CN114700070A - 一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳及其制备方法 - Google Patents

一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于处理垃圾渗滤液的锰‑碱土金属/杂原子多孔碳及其制备方法，包括以下步骤：将经过酸洗后的活性炭于溶剂中超声分散后与氮源混合吸附，干燥后在保护气体气氛中炭化，制得含氮的多孔碳前驱体；再将含氮的多孔碳前驱体于溶剂中超声分散后，加入硝酸锰、碱土金属盐和沉淀剂，通过浸渍、沉淀和干燥处理后，放入活化气体中活化，得锰‑碱土金属/杂原子多孔碳。本发明以锰作为主要的活性金属，通过碱土金属和杂原子掺杂来调控催化剂表面酸碱性质和增强金属与多孔碳载体之间的相互作用，进而增强催化剂催化臭氧化处理垃圾渗滤液的活性和稳定性。

Description

一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳及其 制备方法
技术领域
本发明属于功能多孔碳材料制备技术领域，具体涉及到一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳及其制备方法。
背景技术
垃圾渗滤液是城市生活垃圾在堆放和安全处置过程中由于雨水的淋洗、冲刷以及地表水和地下水的浸泡，通过萃取、水解和发酵而产生的二次污染物，具有水质波动大、水质成份复杂、氨氮含量、盐度含量、金属含量高、色度大、有机物浓度高且毒性大等特点。如何有效处理垃圾渗滤液一直是生活垃圾安全处置和资源化利用的难点和痛点，也是实现绿色低碳循环发展和美丽中国建设的必然要求，对增加水资源供给、减少水环境污染和保障水生态安全具有重要意义。
当前，垃圾渗滤液主流处理工艺是采用“物化预处理+生物处理法+超滤/纳滤/反渗透多级膜”组合工艺。但是该工艺在实际运行过程中依然会产生近20％高浓度、难生化降解的膜浓缩液。因此，开发高效灵活、适应性强的垃圾渗滤液膜浓缩液处理工艺成为当前研究重点。
在成份复杂、难生化降解有机废水的众多处理方法中，催化臭氧化技术具有操作条件温和(常温常压)、脱色和深度氧化能力强、无污泥、设备占地面积小等优点，已在工程实践中被广泛用于高浓度难降解有机废水的处理中。因此，本发明将选择催化臭氧化作为核心技术用于处理垃圾渗滤液，其应用关键在于高效稳定催化剂的开发。
在具有催化臭氧化活性的金属中(Mn、Fe、Ce等)，Mn体现出较为优异的催化活性，并且Mn多以负载型催化剂的形式用于催化臭氧化处理有机废水中。在众多载体中以多孔碳材料作为载体最为常见，主要是利用多孔碳材料具有环境友好、比表面积大、孔隙发达、耐水热、耐酸碱、表面性质易于调控等优异性质，可以实现活性金属的高度分散和稳定附着。但是传统的Mn/多孔碳多相催化臭氧化催化剂还是无法完全避免金属溶出、催化剂活性和稳定性差的问题。因此，如何创新Mn/多孔碳多相催化臭氧化催化剂的制备方法，以提高活性金属Mn在多孔碳表面的稳定附着、产生更多的反应活性位点，成为Mn/多孔碳多相催化臭氧化催化剂用于处理垃圾渗滤液等有机废水所亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳及其制备方法，以锰作为主要的活性金属，通过碱土金属和杂原子掺杂来调控催化剂表面酸碱性质和增强金属与多孔碳载体之间的相互作用，进而提高臭氧利用率和增强催化剂催化臭氧化处理垃圾渗滤液的活性和稳定性。
为达上述目的，本发明提供了一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，包括以下步骤：
(1)将经过酸洗的活性炭于溶剂中超声分散后与氮源混合吸附，干燥后在保护气体气氛中炭化，制得含氮的多孔碳前驱体；
(2)将含氮的多孔碳前驱体于溶剂中超声分散后，加入硝酸锰、碱土金属盐和沉淀剂，通过浸渍、沉淀和干燥处理后，于活化气体中活化，制得锰-碱土金属/杂原子多孔碳。
进一步地，酸洗溶液为盐酸、硫酸或硝酸，酸性溶液的浓度为1～3mol/L，活性炭与酸性溶液的质量比为1:5～15，酸洗时长为12～48h。
进一步地，氮源为双氰胺、三聚氰胺、尿素、苯胺或吡咯，氮源与活性炭的质量比为1:5～20。
进一步地，碱土金属盐为硝酸镁、硝酸钙或硝酸钡，碱土金属盐与硝酸锰的质量比为1:1～10，硝酸锰与含氮多孔碳的质量比为1:10～20。
进一步地，沉淀剂为氨水或碳酸钠，沉淀剂的浓度为0.5～2mol/L，沉淀终点pH为7。
进一步地，步骤(1)中吸附的时间为12～48h，保护气体的温度为600～900℃，炭化时间为1～3h。
进一步地，步骤(2)中吸附的时间为6～40h，活化气体的温度为300～600℃，活化时间为2～5h，活化气体为氢气、二氧化碳或空气。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明选用Mn作为催化剂的主活性组分，相比于其他过渡金属(Co、Ni、Cu、Fe等)而言，Mn更易发生多种价态的氧化还原循环，可促进催化臭氧化过程的电子传递和增强晶格氧(Olat)与氧空位间(Ovac)的相互转化，进而表现出相对优异的催化臭氧化活性；
2、本发明选用碱土金属作为调控金属，对于催化臭氧化反应来说，碱土金属易发生水化反应，在表面可形成更多羟基官能团，可进一步提升催化活性；此外，锰与碱土金属之间还易于形成Mn-O-M键，可有效避免Mn的溶出；
3、通过氮掺杂改性处理会改变多孔碳表面局部电子结构，形成局部的富电子区域，一方面可提升多孔碳本身的催化性能；另一方面还可与负载金属间形成M-Nx活性结构，从而提高催化活性和稳定性。
附图说明
图1为不同碱土金属作为调控组分制备的锰-碱土金属/杂原子掺杂多孔碳催化臭氧化处理垃圾渗滤液的曲线图；
图2为不同Ca含量的锰-碱土金属/杂原子掺杂多孔碳催化臭氧化处理垃圾渗滤液曲线图；
图3为不同活化温度的锰-碱土金属/杂原子掺杂多孔碳催化臭氧化处理垃圾渗滤液曲线图；
图4为不同煅烧气氛下的锰-碱土金属/杂原子掺杂多孔碳催化臭氧化处理垃圾渗滤液曲线图；
图5为不同含量N掺杂的锰-碱土金属/杂原子掺杂多孔碳催化臭氧化处理垃圾渗滤液曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。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
本实施例提供了一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，包括以下步骤：
(1)将活性炭置于1mol/L盐酸溶液中酸洗12h，经洗涤、干燥后得到除去表面灰分和金属杂质的活性炭；活性炭与盐酸溶液的质量比为1:10。
(2)将(1)得到的活性炭称取20g加入40ml去离子水中超声分布均匀后作为碳模板，加入三聚氰胺混合吸附12h，氮源与活性炭的质量比为1:10，干燥后，在850℃氮气气氛中炭化2h，得到含氮多孔碳前驱体。
(3)将(2)得到的含氮多孔碳前驱体加入去离子水中超声分布均匀后，加入硝酸锰，再加入硝酸钙，然后以氨水为沉淀剂调pH＝7，通过浸渍-沉淀处理后混合吸附12h后烘干，得到前驱物；硝酸锰与含氮多孔碳的质量比为1:20；硝酸钙与硝酸锰的质量比为3:10，氨水浓度为0.5mol/L。
(4)将(3)制备的前驱物置于H2-Ar气氛中，在350℃温度下活化2h，得到锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-3Ca@ACN350。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例将硝酸钙替换为等量的硝酸镁，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-3Mg@ACN350。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例将硝酸钙替换为等量的硝酸钡，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-3Ba@ACN350。
试验例1
在室温、催化剂加量为1g/L、氧气进口流量为1.25L/min的工艺条件下，采用6g/h的臭氧发生器，将实施例1-3制备的3种锰-碱土金属杂原子多孔碳用于催化臭氧化降解初始COD为3000～4000mg/L的垃圾渗滤液，相应实验结果如图1所示。
分析实验结果可知，在相同碱土金属的加量下，以硝酸钙作为调控组分所制备的催化剂比其他碱土金属作为调控组分所制备的催化剂活性更高，其对垃圾渗滤液的COD去除率最大为87％。
实施例4
本实施例提供了一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，包括以下步骤：
(1)将活性炭置于1mol/L盐酸溶液中酸洗12h，经洗涤、干燥后得到除去表面灰分和金属杂质的活性炭；活性炭与盐酸溶液的质量比为1:10。
(2)将(1)得到的活性炭称取20g加入40ml去离子水中超声分布均匀后作为碳模板，加入三聚氰胺混合吸附12h，氮源与活性炭的质量比为1:10，干燥后，在850℃氮气气氛中炭化2h，得到含氮多孔碳前驱体。
(3)将(2)得到的含氮多孔碳前驱体加入去离子水中超声分布均匀后，加入硝酸锰，再加入硝酸钙，然后以氨水为沉淀剂调pH＝7，通过浸渍-沉淀处理后混合吸附12h后烘干，得到前驱物；硝酸锰与含氮多孔碳的质量比为1:20；硝酸钙与硝酸锰的质量比为0:1，氨水浓度为0.5mol/L。
(4)将(3)制备的前驱物置于H2-Ar气氛中，在350℃温度下活化2h，得到锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn@ACN350。
实施例5
与实施例4不同的是，本实施例中硝酸钙与硝酸锰的质量比为0.2:1，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-2Ca@ACN350。
实施例6
与实施例4不同的是，本实施例中硝酸钙与硝酸锰的质量比为0.5:1，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@ACN350。
实施例7
与实施例4不同的是，本实施例中硝酸钙与硝酸锰的质量比为0.8:1，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-8Ca@ACN350。
试验例2
在室温、催化剂加量为1g/L、氧气进口流量为1.25L/min的工艺条件下，采用6g/h的臭氧发生器，将实施例4-7制备的4种锰-碱土金属/氮掺杂多孔碳催化剂用于催化臭氧化降解初始COD为3000～4000mg/L的垃圾渗滤液，相应实验结果如图2所示。
分析实验结果可知，在硝酸钙的不同加量下，硝酸钙与硝酸锰的质量比为0.5：1时所制备的催化剂比其他硝酸钙含量所制备的催化剂活性更高，对垃圾渗滤液的COD去除率最大为93％。其主要原因是碱土金属加入太少时形成的活性位点不够多，催化活性不够高；而当碱土金属加入过多时活性位点会被覆盖，导致催化剂活性降低。
实施例8
与实施例6不同的是，本实施例的步骤(4)中的活化温度为200℃，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@ACN200。
实施例9
与实施例6不同的是，本实施例的步骤(4)中的活化温度为500℃，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@ACN500。
试验例3
在室温、催化剂加量为1g/L、氧气进口流量为1.25L/min的工艺条件下，采用6g/h的臭氧发生器，将实施例6以及实施例8-9制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳用于催化臭氧化降解初始COD为3000～4000mg/L的垃圾渗滤液，相应实验结果如图3所示。
分析实验结果可知，在相同碱土金属的加量下，活化温度为350℃所制备的催化剂活性更高，对垃圾渗滤液的COD去除率最大为91％。其主要原因是，活化温度太低时碱土金属未与Mn原子形成Mn-O-M键，而活化温度太高时，金属之间发生团聚，从而导致催化活性降低。
实施例10
与实施例6不同的是，本实施例步骤(4)中为二氧化碳气氛，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@ACN/CO2。
实施例11
与实施例6不同的是，本实施例步骤(4)中为氮气气氛，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@ACN/N2。
试验例4
在室温、催化剂加量为1g/L、氧气进口流量为1.25L/min的工艺条件下，采用6g/h的臭氧发生器，将实施例6以及实施例10-11制备的三种锰-碱土金属/氮掺杂多孔碳催化剂用于催化臭氧化降解初始COD为3000～4000mg/L的垃圾渗滤液，相应实验结果如图4所示。
分析实验结果可知，煅烧气氛为H2-Ar时制备的催化剂催化性能较好，对垃圾渗滤液COD去除率为90％。这主要是由于还原气氛下，活性金属以低价态形式存在且会形成氧空位，导致催化臭氧活化的能力增强，进而使得COD去除率增大。
实施例12
与实施例6不同的是，本实施例步骤(2)中氮源与活性炭的质量比为0:10，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@AC。
实施例13
与实施例6不同的是，本实施例步骤(2)中氮源与活性炭的质量比为0.5:10，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@AC5N。
实施例14
与实施例6不同的是，本实施例步骤(2)中氮源与活性炭的质量比为1.5:10，制得的锰-碱土金属/杂原子多孔碳，命名为Mn-5Ca@AC15N。
试验例5
在室温、催化剂加量为1g/L、氧气进口流量为1.25L/min的工艺条件下，采用6g/h的臭氧发生器，将实施例6以及实施例12-14制备的四种锰-碱土金属/氮掺杂多孔碳催化剂用于催化臭氧化降解初始COD为3000～4000mg/L的垃圾渗滤液，相应实验结果如图5所示。
分析实验结果可知，氮源与活性炭的质量比为1:10制备的催化剂催化性能较好，对垃圾渗滤液COD去除率为91％。这主要原因在于，含氮量越大，在活性炭表面本身就可以形成更多的活性含氮官能团进而增强活化臭氧的能力，同时也可增强与活性金属之间相互作用，起到活化金属的作用，进而提升催化剂的催化臭氧化性能。
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将经过酸洗的活性炭于溶剂中超声分散后与氮源混合吸附，干燥后在保护气体气氛中炭化，制得含氮的多孔碳前驱体；
(2)将含氮的多孔碳前驱体于溶剂中超声分散后，加入硝酸锰、碱土金属盐和沉淀剂，通过浸渍、沉淀和干燥处理后，于活化气体中活化，制得锰-碱土金属/杂原子多孔碳。
2.如权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液为盐酸、硫酸或硝酸，所述酸性溶液的浓度为1～3mol/L，所述活性炭与酸性溶液的质量比为1:5～15，所述酸洗时长为12～48h。
3.如权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，所述氮源为双氰胺、三聚氰胺、尿素、苯胺或吡咯，所述氮源与活性炭的质量比为1:5～20。
4.如权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，所述碱土金属盐与硝酸锰的质量比为1:1～10，硝酸锰与含氮多孔碳的质量比为1:10～20。
5.如权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为氨水或碳酸钠，所述沉淀剂的浓度为0.5～2mol/L，所述沉淀终点pH为7.0。
6.如权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中吸附的时间为12～48h，保护气体的温度为600～900℃，炭化时间为1～3h。
7.如权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中吸附的时间为6～40h，活化气体为氢气、二氧化碳或空气，活化气体的温度为300～600℃，活化时间为2～5h。
8.采用权利要求1-7任一项所述的用于处理垃圾渗滤液的锰-碱土金属/杂原子多孔碳的制备方法制备得到的锰-碱土金属/杂原子多孔碳。
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