CN107585834B - 一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法 - Google Patents
一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,将钯通过还原反应负载到含铁粘土矿物上得到钯铁一体化催化剂,将钯铁一体化催化剂加入电芬顿水处理装置中催化产生羟自由基,进而降解水中的有机污染物。本发明充分发挥了粘土矿物中铁与钯催化剂的耦合作用,进行电芬顿水处理时处理效率高和环境友好,能在工业废水和地下水处理领域产生经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及水处理方法,尤其涉及一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法。
背景技术
当前我国工业废水排放和地下水污染形势仍然非常严峻,其中有毒有机物引起的污染问题非常突出,因此有机污染废水和地下水进行处理具有重要意义。高级氧化技术,如芬顿氧化、光催化氧化、电化学氧化等,是目前处理水体中有毒有机污染物的有效方法。相比而言,电化学氧化由于具有可控性好的优势,格外受到关注。电化学氧化包括直接氧化和间接氧化两种。直接氧化是使用高活性阳极材料,如掺硼金刚石电极、镀铅钛涂层电极等,产生强氧化性羟自由基等,直接在电极表面降解有机污染物,但是存在电极成本过高的问题。间接氧化是通过电化学反应产生氧化剂,如阳极氯离子电解产生氯气、阴极氧气还原产生过氧化氢等,然后在水溶液中降解污染物。相比而言,间接氧化对电极材料的依赖性有所降低,成本更容易接受。
电芬顿法是电化学间接氧化中的一种主要技术,通过电化学反应产生过氧化氢,进而通过芬顿反应产生羟自由基降解有机污染物。电芬顿法用于水处理时涉及两个重要的催化反应:一是使氧气在高活性多孔阴极表面(如碳纤维)催化还原转化为过氧化氢,二是加入二价铁离子(或含铁矿物)催化过氧化氢转化为强氧化性的羟自由基。由此,电芬顿法在实际应用中存在以下问题:①高活性多孔阴极材料机械性能差,大面积材料的成型尚有难度,无法大规模使用,而且成本高;②添加的二价铁离子(或含铁矿物)氧化后,从三价铁再生为二价铁的效率较低,处理完毕后会产生含铁固体废弃物;③由于两个催化反应在空间上是在不同位置进行,最终产生羟自由基的效率不够高。
发明内容
有鉴于此,本发明的实施例提供了一种向电解水体系中投加钯催化剂,使电解水产生的氢气和氧气在钯催化剂表面生成过氧化氢,从而降低了对高活性阴极多孔材料的依赖,环境友好的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法。
本发明的实施例提供一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,将钯通过还原反应负载到含铁粘土矿物上得到钯铁一体化催化剂,将钯铁一体化催化剂加入电芬顿水处理装置中催化产生羟自由基,进而降解水中的有机污染物。
进一步,具体包括以下步骤:
S1.对含铁粘土矿物进行选择和预处理;
S2.制备钯铁一体化催化剂,备用;
S3.设置电芬顿水处理装置,所述电芬顿水处理装置包括反应单元和分离单元,所述反应单元中安装阳极电极和阴极电极,所述阳极电极连接稳压直流电源的正极,所述阴极电极连接稳压直流电源的负极;
S4.将步骤S2制备的钯铁一体化催化剂加入步骤S3设置的电芬顿水处理装置的反应单元中,设置机械搅拌器或空气搅拌,将待处理的有机污染废水或地下水加入反应单元中,启动稳压直流电源,搅拌反应;
S5.经步骤S4处理的有机污染废水或地下水进入步骤S3设置的电芬顿水处理装置的分离单元中,静置,得到分离的上清液和沉淀的钯铁一体化催化剂,钯铁一体化催化剂回流至反应单元循环使用。
进一步,所述步骤S1中,含铁粘土矿物来自于含铁层状硅酸盐矿物,所述含铁层状硅酸盐矿物为绿脱石、蒙脱石或绿泥石,含铁粘土矿物的铁含量大于2%,含铁粘土矿物经碾磨,过200目筛,收集备用。
进一步,所述步骤S2中,钯铁一体化催化剂的制备方法为:
S2.1.将醋酸钯和盐酸混合,水浴至醋酸钯完全溶解;
S2.2.加入双氧水-次氯酸钠混合液;
S2.3.加入含铁粘土矿物,浸渍2~8h;
S2.4.加入甲酸钠,加热反应1~6h,冷却,离心,洗涤,即得到钯铁一体化催化剂。
进一步,所述步骤S2.1中,称取醋酸钯,将醋酸钯与1mol/L盐酸按照1:3~1:5g/ml的比例混合,50~80℃水浴锅中保持10~60min至醋酸钯完全溶解。
进一步,所述步骤S2.2中,加入双氧水-次氯酸钠混合液和醋酸钯的比例为1:1~3:1ml/g,双氧水-次氯酸钠混合液中双氧水和次氯酸钠的体积比为3:1~10:1,所述双氧水中H2O2的质量为5%~20%,所述次氯酸钠中NaClO的质量为5%~10%。
进一步,所述步骤S2.4中,加入1~4mol/L甲酸钠,30~70℃加热反应1~6h,钯铁一体化催化剂中钯负载量为1~5%。
进一步,所述步骤S3中,阳极电极和阴极电极平行放置,且阳极电极和阴极电极中心的间距为10~100mm,阳极电极和阴极电极均为网状电极,阳极电极和阴极电极的制作材料均为钛涂层电极材料。
进一步,所述步骤S4中,稳压直流电源控制电流为0.05~10A,搅拌反应0.5~4小时。
进一步,所述步骤S5中,经步骤S4处理的有机污染废水或地下水在分离单元中静置0.5~2h,得到分离的上清液和沉淀的钯铁一体化催化剂,上清液直接排放或进入后续其他处理单元,分离单元设置回流管,钯铁一体化催化剂通过回流管泵回反应单元循环使用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)充分发挥了粘土矿物中铁与钯催化剂的耦合作用,具有处理效率高和环境友好等优点,能在工业废水和地下水处理领域产生经济效益和社会效益;
(2)通过含铁粘土矿物负载钯的一体化催化剂,将传统电芬顿水处理在电极表面和溶液中的两步催化反应,都转移到一体化催化剂表面进行,同时产生电芬顿水处理所需的过氧化氢和二价铁;
(3)所使用的含铁粘土矿物价格低廉容易获得,粘土矿物中的二价铁在处理过程中可通过钯催化加氢作用自动再生,粘土矿物处理后可回收重复利用,粘土矿物中的铁在电芬顿体系中不释放或很少释放到水溶液里,避免了大量铁泥的产生;
(4)过氧化氢直接在该一体化催化剂表面产生,避免了对特定高活性多孔阴极材料的依赖。
附图说明
图1是本发明一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法的一流程图。
图2是图1中步骤S2的一流程图。
图3为含铁粘土矿物负载钯电芬顿水处理示意图。
图4为含铁粘土矿物负载钯电芬顿催化剂对水中苯甲酸的降解效果。
图5为含铁粘土矿物负载钯电芬顿催化剂对水中苯甲酸多次重复降解效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,将钯通过还原反应负载到含铁粘土矿物上得到钯铁一体化催化剂,将钯铁一体化催化剂加入电芬顿水处理装置中催化产生羟自由基,进而降解水中的有机污染物。
请参考图1和图3,具体包括以下步骤:
S1.对含铁粘土矿物进行选择和预处理;含铁粘土矿物来自于绿脱石、蒙脱石或绿泥石等铁层状硅酸盐矿物,含铁粘土矿物的铁含量大于2%,含铁粘土矿物经碾磨,过200目筛,收集备用。
S2.制备钯铁一体化催化剂,备用;
请参考图2,具体制备方法为:
S2.1.称取醋酸钯,将醋酸钯和1mol/L盐酸混合,醋酸钯与盐酸按照1:3~1:5g/ml的比例混合,水浴至醋酸钯完全溶解,优选地,在50~80℃水浴锅中保持10~60min至醋酸钯完全溶解。
S2.2.加入双氧水-次氯酸钠混合液,优选地,醋酸钯和双氧水-次氯酸钠混合液的比例为1:1~1:3g/ml,双氧水-次氯酸钠混合液中双氧水和次氯酸钠的体积比为3:1~10:1,所述双氧水中H2O2的质量为5%~20%,所述次氯酸钠中NaClO的质量为5%~10%;
S2.3.加入含铁粘土矿物,浸渍2~8h;
S2.4.加入1~4mol/L甲酸钠,30~70℃加热反应1~6h,冷却,离心,洗涤,即得到钯铁一体化催化剂,钯铁一体化催化剂中钯负载量为1~5%。
S3.设置电芬顿水处理装置(如图3所示),所述电芬顿水处理装置包括反应单元1和分离单元2,分离单元2中设置回流管,反应单元1中安装阳极电极4和阴极电极5,阳极电极4和阴极电极5平行放置,且阳极电极4和阴极电极5中心的间距为10~100mm,阳极电极4和阴极电极5的制作材料均为钛涂层电极材料,阳极电极4和阴极电极5均为网状电极,以利于水的流动和提高电流效率;所述阳极电极4连接稳压直流电源6的正极,所述阴极电极5连接稳压直流电源6的负极;
S4.将步骤S2制备的钯铁一体化催化剂加入步骤S3设置的电芬顿水处理装置的反应单元中,设置机械搅拌器或空气搅拌,将待处理的有机污染废水或地下水加入反应单元中,启动稳压直流电源6,稳压直流电源6控制电流为0.05~10A,搅拌反应0.5~4h;
S5.经步骤S4处理的有机污染废水或地下水进入步骤S3设置的电芬顿水处理装置的分离单元中,静置0.5~2h,得到分离的上清液和沉淀的钯铁一体化催化剂,钯铁一体化催化剂回流至反应单元循环使用,在一实施例中,上清液直接排放或进入后续其他处理单元,钯铁一体化催化剂通过回流管泵回反应单元循环使用。
在一具体实施例中,称取1.05g醋酸钯,与3mL浓度为1mol/L的盐酸混合后,置于水浴锅中60℃保持30min至醋酸钯完全溶解;然后加入1mL双氧水-次氯酸钠混合液(组成为10%H2O2:10%NaClO=5:1),加入1g磨碎并过200目(0.074μm)筛的绿脱石粉末,超声分散30min后,静置4h,然后加入20mL浓度为3mol/L的甲酸钠,70℃水浴加热反应4h,冷却后离心洗涤,得到钯负载量为5%的钯绿脱石一体化催化剂,并将其分散在100mL水中制成混悬液,备用。
采用两片钛涂层网状电极(直径*厚度=2.5cm*1.7cm)分别作为阴极电极5和阳极电极4,阴极电极5和阳极电极4中心间距为1.5cm。
对苯甲酸模拟废水的处理在150mL烧杯中进行,模拟废水中含有0.5mmol/L苯甲酸,10mmol/L硫酸钠,按照1g/L的剂量加入以上制备的载钯绿脱石一体化催化剂,用硫酸调节初始pH至3。采用磁力搅拌使得反应体系均匀,采用直流稳压电源供电,接通电源控制恒电流100mA开始反应。
处理过程中苯甲酸的降解情况如附图4所示,0.5mmol/L苯甲酸钠在60分钟内去除效率达92%,加入羟自由基淬灭剂异丙醇后苯甲酸不降解,表明苯甲酸是被体系产生的羟自由基氧化去除。当一次降解完成后,向体系继续追加0.5mmol/L苯甲酸,以60min为一个周期添加0.5mmol/L苯甲酸钠,并调节初始反应pH为3后开始反应。8次重复降解实验结果如附图5所示,苯甲酸的去除率始终保持在70%以上,说明催化剂活性具有良好的稳定性。
本发明具充分发挥了粘土矿物中铁与钯催化剂的耦合作用,具有处理效率高和环境友好等优点,能在工业废水和地下水处理领域产生经济效益和社会效益;通过含铁粘土矿物负载钯的一体化催化剂,将传统电芬顿水处理在电极表面和溶液中的两步催化反应,都转移到一体化催化剂表面进行,同时产生电芬顿水处理所需的过氧化氢和二价铁;所使用的含铁粘土矿物价格低廉容易获得,粘土矿物中的二价铁在处理过程中可通过钯催化加氢作用自动再生,粘土矿物处理后可回收重复利用,粘土矿物中的铁在电芬顿体系中很少释放到水溶液里,避免了大量铁泥的产生;过氧化氢直接在该一体化催化剂表面产生,避免了对特定高活性多孔阴极材料的依赖。
在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,将钯通过还原反应负载到含铁粘土矿物上得到钯铁一体化催化剂,将钯铁一体化催化剂加入电芬顿水处理装置中催化产生羟自由基,进而降解水中的有机污染物;其中,钯铁一体化催化剂的具体制备过程如下:S2.1.将醋酸钯和盐酸混合,水浴至醋酸钯完全溶解;S2.2.加入双氧水-次氯酸钠混合液;S2.3.加入含铁粘土矿物,浸渍2~8h;S2.4.加入甲酸钠,加热反应1~6h,冷却,离心,洗涤,即得到钯铁一体化催化剂。
2.根据权利要求1所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1.对含铁粘土矿物进行选择和预处理;
S2.制备钯铁一体化催化剂,备用;
S3.设置电芬顿水处理装置,所述电芬顿水处理装置包括反应单元和分离单元,所述反应单元中安装阳极电极和阴极电极,所述阳极电极连接稳压直流电源的正极,所述阴极电极连接稳压直流电源的负极;
S4.将步骤S2制备的钯铁一体化催化剂加入步骤S3设置的电芬顿水处理装置的反应单元中,设置机械搅拌器或空气搅拌,将待处理的有机污染废水或地下水加入反应单元中,启动稳压直流电源,搅拌反应;
S5.经步骤S4处理的有机污染废水或地下水进入步骤S3设置的电芬顿水处理装置的分离单元中,静置,得到分离的上清液和沉淀的钯铁一体化催化剂,钯铁一体化催化剂回流至反应单元循环使用。
3.根据权利要求2所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S1中,含铁粘土矿物来自于含铁层状硅酸盐矿物,所述含铁层状硅酸盐矿物为绿脱石、蒙脱石或绿泥石,含铁粘土矿物的铁含量大于2%,含铁粘土矿物经碾磨,过200目筛,收集备用。
4.根据权利要求1所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S2.1中,称取醋酸钯,将醋酸钯与1mol/L盐酸按照1:3~1:5g/ml的比例混合,50~80℃水浴锅中保持10~60min至醋酸钯完全溶解。
5.根据权利要求1所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S2.2中,加入双氧水-次氯酸钠混合液和醋酸钯的比例为1:1~3:1ml/g,双氧水-次氯酸钠混合液中双氧水和次氯酸钠的体积比为3:1~10:1,所述双氧水中H2O2的质量为5%~20%,所述次氯酸钠中NaClO的质量为5%~10%。
6.根据权利要求1所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S2.4中,加入1~4mol/L甲酸钠,30~70℃加热反应1~6h,钯铁一体化催化剂中钯负载量为1~5%。
7.根据权利要求2所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S3中,阳极电极和阴极电极平行放置,且阳极电极和阴极电极中心的间距为10~100mm,阳极电极和阴极电极均为网状电极,阳极电极和阴极电极的制作材料均为钛涂层电极材料。
8.根据权利要求2所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S4中,稳压直流电源控制电流为0.05~10A,搅拌反应0.5~4小时。
9.根据权利要求2所述的基于含铁粘土矿物负载钯催化剂的电芬顿水处理方法,其特征在于,所述步骤S5中,经步骤S4处理的有机污染废水或地下水在分离单元中静置0.5~2h,得到分离的上清液和沉淀的钯铁一体化催化剂,上清液直接排放或进入后续其他处理单元,分离单元设置回流管,钯铁一体化催化剂通过回流管泵回反应单元循环使用。
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