CN106807362A - 一种负载二氧化锰活性炭催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于臭氧催化剂的技术领域，公开了一种负载二氧化锰活性炭催化剂及其制备方法与应用。所述方法为(1)将部分活性炭粉、粘合剂和造孔剂混匀，通过糖衣制备机得到原料核；在惰性气体保护下，将原料核进行焙烧，冷却，得到活性炭载体核；(2)将高锰酸钾固体颗粒、硫酸锰水溶液与剩下的活性炭粉混合均匀后，加入到活性炭载体核中，并通过糖衣制备机制备活性炭颗粒；(3)在氮气或二氧化碳的氛围下，将活性炭颗粒进行烧结，制得负载二氧化锰活性炭臭氧催化剂。本发明的催化剂催化活性成分负载率高，分散均匀，可提高臭氧氧化能力和反应效率，能高效去除废水中难降解有机物；同时本发明的方法简单，用于臭氧氧化污水处理。

Description

一种负载二氧化锰活性炭催化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于臭氧催化剂的技术领域，涉及一种含二氧化锰活性成分的农业废弃物秸秆活性炭催化剂及其制备方法，所述催化剂应用于臭氧氧化水处理的技术领域。
背景技术
中国是“世界工厂”，众多产品出口海外，制造业规模庞大发展迅速。随着城市化和工业化的发展，工业污水和城市垃圾渗滤液等难生物降解废水的问题受到普遍关注。臭氧具有很强的氧化能力，1783年M.范马伦发现了臭氧；1886年法国的M.梅里唐发现臭氧具有杀菌的能力；1891年德国西门子和哈尔斯克用放电原理制成臭氧发生装置；1908年在法国尼斯建造了用臭氧消毒自来水的试验装置。20世纪50年代臭氧氧化法开始用于城市污水和工业废水处理；1970年代臭氧氧化法和活性炭等处理技术相结合，成为污水深度处理和饮用水去除化学污染物的主要手段之一。
臭氧的强氧化性是由于臭氧分子中的氧原子具有强烈的亲电子、亲质子性，臭氧分解产生的新生态氧原子和在水中形成具有强氧化作用的羟基自由基·OH，它们的高度活性在水处理中具有消毒、杀菌和破坏有机物结构等作用，而且其副产物无毒，不仅可以消毒杀菌，还可以氧化分解水中污染物，具有双重效果。
臭氧氧化法的主要优点是反应快速、流程简单、无二次污染问题，短时间内可在水中自行分解，是一种理想的绿色氧化药剂。臭氧氧化方法逐渐成为一种高级氧化技术，在水处理领域已在多方面得到应用，但是现阶段生产臭氧的电耗较高，每公斤臭氧约需耗电20～35度，需要继续改进生产过程，降低电力消耗,同时还需要加强对气水接触方式和接触设备的研究，提高臭氧利用率。
在提高臭氧的氧化效率方面，臭氧技术的发展可分为两大类：一种是将臭氧用超声、紫外、过氧化氢催化转化为氧化性更强而反应选择性更低的羟基自由基；另一种是用固体颗粒为催化剂来加强臭氧氧化。
催化臭氧化按催化剂的相态可分为均相催化臭氧化和多相催化臭氧化，多相催化臭氧化法利用固体催化剂在常压下加速液相(或气相)氧化反应，催化剂以固体的形式存在，易于与水分离，二次污染少，简化了处理流程，越来越引起人们的广泛关注。对于催化臭氧化技术，固体催化剂的选择是该技术是否具有高效氧化效果的重点。多相催化剂主要有三种作用：一是吸附有机物，对那些吸附容量比较大的催化剂，当水与催化剂接触时，水中的有机物首先被吸附在这些催化剂表面，形成有亲和性的表面螯合物，使臭氧氧化更高效；二是催化活化臭氧分子，这类催化剂具有高效催化活性，能有效催化活化臭氧分子，臭氧分子在这类催化剂的作用下易于分解产生如羟基自由基之类有高氧化性的自由基，从而提高臭氧的氧化效率；三是吸附和活化协同作用，这类催化剂既能高效吸附水中有机污染物，同时又能催化活化臭氧分子，产生高氧化性的自由基，在这类催化剂表面，有机污染物的吸附和氧化剂的活化协同作用，可以取得更好的催化臭氧氧化效果。在多相催化臭氧化技术中涉及的催化剂主要是金属氧化物(Al2O3、TiO2、MnO2等)、负载于载体上的金属或金属氧化物(Cu/TiO2、Cu/Al2O3、TiO2/Al2O3等)以及具有较大比表面积的孔材料。这些催化剂的催化活性主要表现对臭氧的催化分解和促进羟基自由基的产生。利用固体颗粒为催化剂，对废水中臭氧的氧化作用有很好的催化作用，在水处理的过程中，这些固体催化剂一直保留在臭氧催化反应器内起催化氧化作用，不需要后续的分离措施，将有其实际应用价值。
在均相催化臭氧化技术中，催化活性高，作用机理简单、催化剂分布均匀，易于研究和把控。但它的缺点在于催化剂混溶于水，导致其易流失、不易回收并产生二次污染，运行费用较高，增加了水处理成本。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明要解决的问题是提供一种负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法。本发明利用两种锰元素活性组分的化学反应特性，得到具有催化活性的二氧化锰催化活性组分；在活性炭填料生产过程中加入具有催化活性的组分，制备出具有臭氧催化氧化用的活性炭催化剂，以提高臭氧氧化能力和反应效率，高效去除废水中难降解有机物能力，从而降低臭氧氧化水处理的运行成本、提高臭氧利用率。
本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的负载二氧化锰活性炭催化剂。
本发明的再一目的在于提供上述负载二氧化锰活性炭催化剂的应用。所述负载二氧化锰活性炭催化剂用于臭氧氧化污水处理。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将部分活性炭粉、粘合剂和造孔剂混匀，通过糖衣制备机得到原料核；在惰性气体保护下，将原料核进行焙烧，冷却，得到活性炭载体核；
(2)将高锰酸钾固体颗粒、硫酸锰水溶液与剩下的活性炭粉混合均匀后，加入到步骤(1)中的活性炭载体核中，并通过糖衣制备机制备含有催化活性成分的活性炭颗粒；所述活性炭颗粒的粒径为3～6mm活性炭颗粒；
(3)在氮气或二氧化碳的氛围下，将步骤(2)中活性炭颗粒进行烧结，所述烧结的温度为1000-1200℃，所述烧结的时间为5-12小时，制得负载二氧化锰活性炭臭氧催化剂。
所述高锰酸钾固体颗粒、硫酸锰溶液中硫酸锰以及活性炭粉的质量比为1:(0.2～5)：(2～10)即(m(KMnO4)：m(MnSO4)：m(总的活性炭粉)＝1:(0.2～5)：(2～10))；所述硫酸锰溶液中硫酸锰的质量百分数为10％-46％。
优选地，高锰酸钾固体颗粒加入到硫酸锰溶液中，反应生成含二氧化锰活性成分的溶液。
优选地，活性炭粉是采用农业废弃物秸秆焙烧所得。
优选地，使用前活性炭粉过80-100目筛。
步骤(1)中所述粘合剂为沥青或煤焦油中的一种以上，所述造孔剂为聚乙二醇或淀粉中一种以上。
步骤(1)中所述粘合剂的用量为原料核质量的1％-5％，所述造孔剂的用量为原料核质量的0.5％-5％。
步骤(1)中所述原料核的粒径为1～3.5mm。
步骤(1)中所述焙烧的温度为600～1000℃，所述焙烧的时间为4～6h。
所述负载二氧化锰活性炭催化剂通过上述方法制备得到。
所述负载二氧化锰活性炭催化剂用于臭氧氧化污水处理。
本发明的负载二氧化锰活性炭催化剂采用分层制备方法，相比于先制备活性炭球再浸泡负载二氧化锰的方法，本发明的催化剂中二氧化锰负载均匀且负载率达80％以上。
本发明的优点：
(1)本发明的催化剂催化活性成分负载率高，分散均匀，能够提高臭氧氧化能力和反应效率，能够高效去除废水中难降解有机物；
(2)本发明的催化剂在进行催化反应时，既极大提高了臭氧氧化能力，又因为活性炭载体是固体颗粒，形成异相催化臭氧的氧化反应，从而可以重复利用，不易流失至废水中造成二次污染问题。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
实施例1
(1)活性炭载体核的制备：取部分活性炭粉(占活性炭粉总重量2/5)，加入沥青(原料核质量的1％即部分活性炭粉+粘合剂+造孔剂总量的1％)和造孔剂聚乙二醇(原料核质量的0.8％)混合后，在糖衣制备机中制备得到粒径为2-3mm的原料核，然后在氮气保护的条件下焙烧(800℃焙烧6h)，冷却后形成活性炭载体核；
(2)将高锰酸钾固体颗粒、36wt％硫酸锰水溶液与剩下的活性炭粉混合均匀后，加入到步骤(1)中的活性炭载体核中，并通过糖衣制备机制备粒径为3-5mm的含有催化活性成分的活性炭颗粒；本步骤中高锰酸钾、硫酸锰溶液中的硫酸锰与本实施例中活性炭粉(总的活性炭粉)的用量关系为：m(高锰酸钾)：m(硫酸锰水溶液中硫酸锰)：m(总的活性炭粉)＝1:4:4；
(3)在氮气保护的条件下，将活性炭颗粒于1000℃烧结5小时，制得新型负载二氧化锰的活性炭臭氧催化剂即负载二氧化锰活性炭催化剂，比表面积约2000m2/g，二氧化锰的负载率为80％。
以臭氧为氧化剂，采用固体颗粒为催化剂来加强臭氧氧化的多相催化臭氧化处理印染厂废水，对实施例1所制得的负载二氧化锰活性炭催化剂进行性能评价。在臭氧气相质量浓度为1.2mg/L，气相流速2.5L/min的条件下，COD的去除率达74.45％。
实施例2
(1)活性炭载体核的制备：取部分活性炭粉(占活性炭粉总重量2/5)，加入煤焦油(原料核质量的1.5％即部分活性炭粉+粘合剂+造孔剂总量的1.5％)和造孔剂聚乙二醇(原料核质量的2.5％)混合后，在糖衣制备机中制备得到粒径为4mm左右的原料核，然后在氮气保护的条件下焙烧(600℃焙烧6h)，冷却后形成活性炭载体核；
(2)将高锰酸钾固体颗粒、36wt％硫酸锰水溶液与剩下的活性炭粉混合均匀后，加入到步骤(1)中的活性炭载体核中，并通过糖衣制备机制备粒径为5～6mm的含有催化活性成分的活性炭颗粒；本步骤中高锰酸钾、硫酸锰溶液中的硫酸锰与本实施例中活性炭粉(总的活性炭粉)的用量关系为：m(高锰酸钾)：m(硫酸锰水溶液中硫酸锰)：m(总的活性炭粉)＝1:4:8；
(3)在氮气保护的条件下，将活性炭颗粒于1200℃烧结12小时，制得新型负载二氧化锰的活性炭臭氧催化剂即负载二氧化锰活性炭催化剂，比表面积约18000m2/g，二氧化锰的负载率为86％。
以臭氧为氧化剂，采用固体颗粒为催化剂来加强臭氧氧化的多相催化臭氧化处理印染厂废水，对实施例2所制得的负载二氧化锰活性炭催化剂进行性能评价。在臭氧气相质量浓度为1.2mg/L，气相流速2.5L/min的条件下，COD的去除率达80.56％。
实施例3
(1)活性炭载体核的制备：取部分活性炭粉(占活性炭粉总重量3/5)，加入煤焦油(原料核质量的2.8％即部分活性炭粉+粘合剂+造孔剂总量的2.8％)和造孔剂淀粉(原料核质量的3.1％)混合后，在糖衣制备机中制备得到粒径为2～2.5mm的原料核，然后在氮气保护的条件下焙烧(600℃焙烧4h)，冷却后形成活性炭载体核；
(2)将高锰酸钾固体颗粒、36wt％硫酸锰水溶液与剩下的活性炭粉混合均匀后，加入到步骤(1)中的活性炭载体核中，并通过糖衣制备机制备粒径为3～5mm的含有催化活性成分的活性炭颗粒；本步骤中高锰酸钾、硫酸锰溶液中的硫酸锰与本实施例中活性炭粉(总的活性炭粉)的用量关系为：m(高锰酸钾)：m(硫酸锰水溶液中硫酸锰)：m(总的活性炭粉)＝1:2.6:4.5；
(3)在氮气保护的条件下，将活性炭颗粒于1000℃烧结6小时，制得新型负载二氧化锰的活性炭臭氧催化剂即负载二氧化锰活性炭催化剂，比表面积约2200m2/g，二氧化锰的负载率为80.1％。
以臭氧为氧化剂，采用固体颗粒为催化剂来加强臭氧氧化的多相催化臭氧化处理印染厂废水，对实施例3所制得的负载二氧化锰活性炭催化剂进行性能评价。在臭氧气相质量浓度为1.2mg/L，气相流速2.5L/min的条件下，COD的去除率达72.35％。
从上述实施例可以看出，相比于实施例1和3，在实施例2条件下(活性炭载体粒径5-6mm左右，1200℃温度、氮气保护的条件下烧结12小时)，所制得的活性炭催化剂去除效果最好，COD的去除率最高为80.56％。
在上述实施例中，通过在臭氧氧化反应装置中加入新型负载二氧化锰活性炭催化剂，实现催化臭氧氧化水中有机污染物。臭氧催化反应装置由四个部分组成：布水系统、催化反应层、出水系统，尾气吸收器。其工艺流程如下：
臭氧先经由气体吸收器让气水混合均匀，然后进入臭氧催化反应装置，通过布水系统，使水与臭氧、活性炭催化剂充分接触，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，从而减少臭氧的投加量，降低水处理运行成本。
要注意的是，反应装置材料需使用耐臭氧腐蚀的材料制作，如不锈钢、聚四氟乙烯等。
该催化反应器的工艺参数如下：
催化剂充满催化反应层，上面预留0.8m左右的保护高度，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30min。

Claims (10)

1.一种负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将部分活性炭粉、粘合剂和造孔剂混匀，通过糖衣制备机得到原料核；在惰性气体保护下，将原料核进行焙烧，冷却，得到活性炭载体核；
(2)将高锰酸钾固体颗粒、硫酸锰水溶液与剩下的活性炭粉混合均匀后，加入到步骤(1)中的活性炭载体核中，并通过糖衣制备机制备含有催化活性成分的活性炭颗粒；
(3)在氮气或二氧化碳的氛围下，将步骤(2)中活性炭颗粒进行烧结，所述烧结的温度为1000-1200℃，所述烧结的时间为5-12小时，制得负载二氧化锰活性炭臭氧催化剂。
2.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述粘合剂为沥青或煤焦油中的一种以上，所述造孔剂为聚乙二醇或淀粉中一种以上。
3.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述原料核的粒径为1～3.5mm，步骤(2)中所述活性炭颗粒的粒径为3～6mm活性炭颗粒。
4.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述焙烧的温度为600～1000℃，所述焙烧的时间为4～6h。
5.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述粘合剂的用量为原料核质量的1％～5％，所述造孔剂的用量为原料核质量的0.5％～5％。
6.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：所述高锰酸钾固体颗粒、硫酸锰溶液中硫酸锰以及活性炭粉的质量比为1:(0.2～5)：(2～10)。
7.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：所述硫酸锰溶液中硫酸锰的质量百分数为10％-46％。
8.根据权利要求1所述负载二氧化锰活性炭催化剂的制备方法，其特征在于：活性炭粉是采用农业废弃物秸秆焙烧所得。
9.一种由权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的负载二氧化锰活性炭催化剂。
10.根据权利要求9所述负载二氧化锰活性炭催化剂的应用，其特征在于：所述负载二氧化锰活性炭催化剂用于臭氧氧化污水处理。
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