CN110947393A - 一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,包括:S1:称取载体粉末;S2:称取活性金属前驱体和第二金属前驱体,并将两者溶于去离子水中,得到前驱体溶液;S3:将S2中得到的前驱体溶液滴加入S1中的载体粉末中,并在滴加的同时进行搅拌,得到淤浆状固液混合物;S4:将S3中得到的淤浆状固液混合物在常温下静置晾干并压碎,得到前驱体粉末;S5:将S4中得到的前驱体粉末煅烧、研磨,得到催化剂成品。与现有技术相比,本发明的第二金属的引入能够显著抑制过氧化氢的无效分解,并促进过氧化氢分解成为具有强氧化性的羟基自由基,提高了单位摩尔过氧化氢的喹啉分解量,即提高了过氧化氢的利用率。

Description

一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及芬顿催化剂领域,尤其是涉及一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着工业化和全球化的不断快速发展,人类的生活水平正不断的提高,物质生活也变得越来越丰富,然而近年来,工业化对环境、生态以及人类的健康也造成日趋严重的影响。其中水污染是世界各国普遍面临的严峻问题之一。
《2016年中国环境状况公报》对中国全国700余条河流的水资源质量进行评价,结果表明目前23.7%的地表水受到污染,无法饮用(IV类和V类),8.6%的地表水受到严重污染,几乎没有使用功能(劣V类)。在全国七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河的1617个国考断面中,长江流域、珠江流域、浙闽片河流、西北诸河、西南诸河水质优良,而黄河流域、松花江流域、淮河流域、辽河流域轻度污染、海河流域则为重度污染,主要污染指标为化学需氧量(COD)、五日生化需氧量和氨氮。
根据《2015年全国环境统计公报》,2015年全国废水排放总量735.3亿吨,废水中化学需氧量排放量2223.5万吨,相较于十年前分别增长了4.02%与57.23%,化学需氧量排放大大增加。其中难降解的有机物具有毒性强、浓度低、处理难的特点,是水处理和和治理过程中的难点之一。
早在1964年Eisenhauer首次将Fenton反应应用到实际工业水处理过程。采用FeSO4均相Fenton催化剂,在50℃,pH=4操作条件下,分别处理了来自化学精制车间、钢铁冶炼厂和绝缘材料厂的含酚污水,经反应30min,化学耗氧(COD)脱除率在95%以上。Fenton氧化同时可清除污水中的有色物质,条件温和,可操作性好。但该过程处理成本较高(5.3美元/kg苯酚)。造成成本高的原因,一是均相Fenton反应中,Fenton试剂难以回收和再次利用,另一个原因是过氧化氢的成本较高。针对Fenton试剂难以回收以及操作pH较低的缺点,近年来,越来越多的研究者开始把目光投向非均相芬顿催化剂。该种催化剂不仅易于分离回收再利用,还具有较传统芬顿试剂更为宽泛的操作pH范围(3-11)。近两年,为了提高催化剂的效率和节约过氧化氢成本,研究者利用各种辅助手段,提高催化效果,例如光催化、紫外辅助催化、以及超声催化等。考虑到实际工业应用,非均相芬顿过程操作成本,特别是过氧化氢利用率较低,给该过程的工业化带来许多困难。由此可见,提高过氧化氢利用率是该技术实现工业化的一个严峻挑战。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂及其制备方法和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明中高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,包括以下步骤:
S1:称取载体粉末;
S2:称取活性金属前驱体和第二金属前驱体,并将两者溶于去离子水中,得到前驱体溶液;
S3:将S2中得到的前驱体溶液滴加入S1中的载体粉末中,并在滴加的同时进行搅拌,得到淤浆状固液混合物;
S4:将S3中得到的淤浆状固液混合物在常温下静置晾干并压碎,得到前驱体粉末;
S5:将S4中得到的前驱体粉末煅烧、研磨,得到催化剂成品。
在本发明的技术方案中,S2中将活性组分、浸渍液、载体制备成淤浆状固液混合物更有利于其中活性组分的均匀分散。
进一步地,S1中所述的载体粉末为氧化硅粉末、氧化钛粉末、氧化铝粉末、氧化镁粉末或氧化锆粉末中的一种或几种的混合物。
进一步地,S2中所述的活性金属前驱体为铁、铜、钴、镍、金、锰盐中的一种或多种,其中金属盐的种类为硫酸盐、硝酸盐或氯化盐中的一种。
进一步优选地,S2中所述的活性金属前驱体为铜盐或铁盐。
进一步地,所述的第二金属前驱体为铋、锡、锑、碲金属盐中的一种或多种,其中金属盐的种类为硫酸盐、硝酸盐或氯化盐中的一种。
进一步优选地,所述的第二金属前驱体为锡盐。
进一步地,S5中的得到的催化剂成品中活性金属在载体上的负载量为1~15%wt,第二金属前驱体在载体上的负载量为0.5%~20%wt。
本发明中高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂,在废水处理中可得到广泛的应用,具体使用时,将过氧化氢和非均相芬顿催化剂依次加入到待处理的废水中,进行降解反应。
进一步地,所述的非均相芬顿催化剂的在待处理废水中的投加量为0.1~1.5g/L;
所述的过氧化氢在待处理废水中的投加量为500~3000ppm;
所述的待处理废水的PH为4~11;
所述的待处理废水中含有喹啉、苯酚类化合物、吡咯、吡啶、吲哚、苯类芳烃化合物中的一种或几种;
降解反应时的反应温度为40~80℃。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1)本发明中的第二金属的引入能够显著抑制过氧化氢的无效分解(分解成氧气和水),并促进过氧化氢分解成为具有强氧化性的羟基自由基(·OH),提高了单位摩尔过氧化氢的喹啉分解量,即提高了过氧化氢的利用率。
2)现有技术中制备的催化剂相比,本发明中制备的催化剂可实现97%以上的有机物降解率,同时本发明中的非均相芬顿催化剂制备方法简单,可实现工业化的大规模制备应用。
附图说明
图1为实施例1中非均相铜基催化剂分解喹啉和过氧化氢的曲线;
图2为实施例2中非均相含锡催化剂分解喹啉和过氧化氢的曲线;
图3为实施例3中体系对苯酚的降解率曲线;
图4为实施例4中体系对吡咯的降解率曲线;
图5为实施例5中体系对喹啉的降解率曲线;
图6为实施例6中体系对喹啉的降解率曲线;
图7为实施例7中体系对喹啉的降解率曲线;
图8为对比例1中体系对喹啉的降解率曲线;
图9为对比例2中体系对喹啉的降解率曲线;
图10为对比例2中体系对喹啉的另一降解率曲线;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例中为非均相含锡催化剂的制备,载体为氧化铝,铜前驱体为三水合硝酸铜,锡前驱体为五水合四氯化锡与硫酸亚锡。
S1:称取一定量氧化铝粉末。
S2:将硝酸铜和氯化锡一并溶于1mL去离子水中,形成金属前驱体溶液。
S3:将金属前驱体溶液滴加入氧化铝中,边滴加边搅拌,直至形成淤浆状固液混合物。
S4:常温下,该固液混合物中的水不断挥发,直至成为粉状。
S5:将粉末状的固体放入马弗炉煅烧。
S6:将煅烧后的粉末进行研磨,得到成品催化剂,催化剂中铜的负载量为4.8~5.1%wt,锡的负载量为2.0~2.5%wt。
性能结果分析:反应温度在50℃下,喹啉初始浓度为100ppm,加入1g/L的催化剂与1000ppm的过氧化氢后,在反应30min时,非均相含锡催化剂能够降解97%的喹啉,同时分解了60%的过氧化氢。
图1中喹啉的降解率和过氧化氢的分解率分别对应依次对应曲线3和4,图1中横坐标为反应时间,纵坐标为喹啉和过氧化氢的浓度。
对比例1中的非均相铜催化剂,非均相含锡催化剂能够在相同时间达到更高的降解率,但同时消耗更少的过氧化氢,有效提升了过氧化氢的利用率。
实施例2
常温常压下,在过氧化氢加入模拟废水中的情况下,再将不同质量的实施例1所得催化剂依次加入模拟废水,得反应液中过氧化氢浓度为1000ppm,苯酚浓度为40ppm,催化剂的浓度为0.1g/L、0.25g/L、0.5g/L、1g/L、1.5g/L。结果见图3。
结果分析:催化剂的浓度为0.1g/L、0.25g/L、0.5g/L、1g/L、1.5g/L时,依次对应图2中的曲线5,6,7,8和9,反应10min后苯酚的降解率分别40%、60%、80%、92%、99%。可见催化剂的投加量为1.5g/L时基本实现有机污染物的完全降解。
实施例3
常温常压下,在已将例1所得催化剂加入模拟废水中的情况下,再将不同体积的过氧化氢依次加入模拟废水,得反应液中催化剂浓度为1g/L,吡咯浓度为40ppm,过氧化氢的浓度为500ppm、1000ppm、2000ppm、2500ppm、3000ppm。结果见图3。当过氧化氢浓度高于2000ppm时,降解率趋于稳定,这是因为此时溶液中的过氧化氢相对于体系中的催化剂活性位已达饱和状态,单位时间内不会产生更多的羟基自由基。
结果分析:过氧化氢的浓度为500ppm、1000ppm、2000ppm、2500ppm、3000ppm时,依次对应曲线10,11,12,13和14,反应10min后吡咯的降解率分别50%、76%、92%、93%、95%。
实施例4
常温常压下,在已将实施例2所得催化剂和过氧化氢加入模拟废水中的情况下,再将硝酸或氢氧化钠溶液加入反应液中调节溶液的pH值,得反应液中催化剂浓度为1g/L,甲苯浓度为40ppm,过氧化氢的浓度为2000ppm,反应液的pH值分别为4、5、7、9、10。结果见图4。
结果分析:反应液的pH值分别为4、5、7、9、10时,依次对应曲线15,16,17,18和19,反应10min后甲苯的降解率分别54%、79%、89%、93%、91%。当溶液pH值为10时,溶液呈强碱性,而过氧化氢在强碱性的环境中易分解成为氧气和水,属于无效分解。
实施例5
本实施例中为非均相含锡催化剂的制备,载体为氧化铝,铁前驱体为硝酸铁,锡前驱体为五水合四氯化锡与硫酸亚锡,催化剂中铁的负载量为4.8~5.1%,锡的负载量为2.0~2.5%。
S1:称取一定量氧化铝粉末。
S2:将硝酸铁和氯化锡一并溶于1mL去离子水中,形成金属前驱体溶液。
S3:将金属前驱体溶液滴加入氧化铝中,边滴加边搅拌,直至形成淤浆状固液混合物。
S4:常温下,该固液混合物中的水不断挥发,直至成为粉状。
S5:将粉末状的固体放入马弗炉煅烧。
S6:将煅烧后的粉末进行研磨,得到成品催化剂。
性能结果分析:反应温度在50℃下,喹啉初始浓度为100ppm,加入1g/L的催化剂与1000ppm的过氧化氢后,参见图5,在反应30min时,非均相含锡催化剂能够降解10%的喹啉,同时分解了25%的过氧化氢。
实施例6
本实施例中为非均相含锡催化剂的制备,载体为氧化铝,锰前驱体为硝酸锰,锡前驱体为五水合四氯化锡与硫酸亚锡,催化剂中铁的负载量为4.8~5.1%,锡的负载量为2.0~2.5%。
S1:称取一定量氧化铝粉末。
S2:将硝酸锰和氯化锡一并溶于1mL去离子水中,形成金属前驱体溶液。
S3:将金属前驱体溶液滴加入氧化铝中,边滴加边搅拌,直至形成淤浆状固液混合物。
S4:常温下,该固液混合物中的水不断挥发,直至成为粉状。
S5:将粉末状的固体放入马弗炉煅烧。
S6:将煅烧后的粉末进行研磨,得到成品催化剂。
性能结果分析:反应温度在50℃下,喹啉初始浓度为100ppm,加入1g/L的催化剂与1000ppm的过氧化氢后,参见图6,在反应30min时,非均相含锡催化剂能够降解10%的喹啉,同时分解了91%的过氧化氢。
实施例7
本实施例中为非均相含锡催化剂的制备,载体为氧化铝,铜前驱体为硝酸锰,铋前驱体为五水合四氯化锡与硫酸亚锡,催化剂中铁的负载量为4.8~5.1%,铋的负载量为2.0~2.5%。
S1:称取一定量氧化铝粉末。
S2:将硝酸锰和氯化锡一并溶于1mL去离子水中,形成金属前驱体溶液。
S3:将金属前驱体溶液滴加入氧化铝中,边滴加边搅拌,直至形成淤浆状固液混合物。
S4:常温下,该固液混合物中的水不断挥发,直至成为粉状。
S5:将粉末状的固体放入马弗炉煅烧。
S6:将煅烧后的粉末进行研磨,得到成品催化剂。
性能结果分析:反应温度在50℃下,喹啉初始浓度为100ppm,加入1g/L的催化剂与1000ppm的过氧化氢后,参见图7,在反应30min时,非均相含铋催化剂能够降解93%的喹啉,同时分解了86%的过氧化氢。
对比例1
本对比例中为非均相铜催化剂的制备,其载体为氧化铝,铜前驱体为三水合硝酸铜,催化剂中铜的负载量为1%~15%。
S1:称取一定量氧化铝粉末。
S2:将三水合硝酸铜溶于1mL去离子水中,形成前驱体溶液。
S3:将前驱体溶液滴加入氧化铝中,边滴加边搅拌,直至形成淤浆状固液混合物。
S4:常温下,该固液混合物中的水不断挥发,直至成为粉状。
S5:将粉末状的固体放入马弗炉煅烧。
S6:将煅烧后的粉末进行研磨,得到成品催化剂。
性能结果分析:反应温度在50℃下,喹啉初始浓度为100ppm,加入1g/L的催化剂与1000ppm的过氧化氢后,在反应30min时,非均相铜催化剂能够降解88%的喹啉,同时分解了96%的过氧化氢。参见图8,图8中喹啉的降解率和过氧化氢的分解率分别对应依次对应曲线1和2,图1中横坐标为反应时间,纵坐标为喹啉和过氧化氢的浓度。
可见未引入第二金属的情况下,虽然采用本技术方案中的制备方法可提高铜负载催化剂的降解性能,但消耗的过氧化氢的量较多。
对比例2
本对比例中列举了现有技术中催化剂对废水的降解情况。图9(邹寒,王树涛,尤宏,王志申,王未青.湿式过氧化氢催化氧化降解喹啉及其机理[J].化工学报,2014,65(11):4400-4405.)显示该催化剂在10min内,喹啉去除率最高约为37%,但此时反应温度为80℃,温度过高,条件较为苛刻,且喹啉的去除率也低于本专利中所制备的催化剂。图10(Gosu,V.,Gurjar Bhola,R.,Zhang Tian,C.,Surampalli Rao,Y.Oxidative Degradationof Quinoline Using Nanoscale Zero-Valent Iron Supported by Granular ActivatedCarbon[J].Journal of Environmental Engineering,2016,142(1):04015047.)显示该催化剂在50min内,喹啉去除率最高约为65%,仍低于本专利中所制备的催化剂。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:称取载体粉末;
S2:称取活性金属前驱体和第二金属前驱体,并将两者溶于去离子水中,得到前驱体溶液;
S3:将S2中得到的前驱体溶液滴加入S1中的载体粉末中,并在滴加的同时进行搅拌,得到淤浆状固液混合物;
S4:将S3中得到的淤浆状固液混合物在常温下静置晾干并压碎,得到前驱体粉末;
S5:将S4中得到的前驱体粉末煅烧、研磨,得到催化剂成品。
2.根据权利要求1所述的一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,S1中所述的载体粉末为氧化硅粉末、氧化钛粉末、氧化铝粉末、氧化镁粉末或氧化锆粉末中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,S2中所述的活性金属前驱体为铁、铜、钴、镍、金、锰盐中的一种或多种,其中金属盐的种类为硫酸盐、硝酸盐或氯化盐中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,S2中所述的活性金属前驱体为铜盐或铁盐。
5.根据权利要求1所述的一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,所述的第二金属前驱体为铋、锡、锑、碲金属盐中的一种或多种,其中金属盐的种类为硫酸盐、硝酸盐或氯化盐中的一种。
6.根据权利要求5所述的一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,所述的第二金属前驱体为锡盐。
7.根据权利要求1所述的一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂的制备方法,其特征在于,S5中的得到的催化剂成品中活性金属在载体上的负载量为1~15%wt,第二金属前驱体在载体上的负载量为0.5%~20%wt。
8.一种高过氧化氢利用率的非均相芬顿催化剂,其特征在于,该催化剂由权利要求1~7中任一项所述的方法制备获得。
9.一种权利要求8中所述的非均相芬顿催化剂在废水处理中的应用,其特征在于,将过氧化氢和非均相芬顿催化剂依次加入到待处理的废水中,进行降解反应。
10.根据权利要求9中所述的非均相芬顿催化剂在废水处理中的应用,其特征在于,所述的非均相芬顿催化剂的在待处理废水中的投加量为0.1~1.5g/L;
所述的过氧化氢在待处理废水中的投加量为500~3000ppm;
所述的待处理废水的PH为4~11;
所述的待处理废水中含有喹啉、苯酚类化合物、吡咯、吡啶、吲哚、苯类芳烃化合物中的一种或几种;
降解反应时的反应温度为40~80℃。
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