CN111068641B - 多相芬顿催化剂及含酚废水的芬顿氧化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多相芬顿催化剂及含酚废水的处理方法。用以解决现有催化剂降低废水中的COD效率低的问题。本发明采用多相芬顿催化剂,包括载体和活性组份,所述活性组份包括选自由CeO2、Fe2O3、CuO、MnO2和Au所组成的物质组中的至少一种的技术方案,较好地解决了该问题,可用于含酚废水的处理中。
Description
技术领域
本发明涉及多相芬顿催化剂及含酚废水的芬顿氧化处理方法。
技术背景
酚类化合物是造纸、焦化、炼油、塑料、农药、医药合成等行业生产的原料和中间体。该类化合物毒性大、难降解,对一切生物个体都有毒杀作用,即使饮用水中含0.002ppm的酚类化合物,也会对人体造成很大的危害。含酚废水的处理已引起世界各国的广泛关注,该化合物被列为重点控制排放的污染物。目前含酚废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物化学法等。
多相芬顿氧化法特别适用于处理中低浓度的含酚废水。该方法是在催化剂存在的条件下,将过氧化氢分解产生强氧化性的羟基自由基,最终将废水中的有机污染物氧化为CO2和水等无机物或小分子有机物,该工艺是一种绿色节能环保的有机废水处理方法。芬顿法是常用的催化湿式过氧化氢法,该方法是在Fe2+/H2O2存在下,将含酚化合物氧化成小分子化合物。但该方法的缺点在于反应过程中pH值控制严格,且反应后需去除铁离子,操作繁琐。多相催化剂具有易分离,可重复使用等优点,大大增加了该技术的工业化应用价值,因而近年来开发高效、稳定的湿式过氧化氢催化剂是该研究领域的重点。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中脱除COD效率低的问题,提供一种多相芬顿催化剂,该催化剂具有脱除COD的效率高的优点。
本发明所要解决的技术问题之二是上述所述催化剂的制备方法。
本发明所要解决的技术问题之三是上述催化剂的含酚废水的芬顿氧化处理方法。
为解决上述技术问题之一,本发明的技术方案如下:
多相芬顿催化剂,以重量份计,包括以下组分:
多相芬顿催化剂,包括载体和活性组份,所述活性组份包括选自由CeO2、Fe2O3、CuO、MnO2和贵金属所组成的物质组中的至少一种。
本发明的技术关键是活性组份的选择,本领域技术人员可以合理选择所用载体且不必付出创造性劳动并均能取得可比的技术效果。例如但不限于所述载体包括选自由TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2和C所组成的物质组中的至少一种。
上述技术方案中,所述贵金属包括选自由Ru、Au和Pt所组成的物质组中至少一种,所述贵金属优选包括Au。
上述技术方案中,所述活性组份优选同时包括Au与所述金属氧化物,Au与所述金属氧化物在通过芬顿氧化去除含酚废水中COD方面具有协同作用。Au与所述金属氧化物的比例没有特别限制,只要两者同时存在均能取得可比的协同作用。作为限制性举例,所述催化剂以重量份计包括:
(1)金属氧化物,大于0份且40份以下;
(2)Au,大于0份且10份以下;
(3)载体,大于50份且100份以下;
其中所述金属氧化物包括选自由CeO2、Fe2O3、CuO和MnO2所组成的物质组中的至少一种。
上述技术方案中,所述金属氧化物优选同时包括第一金属氧化物和第二金属氧化物,所述第一金属氧化物包括选自由Fe2O3、CuO和MnO2所组成的物质组中的至少一种,所述第二金属氧化物为CeO2,第一金属氧化物和第二金属氧化物在通过芬顿氧化去除含酚废水中COD方面具有协同作用。第一金属氧化物与第二金属氧化物的比例没有特别限制,只要两者同时存在均能取得可比的协同作用。作为限制性举例,第一金属氧化物与第二金属氧化物的质量比可以是0.1~10,在这个质量比范围内,非限制性具体质量比点值举例可以是0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0等等。
上述技术方案中,更优选同时包括Au、第一金属氧化物和第二金属氧化物,三者在在通过芬顿氧化去除含酚废水中COD方面具有协同作用。
为解决上述技术问题之二,本发明的技术方案如下:
上述技术问题之一的技术方案中任一项所述催化剂的制备方法,包括将活性组份负载于载体的步骤。
当所述催化剂“以重量份计包括:
(1)金属氧化物,大于0份且40份以下;
(2)Au,大于0份且10份以下;
(3)载体,大于50份且100份以下;
其中所述金属氧化物包括选自由CeO2、Fe2O3、CuO和MnO2所组成的物质组中的至少一种。”时,所述催化剂的制备方法优选包括如下步骤:
(1)将含有所述金属氧化物中的金属元素的化合物与载体混合,挤出成型,焙烧得前驱体A;
(2)将Au的化合物配成溶液,与前驱体A混合后,干燥、焙烧制得催化剂。
上述技术方案中,Fe、Mn、Cu、Ce的化合物优选自醋酸盐、硝酸盐或氯化物中的一种。
上述技术方案中,步骤(1)中焙烧的温度优选为200~600℃,焙烧的时间优选为1~12h。
上述技术方案中,步骤(2)焙烧的温度优选为300~500℃,焙烧时间优选为1~12h。
为解决上述技术问题之三,本发明的技术方案如下:
含酚废水的芬顿氧化处理方法,包括在酸性条件下以及在上述技术问题之一的技术方案中任一项所述催化剂催化下,含酚废水与过氧化氢发生氧化反应。
本发明的技术关键是催化剂的选择,当催化剂的组成确定后,本领域技术人员可以合理选择氧化反应的具体工艺条件且不必付出创造性劳动并均能取得可比的技术效果。作为非限制性举例,例如:
上述技术方案中,所述反应采用的反应器可选自固定床、流化床或反应釜中的一种。
上述技术方案中,反应时间可为10~120分钟。
上述技术方案中,过氧化氢用量可为废水COD值所需化学计量过氧化氢的1~10倍。
上述技术方案中,为满足反应所需酸性条件采用的酸化剂包括选自由盐酸、硝酸、磷酸和硫酸中所组成的物质组中的至少一种。
上述技术方案中,所述酸性条件的pH值可为大于1且低于7。
上述技术方案中,氧化反应的温度可为0~80℃,进一步为20~60℃。
上述技术方案中,含酚废水COD值可以为大于0mg/L且2,000mg/L以下,例如但不限于100mg/L、200mg/L、300mg/L、400mg/L、500mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1500mg/L、1600mg/L、1800mg/L和1900mg/L等等。
采用本发明的技术方案,结果表明以本发明制备的催化剂,在反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟的条件下,可有效降低含酚废水的有机物含量,经芬顿氧化处理后,剩余COD小于32mg/L,取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述,但是这些实施例无论如何都不对本发明的范围构成限制。
具体实施方式
【实施例1】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于6份CeO2的Ce(NO3)3水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例2】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于6份Fe2O3的Fe(NO3)3水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例3】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于6份CuO的Cu(NO3)2水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例4】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于6份MnO2的Mn(NO3)2水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例5】
1、催化剂制备
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将94份催化剂前驱体浸渍与含6份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例6】
1、催化剂制备
复合金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份Fe2O3和3份CeO2的Fe(NO3)3-Ce(NO3)3水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的复合金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例7】
1、催化剂制备
复合金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份CuO和3份CeO2的Cu(NO3)2-Ce(NO3)3水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到复合金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的复合金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例8】
1、催化剂制备
复合金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份MnO2和3份CeO2的Ce(NO3)3-Mn(NO3)2水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到复合金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
将54份的活性炭、6份的复合金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例9】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份CeO的Ce(NO3)3水溶液50份,再加入10份柠檬酸和6份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、3份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将97份催化剂前驱体浸渍与含3份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例10】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份Fe2O3的Fe(NO3)3水溶液25份,再加入5份柠檬酸和3份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、3份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将97份催化剂前驱体浸渍与含3份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例11】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份CuO的Cu(NO3)2水溶液25份,再加入5份柠檬酸和3份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、3份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将97份催化剂前驱体浸渍与含3份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例12】
1、催化剂制备
金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于3份MnO2的Mn(NO3)2水溶液25份,再加入5份柠檬酸和3份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、3份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将97份催化剂前驱体浸渍与含3份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例13】
1、催化剂制备
复合金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于2份Fe2O3和2份CeO2的Fe(NO3)3-Ce(NO3)3水溶液35份,再加入7.5份柠檬酸和4份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、4份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将98份催化剂前驱体浸渍与含2份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例14】
1、催化剂制备
复合金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于2份CuO和2份CeO2的Cu(NO3)2-Ce(NO3)3水溶液35份,再加入7.5份柠檬酸和4份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到复合金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、4份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将98份催化剂前驱体浸渍与含2份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
【实施例15】
1、催化剂制备
复合金属氧化物的制备方法:
(1)将含相当于2份MnO2和2份CeO2的Ce(NO3)3-Mn(NO3)2水溶液35份,再加入7.5份柠檬酸和4份乙二醇中,在沙浴中蒸干,得前驱体;
(2)将前驱体在600℃下焙烧4h,即得到复合金属氧化物,粉化后备用。
催化剂的成型:
(1)将54份的活性炭、4份的金属氧化物、40份氧化铝和5份水混合,打片成型,干燥后,在400℃下焙烧4h,即得催化剂前驱体。
(2)将98份催化剂前驱体浸渍与含2份Au的HAuCl4水溶液20份中,在80℃干燥12小时,然后在400℃空气气氛下焙烧4小时,得到催化剂。催化剂的配方见表1。
2、催化剂评价
以COD值1,200mg/L的苯酚废水为原料,反应前先用硝酸调节pH至3.5。废水与过氧化氢混合后通过装填有85g催化剂的120mL固定床反应器。过氧化氢用量为苯酚废水COD值计算所需量的5.5倍。反应器中的反应温度为50℃,压力为0.2MPa,停留时间为60分钟。反应结果见表2。
表1.催化剂的配方
表2.反应结果
Claims (8)
1.一种含酚废水的芬顿氧化处理方法,包括在酸性条件下以及在多相芬顿催化剂催化存在下,含酚废水与过氧化氢发生氧化反应;所述多相芬顿催化剂,包括载体和活性组份,所述活性组份同时包括Au、第一金属氧化物和第二金属氧化物;所述第一金属氧化物为CuO,所述第二金属氧化物为CeO2;所述过氧化氢用量为废水COD值所需化学计量过氧化氢的1~10倍。
2.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是所述载体包括选自由TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2和C所组成的物质组中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是多相芬顿催化剂的制备方法包括将活性组份负载于载体的步骤。
4.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是所述反应采用的反应器选自固定床、流化床或反应釜中的一种。
5.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是氧化反应的时间为10~120分钟。
6.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是为满足反应所需酸性条件采用的酸化剂包括选自由盐酸、硝酸、磷酸和硫酸中所组成的物质组中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是所述酸性条件的pH值为大于1且低于7。
8.根据权利要求1所述的处理方法,其特征是氧化反应的温度为0~80℃。
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