CN112138677A - 用于处理废水的复合臭氧催化氧化催化剂及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于处理废水的复合臭氧催化氧化催化剂及其应用，所述复合臭氧催化氧化催化剂包括疏水性催化剂和亲水性催化剂，其中，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂均包括活性组分。根据本发明，通过疏水性催化剂和亲水性催化剂的级配而形成的复合臭氧催化氧化催化剂，可以显著提高深度处理印染废水的效果。

Description

用于处理废水的复合臭氧催化氧化催化剂及其应用
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体地，涉及一种用于处理废水的复合臭氧催化氧化催化剂及其应用。
背景技术
随着工业发展，对难降解工业废水进行处理的需求日益迫切。工业废水中的难降解物质直接决定污水处理厂的达标排放和稳定运行。传统的生化处理方法对于工业废水中的有毒有害等难降解物质无法去除，因此，必须引入高级氧化水处理技术。
在高级氧化水处理技术中，臭氧催化氧化法属于其中的一个重要分支，其是将小分子酸、大分子、难以生物降解的有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质。在非均相臭氧催化氧化反应过程中，废水中的有机物先被吸附在催化剂的表面，然后再进一步被降解。
对于臭氧催化氧化技术，其关键技术在于催化剂的制备。然而，对于现有技术中的催化剂，由于制备工艺决定了其具有较高的生产成本和较低的使用寿命，从而增加了污水处理成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种能够有效处理废水中的疏水性有机物及亲水性有机物的复合臭氧催化氧化催化剂及其应用。
一方面，根据示例性实施例的复合臭氧催化氧化催化剂包括疏水性催化剂和亲水性催化剂，其中，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂均包括活性组分。
根据示例性实施例，所述疏水性催化剂的载体可以为活性炭，所述亲水性催化剂的载体可以为氧化铝。
根据示例性实施例，所述疏水性催化剂的所述活性组分和所述亲水性催化剂的所述活性组分均可以包括Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Zn、Ti、Ce、La中的至少一种。
根据示例性实施例，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂可以以级配方式布置。
根据示例性实施例，所述疏水性催化剂可以布置在下部，并且所述亲水性催化剂可以布置在上部。
根据示例性实施例，所述亲水性催化剂可以布置在下部，并且所述疏水性催化剂可以布置在上部。
根据示例性实施例，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂可以均混布置。
另一方面，上面描述的复合臭氧催化氧化催化剂可应用于污水处理。
以上简要描述了本发明的技术构思。本发明通过采用包括疏水性的活性炭载体催化剂和亲水性的氧化铝载体催化剂的复合臭氧催化氧化催化剂，可以同时高效降解印染废水中的疏水性有机物(诸如，分散染料中的分散紫、分散蓝和还原染料等)产生的COD以及亲水性有机物(诸如，活性染料中的活性黄、活性黑等)产生的COD，因此该复合臭氧催化氧化催化剂对于深度处理印染废水效果优异。
具体实施方式
以下，将详细描述本发明的示例性实施例。
对于多相催化反应而言，吸附和催化都很重要。整个多相催化反应过程可概括为以下七个步骤：①反应物的外扩散──反应物向催化剂外表面扩散；②反应物的内扩散──在催化剂外表面的反应物向催化剂孔内扩散；③反应物的化学吸附；④表面化学反应；⑤产物脱附；⑥产物内扩散；⑦产物外扩散。其中化学吸附是最重要的步骤，化学吸附使反应物分子得到活化，降低了化学反应的活化能。要使反应易于进行，要求化学吸附不宜太强，也不能太弱。太强不利于吸附粒子在表面迁移、接触和反应；太弱则会在反应之前脱附流失。
现有的臭氧催化氧化技术中，处理工业废水中的有机物的臭氧催化氧化技术的关键是通过催化剂的催化作用使臭氧分解生成·OH。因为·OH的电位高(E0＝2.8V)、反应能力强、反应速度快、并可引发链反应，从而可以使许多有机物彻底降解。但·OH的存活期为纳秒级，而·OH是在催化剂表面产生的，所以·OH和有机物不可能在远离催化剂表面的位置发生反应。因此，催化剂对有机物的吸附就显得尤为重要。
现有的臭氧催化氧化技术在处理印染废水时，都没有考虑到印染废水中既有疏水性有机物(诸如，分散染料中的分散紫、分散蓝和还原染料等)产生的COD，又有亲水性有机物(诸如，活性染料中的活性黄、活性黑等)产生的COD，因此现有的臭氧催化氧化技术在处理印染废水时，其效果都不理想。
本发明构思采用包括疏水性的活性炭载体催化剂和亲水性的氧化铝载体催化剂的复合臭氧催化氧化催化剂，可以同时高效降解印染废水中的疏水性有机物以及亲水性有机物。因此根据本发明的复合臭氧催化氧化催化剂对于深度处理印染废水具有优异的效果。
以下，将结合示例性实施例来详细描述根据本发明的复合臭氧催化氧化催化剂。
根据本发明的复合臭氧催化氧化催化剂包括活性炭为载体的疏水性催化剂和氧化铝为载体的亲水性催化剂。
根据本发明的示例性实施例的疏水性催化剂可以包括活性炭载体催化剂，因此，其需要具有较小的颗粒尺寸从而具有较大的比表面积，以利于大程度地提供有机物的吸附并促进臭氧分解，从而能够高效地对废水进行处理。根据示例性实施例，作为活性炭载体催化剂可以为具有3mm-4mm的柱状颗粒。然而，本发明构思不限活性炭的形状及具体尺寸，本领域技术人员可以根据本发明构思而对活性炭载体催化剂的物理性征进行适应性选择。
此外，根据本发明的示例性实施例的亲水性催化剂可以使用氧化铝载体催化剂，因此，其也需要具有较小的颗粒尺寸从而具有较大的比表面积，以利于大程度地将活性组分吸附在其表面，从而能够高效地对废水进行处理。根据示例性实施例，作为氧化铝载体催化剂可以为具有3mm-4mm的球形颗粒。然而，本发明构思不限氧化铝的形状及具体尺寸，本领域技术人员可以根据本发明构思而对氧化铝载体催化剂的物理性征进行适应性选择。
此外，根据示例性实施例的复合臭氧催化氧化催化剂还可以包括负载于氧化铝载体和活性炭载体上的活性组分。这里，活性组分可以包括Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Zn、Ti、Ce、La中的至少一种。
此外，包括在根据示例性实施例的复合臭氧催化氧化催化剂中的疏水性催化剂和亲水性催化剂上负载的活性组分可以相同或不同。
如上所述，根据示例性实施例的疏水性催化剂和亲水性催化剂均可以包括Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Zn、Ti、Ce、La中的至少一种作为活性组分。因此，以下作为具体示例可以详细讨论疏水性催化剂和亲水性催化剂均包括Cu和Mn作为活性组分的情况。然而，本发明构思不限于下面讨论的活性组分的成分及含量。
根据示例性实施例，当疏水性催化剂包括Cu和Mn作为活性组分时，Mn元素和Cu元素的质量比可以为1:1-10:1。此外，活性炭载体与活性组分的配比可以按照1kg活性炭负载1g-100g的Mn元素和1g-10g的Cu元素的比例进行配置，从而可以得到最佳活性。
此外，根据示例性实施例，当亲水性催化剂包括Cu和Mn作为活性组分时，Mn元素和Cu元素的质量比可以为1:1-10:1。此外，氧化铝载体与活性组分的配比可以按照1kg氧化铝负载1g-100g的Mn元素和1g-10g的Cu元素的比例进行配置，从而可以得到最佳活性。
由于根据示例性实施例的复合臭氧催化氧化催化剂可以包括疏水性催化剂和亲水性催化剂这两种不同类型的催化剂，因此，可以采用分层布置和混合布置的不同布置方式来实现本发明的复合臭氧催化氧化催化剂的级配方式。具体地，当采用分层布置方式时，疏水性催化剂可以布置在催化剂床层的下层，且亲水性催化剂可以布置在催化剂床层的上层；或者，疏水性催化剂可以布置在催化剂床层的上层，且亲水性催化剂可以布置在催化剂床层的下层。此外，当采用混合布置时，疏水性催化剂和亲水性催化剂可以混合后布置在例如固定床反应器中。这里，术语“混合”可以包括不具有浓度梯度的均匀混合或具有浓度梯度的不均匀混合。然而，本发明的示例性实施例不限于疏水性催化剂和亲水性催化剂的布置。
以上，结合示例性实施例详细描述了根据本发明构思的示例性实施例的复合臭氧催化氧化催化剂。其中，为了使本发明构思更充分地传达给本领域技术人员而避免了部分公知技术的描述。例如，本领域技术人员在本发明构思的教导下可以另外地通过合理控制载体的粒度、空隙度以及载体与活性组分的附着性来进一步提高催化剂的催化效率。
在下面，将结合对比示例来更清楚地了解本发明的有益效果。
制备催化剂A和催化剂B。这里，催化剂A包括氧化铝为载体的亲水性催化剂，其活性组分为锰金属元素和铜金属元素，且锰金属元素与铜金属元素的质量比为1:1，并且使1kg氧化铝负载1g Mn金属元素和1g Cu金属元素。此外，催化剂B包括活性炭为载体的疏水性催化剂，其活性组分为锰金属元素和铜金属元素，且锰金属元素与铜金属元素的质量比为1:1，并且使1kg活性炭负载1g Mn金属元素和1g Cu金属元素。
实施例1
在催化剂床层下半部装填1L氧化铝载体催化剂A，在催化剂床层上半部装填1L活性炭载体催化剂B，从而制备根据本发明的分层的复合臭氧催化氧化催化剂。
实施例2
在催化剂床层下半部装填1L活性炭载体催化剂B，在催化剂床层上半部装填1L氧化铝载体催化剂A，从而制备根据本发明的分层的复合臭氧催化氧化催化剂。
实施例3
将1L氧化铝载体催化剂A和1L活性炭载体催化剂B混匀后装填在固定床反应器中，从而制备根据本发明的混合的复合臭氧催化氧化催化剂。
对比例1
采用单一的2L氧化铝载体催化剂A。
对比例2
采用单一的2L活性炭载体催化剂B。
将实施例1-3采用的复合臭氧催化氧化催化剂和对比例1-2采用的催化剂进行废水臭氧催化氧化测试评价，评价条件和测试结果如下：将本发明的复合臭氧催化氧化催化剂用于固定床反应器中处理废水，废水中COD含量为100mg/L左右，氯离子含量低于2000mg/L。
催化剂床层体积为2L、废水体积空速为1h-1、臭氧浓度为100mg/L、臭氧投加量为70mg/L。在室温下连续运行3h、4h、5h时，废水的COD去除率列于表1中。
表1催化剂处理废水性能评价测试结果
Figure BDA0002109898540000051
Figure BDA0002109898540000061
通过表1可以看出，使用根据本发明构思的示例性实施例的复合臭氧催化氧化催化剂的COD去除率明显高于使用根据现有技术的对比例的催化剂的COD去除率。
通过总结和回顾，本发明通过采用将疏水性的活性炭载体催化剂和亲水性的氧化铝载体催化剂级配使用的方法来提高对废水中亲疏水性不同的有机物的吸附能力，从而进一步提高其去除能力，可以同时高效降解印染废水中的如分散染料中的分散紫、分散蓝和还原染料等疏水性有机物产生的COD，以及如活性染料中的活性黄、活性黑等亲水性有机物产生的COD，从而大大提高了COD去除率，因此投资成本和运行成本大幅度降低。
在此已经公开了示例实施例，虽然采用了特定的术语，但是仅以一般的和描述性的含义来使用和解释它们，而不是出于限制的目的。在一些情况下，对于到提交本申请时为止的本领域的普通技术人员而言将明显的是，结合具体实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，或者可以与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用，除非另有明确说明。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如权利要求书中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式上和细节上的各种改变。

Claims (8)

1.一种用于处理废水的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述复合臭氧催化氧化催化剂包括疏水性催化剂和亲水性催化剂，
其中，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂均包括活性组分。
2.如权利要求1所述的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述疏水性催化剂的载体为活性炭，所述亲水性催化剂的载体为氧化铝。
3.如权利要求1所述的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述疏水性催化剂的所述活性组分和所述亲水性催化剂的所述活性组分均包括Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Zn、Ti、Ce、La中的至少一种。
4.如权利要求1所述的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂以级配方式布置。
5.如权利要求4所述的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述疏水性催化剂布置在下部，并且所述亲水性催化剂布置在上部。
6.如权利要求4所述的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述亲水性催化剂布置在下部，并且所述疏水性催化剂布置在上部。
7.如权利要求4所述的复合臭氧催化氧化催化剂，其特征在于，所述疏水性催化剂和所述亲水性催化剂均混布置。
8.一种如权利要求1-7中任意一项权利要求所述的复合臭氧催化氧化催化剂在污水处理中的应用。
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