CN113457694B - 一种复合催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于垃圾处理技术领域，公开了一种复合催化剂及其制备方法和应用。该复合催化剂，包括聚合氯化铁铝和绿锈，绿锈的分子式为[Fe2+ 1‑xFe3+ x(OH)2]x+[(x/2)(SO4 2‑)]x‑，其中x＝0.4‑0.5。本发明提供的复合催化剂，包括聚合氯化铁铝和绿锈，两者协同作用，对餐厨垃圾中碳水化合物、脂肪、蛋白质等均具有良好的催化降解活性，能对各种复杂形态的餐厨垃圾进行有效处理，其降解效率高，降解时间短；且处理前后不会产生二次污染，处理过程简单易操作。本发明提供的复合催化剂的制备方法简单，原料易得，成本低。
Description
技术领域
本发明属于垃圾处理技术领域，具体涉及一种复合催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
餐厨垃圾即食物残余和食品加工废料及不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物。餐厨垃圾化学成分复杂，主要包括水、无机盐、有机酸，还有蛋白质、淀粉、纤维素、杂多糖、脂肪等各种大分子有机化合物。餐厨垃圾如果处理不当可能导致疾病的传播，甚至产生二噁英等物质污染环境。因此，利用科学合理的方法处理餐厨垃圾，不仅可以防止环境污染，消除对居民身体健康的威胁，而且还可使宝贵的有机质资源得以回收利用，转化为可利用资源，在带来经济效益的同时产生环境效益与社会效益。
目前，餐厨垃圾资源化处理技术主要分为生物处理技术和非生物处理技术两大类。其中，生物处理技术主要包括好氧堆肥、厌氧消化和蚯蚓堆肥。采用生物法处理餐厨垃圾，虽然效率较高，普遍适用性较强，但也存在一定的缺陷，如当生物法处理的部分餐厨垃圾的流向是制取农畜饲料时，餐厨垃圾中残余的肉类可能会导致生化风险(例如“疯牛病”)。非生物处理技术，如化学法，其处理过程简单，效率高，成本低，但目前相关催化剂较少，且催化降解的时间长(一般大于6小时)。
因此，亟需提供一种复合催化剂，能够有效降解餐厨垃圾，且降解时间短。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种复合催化剂，能够有效降解餐厨垃圾，且降解时间短。
本发明第一方面提供了一种复合催化剂。
具体的，一种复合催化剂，包括聚合氯化铁铝和绿锈，所述绿锈的分子式为[Fe2+ 1- xFe3+ x(OH)2]x+[(x/2)(SO4 2-)]x-，其中x＝0.4-0.5。
发明人发现由聚合氯化铁铝和绿锈复合形成的催化剂，具有二维片状结构，其比表面积较大，有利于与餐厨垃圾接触反应，能有效提高降解速率和减量率，缩短降解时间。聚合氯化铁铝和铁锈具有协同作用，可生成羟基自由基氧化食物中蛋白质、碳水化合物和脂肪等有机物，大部分有机物被氧化生成有机质，小部分有机物可被氧化成水和二氧化碳，其降解效率高，降解时间短。
优选的，所述聚合氯化铁铝与绿锈的质量比为1：(1-3)；进一步优选的，所述聚合氯化铁铝与绿锈的质量比为1：(1.5-2.5)。
优选的，所述复合催化剂还包括载体，所述聚合氯化铁铝和绿锈负载于所述载体上。
优选的，所述载体选自自木屑、硅藻土和生物炭中的至少一种。
优选的，所述聚合氯化铁铝的质量为所述载体的质量的20-25％，所述绿锈的质量为所述载体的质量的40-45％。
本发明第二方面提供了一种复合催化剂的制备方法。
具体的，一种复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将含Fe3+的溶液和含Fe2+的溶液与碱液混合，调节pH至酸性或中性，产生沉淀，即得绿锈；
(2)将步骤(1)制得的绿锈与所述聚合氯化铁铝混合，加热，制得所述复合催化剂。
优选的，步骤(1)中所述调节pH的过程为调节pH至5-7；进一步优选的，步骤(1)中所述调节pH的过程为调节pH至6-7。
优选的，步骤(1)中所述Fe3+与所述Fe2+的摩尔比为1：(1.5-3.0)；进一步优选的，步骤(1)中所述Fe3+与所述Fe2+的摩尔比为1：(2.0-2.5)。
优选的，步骤(1)中所述Fe3+与所述碱液中OH-的摩尔比为1：(3.0-5.0)；进一步优选的，步骤(1)中所述Fe3+与所述碱液中OH-的摩尔比为1：(4.0-4.5)。
优选的，步骤(1)中所述碱液选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或碳酸钠中的至少一种。
优选的，在步骤(2)中，所述混合的过程中还加入载体。
优选的，步骤(2)中所述加热的温度为70-100℃，所述加热的时间为5-10h；进一步优选的，步骤(2)中所述加热的温度为80-90℃，所述加热的时间为7-8h；更优选的，步骤(2)中所述加热的温度为90℃，所述加热的时间为7h。
更为具体的，一种复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将含Fe3+的溶液和含Fe2+的溶液与碱液混合，调节pH至5-7产生沉淀，将所得沉淀加热、陈化、离心、干燥，得到绿锈；
(2)将步骤(1)制得的绿锈与所述聚合氯化铁铝混合，加热70-100℃，保持5-10h，制得所述复合催化剂。
本发明第三方面提供了一种复合催化剂的应用。
所述复合催化剂在降解餐厨垃圾中的应用。
本发明第四方面提供了一种降解餐厨垃圾的方法。
具体的，一种降解餐厨垃圾的方法，包括以下步骤：
向餐厨垃圾中加入所述复合催化剂，加热降解。
优选的，所述餐厨垃圾与所述复合催化剂的质量比为1：(0.8-1.2)。
优选的，所述加热降解的温度为70-90℃；所述加热降解的时间为1-5h；进一步优选的，所述加热降解的温度为80-90℃；所述加热降解的时间为4-5h。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的复合催化剂，包括聚合氯化铁铝和绿锈，两者协同作用，对餐厨垃圾中碳水化合物、脂肪、蛋白质等均具有良好的催化降解活性，能对各种复杂形态的餐厨垃圾进行有效处理，其降解效率高，降解时间短。
(2)本发明提供的复合催化剂能够将垃圾变废为宝，将副产物加工再利用，且处理前后不会产生二次污染，处理过程简单易操作。
(3)本发明提供的复合催化剂的制备方法简单，原料易得，成本低。
附图说明
图1为复合催化剂的XRD图；
图2为复合催化剂的SEM图；
图3为实施例1中第一次降解前餐厨垃圾状态图；
图4为实施例1中第一次降解前复合催化剂和餐厨垃圾混合图；
图5为实施例1中第一次降解后餐厨垃圾的状态图；
图6为实施例1中第二次降解前复合催化剂和餐厨垃圾混合图；
图7为实施例1中第二次降解后餐厨垃圾的状态图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1
本实施例提供一种复合催化剂，包括生物炭、聚合氯化铁铝和绿锈。该复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)制备绿锈
分别配制0.05mol/LFe2(SO4)3溶液、0.2mol/L的FeSO4·7H2O溶液和1mol/L NaOH溶液。往三口烧瓶中先加入FeSO4·H2O，恒压滴定管中再分别加入Fe2(SO4)3溶液和NaOH溶液。在氮气环境和磁力搅拌下，打开两个恒压滴定漏斗，控制pH值为7，常温搅拌反应，加热升温至40℃，陈化24h。陈化结束后，离心，干燥，得到产物绿锈。
(2)制备复合催化剂
将25g步骤(1)制备的绿锈、40g聚合氯化铁铝与100g生物炭混合，在90℃下磁力搅拌7h。搅拌后离心，分别水洗、无水乙醇洗，再放至真空干燥箱中，于60℃下干燥，得到复合催化剂。
对复合催化剂的性能进行测试，图1为复合催化剂的XRD图，由图1可知，该复合催化剂中铁主要以FeOOH和Fe4SO4(OH)10(可看作Fe(OH)3+FeSO4(OH))的形式存在。图2为复合催化剂的SEM图，由图2中a、b可知，该复合催化剂呈二维片状结构，主要是层状双金属氢氧化物[Fe2+ 1-xFe3+ x(OH)2]x+[(x/2)(SO4 2-)]x-的结构，而聚合氯化铁铝附着在层状结构表面上，此结构有利于在生物炭上的负载，也因此具有较大的比表面积，有利于与餐厨垃圾接触反应，能有效提高降解速率和减量率。
将该复合催化剂用于降解餐厨垃圾，具体步骤如下：
将米饭：蔬菜：肉类：油脂以质量比为5:2:2:1，配成餐厨垃圾；并取餐厨垃圾3.94g和复合催化剂3.94g，混合均匀，然后转移到烧瓶中，在80℃下降解5h，记为第一次降解，记录降解情况。
进一步考察复合催化剂循环降解餐厨垃圾的性能，在第一次降解完成后，在原来催化剂和剩余未降解自配餐厨垃圾的基础上再添加3.94g餐厨垃圾，在80℃下降解5h(第二次降解)，降解完成后，以此进行第三次降解。
表1.餐厨垃圾降解情况
其中减量率＝[(降解前固含量-降解后固含量)÷降解前固含量)×100％。
在餐厨垃圾中加入复合催化剂进行降解，其降解过程如图3-7所示。其中图3为第一次降解前餐厨垃圾状态图，图4为第一次降解前复合催化剂和餐厨垃圾混合图，图5为第一次降解后餐厨垃圾的状态图，图6为第二次降解前复合催化剂和餐厨垃圾混合图，图7为第二次降解后餐厨垃圾的状态图。
由图3-7可知，加入复合催化剂后，经过5h的催化降解后，餐厨垃圾中的蔬菜、肉类、油和米饭等消失，变成均质的混合液。在循环利用复合催化剂时，降解减量率虽略有下降，但仍保持较好的降解性能。
实施例2
本实施例提供一种复合催化剂，包括生物炭、聚合氯化铁铝和绿锈。该复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)制备绿锈
配制0.05mol/L Fe2(SO4)3溶液、0.25mol/L的FeSO4·7H2O溶液和1mol/L NaOH溶液。往三口烧瓶中先加入FeSO4·7H2O，恒压滴定管中再分别加入Fe2(SO4)3溶液和NaOH溶液。在氮气环境和磁力搅拌下，打开两个恒压滴定漏斗，控制pH值为7，常温搅拌反应，加热升温陈化24h。陈化结束后，离心、干燥得到绿锈。
(2)制备复合催化剂
将20g步骤(1)制备的绿锈、45g聚合氯化铁铝与100g生物炭混合，在90℃下磁力搅拌7h。搅拌后离心，分别水洗，无水乙醇洗，再放至真空干燥箱中，于60℃下干燥，得到复合催化剂。
将该复合催化剂用于降解餐厨垃圾，具体步骤如下：
将米饭：蔬菜：肉类：油脂以质量比5:2:2:1配成餐厨垃圾，并按餐厨垃圾与复合催化剂的质量比为1:0.9混合均匀，然后转移到烧瓶中，在90℃下降解4h，计算餐厨垃圾的减量率为87.3％。
实施例3
本实施例提供一种复合催化剂，包括生物炭、聚合氯化铁铝和绿锈。该复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)制备绿锈
配制0.05mol/L Fe2(SO4)3溶液、0.25mol/L的FeSO4·7H2O溶液和1mol/L NaOH溶液。往三口烧瓶中先加入FeSO4·7H2O，恒压滴定管中再分别加入Fe2(SO4)3溶液和NaOH溶液。在氮气环境和磁力搅拌下，打开两个恒压滴定漏斗，控制pH值为7，常温搅拌反应，加热升温陈化24h。陈化结束后，离心、干燥得到绿锈。
(2)制备复合催化剂
将15g步骤(1)制备的绿锈、45g聚合氯化铁铝与100g生物炭混合，在90℃下磁力搅拌7h。搅拌后离心，分别水洗，无水乙醇洗，再放至真空干燥箱中，于60℃下干燥，得到复合催化剂。
将该复合催化剂用于降解餐厨垃圾，具体步骤如下：
将米饭：蔬菜：肉类：油脂以质量比5:2:2:1配成餐厨垃圾，并按餐厨垃圾与复合催化剂的质量比为1:0.9混合均匀，然后转移到烧瓶中，在90℃下降解4h，计算餐厨垃圾的减量率为82.1％。
对比例1
对比例1与实施例3的区别在于，将绿锈用等量聚合氯化铁铝替代，复合催化剂的其余制备方法和降解方法同实施例3。计算餐厨垃圾的减量率为54.6％。
对比例2
对比例2与实施例3的区别在于，将聚合氯化铁铝用等量绿锈替代，复合催化剂的其余制备方法和降解方法同实施例3。计算餐厨垃圾的减量率为61.7％。
对比分析实施例1-3与对比例1-2，本发明将铁锈和聚合氯化铁铝共同负载在生物炭上，制得的复合催化剂，能够有效降解餐厨垃圾，餐厨垃圾的减量率高达87.3％，且循环性能较好。而不含铁锈或聚合氯化铁铝，降解能力将急剧下降。
Claims (10)
1.一种复合催化剂，其特征在于，包括聚合氯化铁铝和绿锈，所述绿锈的分子式为[Fe2 + 1-xFe3+ x(OH)2]x+[(x/2)(SO4 2-)]x-，其中x＝0.4-0.5。
2.根据权利要求1所述的复合催化剂，其特征在于，所述聚合氯化铁铝与所述绿锈的质量比为1：(1-3)。
3.根据权利要求1或2所述的复合催化剂，其特征在于，所述复合催化剂还包括载体，所述聚合氯化铁铝和绿锈负载于所述载体上。
4.根据权利要求3所述的复合催化剂，其特征在于，所述载体选自木屑、硅藻土和生物炭中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的复合催化剂，其特征在于，所述聚合氯化铁铝的质量为所述载体的质量的20-25％，所述绿锈的质量为所述载体的质量的40-45％。
6.权利要求1-5中任一项所述的复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将含Fe3+的溶液和含Fe2+的溶液与碱液混合，调节pH至酸性或中性，产生沉淀，即得绿锈；
(2)将步骤(1)制得的绿锈与所述聚合氯化铁铝混合，加热，制得所述复合催化剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述混合的过程中还加入载体。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述调节pH的过程为调节pH至5-7；步骤(2)中所述加热的温度为70-100℃，所述加热的时间为5-10h。
9.权利要求1-5中任一项所述的复合催化剂在降解餐厨垃圾中的应用。
10.一种降解餐厨垃圾的方法，其特征在于，包括以下步骤：
向餐厨垃圾中加入权利要求1-5中任一项所述的复合催化剂，加热降解。
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