CN113117673A - 一种湿式氧化催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种湿式氧化催化剂及其制备方法和应用。湿式氧化催化剂,包括氧化物载体和金属活性组分,所述金属活性组分以离子形式嵌入所述氧化物载体中;所述氧化物载体包括氧化铝、氧化钛、氧化铈、氧化锆、稀土氧化物中的一种或多种,所述金属活性组分包括过渡金属中的一种或多种。湿式氧化催化剂的制备方法,包括:将包括、前驱体、有机燃料和溶剂在内的原料混合,加热、燃烧;所述前驱体包括氧化物载体前驱体和金属活性组分前驱体。湿式氧化催化剂的应用,用于工业废水的处理。本申请提供的湿式氧化催化剂具有高分散、抗腐蚀和流失率低的优点,其制备方法工艺简单、过程快捷、易操作,使用其处理工业废水,对于有机污染物的降解效果好。
Description
技术领域
本发明涉及工业废水的处理领域,尤其涉及一种湿式氧化催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着全球工业化的深入发展,水生态面临着严峻的考验。现代工业的众多产业如制药、纺织、化工、石化等生产过程会产生大量有毒且难以降解的有机废水,如不进行进一步处理而直接排放,将会对生态环境造成严重的破坏。
高级氧化技术是近年来新兴的一种专门用于处理有毒、难降解的工业废水的有效方法,主要包括芬顿、光电芬顿、湿式氧化、臭氧氧化、过氧化氢氧化以及光催化氧化等。相比于其他高级氧化过程,湿式氧化(WAO)是一种对环境友好、无二次污染的绿色过程,该方法可以处理COD为10-100g/L的工业废水,采用氧气为氧化剂,通常在125-325℃、0.5-15MPa下将水中有机物降解或者完全矿化,WAO过程不产生NOx、SO2、HCl、二噁英、呋喃、固体颗粒物等二次污染物。
但是WAO通常需要较高的温度和压力,运行能耗较高,同时对设备也提出了较为苛刻的要求,因此人们通过在反应过程中加入多相催化剂来缓和反应条件,从而降低设备投资和运行成本。
过渡金属尤其是贵金属如Pt、Pd、Ru、Rh等因其较高的活性和化学稳定性成为湿式氧化催化剂活性组分的首选。在已有的文献和专利报道中,绝大多数的湿式氧化催化剂的制备方法是将贵金属负载在载体的表面或者孔道内部,常见的载体有CeO2、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、活性炭、碳纳米管或者其中的几种组合。专利CN105597740A公开了一种通过浸渍法制备TiO2负载贵金属催化剂的制备方法,该方法可以有效地解决CN1084496A、CN1121322A中所公开的催化剂强度不足的问题,但仍然存在制备过程耗时较长以及能耗高的缺点。因为对于负载型贵金属催化剂,由于WAO过程中产生大量的小分子有机酸,表面的贵金属纳米颗粒会随着反应时间不断地流失,从而导致催化剂失活。此外,聚集的纳米颗粒同时会导致贵金属的利用率降低,增加了废水的处理成本。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种湿式氧化催化剂,解决了现有催化剂流失率高、有效成分利用率低的问题。
本发明的第二目的在于提供一种湿式氧化催化剂的制备方法,其工艺简单、制备过程快捷,克服了现有催化剂制备过程耗时长、能耗高的缺点。
本发明的第三目的在于提供一种湿式氧化催化剂的应用,应用于工业废水的处理领域,降解效果好。
为了实现本发明的上述目的,特采用以下技术方案:
一种湿式氧化催化剂,包括氧化物载体和金属活性组分,所述金属活性组分以离子形式嵌入所述氧化物载体中;
优选地,所述氧化物载体包括氧化铝、氧化钛、氧化锆、稀土氧化物中的一种或多种,所述金属活性组分包括过渡金属中的一种或多种。
过渡金属离子嵌入氧化物载体的晶格中,增强了金属和载体之间的相互作用,减少金属活性组分在酸性条件下的流失,提高了催化剂的稳定性和有效成分的利用率。
对于所述氧化物载体和所述金属活性组分的优选,进一步提高所述湿式氧化催化剂的性能。
本申请还提供一种所述湿式氧化催化剂的制备方法,包括:
将包括前驱体、有机燃料和溶剂在内的原料混合,加热、燃烧得到所述湿式氧化催化剂;
优选地,所述前驱体包括氧化物载体前驱体和金属活性组分前驱体。
在前驱体溶液燃烧的过程中会生成大量的气体(NH3,N2,CO,CO2,H2O(g)等),因此所制备的催化剂具有丰富的孔道结构,相比于传统沉淀法制备的催化剂能够暴露出更多的活性位,有利于气-液-固三相反应的传质和传热。本申请提供的所述湿式氧化催化剂的制备方法,流程简单,能耗低,耗时短,方便扩大化生产。
优选地,所述氧化物载体前驱体包括可溶性金属盐,所述可溶性金属盐中的金属包括铝、钛、锆、稀土金属中的一种或多种;
优选地,所述可溶性金属盐包括硝酸盐、硫酸盐和氯化物中的一种或多种;
进一步优选地,所述可溶性金属盐包括硝酸盐和硫酸盐中的一种或多种。
优选地,所述金属活性组分前驱体包括含有过渡金属的化合物;
优选地,所述过渡金属包括Pt、Pd、Ru、Rh、Cu、Fe、Co中的一种或多种。
优选地,所述有机燃料包括尿素、甘氨酸、柠檬酸、六亚甲基四胺、乙酰丙酮、肼类化合物、葡萄糖、蔗糖中的一种或多种。
优选地,所述溶剂包括水、乙醇、苯中的一种或多种。
优选地,以重量份数计,按照所述氧化物载体98-99.8份、所述金属活性组分0.2-2份称取所述前驱体。
可选地,以重量份数计,所述氧化物载体的份数可以为98份、98.2份、98.4份、98.6份、98.8份、99份、99.2份、99.4份、99.6份以及99.8份之间的任意值,所述金属活性组分的份数可以为0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份以及2份之间的任意值。
优选地,所述有机燃料的质量为所述前驱体的总质量的5-50%。
可选地,所述有机燃料的质量可以为所述前驱体的总质量的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%以及50%之间的任意值。
优选地,所述加热的温度为100-600℃;
进一步优选地,所述加热的温度为250-400℃;
可选地,所述加热的温度可以为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃以及600℃之间的任意值。
针对参与反应的原料的种类、数量,以及反应过程中的工艺参数进行优选,进一步提高反应的效率,优化反应产物的性能。
优选地,所述湿式氧化催化剂应用于工业废水的处理。
使用本申请提供的湿式氧化催化剂进行工业废水的处理,降解效率高、效果好。
与现有技术相比,本发明的有益效果至少包括:
与常规的贵金属负载在载体的表面或者孔道内部的负载型催化剂不同,本申请提供的湿式氧化催化剂,其过渡金属活性组分以离子形式嵌入氧化物载体的晶格中,使得金属活性组分和载体之间的相互作用增强,从而减少了金属活性组分在酸性条件下的流失,催化剂的稳定性和有效成分的利用率均大大提高。
与传统催化剂的制备方式不同,本申请提供的湿式氧化催化剂的制备方法,无需高温焙烧和还原,简化了流程,制备时间由通常的十几个小时缩短为几分钟,大大降低了能耗。
使用本申请提供的湿式氧化催化剂处理工业废水,对于其中的有机污染物的降解率很高,总体上的处理成本较低。
具体实施方式
如本文所用之术语:
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形,意在覆盖非排它性的包括。例如,包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素,而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中,此短语将使权利要求为封闭式,使其不包含除那些描述的材料以外的材料,但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时,其仅限定在该子句中描述的要素;其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时,这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围,而不论该范围是否单独公开了。例如,当公开了范围“1~5”时,所描述的范围应被解释为包括范围“1~4”、“1~3”、“1~2”、“1~2和4~5”、“1~3和5”等。当数值范围在本文中被描述时,除非另外说明,否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中,除非另有指明,所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位,1份可表示任意的单位质量,如可以表示为1g,也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份,B组分的质量份为b份,则表示A组分的质量和B组分的质量之比a:b。或者,表示A组分的质量为aK,B组分的质量为bK(K为任意数,表示倍数因子)。不可误解的是,与质量份数不同的是,所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生,例如,A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
步骤一:催化剂的制备。
称取10g(NH4)2Ce(NO3)6,9.4ml氯铂酸溶液(1wt%)和5.18g草酰二肼,溶于15ml去离子水,搅拌至完全溶解后置于150℃电热板上,1min后溶液燃烧得到湿式氧化催化剂,其组成为Ce0.99Pt0.01O2-δ。
将上述所得的湿式氧化催化剂压片、过筛得到20-40目的颗粒。
需要说明的是,2-δ表示该产物中的氧元素含量是非计量比的。
步骤二:催化剂的评价。
将步骤一所得的催化剂装填到滴流床中,降解含有0.5g/L橙黄Ⅱ(Orange II)染料的废水。具体的反应条件为:反应温度190℃,反应压力3MPa,LHSV为1.0h-1,空气作为氧化剂,氧气供给量为理论值的1.2倍。
结果显示,橙黄Ⅱ降解率为100%,总有机碳(TOC)由247mg/L降低至48mg/L,染料分子绝大部分被氧化为二氧化碳和水。
在线反应7d后,橙黄Ⅱ降解率为100%,出水TOC为52mg/L。说明湿式氧化催化剂的稳定性高,有效成分流失率很低。
实施例2
步骤一:催化剂的制备。
称取2g硝酸钛、0.157g硝酸铜溶于15ml去离子水,完全溶解后加入0.89g甘氨酸,完全溶解后置于400℃电热板上,完全燃烧后得到催化剂Ti0.95Cu0.05O2-δ。
步骤二:催化剂的评价。
在高压釜内使用步骤一所得的催化剂降解含苯酚(10000mg/L)的废水。反应条件:催化剂3g/L,反应温度150℃,压力4MPa,反应时间1h。
结果显示,反应1h后,苯酚降解率为95%,水中Cu离子的浓度为6mg/L。
该实例表明采用本发明所提供的方法制备的催化剂可以有效抑制活性组分的流失。
实施例3
步骤一:催化剂的制备。
称取2.31g硝酸氧锆、1.3ml亚硝酰硝酸钌溶液,Ru的含量为1.5%w/v,溶于20ml去离子水,然后加入0.75g甘氨酸,搅拌1h后将所得到的溶液置于500℃电热板上,3min后溶液燃烧得到催化剂Ru-ZrO2,并压片过筛。
步骤二:催化剂的评价。
将步骤一所得的催化剂装填于滴流床装置中,用于某化工厂焦化废水的氧化降解。该废水原水COD=35000mg/L。反应条件:催化剂装填量4ml,反应温度260℃,压力7MPa,液体空速1.0h-1。
结果显示,进行湿式氧化后,废水COD为1600mg/L,COD去除率为95.4%。连续在线反应600h后,COD去除率依然大于90%。
实施例4
步骤一:催化剂的制备。
称取2.31g硝酸氧锆、1.3ml亚硝酰硝酸钌溶液,Ru的含量为1.5%w/v,0.18g硝酸铜溶于20ml去离子水,然后加入0.75g甘氨酸,搅拌1h后将所得到的溶液置于500℃电热板上,3min后溶液燃烧得到催化剂RuCu-ZrO2,并压片过筛。
步骤二:催化剂的评价。
将步骤一所得的催化剂装填于滴流床装置中,用于某化工厂焦化废水的氧化降解,该废水原水COD=35000mg/L。反应条件:催化剂装填量4ml,反应温度260℃,压力7MPa,液体空速1.0h-1,空气与废水体积比为200。
结果显示,湿式氧化后,废水COD为900mg/L,COD去除率为97.5%。连续在线反应1200h后,COD去除率依然大于95%。
实施例5
步骤一:催化剂的制备。
按照摩尔比为0.73:0.05:0.25:2.42称取硝酸铈铵、PdCl2、TiO(NO3)2、甘氨酸溶于去离子水,然后将上述溶液置于400℃电热板燃烧完全后,得到催化剂Ce0.73Ti0.25Pd0.02O2-δ,并压片过筛。
步骤二:催化剂的评价。
将步骤一所得的催化剂装填于滴流床装置中,用于某化工厂的丙烯腈废水的氧化降解。该丙烯腈工业废水COD为78000mg/L,含盐量为21%。反应条件:催化剂装填量4ml,反应温度280℃,压力9MPa,液体空速1.0h-1,空气与废水体积比为200。
结果显示,出水COD为4050mg/L,COD去除率为94.8%,连续监测反应器出口100h,出水COD一直维持在4000mg/L左右。
实施例6
步骤一:催化剂的制备。
称取5g硝酸铈铵、1.6ml 1%PdCl2溶液、2.4ml 1%RuCl3溶液、2.59g草酰二肼溶于30ml去离子水,完全溶解后置于350℃电热板上,完全燃烧后得到催化剂Pd0.01Ru0.01Ce0.98O2-δ,制备得到的催化剂比表面积为15.6m2/g.
步骤二:催化剂的评价。
采用滴流床装置评价该催化剂降解双酚A的性能。反应条件:双酚A浓度20mg/L,催化剂装填量0.4g,反应温度200℃,进液量0.5ml/min,空气流速60ml/min,反应压力3MPa。
结果显示,反应40h后,出口BPA去除率大于96%,TOC去除率大于80%。
对比例1
步骤一:催化剂的制备。
按照实施例1中催化剂Pt和CeO2的相对含量,以氯铂酸溶液为Pt前驱、商业CeO2为载体,采用浸渍法制备得到Pt/CeO2催化剂。
步骤二:催化剂评价。
首先将步骤一所得的催化剂在滴流床中原位500℃氢气还原4h后,采用与实施例1相同的反应条件降解相同的废水。
结果显示,在反应器出口,橙黄Ⅱ降解率为100%,TOC由247mg/L降低至95mg/L。TOC结果表明大量的小分子酸类化合物作为反应中间体仍然累积在水体中,对于染料污染物氧化不彻底。
对比例2
与实施例2相比区别在于,对比例2的步骤一采用浸渍法制备5%Cu/TiO2催化剂。
结果显示,反应1h后,苯酚降解率为90%,反应完毕水中Cu离子的浓度为85mg/L。
对比例3
与实施例6相比区别在于,对比例3采用SiC颗粒取代催化剂装填在滴流床装置中。
结果显示,反应40h后,出口BPA去除率4%,TOC去除率2.1%。
通过实施例1-6可以得出,本申请提供的湿式氧化催化剂不仅具有很强的降解、氧化能力,同时具有很强的稳定性,事实证明,经过长时间的使用,其有效成分流失非常低,且仍具有很高的降解性能和氧化性能。
通过比较实施例1和对比例1可以得出,本申请提供的湿式氧化催化剂相较于常规催化剂,其使用时不需要高温焙烧、还原,操作方式更简单,并且通过比较出水TOC值,可以得出本申请提供的湿式氧化催化剂对有机污染物的氧化更彻底,性能更优。
通过比较实施例2和对比例2可以得出,本申请提供的湿式氧化催化剂有效成分的流失率远低于常规催化剂。
通过比较实施例6和对比例3可以得出,常规的无机材料填充对废水中的有机污染物几乎没有降解和氧化作用。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如,在上面的权利要求书中,所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种湿式氧化催化剂,其特征在于,包括氧化物载体和金属活性组分,所述金属活性组分以离子形式嵌入所述氧化物载体中;
所述氧化物载体包括氧化铝、氧化钛、氧化锆、稀土氧化物中的一种或多种,所述金属活性组分包括过渡金属中的一种或多种。
2.一种权利要求1所述的湿式氧化催化剂的制备方法,其特征在于,包括:
将包括前驱体、有机燃料和溶剂在内的原料混合,加热、燃烧得到所述湿式氧化催化剂;
所述前驱体包括氧化物载体前驱体和金属活性组分前驱体。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述氧化物载体前驱体包括可溶性金属盐,所述可溶性金属盐中的金属包括铝、钛、锆、稀土金属中的一种或多种;
优选地,所述可溶性金属盐包括硝酸盐、硫酸盐和氯化物中的一种或多种;
优选地,所述可溶性金属盐包括硝酸盐和硫酸盐中的一种或多种。
4.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述金属活性组分前驱体包括含有过渡金属的化合物;
优选地,所述过渡金属包括Pt、Pd、Ru、Rh、Cu、Fe、Co中的一种或多种。
5.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述有机燃料包括尿素、甘氨酸、柠檬酸、六亚甲基四胺、乙酰丙酮、肼类化合物、葡萄糖、蔗糖中的一种或多种。
6.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述溶剂包括水、乙醇、苯中的一种或多种。
7.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,以重量份数计,按照所述氧化物载体98-99.8份、所述金属活性组分0.2-2份称取所述前驱体。
8.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述有机燃料的质量为所述前驱体的总质量的5-50%。
9.如权利要求2-8任一项所述的制备方法,其特征在于,所述加热的温度为100-600℃;
优选地,所述加热的温度为250-400℃。
10.一种权利要求1所述的湿式氧化催化剂的应用,其特征在于,用于工业废水的处理。
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