量降至45mg/L，达到城镇污水一级A排放标准，COD去除率为57％。相比实施例1的未改性的载体，本发明的改性载体制备的催化剂COD初始去除率提高了28％。
实施例3：
载体：选用粒径为3-5mm的氧化铝作为载体，然后对载体进行改性，具体改性方法为：将聚丙烯酰胺的水溶液喷浸在载体上，其中聚丙烯酰胺的加入量为0.1mmol/g，然后在空气中养生3h，再于120℃干燥3h，最后于600℃焙烧3h即得到表面改性的催化剂载体。
催化剂制备步骤：配制金属离子浓度均为10wt.％的醋酸锰、硝酸铁，然后按20:10的体积比分别量取上述两种溶液配制成混合浸渍液，再将上述混合浸渍液喷浸在载体上，然后于120℃干燥5h，最后于500℃焙烧3h制得催化剂。
测试条件同实施例1。
催化臭氧氧化试验：本实施例中污水取自北京碧水源科技股份有限公司某市政污水处理工程项目中双膜法的DF膜浓水，其COD含量为105mg/L。经过催化臭氧氧化处理后，COD含量降至43mg/L，达到城镇污水一级A排放标准，COD去除率为59％。相比实施例1的未改性的载体，本发明的改性载体制备的催化剂COD初始去除率提高了30％。
实施例4：
载体：选用直径4-6mm的柱状活性炭作为载体，然后对其进行改性。改性方法为：将乙二胺四乙酸(EDTA)的水溶液喷浸在载体上，其中EDTA的加入量为5mmol/g，然后在空气中养生3h，再于120℃干燥3h，最后于1100℃焙烧2h即得到表面改性的活性炭载体。
催化剂制备步骤：配制金属离子浓度均为10wt.％的醋酸锰、硝酸铁，然后按20:10的体积比分别量取上述两种溶液配制成混合浸渍液，再将上述混合浸渍液喷浸在载体上，然后于120℃干燥5h，最后于500℃焙烧3h制得催化剂。
测试条件同实施例1。
催化臭氧氧化试验：本实施例中污水取自北京碧水源科技股份有限公司某市政污水处理工程项目中双膜法的DF膜浓水，其COD含量为105mg/L。经过催化臭氧氧化处理后，COD含量降至38mg/L，达到城镇污水一级A排放标准，COD去除率为64％。相比实施例1的未改性的载体，本发明的改性载体制备的催化剂COD初始去除率提高了35％。
实施例5：
载体：选用粒径为3-5mm的MCM-41型分子筛作为载体，然后对其进行改性。改性方法为：将十四烷基三甲基氯化铵的水溶液喷浸在载体上，其中十四烷基三甲基氯化铵的加入量为10mmol/g，然后密封养生4h，再于150℃干燥3h，最后于600℃焙烧4h即得到表面改性的MCM-41型分子筛载体。
催化剂制备步骤：配制金属离子浓度均为10wt.％的醋酸锰、硝酸铁，然后按20:10的体积比分别量取上述两种溶液配制成混合浸渍液，再将上述混合浸渍液喷浸在载体上，然后于120℃干燥5h，最后于500℃焙烧3h制得催化剂。
测试条件同实施例1。
催化臭氧氧化试验：本实施例中污水取自北京碧水源科技股份有限公司某市政污水处理工程项目中双膜法的DF膜浓水，其COD含量为105mg/L。经过催化臭氧氧化处理后，COD含量降至43mg/L，达到城镇污水一级A排放标准，COD去除率为59％。相比实施例1的未改性的载体，本发明的改性载体制备的催化剂COD初始去除率提高了30％。
实施例6：
载体：选用粒径为3-5mm的SBA-15型分子筛作为载体，然后对其进行改性。改性方法为：将柠檬酸的水溶液喷浸在载体上，其中柠檬酸的加入量为0.5mmol/g，然后在空气中养生5h，再于120℃干燥4h，最后于450℃焙烧4h即得到表面改性的SBA-15型分子筛载体。
催化剂制备步骤：配制金属离子浓度均为10wt.％的醋酸锰、硝酸铁，然后按20:10的体积比分别量取上述两种溶液配制成混合浸渍液，再将上述混合浸渍液喷浸在载体上，然后于120℃干燥5h，最后于500℃焙烧3h制得催化剂。
测试条件同实施例1。
催化臭氧氧化试验：本实施例中污水取自北京碧水源科技股份有限公司某市政污水处理工程项目中双膜法的DF膜浓水，其COD含量为105mg/L。经过催化臭氧氧化处理后，COD含量降至40mg/L，达到城镇污水一级A排放标准，COD去除率为62％。相比实施例1的未改性的载体，本发明的改性载体制备的催化剂COD初始去除率提高了33％。
上述实施例1～6中，制得的催化剂的性能评价测试结果如表1所示。
表1催化剂性能评价测试结果
以上对本发明所提供的一种改性臭氧氧化催化剂载体及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其中心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，其特征在于所述制备方法包含以下步骤：
步骤1、将改性剂溶于水中，搅拌使之溶解得到浸渍液；
步骤2、用浸渍或离子交换的方法将上述浸渍液中的改性剂负载在催化剂成型载体上；
步骤3、养生、干燥、焙烧后即得到表面改性的催化剂载体。
2.根据权利要求1所述的一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中改性剂为第一主族元素、氮族元素、氧族元素、卤族元素中一种或多种元素的化合物，优选第一主族元素、氮族元素、卤族元素中的一种或多种元素的化合物。
3.根据权利要求1所述的一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，催化剂成型载体为活性炭、碳纳米管、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、陶粒、碳化硅、MCM-41型分子筛或SBA-15型分子筛。
4.根据权利要求1所述的一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，浸渍方法包括等体积浸渍法和过量浸渍法，优选等体积浸渍法。
5.根据权利要求1所述的一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，焙烧温度为400-1100℃，焙烧时间为2-6h。
6.根据权利要求1所述的一种改性臭氧氧化催化剂载体的制备方法，其特征在于，所述改性剂质量含量为0.1-10mmol/g，优选0.1-6mmol/g；余量为催化剂成型载体。
7.根据权利要求1-6所述的制备方法制备得到的改性臭氧氧化催化剂载体。
8.根据权利要求7所述的改性催化剂载体在污水处理中的应用。
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