CN117123209B - 一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及垃圾渗滤液处理技术领域，具体公开一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂及其制备方法。该催化剂包括载体、吸附剂和活性组分；所述载体为钛酸钡，所述吸附剂为活性炭，所述活性组分为氧化钇和氧化镨的组合。在该催化剂中，钛酸钡负载活性炭，活性炭吸附氧化钇和氧化镨。在使用该催化剂时，可以在垃圾渗滤液中，加入该催化剂，并通入臭氧，活性炭会吸附垃圾渗滤液中的有机污染物，氧化钇和氧化镨的组合能高效的催化臭氧和水等反应产生羟基自由基，羟基自由基可以直接和有机污染物反应，将有机污染物氧化分解，提升臭氧对有机污染物的氧化效率。
Description
技术领域
本申请涉及垃圾渗滤液处理技术领域，更具体地说，涉及一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂及其制备方法。
背景技术
处理垃圾渗滤液中的有机物，常用臭氧配合催化剂来氧化处理。常见的催化剂是将催化活性组分负载在沸石、陶瓷、硅胶、硅藻土、活性炭、分子筛等多孔材料表面，这些载体的比表面积大，将催化活性组分负载在这些多孔材料表面可以增加臭氧与活性组分的接触面积，从而加快羟基自由基等自由基的生成速率，这些自由基能高效的氧化污水中的有机物，从而提升将有机物氧化的速率。
相关的一些催化剂采用金属或金属氧化物作为催化活性组分，也取得了一定的效果，但其催化氧化效率还不够高，有较大的提升空间。
发明内容
鉴于相关的一些催化剂采用金属或金属氧化物作为催化活性组分，也取得了一定的效果，但其催化氧化效率还不够高的状况，本申请提出一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂，并公开该催化剂的制备方法，该催化剂能较大的提升催化氧化效率。
第一方面，本申请提出一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂，并采用如下技术方案。
一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂，所述催化剂包括载体、吸附剂和活性组分；所述载体为钛酸钡，所述吸附剂为活性炭，所述活性组分为氧化钇和氧化镨的组合。
通过采用上述技术方案，钛酸钡负载活性炭，活性炭吸附氧化钇和氧化镨。在使用该催化剂时，可以在垃圾渗滤液中，加入该催化剂，并通入臭氧，活性炭会吸附垃圾渗滤液中的有机污染物，氧化钇和氧化镨的组合能高效的催化臭氧和水等反应产生羟基自由基，羟基自由基可以直接和有机污染物反应，将有机污染物氧化分解，提升臭氧对有机污染物的氧化效率。其中，钛酸钡是一种强介电化合物材料，具有高介电常数和低介电损耗，能高效传导自由基和电荷，活性炭具有多孔结构，能高效传导自由基和电荷，钛酸钡和活性炭融合形成强导流基质，并且钛酸钡在水中的性质稳定，能持续有效的提升羟基自由基等和有机物污染物的结合效率，提升氧化有机污染物的效率。氧化钇和氧化镨在水中性质稳定，能长久发挥催化效力。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的一种优选方案为，所述载体、所述吸附剂和所述活性组分的质量比为100：（10~16）：（1.42~2.42）。
通过采用上述技术方案，吸附剂以较高浓度分散在载体中，能高效传导自由基和电荷。吸附剂在载体中的浓度过高或过低均会降低其传导自由基和电荷的效率。活性组分被吸附在吸附剂上，主导催化臭氧和水等反应生成自由基。活性组分浓度过低则催化效率低，活性组分浓度过高则容易引起自由基猝灭反应，从而也降低催化氧化效率。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的一种优选方案为，氧化钇和氧化镨的质量比为0.42：（1~2）。
通过采用上述技术方案，该比例的氧化钇和氧化镨协同催化臭氧产生羟基自由基的效率较高。
第二方面，本申请还提出一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，并采用如下技术方案。
一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，所述制备方法包括：
将钛酸钡和活性炭研磨成粉末；
取硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水混合，得到混合液；
将钛酸钡粉末、活性炭粉末和所述混合液混合均匀，得到泥料，将所述泥料制作成型，得到生坯；
将所述生坯在350℃~450℃的温度中保持8~12h，得到半成坯；
将所述半成坯1000℃~1200℃的温度中烧结3~5h，冷却得到所述催化剂。
通过采用上述技术方案，钛酸钡熔点为1618℃，在1200℃以下性质稳定，作为该催化剂的载体，承载活性炭，活性炭吸附硝酸钇、硝酸镨的热分解产物，硝酸钇、硝酸镨在500~1000℃区间热分解，产生氧化钇和氧化镨，氧化钇和氧化镨在水中性质稳定，能长久的保持其催化氧化效力。粘合剂粘合各组分。分散剂促进各组分分散均匀，相互渗透。其中将所述生坯在350℃~450℃的温度中保持8~12h，可以使所述生坯预固结并分解所述生坯中的粘合剂和分散剂，若直接在1000℃~1200℃的烧结步骤中来去除粘合剂和分散剂，则粘合剂和分散剂容易和烧结产生的氧化钇和氧化镨反应，降低催化臭氧产生自由基的效率。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法的一种优选方案为，所述钛酸钡粉末和所述活性炭粉末的粒径均≤75μm。
通过采用上述技术方案，该粒径下的钛酸钡粉末和活性炭粉末能相互分散均匀，能较好的吸附活性组分，传导自由基的效率高。粒径≤75μm可以通过将粉末通过200目筛来实现。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法的一种优选方案为，所述粘合剂为聚乙烯醇。
通过采用上述技术方案，聚乙烯醇对钛酸钡、活性炭、硝酸钇和硝酸镨的粘合效果好。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法的一种优选方案为，所述分散剂为甲基戊醇。
通过采用上述技术方案，甲基戊醇促进钛酸钡、活性炭、硝酸钇和硝酸镨的相互分散。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法的一种优选方案为，制备所述混合液时，所添加的硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水的质量比为1：（2~4）：（0.2~0.4）：（0.1~0.3）：（35~45）。
通过采用上述技术方案，各组分分散均匀，相互作用效果显著，使催化剂有良好的牢固度、吸附性和导通性，具有长久的使用寿命和良好的催化效率。
其中，硝酸钇的热分解方程式如下：
4Y(NO3)3→2Y2O3+12NO2+3O2
硝酸钇的相对分子量为275，氧化钇的相对分子量为226。可以算出，硝酸钇热分解生成氧化钇的投入产出质量比为1100:452=2.4。
硝酸镨的热分解方程式如下：
12Pr(NO3)3→2Pr6O11+36NO2+7O2
硝酸镨的相对分子量为345，氧化镨的相对分子量为1021。可以算出，硝酸镨热分解生成氧化镨的投入产出质量比为4140:2042=2.0。
硝酸钇、硝酸镨的质量比为1：（2~4），对应生成的氧化钇和氧化镨的质量比为0.42：（1~2）。
作为该用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法的一种优选方案为，制备所述生坯所投入的钛酸钡、活性炭和混合液的质量比为100：（10~16）：（38.3~50.7）。
通过采用上述技术方案，各成分有效配合，共同发挥高效的催化作用。对应生成的钛酸钡（载体）、活性炭（吸附剂）和活性组分（氧化钇和氧化镨）的质量比为100：（10~16）：（1.42~2.42）。
综上以上，本申请的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂及其制备方法具备以下有益效果：
钛酸钡负载活性炭，活性炭吸附氧化钇和氧化镨。在使用该催化剂时，可以在垃圾渗滤液中，加入该催化剂，并通入臭氧，活性炭会吸附垃圾渗滤液中的有机污染物，氧化钇和氧化镨的组合能高效的催化臭氧和水等反应产生羟基自由基，羟基自由基可以直接和有机污染物反应，将有机污染物氧化分解，提升臭氧对有机污染物的氧化效率。其中，钛酸钡是一种强介电化合物材料，具有高介电常数和低介电损耗，能高效传导自由基和电荷，活性炭具有多孔结构，能高效传导自由基和电荷，钛酸钡和活性炭融合形成强导流基质，并且钛酸钡在水中的性质稳定，能持续有效的提升羟基自由基等和有机物污染物的结合效率，提升氧化有机污染物的效率。氧化钇和氧化镨在水中性质稳定，能长久发挥催化效力。
钛酸钡熔点为1618℃，在1200℃以下性质稳定，作为该催化剂的载体，承载活性炭，活性炭吸附硝酸钇、硝酸镨的热分解产物，硝酸钇、硝酸镨在500~1000℃区间热分解，产生氧化钇和氧化镨，氧化钇和氧化镨在水中性质稳定，能长久的保持其催化氧化效力。其中将所述生坯在350℃~450℃的温度中保持8~12h，可以使所述生坯预固结并分解所述生坯中的粘合剂和分散剂，若直接在1000℃~1200℃的烧结步骤中来去除粘合剂和分散剂，则粘合剂和分散剂容易和烧结产生的氧化钇和氧化镨反应，降低催化臭氧产生自由基的效率。
附图说明
图1为试验例1使用实施例1、对比例1和对比例2制备的三种催化剂分别辅助臭氧处理垃圾渗滤液，得到的水样COD去除率折线图。
具体实施方式
实施例1
取钛酸钡和活性炭研磨成粉末，过200目筛。
取硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水按质量比1：3：0.3：0.2：40混合，得到混合液。其中，粘合剂为聚乙烯醇，分散剂为甲基戊醇。
将研磨得到的钛酸钡粉末、活性炭粉末和配置的混合液按质量比100：13：44.5混合均匀，得到泥料，将泥料制作成型，得到生坯。
将生坯在400℃的温度中保持10h，得到半成坯。
将半成坯在1100℃的温度中烧结4h，冷却得到催化剂。
实施例2
取钛酸钡和活性炭研磨成粉末，过200目筛。
取硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水按质量比1：2：0.2：0.1：35混合，得到混合液。其中，粘合剂为聚乙烯醇，分散剂为甲基戊醇。
将研磨得到的钛酸钡粉末、活性炭粉末和配置的混合液按质量比100：10：38.3混合均匀，得到泥料，将泥料制作成型，得到生坯。
将生坯在350℃的温度中保持8h，得到半成坯。
将半成坯在1000℃的温度中烧结3h，冷却得到催化剂。
实施例3
取钛酸钡和活性炭研磨成粉末，过200目筛。
取硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水按质量比1：4：0.4：0.3：45混合，得到混合液。其中，粘合剂为聚乙烯醇，分散剂为甲基戊醇。
将研磨得到的钛酸钡粉末、活性炭粉末和配置的混合液按质量比100：16：50.7混合均匀，得到泥料，将泥料制作成型，得到生坯。
将生坯在450℃的温度中保持12h，得到半成坯。
将半成坯在1200℃的温度中烧结5h，冷却得到催化剂。
对比例1
本对比例采用和实施例1基本相同的方法制备一种催化剂，唯一不同在于以氧化铝代替钛酸钡，其他试验步骤和各试剂添加量等均相同。
对比例2
本对比例采用和实施例1基本相同的方法制备一种催化剂，只有两点不同，不同之一为以氧化铝代替钛酸钡，不同之二为将半成坯的烧结温度由1100℃提高到1400℃，其他试验步骤和各试剂添加量等均相同。
试验例1
取实施例1制备的催化剂、对比例1制备的催化剂和对比例2制备的催化剂，分别处理同一批垃圾渗滤液。在相同的三个容器中分别加入1L的同一批垃圾渗滤液，分别通入臭氧，臭氧流量均为0.2L/min，第一个容器加入0.1g实施例1制备的催化剂，第二个容器加入0.1g对比例1制备的催化剂，第三个容器加入0.1g对比例2制备的催化剂，进行相同条件的搅拌处理，反应60min。使用COD检测仪分别测定水样（垃圾渗滤液）在试验前，以及试验10min、20min、30min、40min、50min、60min时的COD。
COD（化学需氧量）是指水中可被氧化物直接化学氧化的物质总量。
如图1，计算得到实施例1、对比例1和对比例2在10min、20min、30min、40min、50min、60min时的COD去除率。其中，应用实施例1制备的催化剂对水样的60min COD去除率为75%，应用对比例1制备的催化剂对水样的60min COD去除率为66%，应用对比例2制备的催化剂对水样的60min COD去除率为50%。测试COD的方法参照《 HJ/T399-2007 水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法》执行。
实施例1的催化剂的催化效果优于对比例1，这是由于钛酸钡和活性炭融合形成强导流基质，并且钛酸钡在水中的性质稳定，能持续有效的提升羟基自由基等和有机物污染物的结合效率，提升氧化有机污染物的效率，钛酸钡和活性炭的组合由于氧化铝和活性炭的组合。
对比例1的催化剂的催化效果优于对比例2，这是因为对比例2的烧结温度过高使得氧化铝中的微孔闭合，降低其比表面积，降低催化效率。
对比例3
本对比例采用和实施例1基本相同的方法制备一种催化剂，唯一不同在于将粘合剂由聚乙烯醇替换为质量比为1:1的羟丙基纤维素和聚乙二醇的组合剂，该组合剂的添加质量和聚乙烯醇的添加质量相等。
对比例4
本对比例采用和实施例1基本相同的方法制备一种催化剂，唯一不同在于，将硝酸钇全部替换为硝酸镨，本对比例的硝酸镨用量和实施例1的硝酸钇和硝酸镨的用量之和相同。
对比例5
本对比例采用和实施例1基本相同的方法制备一种催化剂，唯一不同在于，将硝酸镨全部替换为硝酸钇，本对比例的硝酸钇用量和实施例1的硝酸钇和硝酸镨的用量之和相同。
对比例6
本对比例采用和实施例1基本相同的方法制备一种催化剂，唯一不同在于，本对比例不加入分散剂甲基戊醇。
采用和试验例1相同的试验方法测试对比例3~6制备的催化剂对垃圾渗滤液的COD去除率，唯一不同在于本次只测试初始和60min的COD，计算得到60min COD去除率，所处理的垃圾渗滤液和试验例1处理的垃圾渗滤液为同一批，该测试结果和实施例1的测试结果进行比较，如下表1。
表1 实施例1、对比例3~6制备的催化剂对垃圾渗滤液的60min COD去除率
| COD去除率 | |
| 实施例1 | 75% |
| 对比例3 | 68% |
| 对比例4 | 41% |
| 对比例5 | 36% |
| 对比例6 | 59% |
由表1的结果可以看出，实施例1以聚乙烯醇作为粘合剂，相比于对比例3以质量比为1:1的羟丙基纤维素和聚乙二醇作为粘合剂，对催化剂的催化效率有更好的提升作用。实施例1以硝酸钇和硝酸镨的组合作为催化活性成分原料，相比于对比例4只以单一的硝酸镨作为催化活性成分原料，以及对比例5只以单一的硝酸钇作为催化活性成分原料，所制得的催化剂的催化效率更高。对比例6相比于实施例1，不添加分散剂甲基戊醇，使得对比例6制备的催化剂的催化氧化效率从75%下降至59%，这是因而缺少了分散剂促进各组分的相互分散和相互渗透作用，制备的催化剂的催化效力明显下降。
综合以上，各实施例采用钛酸钡作为载体，以活性炭为吸附剂，以硝酸钇和硝酸镨的组合作为催化活性成分原料热分解生成氧化钇和氧化镨，以聚乙烯醇作为粘合剂，并添加了甲基戊醇作为分散剂，其中，钛酸钡负载活性炭，活性炭吸附氧化钇和氧化镨，在辅助臭氧处理垃圾渗滤液的过程，活性炭会吸附垃圾渗滤液中的有机污染物，氧化钇和氧化镨的组合能高效的催化臭氧和水等反应产生羟基自由基，羟基自由基可以直接和有机污染物反应，将有机污染物氧化分解，提升臭氧对有机污染物的氧化效率。该催化剂在水中的性质稳定，能长久有效的催化臭氧和有机物污染物的氧化反应，提升对有机污染物的氧化处理效率。
以上仅是本申请的一些实施例，本申请的保护范围并不局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创意设计前提下的若干改进和润饰，也应落入本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂，其特征在于，所述催化剂包括载体、吸附剂和活性组分；所述载体为钛酸钡，所述吸附剂为活性炭，所述活性组分为氧化钇和氧化镨的组合；
所述载体、所述吸附剂和所述活性组分的质量比为100：（10~16）：（1.42~2.42）。
2.根据权利要求1所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂，其特征在于，氧化钇和氧化镨的质量比为0.42：（1~2）。
3.一种如权利要求1或2所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将钛酸钡和活性炭研磨成粉末；
取硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水混合，得到混合液；
将钛酸钡粉末、活性炭粉末和所述混合液混合均匀，得到泥料，将所述泥料制作成型，得到生坯；
将所述生坯在350℃~450℃的温度中保持8~12h，得到半成坯；
将所述半成坯1000℃~1200℃的温度中烧结3~5h，冷却得到所述催化剂。
4.根据权利要求3所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，其特征在于，所述钛酸钡粉末和所述活性炭粉末的粒径均≤75μm。
5.根据权利要求3所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为聚乙烯醇。
6.根据权利要求3所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，其特征在于，所述分散剂为甲基戊醇。
7.根据权利要求3所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述混合液时，所添加的硝酸钇、硝酸镨、粘合剂、分散剂和水的质量比为1：（2~4）：（0.2~0.4）：（0.1~0.3）：（35~45）。
8.根据权利要求3所述的用于垃圾渗滤液氧化处理的催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述生坯所投入的钛酸钡、活性炭和混合液的质量比为100：（10~16）：（38.3~50.7）。
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