CN108906021A - 一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)硅藻土依次经稀硝酸溶液浸泡、洗净抽干和活化处理，冷却后倒入对甲苯磺酸溶液中，静置，然后依次经过滤、干燥后得硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂；(2)将所述硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂浸渍于钍盐溶液中，超声分散均匀后蒸干溶液，然后煅烧即得。本发明将具有高催化活性的硅藻土负载对甲苯磺酸型固体酸催化剂与稀土元素钍结合，克服原有技术中存在的催化活性低、催化剂回收率低等缺陷，提供了一种低温活性好、促进固体废弃物碳化脱水、增加热值的钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。

Description

一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于固体废物处理领域，具体涉及一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂，及其在餐厨垃圾低温碳化中的应用。
背景技术
随着经济和人口的不断增长，餐厨垃圾的产生量在未来的25年中将快速增加，这一现象在亚洲国家将极为明显。有资料显示，从2005年至2025年，亚洲国家的城市餐厨垃圾的年产量将由2.78亿吨增加至4.16亿吨。亚洲经济的发展将带动我国国民经济的长足进步，人民生活水平不断提高，城市餐饮业日益繁荣，餐厨垃圾的产生量也会空前增长。我国有建制的城市667个，各类餐馆350多万家，餐厨垃圾日产量超过50吨的城市有512个。现在我国餐饮业年产餐厨垃圾量已经超过3000万吨。餐厨垃圾较高的产生量为其后续处理处置造成了严重障碍。
低温碳化是2000年以后真正开始产业化的工艺。该工艺原理就是将投加的物料加压到6～10MPa，通过热交换器，加温至230℃左右。在热化分解反应中，有机物会被分解，物料中的二氧化碳与固体分离，但是其中有利用价值的碳质却得到了极大限度的保留。它的技术特点是物料改性后脱水性能将大大的提高，实现物料的减量化。碳化后的物料有较多的利用价值，前景广阔，是固体废弃物处理的一种较好方法。
但该设备使用过程中，通过加热设备提供热量用于物料的碳化。由于设备内部结构传热效率低、物料传质慢等因素，热量损失较多。在碳化的过程中，投加一种能使固体有机质自动发热、脱水的催化剂，将极大地减少低温碳化设备的能耗。
常见的脱水剂为浓硫酸，但其强污染且腐蚀性强。相比而言，对甲苯磺酸，作为一种有机酸，除本身具有浓硫酸的优点外，其氧化性略弱，具有不腐蚀设备、污染小等优点。但其易溶于甲醇，造成催化剂消耗大，回收困难等问题。因此需要设计易于回收的负载型催化剂。此外，固体酸催化剂的结构如比表面积、孔结构、形貌及化学组成是决定固体酸催化剂酸中心和酸强度的决定因素。目前主要通过提高比表面积，构造孔结构以及添加过渡金属离子或稀土离子来改善其催化性能。同时，我国稀土资源丰富、易得，为稀土应用到固体催化剂中奠定了基础。
因此，采用掺杂稀土等方法对其改性，以增加其比表面积、稳定性和催化活性已成为了固体酸研究领域中的热点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于低温碳化过程的钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂，其具有设计合理、工序易于操作，有利于提高固体废弃物的碳化率，生产制造成本低、有利于保护环境等优点。
硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂以硅藻土为载体，活性组分为对甲苯磺酸，掺杂稀土元素钍。
一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)硅藻土依次经稀硝酸溶液浸泡、洗净抽干和活化处理，冷却后倒入对甲苯磺酸溶液中，静置，然后依次经过滤、干燥后得硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂；
(2)将所述硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂浸渍于钍盐溶液中，超声分散均匀后蒸干溶液，然后煅烧即得。
本发明将具有高催化活性的硅藻土负载对甲苯磺酸型固体酸催化剂与稀土元素钍结合，克服原有技术中存在的催化活性低、催化剂回收率低等缺陷，提供了一种低温活性好、促进固体废弃物碳化脱水、增加热值的钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。
优选地，所述硅藻土密度1.9-2.0g/cm3，堆密度0.34-0.50g/cm3，比表面积50-65m2/g，孔体积0.60-0.98m3/g。
优选地，步骤(1)中稀硝酸溶液的质量分数为10～12％，浸泡硅藻土时间为20～24h，蒸馏水洗净抽干后在25～120℃下活化1～2h。以上预处理可以高效去除硅藻土夹带的杂质，提高有效负载率。
优选地，步骤(1)中活化后的硅藻土与对甲苯磺酸溶液的质量体积比以10～15g：60～90mL计；静置时间为30～35h；对甲苯磺酸溶液的质量分数为20～30％。便于硅藻土与对甲苯磺酸的充分混合，保证高效负载率。
进一步优选地，步骤(1)中活化后的硅藻土与对甲苯磺酸溶液的质量体积比以10～15g：75mL计；静置时间为30～32h.
优选地，步骤(1)中过滤后在25～110℃条件下干燥3～5h；进一步优选地，过滤后在70～80℃条件下干燥3～4h。
掺杂的钍盐热稳定性好，能够大幅度提高硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂的高温强度，增加其电子发射能力，提高催化活性。优选地，步骤(2)中所述钍盐溶液为硝酸钍溶液或硫酸钍溶液，所述钍盐溶液中钍离子浓度为0.1～3g/L；进一步优选地，所述钍盐溶液中钍离子浓度为1～2g/L。
优选地，步骤(2)中所述钍盐溶液与硅藻土对甲苯磺酸催化剂的质量体积比例为0.5～10g:50～400mL。进一步优选地，钍盐溶液与硅藻土对甲苯磺酸催化剂的质量体积比例为1～3g:200mL。
优选地，步骤(2)中蒸干溶液时的温度为25～150℃；煅烧温度为300～1100℃，煅烧时间5～8h，煅烧时的升温速率为0.1～10℃/min。进一步优选地，步骤(2)中蒸干溶液时的温度为80～100℃；煅烧温度为600～800℃，煅烧时间6～7h，煅烧时的升温速率为4～6℃/min。
最优选地，步骤(1)中硅藻土放于质量分数为11％的稀硝酸中浸泡22h，用蒸馏水洗净抽干后在75℃条件下活化1.5h；步骤(1)中活化后的硅藻土与对甲苯磺酸溶液的质量体积比以12g：75mL计，对甲苯磺酸溶液的质量分数为25％；静置时间为32h，过滤后在75℃条件下干燥4h；步骤(2)中所述钍盐溶液与硅藻土对甲苯磺酸催化剂的质量体积比例为2g:200mL，所述钍盐溶液中钍离子浓度为1.5g/L；步骤(2)中蒸干溶液时的温度为90℃；煅烧温度为700℃，煅烧时间6.5h，煅烧时的升温速率为5℃/min。
本发明还提供一种如所述制备方法制备得到的钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。
本发明还提供一种如所述钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂在餐厨垃圾低温碳化过程中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明中钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂具有酸性强、比表面积大、毒害低、低温活性好、催化剂稳定性较好；
(2)本发明中催化剂能有效地提高固体废弃物的脱水性能，且不影响产品的品质；
(3)本发明中催化剂可减少20％的碳化设备外部能耗，且使废弃有机物的热值增加1.1倍。
(4)该催化剂对物料的适应性强，对目前固体废弃物中所占比例较大的污泥、餐厨垃圾等都适用。
附图说明
图1为实施例2中制备催化剂的XPS能谱图；
图2为实施例2中制备催化剂成品图；
图3为实施例2中催化剂使用前后餐厨垃圾的变化；
图4为催化剂应用于低温碳化设备的简单流程示意图。
图4中附图标记如下：
图中：1-反应釜；2-水箱；3-除臭单元；4-冷却单元；5-油水分离单元；6-催化剂；7-气管一；8-气管二；9-水管；10-出油口；11-气泵；12-冷却水泵
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的应用作进一步详细说明，并结合具体实施应用阐述其有益效果。
实施例1：
(1)钍掺杂的硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂的制备
取一定量硅藻土放于质量分数为10％的稀硝酸中浸泡24h，用蒸馏水洗净抽干后在25℃条件下活化2h。
取10g上一步骤所得的硅藻土，将其倒入60mL20％的对甲苯磺酸溶液中，静置30h。
取上一步骤混合溶液过滤，在25℃条件下干燥5h，得到硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。
取50mL钍离子浓度为0.1g/L的硝酸钍溶液，将上一步骤中所得的催化剂0.5g浸渍于其中，经超声分散均匀后在25℃下蒸干溶液。
将上一步骤中所得的样品放置在马弗炉中，以0.1℃/min的速率升温到300℃，并在该温度下煅烧8h后得到稀土钍掺杂的硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂成品。
(2)催化剂应用
本催化剂主要用于餐厨垃圾类的低温碳化过程，下述低温碳化设备参考专利(CN201710411610)：
将75kg含水率约80％的餐厨垃圾由进料口导入反应釜1，从催化剂投料口加入3～5g该催化剂6。待催化剂和固体有机废弃物混合后通过反应釜中的搅拌设备混匀。由电热圈作为热源，加热炭化炉中的有机废弃物，控制反应釜中的温度约110℃；在温度达到80℃左右时，催化剂会自行发热，不依靠外部能源，自我干燥，进行有机废弃物的脱水和碳化。10h后对比催化剂投加与否的餐厨垃圾的碳化效果。经检测，投加该催化剂后碳化餐厨垃圾含水率≤15％，热值约12334kJ/kg，能耗为1.7kW·h/kg；同样的初始餐厨垃圾在未添加该催化剂条件下碳化，其含水率约20％，热值为9328kJ/kg，能耗为1.9kW·h/kg。由此可见，在等量处理条件下，该催化剂可减少11％的设备外部能耗，且使废弃有机物的热值增加30％。
实施例2
(1)钍掺杂的硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂的制备
取一定量硅藻土放于质量分数为11％的稀硝酸中浸泡22h，用蒸馏水洗净抽干后在75℃条件下活化1.5h。
取12g上一步骤所得的硅藻土，将其倒入75mL25％的对甲苯磺酸溶液中，静置32h。
取上一步骤混合溶液过滤，在75℃条件下干燥4h，得到硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。
取200mL钍离子浓度为1.5g/L的硝酸钍溶液，将上一步骤中所得的催化剂2g浸渍于其中，经超声分散均匀后在90℃下蒸干溶液。
将上一步骤中所得的样品放置在马弗炉中，以5℃/min的速率升温到700℃，并在该温度下煅烧6.5h后得到稀土钍掺杂的硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂成品。
(2)催化剂应用
催化剂应用实验如实例1所述，结果表明，催化结束后的碳化垃圾的含水率≤5％，热值约19500kJ/kg，能耗约1.5kW·h/kg。在等量处理条件下，该催化剂可减少20％的设备外部能耗，且使废弃有机物的热值增加1.1倍。
该实施例制备催化剂的XPS能谱图如图1所示；催化剂成品图如图2所示；催化剂使用前后餐厨垃圾的变化如图3所示。
实施例3：
取一定量硅藻土放于质量分数为12％的稀硝酸中浸泡20h，用蒸馏水洗净抽干后在120℃条件下活化1h。
取15g上一步骤所得的硅藻土，将其倒入90mL30％的对甲苯磺酸溶液中，静置35h。
取上一步骤混合溶液过滤，在110℃条件下干燥3h，得到硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。
取400mL钍离子浓度为3g/L的硝酸钍溶液，将上一步骤中所得的催化剂4g浸渍于其中，经超声分散均匀后在150℃下蒸干溶液。
将上一步骤中所得的样品放置在马弗炉中，以10℃/min的速率升温到1100℃，并在该温度下煅烧5h后得到稀土钍掺杂的硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂成品。
(2)催化剂应用
催化剂应用实验如实例1所述，结果表明，催化结束后的碳化垃圾的含水率≤10％，热值约16124kJ/kg，能耗约1.6kW·h/kg。在等量处理条件下，该催化剂可减少16％的设备外部能耗，且使废弃有机物的热值增加70％。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)硅藻土依次经稀硝酸溶液浸泡、洗净抽干和活化处理，冷却后倒入对甲苯磺酸溶液中，静置，然后依次经过滤、干燥后得硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂；
(2)将所述硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂浸渍于钍盐溶液中，超声分散均匀后蒸干溶液，然后煅烧即得。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述硅藻土密度1.9-2.0g/cm3，堆密度0.34-0.50g/cm3，比表面积50-65m2/g，孔体积0.60-0.98m3/g。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中稀硝酸溶液的质量分数为10～12％，浸泡硅藻土时间为20～24h，蒸馏水洗净抽干后在25～120℃下活化1～2h。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中活化后的硅藻土与苯甲磺酸溶液的质量体积比以10～15g：60～90mL计；静置时间为30～35h；苯甲磺酸溶液的质量分数为20～30％。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中过滤后在25～110℃条件下干燥3～5h。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述钍盐溶液为硝酸钍溶液或硫酸钍溶液，所述钍盐溶液中钍离子浓度为0.1～3g/L。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述钍盐溶液与硅藻土对甲苯磺酸催化剂的质量体积比例为0.5～10g:50～400mL。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中蒸干溶液时的温度为25～150℃；煅烧温度为300～1100℃，煅烧时间5～8h，煅烧时的升温速率为0.1～10℃/min。
9.一种如权利要求1～8任一项权利要求所述制备方法制备得到的钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂。
10.一种如权利要求9所述钍掺杂硅藻土负载对甲苯磺酸催化剂在餐厨垃圾低温碳化过程中的应用。
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