CN109589990B - 一种钴基多相催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钴基多相催化材料及其制备方法和应用,属于无机材料制备以及环境保护技术领域。该多相催化材料为钴基硫化物材料,通过控制制备过程中的反应体系配比以及反应温度,可获得具有不同钴离子价态、不同相组成的硫化物材料,该类钴硫化合物具有加氢催化还原水中溴酸根的能力,可直接用于水中致癌溴酸根离子的还原净化,解决了传统贵金属多相催化材料价格昂贵的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及无机材料制备和环境保护技术领域,具体为一种钴基多相催化材料及其制备方法和应用。
背景技术
消毒是饮用水处理的关键环节之一。相比传统的氯化消毒方法,臭氧消毒由于具有消毒能力强、不产生卤代有机物等强致癌物的优点,在发达国家已经被普遍应用,在我国也已经成为包装饮用水的主流消毒方法,并逐渐被应用于越来越多城市自来水的杀菌消毒。但是臭氧消毒也存在消毒副产物的问题。当原水中含有一定浓度的溴离子时,经臭氧消毒后会产生溴酸根离子。而溴酸根离子对人体有潜在的致癌性,被世界卫生组织认定为2B级的致癌物。因此,世界卫生组织对饮用水中溴酸盐的最高允许浓度做了限定(10微克/升)。其他国家和地区,如美国环保局和欧盟,也纷纷在其饮用水水质标准中对溴酸根离子的最高允许浓度做了限定。同样,我国也对溴酸根离子的含量做了限定,允许饮用水中溴酸根离子的最高浓度为10微克/升。目前,去除饮用水中溴酸盐的潜在方法有很多,主要包括吸附法、膜过滤法、离子交换法、混凝-过滤法、化学还原法、催化还原法、光催化还原法、电化学还原法、生物降解法等等。其中催化还原作为一种新型的水处理方法,优点是去除效率高,不会产生废水和浓缩废物,不向水中投加化学物质,还原剂还能够重复利用。催化还原已经被广泛用于水质净化的研究,包括催化还原水中硝酸盐、六价铬、卤代有机物等等,是一种比较有前途的水处理技术。
但是,目前用于去除水中溴酸根离子的多相催化剂,甚至是所有用于水治理的加氢催化材料,基本上都是负载型纳米贵金属催化材料,尤其是Pd基催化剂。贵金属价格昂贵,在地球上的储量有限,十分不利于催化还原技术进一步推广与应用,因此,有必要发展更多具有优异催化还原能力的非贵金属催化材料来面对日益严重的致癌溴酸根离子污染问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钴基多相催化材料及其制备方法和应用,通过控制制备过程中的反应体系配比以及反应温度,可获得具有不同钴离子价态、不同相组成的钴基硫化物材料,该类钴硫化合物具有加氢催化还原水中溴酸根的能力,可直接用于水中致癌溴酸根离子的还原净化,解决了传统贵金属多相催化材料价格昂贵的缺陷。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种钴基多相催化材料,是由钴和硫两种元素组成的钴的硫化物材料,优选为具有不同钴元素价态和不同相组成的钴的硫化物材料。所述钴的硫化物材料为Co9S8、CoS、Co3S4和CoS2中的一种或几种混合。
该钴基多相催化材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)配制钴盐和硫脲的溶液,溶液中钴离子浓度为0.05~0.2摩尔/升,硫脲的浓度为0.05~0.8摩尔/升;所述钴盐和硫脲的溶液使用的溶剂为水、甲醇、乙醇和乙二醇中的一种或几种组成的混合溶剂;所述钴盐为硝酸钴、氯化钴或乙酸钴。
(2)将步骤(1)中配置钴盐和硫脲的溶液在150~200℃条件下保温反应6~20小时;
(3)将步骤(2)保温反应后所得产物中的固态物料与溶液分离,使用足量的去离子水和无水乙醇清洗固态物料,清洗后将其在40~100℃条件下真空干燥,得到所述钴基多相催化材料。
本发明制备方法中,通过控制反应体系中各组分配比以及反应温度,能够获得具有不同钴离子价态、不同相组成的硫化物材料(单一相或多相混合)。
所制备的多相催化材料能直接应用于加氢催化还原水中的溴酸根。该多相催化还原材料在室温条件和氢气存在的情况下,能够实现水中溴酸根离子的还原,应用时氢气的通入流量为80-300mL/min。
本发明的设计原理如下:
本发明首先采用硫脲作为硫源,选择合适的溶剂体系在低温下进行反应,获得具有不同价态钴离子的硫化物,该系列硫化物在氢气作为还原剂的条件下,能够进行加氢反应,可在室温下还原水中的溴酸根离子,还原成无害的溴离子。
本发明的优点及有益效果如下:
1.催化材料制备工艺简单,操作方便,对设备要求低。
2.所得的催化材料不含贵金属,结构稳定。
3.所得的催化材料在氢气存在的情况,可有效地进行多相催化反应,还原水中的溴酸盐,其中:具有不同相的钴的硫化物在同样条件下处理效果不同。
附图说明:
图1为本发明所获得的钴基多相催化材料的X射线衍射图谱。
图2为本发明实施例1所获得的钴基多相催化材料扫描照片形貌图。
图3为本发明实施例2所获得的钴基多相催化材料扫描照片形貌图。
图4为本发明实施例1所获得的钴基多相催化材料还原净化水中溴酸根离子效果图。
图5为本发明实施例2所获得的钴基多相催化材料还原净化水中溴酸根离子效果图。
图6为本发明实施例2所获得的钴基多相催化材料还原净化实际矿泉水中溴酸根离子效果图。
具体实施方式:
下面通过附图与实施例对本发明进一步详细描述。
实施例1
(1)配制硝酸钴和硫脲的水溶液,其中硝酸钴的浓度为0.1摩尔/升,硫脲的浓度为0.2摩尔/升。
(2)将硝酸钴和硫脲的水溶液在200℃的烘箱中保温12小时。
(3)待反应釜降至室温后,过滤得到固态反应产物,用足量的去离子水和无水乙醇清洗后,在50℃的真空烘箱中干燥过夜,即可得到钴硫化合物粉末,即钴基多相催化材料,其X射线衍射图谱如图1中CS-4曲线所示,其扫描电镜图片如图2所示。可以看出,该钴基多相催化材料是由具有不同钴离子价态、不同相组成的硫化物材料,包括CoS和CoS2。
实施例2
(1)配制乙酸钴和硫脲的乙二醇溶液,其中乙酸钴的浓度为0.167摩尔/升,硫脲的浓度为0.234摩尔/升。
(2)将乙酸钴和硫脲的乙二醇溶液在200℃的烘箱中保温8小时。
(3)待反应釜将至室温后,离心得到反应产物,用足量的去离子水和无水乙醇清洗后,50℃的真空烘箱中干燥过夜,即可得到钴硫化合物粉末,其扫描电镜如图3所示。可以看出,所得钴的硫化物材料是由Co3S4组成,如图1中CS-2曲线所示。
实施例3
分别取0.1g实施例1所制得的粉末加入到196mL去离子水中,室温下机械搅拌,通入流量200毫升/分的氢气。30分钟后,在保持搅拌、通氢气的情况下,快速加入4毫升0.4毫摩尔/升的溴酸钠溶液(此时溶液中溴酸根的浓度为1023微克/升),计时取样分析离子状态与浓度。
a.10分钟后,水中溴酸盐的浓度为729微克/升。
b.30分钟后,水中溴酸盐的浓度为239微克/升。
c.60分钟后,水中溴酸盐的浓度为8微克/升。
处理过程中溴酸根浓度、产物溴离子浓度、以及它们在对照实验中的变化如图4所示。
实施例4
分别取0.1g实施例2所制得的粉末加入到196mL去离子水中,室温下机械搅拌,通入流量200毫升/分的氢气。30分钟后,在保持搅拌、通氢气的情况下,快速加入4毫升0.4毫摩尔/升的溴酸钠溶液(此时溶液中溴酸根的浓度为1023微克/升),计时取样分析离子状态与浓度。
a.10分钟后,水中溴酸盐的浓度为94微克/升。
b.30分钟后,水中溴酸盐的浓度为23微克/升。
c.45分钟后,水中溴酸盐的浓度低于5微克/升。
处理过程中溴酸根浓度、产物溴离子浓度、以及它们在对照实验中的变化如图5所示。
实施例5
分别取0.1g实施例1所制得的粉末加入到196mL市场上某品牌天然矿泉水中,室温下机械搅拌,通入流量200毫升/分的氢气。30分钟后,在保持搅拌、通氢气的情况下,快速加入4毫升0.4毫摩尔/升的溴酸钠溶液(此时溶液中溴酸根的浓度为1023微克/升),计时取样分析离子状态与浓度。
a.10分钟后,水中溴酸盐的浓度为457微克/升。
b.30分钟后,水中溴酸盐的浓度为130微克/升。
c.45分钟后,水中溴酸盐的浓度低于5微克/升。
处理过程中溴酸根浓度、产物溴离子浓度、以及它们在对照实验中的变化如图6所示。
上述实例仅作参考,具有和本发明相似或者从本专利思路出发而延伸的钴基多相催化材料及其制备方法和对水中溴酸根离子的还原净化应用,均在本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种钴基多相催化材料的应用,其特征在于:所述钴基多相催化材料直接应用于加氢催化还原水中的溴酸根,该多相催化材料由钴和硫两种元素组成的钴的硫化物材料;
该多相催化材料为Co9S8、CoS、Co3S4和CoS2中的一种或几种混合;
所述钴基多相催化材料的制备方法包括如下步骤:
(1)配制钴盐和硫脲的溶液,溶液中钴离子浓度为0.05 ~ 0.2摩尔/升,硫脲的浓度为0.05 ~ 0.8摩尔/升;
(2)将步骤(1)中配置钴盐和硫脲的溶液在150~200℃条件下保温反应6~20小时;
(3)将步骤(2)保温反应后所得产物中的固态物料与溶液分离,使用足量的去离子水和无水乙醇清洗固态物料,清洗后将其在40 ~ 100℃条件下真空干燥,得到所述钴基多相催化材料。
2.根据权利要求1所述的钴基多相催化材料的应用,其特征在于:该方法中,通过控制反应体系中各组分配比以及反应温度,能够获得具有不同钴离子价态的硫化物材料。
3.根据权利要求1所述的钴基多相催化材料的应用,其特征在于:步骤(1)中,所述钴盐和硫脲的溶液使用的溶剂为水、甲醇、乙醇和乙二醇中的一种或几种组成的混合溶剂;所述钴盐为硝酸钴、氯化钴或乙酸钴。
4.根据权利要求1所述的钴基多相催化材料的应用,其特征在于:该多相催化还原材料在室温条件和氢气存在的情况下,能够实现水中溴酸根离子的还原,应用时氢气的通入流量为80-300 mL/min。
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