CN109012658A - 一种臭氧氧化催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种臭氧氧化催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种臭氧氧化催化剂及其制备方法，属于催化臭氧氧化技术领域。采用的技术方案是：包括负载有活性成分的载体，对载体进行改性，用改性后的载体负载具有催化活性的金属氧化物，得到臭氧氧化催化剂，所述载体包括沸石、海泡石、陶粒、氧化铝、麦饭石和硅藻土中的至少一种。本发明具有催化活性高、使用寿命长的效果。

Description

一种臭氧氧化催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及催化臭氧氧化技术领域，尤其涉及一种臭氧氧化催化剂及其制备方法。
背景技术
随着社会经济的发展和工业化进步，工业废水和生活污水中含有越来越多的人工合成化合物，导致水体中存在的高稳定性有机物含量增多，这类有机物对水环境造成了严重污染，一般以化学需氧量(COD)作为有机污染的参数。经济有效地除去水中这类难降解的有机污染物是目前水处理领域的研究热点。
以臭氧为氧化剂处理水中的有机污染物是水处理中的一项重要技术，但臭氧在水中的溶解度低、传质效率低、与有机物的反应具有很强的选择性、对微污染饮用水体的矿化度很低，臭氧在氧化过程中溢出率大，这些问题影响了臭氧氧化技术在水处理中的应用。针对这些问题，目前出现了催化臭氧氧化技术，通过添加催化剂，加快臭氧链式反应产生羟基自由基的速度，提高臭氧对水体中有机污染物的氧化能力。
现有技术中，公布号为CN106964353A的中国专利公开了一种用于臭氧催化高级氧化处理污水的过渡金属催化剂及制备和臭氧催化高级氧化处理污水方法，以改性活性炭为载体，浸渍于过渡金属盐溶液中，通过烘干和焙烧制得过渡金属催化剂。该方案通过用EDTA对活性炭进行改性，增加了活性炭度催化剂的负载稳定性。但以活性炭为催化剂载体，在长期使用中会因臭氧的强氧化作用而出现结构坍塌、微孔缺失，催化活性降低的问题，不利于臭氧催化剂的多次回收重复利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种臭氧氧化催化剂的制备方法，具有催化活性好、使用寿命长的优点。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种臭氧氧化催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将载体粉碎后置于pH值为8～9的多巴胺水溶液中，得到改性载体，优选的，所述多巴胺水溶液的质量浓度为0.5～5g/L，所述载体在多巴胺水溶液中的浸泡搅拌时间为20～24h。
步骤二：将改性载体置于含活性成分的溶液中浸泡，对浸泡后的改性载体进行干燥，得到含有活性成分的改性载体，优选的，所述干燥温度为95～110℃，干燥时间为3～8h。
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得，优选的，所述焙烧温度为400～500℃，焙烧时间为3～5h。
所述载体包括沸石、海泡石、陶粒、氧化铝、麦饭石和硅藻土中的至少一种。
所述活性成分包括锰、钴、钛、铁、镍、铜、锌和铈元素中的至少一种。
实施上述技术方案，将载体置于多巴胺水溶液中，使载体上形成附着作用极强的聚多巴胺层，利用聚多巴胺层吸附含活性成分的溶液中的活性成分，经过焙烧后形成含有活性成分的载体，即臭氧氧化催化剂。本发明中的活性成分是锰、钴、钛、铁、镍、铜、锌和铈元素中的至少一种，这些活性成分被吸附在载体上，经过焙烧后形成金属氧化物，实现对臭氧氧化的催化。
本发明采用的载体是沸石、海泡石、陶粒、氧化铝、麦饭石和硅藻土中的至少一种。沸石是一种含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物，在结构上具有独特的孔结构，有较高的催化活性和热稳定性及耐酸性，其骨架构造比较空疏，负载金属氧化物后，可通过沸石粉的吸附作用使污水中的有机物和通入的臭氧附着在催化剂表面，通过金属氧化物活化臭氧分子，使之生成羟基自由基，进而将有机物氧化分解。海泡石为纤维状的含水硅酸镁，其晶体为层链状结构，具有极大的比表面积和独特的孔道结构，有良好的吸附性能、流变性能和催化性能。陶粒为陶制的颗粒，其内部结构呈蜂窝状的微孔，具有较高的强度、坚固性和耐腐蚀性，质地较轻能在水中较好的分散，有利于提高污水处理的效率和催化剂的使用寿命。
氧化铝是常见的金属氧化物催化剂，对有机物有良好的降解效果，用氧化铝负载其他金属氧化物，有利于增强催化剂的催化活性。麦饭石为天然的硅酸盐矿物，具有海绵状的多孔性和较大的比表面积，有吸附性、溶解性、调节性、生物活性和矿化性，能够吸附水中游离的金属离子。硅藻土是一种硅质岩石，主要成分是二氧化硅，也具有孔结构，在水中有较好的分散性，且对活性组分其稳定作用，是常用的催化剂载体。上述成分均可作为臭氧氧化催化剂的载体，使催化剂具有良好的催化活性和较长的使用寿命。
进一步，所述活性成分包括锰、钛和铈，所述含活性成分的溶液中，锰、钛和铈的质量比为(8～11)：(5～6)：1。
实施上述技术方案，按质量份数计，在含活性成分的溶液中溶解一份的铈、5～6份的钛和8～11份的锰时，制备出的催化剂有较高的催化活性。
进一步，所述含活性成分的溶液为各活性成分的硝酸盐溶液，所述含活性成分的溶液的质量百分浓度为3～15％，所述改性载体在含活性成分的溶液中浸泡时间为9～25h。
实施上述技术方案，改性载体浸泡在含活性成分的溶液中，溶液中的活性成分附着在改性载体上，这一过程需要改性载体与溶液的充分接触，溶液的浓度会影响活性成分在改性载体上的负载量，这里溶液的质量百分浓度是指溶液中含有的各金属硝酸盐的总质量百分浓度。
进一步，所述步骤二中含活性成分的溶液中还含有聚乙二醇。
实施上述技术方案，聚乙二醇由环氧乙烷与水或乙二醇逐步加成聚合而成，无毒、无刺激性，具有良好的粘结性，其水溶液可作为助悬剂或用于调整其他溶液的粘稠度，这样有利于增加改性载体上活性成分的负载量，同时加快负载速度。
进一步，所述载体包括海泡石和沸石，所述海泡石与沸石的质量比为(0.3～0.6):1。
实施上述技术方案，海泡石的晶体结构为连续的硅氧四面体层，四面体中的活性氧周期性倒转，会形成大小固定并平行于链的开口通道，且海泡石与沸石的构造中均有孔结构，有较大的比表面积，均有吸附能力和催化活性，两者配合能在水中良好分散，有利于提高对污水处理的效率。
进一步，臭氧氧化催化剂的制备方法包括以下步骤：
步骤一：以海泡石和陶粒为载体，将海泡石与陶粒的混合物粉碎后置于pH值为8～9的多巴胺水溶液中，搅拌20～24h后取出，得到改性载体，所述多巴胺水溶液的质量浓度为0.5～5g/L。
步骤二：将步骤一得到的改性载体置于含活性成分的溶液中，所述含活性成分的溶液为锰、钛和铈的硝酸盐溶液，改性载体在含活性成分的溶液中浸泡的时间为9～25h，浸泡后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体。
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得。
本发明的另一个目的在于提供一种臭氧氧化催化剂，包括负载有活性成分的载体，按照质量百分数计，催化剂包括0.1～5％的活性成分，余量为载体。催化剂按照以下步骤制备：步骤一：以海泡石和沸石为载体，将海泡石与沸石的混合物粉碎后置于pH值为8～9的多巴胺水溶液中，搅拌20～24h后取出，得到改性载体，所述多巴胺水溶液的质量浓度为0.5～5g/L。
步骤二：将步骤一得到的改性载体置于含活性成分的溶液中，所述含活性成分的溶液为锰、钛和铈的硝酸盐溶液，改性载体在含活性成分的溶液中浸泡的时间为9～25h，浸泡后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体。
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得。
实施上述技术方案，以海泡石和沸石为载体，具有分散性好、与活性成分配合催化活性高的优点，在其表面形成聚多巴胺层，通过聚多巴胺的吸附作用使溶液中的活性成分在载体表面附着，有利于增加载体对活性成分的负载量，经过干燥与焙烧后，形成负载有金属氧化物的臭氧氧化催化剂。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
通过在载体表面形成附着力极强的聚多巴胺层，有利于增加活性成分在载体上的负载量，同时在催化臭氧氧化的过程中，能够将污水中的有机物和臭氧均吸附在载体表面，有利于加快对污水中有机物的处理效率和去除效果。本发明载体选用的均为具有较强稳定性的材料，抗氧化性好，有利于催化剂的长期持续使用，通过载体与活性成分的配合，不仅能够有效除去污水中的还原性有机物，还能够降低污水中的氨氮含量，有利于提高对污水的处理效果。
具体实施方式
下面对本发明实施例的技术方案进行描述。
实施例一
本实施例提供一种臭氧氧化催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将120g的海泡石和350g的陶粒粉碎后置于pH值为8的多巴胺水溶液中，本实施例采用的多巴胺水溶液的质量浓度为0.5g/L，浸泡并搅拌20h后，得到改性载体。
步骤二：将改性载体置于含活性成分的溶液中浸泡，本实施例采用的含活性成分的溶液为锰、钴、铁的硝酸盐溶液，该硝酸盐溶液中所含溶质的质量百分浓度为3％，其中，锰离子、钴离子和铁离子的质量比为6:1:3。改性载体在硝酸盐溶液中浸泡25h后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体，本实施例的干燥温度为95℃，干燥时间为8h。
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得，本实施例的焙烧温度为400℃，焙烧时间为5h。制备得到的臭氧氧化催化剂中包括0.37％活性成分，即催化剂中锰、钴与铁三者的金属氧化物质量之和占催化剂总质量的0.37％，余量为海泡石和陶粒。
实施例二
本实施例与实施例一的区别主要在于：包括以下步骤：
步骤一：将120g的海泡石和300g的沸石粉碎后置于pH值为8.5的多巴胺水溶液中，本实施例采用的多巴胺水溶液的质量浓度为2.5g/L，浸泡并搅拌22h后，得到改性载体。
步骤二：将改性载体置于含活性成分的溶液中浸泡，本实施例采用的含活性成分的溶液为锰、钛、铈的硝酸盐溶液，该硝酸盐溶液中所含溶质的质量百分浓度为10％，其中，含有3％的聚乙二醇400，含有的锰离子、钛离子和铈离子的质量比为9:5:1。改性载体在硝酸盐溶液中浸泡16h后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体，本实施例的干燥温度为105℃，干燥时间为5h。
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得，本实施例的焙烧温度为450℃，焙烧时间为4h。制备得到的臭氧氧化催化剂中包括2.48％的活性成分，即催化剂中锰、钛与铈三者的金属氧化物质量之和占催化剂总质量的2.48％，余量为海泡石和沸石。
实施例三
本实施例与对比例一的区别主要在于：包括以下步骤：
步骤一：将450g的氧化铝碎后置于pH值为9的多巴胺水溶液中，本实施例采用的多巴胺水溶液的质量浓度为5g/L，浸泡并搅拌24h后，得到改性载体。
步骤二：将改性载体置于含活性成分的溶液中浸泡，本实施例采用的含活性成分的溶液为铁、镍、铜、锌的硝酸盐溶液，该硝酸盐溶液中所含溶质的质量百分浓度为15％，其中，含有5％的聚乙二醇400，含有的铁离子、镍离子、铜离子和锌离子的质量比为3:2:2:4。改性载体在硝酸盐溶液中浸泡9h后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体，本实施例的干燥温度为110℃，干燥时间为3h。
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得，本实施例的焙烧温度为500℃，焙烧时间为3h。制备得到的臭氧氧化催化剂中包括4.87％的活性成分，即催化剂中铁、镍、铜与锌四者的金属氧化物质量之和占催化剂总质量的4.87％，余量为氧化铝。
实施例四至六
实施例四至六的臭氧氧化催化剂的组分用量、多巴胺水溶液浓度和聚乙二醇的质量百分浓度如表1所示，其制备方法均与实施例二相同。
表1实施例四至六的臭氧氧化催化剂组分用量
对比例一
本对比例与实施例一的区别主要在于：本对比例的海泡石与陶粒粉碎后直接浸泡于含活性成分的溶液中进行改性。
对比例二
本对比例与实施例一的主要区别在于：本对比例的载体采用450g的活性炭，其他均匀实施例一相同。
产品检测
分别将各实施例和对比例制备的臭氧氧化催化剂填充至臭氧反应柱中，填充量为600mL，填充高度为50cm，污水的停留时间为30min，臭氧的投加量为30mg/L。各实施例和对比例中采用污水均为某石化企业污水处理厂外排水，污水的COD为215±5mg/L，在上述条件下连续运行六个月。按照GB/T 22597-2014的标准对处理前后的污水及六个月后处理的污水中化学需氧量进行测定；按照GB/T 11894-89的标准对处理前后的污水及六个月后处理的污水中总氮含量进行测定。测定结果如表2所示。
表2各实施例和对比例的测定结果
由表2可见，本发明各实施例制备的臭氧氧化催化剂的催化效果好，采用各实施例的催化剂进行臭氧催化氧化时，污水中的化学需氧量降低明显，COD的去除率高达85.2％，对污水中的氨氮也有去除效果。其中，实施例二、五、六的技术方案中，采用的含活性成分的溶液中锰、钛和铈的质量比在(8～11)：(5～6)：1的比例范围内，这三个实施例制备的催化剂对COD和氨氮的催化氧化效果好。且在三个实施例中，实施例二和实施例六的催化效果优于实施例五，证明载体采用的海泡石和沸石的质量比在(0.3～0.6):1的比例范围内的催化剂效果更好。实施例一制得的催化剂效果较其他实施例略差，证明在含活性成分的溶液中增加聚乙二醇，有利于提高催化剂的催化活性。连续使用六个月后，各实施例制备的催化剂对臭氧氧化的催化作用依然稳定，证明本发明的催化剂稳定性强，具有良好的抗氧化作用，对比例二采用活性炭为载体的催化剂，在最初使用时的催化效果好，但连续使用六个月后的催化效果显著下降。对比例一未采用多巴胺改性的载体制得的催化剂对臭氧氧化的催化效果明显降低，证明多巴胺改性载体对载体负载活性分子的负载量有显著增加的效果。本发明制备的催化剂具有催化活性好、使用寿命长的优点。

Claims (10)

1.一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将载体粉碎后置于pH值为8～9的多巴胺水溶液中，得到改性载体；
步骤二：将改性载体置于含活性成分的溶液中浸泡，对浸泡后的改性载体进行干燥，得到含有活性成分的改性载体；
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得；
所述载体包括沸石、海泡石、陶粒、氧化铝、麦饭石和硅藻土中的至少一种；
所述活性成分包括锰、钴、钛、铁、镍、铜、锌和铈元素中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述活性成分包括锰、钛和铈，所述含活性成分的溶液中，锰、钛和铈的质量比为(8～11)：(5～6)：1。
3.根据权利要求1所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述含活性成分的溶液为各活性成分的硝酸盐溶液，所述含活性成分的溶液的质量百分浓度为3～15%，所述改性载体在含活性成分的溶液中浸泡时间为9～25h。
4.根据权利要求1所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中含活性成分的溶液中还含有聚乙二醇。
5.根据权利要求1所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述载体包括海泡石和沸石，所述海泡石与沸石的质量比为(0.3～0.6):1。
6.根据权利要求1所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述多巴胺水溶液的质量浓度为0.5～5g/L，所述载体在多巴胺水溶液中的浸泡搅拌时间为20～24h。
7.根据权利要求1所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的干燥温度为95～110℃，干燥时间为3～8h，所述步骤三中的焙烧温度为400～500℃，焙烧时间为3～5h。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种臭氧氧化催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以海泡石和沸石为载体，将海泡石与沸石的混合物粉碎后置于pH值为8～9的多巴胺水溶液中，搅拌20～24h后取出，得到改性载体，所述多巴胺水溶液的质量浓度为0.5～5g/L；
步骤二：将步骤一得到的改性载体置于含活性成分的溶液中，所述含活性成分的溶液为锰、钛和铈的硝酸盐溶液，改性载体在含活性成分的溶液中浸泡的时间为9～25h，浸泡后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体；
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种臭氧氧化催化剂，其特征在于，包括负载有活性成分的载体，包括以下步骤：
步骤一：以海泡石和沸石为载体，将海泡石与沸石的混合物粉碎后置于pH值为8～9的多巴胺水溶液中，搅拌20～24h后取出，得到改性载体，所述多巴胺水溶液的质量浓度为0.5～5g/L；
步骤二：将步骤一得到的改性载体置于含活性成分的溶液中，所述含活性成分的溶液为锰、钛和铈的硝酸盐溶液，改性载体在含活性成分的溶液中浸泡的时间为9～25h，浸泡后进行干燥，得到含有活性成分的改性载体；
步骤三：将步骤二得到的含有活性成分的改性载体焙烧，即得。
10.根据权利要求9所述的一种臭氧氧化催化剂，其特征在于，按照质量百分数计，包括0.1～5%的活性成分，余量为载体。
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