CN1194626A - 废水催化氧化处理方法 - Google Patents

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Abstract

在环境温度和压力下在一种多相催化剂的存在下使用过氧化氢、氧气或臭氧经济而有效地处理含有各种污染物的废水,所述的多相催化剂包括负载在选自PbO2,ZrO2,TiO2,MgO以及它们的混合物的一种金属氧化物上的选自Ru,Co,Fe,Cu,Mn,Li以及它们的混合物的元素。

Description

废水催化氧化处理方法
发明领域
本发明涉及在温和的条件下使用一种催化剂对废水进行氧化处理的方法，以及适用于所述的处理方法的催化剂。
发明背景
各种工厂排出的工业废水通常含有采用基于活性污泥处理的简单的生物方法不能除去的有毒污染物。因此，例如使用化学方法，或将化学方法和生物方法结合使用来处理废水，以达到污水的排放标准。
废水的化学处理方法中使用可以氧化、还原、复合或水解存在于废水中的污染物的化学试剂，一种经典的化学处理方法是使用氧化剂，例如，过氧化氢、臭氧、高锰酸盐、次氯酸盐等。但是，这种传统的氧化方法存在的问题是，所用的氧化剂与污染物的反应活性对反应条件的要求很苛刻，即通常需要高温高压的条件。此外，这种传统的氧化方法还具有其他的问题，例如，当使用碱氯化方法从废水中除去氰化物时，氯可以与废水中的其他成分反应生成可能有毒并不易除去的氯化物。因此，人们为开发不受上述问题影响的方法付出了许多努力。例如，“日本催化剂”，35(5)，289(1993)报道了在250℃，10-70个大气压下通过一种催化方法从废水中氧化除去有毒污染物的方法。但是，该方法使用苛刻的条件，因此是不经济的。
此外，最近开发了一种通过在使用氧化剂的同时辐射紫外光而提高污染物的反应活性的方法(见Ollis.D.F.的“环境科学技术”，26，313，1992)。但是，该方法也需要高的处理成本。
因此，需要开发一种能够在温和的条件下，例如在环境温度和压力下有效地氧化废水中的污染物的催化方法。
发明概述
因此，本发明的首要目的就是提供一种能够在温和的条件下使用一种氧化剂有效地处理废水的催化方法。
本发明的另一个目的是提供一种适用于所述催化方法的多相催化剂。
本发明一方面提供了一种在环境温度和压力下使用过氧化氢、空气或臭氧处理废水流的催化方法。
本发明另一方面提供了一种氧化处理废水的催化剂，该催化剂包括负载在一种金属氧化物上的选自过渡金属、碱金属、碱土金属以及它们的混合物的元素。发明详述
根据本发明，通过在一种特定催化剂的存在下使用一种氧化剂，可以在温和的条件下，例如在环境温度和压力下，经济而有效地处理含有多种有毒污染物的工业废水。
本发明的方法适用于处理各种过程产生的工业废水，包括石油化学和炼油过程、煤化学过程以及其它的制备农用化学品、聚合物、染料、玻璃、电及电子元件、纸张、织物、机器和人造革等过程产生的工业废水。
根据本发明，从废水中除去的有代表性的化合物包括：酚化合物，例如苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、三氯苯酚、四氯苯酚和五氯苯酚；氯代脂族化合物，例如氯仿、四氯化碳、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、四氯乙烷、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯及四氯乙烯；苯和氯代苯，例如一氯苯、二氯苯、三氯苯、四氯苯和六氯苯；醇，例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇和甲酚；甲苯；二甲苯；乙氰；二丙基甲酰胺；硫醇；甲乙酮；硝基苯；有机磷化合物；苯邻二甲酰亚胺；喹啉；氰化物等。
可用于本发明的有代表性的氧化剂包括：空气、氧气、过氧化氢、N2O和臭氧，其中空气、氧气、过氧化氢和臭氧是优选的。氧化剂的使用量是能使废水中的COD值(化学需氧量)降低到所需程度的适合量。
氧化优选是在水溶液中进行，但对于特殊的目的，例如选择性氧化，也可使用有机溶剂。当使用空气或氧气作为氧化剂时，优选为使氧化在小于5大气压的操作压力下进行。
根据本发明，与氧化剂同时使用一种多相催化剂。所述催化剂是通过用一种含有选自过渡金属、碱金属、碱土金属以及它们的混合物的金属元素的水溶液或有机溶液浸渍一种载体材料而制备的。
适合于制备本发明的催化剂的金属元素可以是Li，Na，K，Ru，Co，Fe，Pt，Pd，Cu，Zn，Mn，Ni，Co，Rh，Cr，Mo以及它们的混合物；优选为Ru，Co，Fe，Cu，Mn和它们的混合物。所述的金属元素可以是溶于水中或有机溶剂中的形式，它们的氯化物或硝酸盐的使用量以所用的载体材料计为0.0001-100％(重量)，优选为0.01-50％(重量)，最优选为0.1-10％(重量)。
所述的载体材料可以是Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Pb，As，Sb，Bi，Se，Zn，Cd，Fe，Mn，Cr，Mo，W，V，Nb，Ti，Zr，Hf，Ta，Mg，Ca，Ba，Sr，镧系元素，锕系元素或它们的混合物的氧化物。优选的载体材料是PbO2，MgO，CaO，BaO，MnO，Fe2O3，Fe3O4，TiO2，SiO2，Al2O3，SnO，ZrO或它们的混合物；更优选的是PbO2，ZrO，TiO2，MgO或它们的混合物。
优选的催化剂是负载于MgO上的过渡金属催化剂，最优选的催化剂是Fe/MgO。
本发明的催化剂是通过将按照如上所述的本发明的实施方案浸渍过的材料在200-600℃，优选为400℃干燥并煅烧0.1-24小时，优选为2小时而制备的。催化剂可以是粉末的形式，也可以是丸片状或球状。在本发明中，废水处理的流速优选为0.001-1,000LHSV(液体时空间速度：每小时对每单位体积的催化剂加入的废水的体积)。
本发明的废水处理方法可以通过使用任何已知的反应器体系来实现，例如固定床反应器、流化床反应器、淤浆反应器及其它反应器。如果需要，可以从反应器中回收催化剂，通过干燥和煅烧再生而循环使用。
本发明催化剂的反应活性通常随着废水的pH值的降低而升高。但是，由于催化剂的活性成分在强酸性条件下可能被浸提出来，废水的pH值优选为调整到3或更高，更优选为6或更高。
本发明的一个重要的特点是废水的处理可以在环境温度和压力下有效地进行，虽然在本发明方法允许的较高温度下进行废水的处理可能会获得更高的效率。本发明的方法优选为在低于100℃的温度下进行，更优选为在低于50℃的温度下进行。
下列实施例用于说明本发明，而不是限制本发明的范围。实施例1：催化剂的制备
通过下面方法制备本发明的Ru/MgO催化剂：将0.21克RuCl3溶解于50毫升水中，用得到的溶液浸渍10克MgO(325目)，干燥得到的材料，并在400℃煅烧2小时，得到以组合物的总重量计负载有1％(重量)Ru的催化剂。
使用其它金属氯化物或硝酸盐与适当的金属氧化物载体重复相同的过程，分别制得Fe/MgO，Li/MgO，Co/MgO，Co/Li/MgO，Cu/MgO，Cu-Fe/MgO，Mn/MgO，Cu-Fe-Mn/MgO，Fe/PbO2，Li/PbO2，Co/PbO2，Co/Li/PbO2，Ru/PbO2，Fe/TiO2，Fe-Cu/TiO2，Cu/TiO2，Mn/TiO2，Fe-Cu-Mn/TiO2，Fe/ZrO，Cu-Fe/ZrO，Mn/ZrO以及Cu-Fe-Mn/ZrO催化剂。实施例2：氰化物离子的处理
在一个1升的搅拌的间歇反应器中，将由KCN溶于水得到的0.5升含有300ppm氰化物离子的水溶液用0.84毫升35％的过氧化氢在20℃、1大气压下并有0.5克由实施例1制备的Ru/MgO催化剂的存在下处理。在这一处理过程中，过氧化氢的用量为每摩尔氰化物离子1.5摩尔，催化剂的用量相应为0.5克/升，废水的pH值为10。用列于表1中的其它催化剂并在不加催化剂的情况下重复上述过程。
在开始处理时和处理5分钟后分别测定废水中的氰化物浓度，结果列于表1中。
表1
催化剂 Ru/MgO  Fe/MgO  Co/Li/MgO   Ru/PbO2   无催化剂
Ct/Ci 0.35  0.30  0.30   0.30   0.90
Ci：开始处理时废水中的氰化物离子浓度Ct：处理5分钟后废水中的氰化物离子浓度
从上表可以看出，在不使用催化剂时，氧化反应进行得很慢。而当使用了根据本发明的催化剂时，氧化去除氰化物离子的过程很迅速；在5分钟后，大于65％的氰化物离子被除去。实施例3：人造革制备过程中产生的废水的处理
使用表2中的各种催化剂按照实施例2描述的方法分别处理从人造革制备过程中收集的废水样品，只是废水的pH值控制为7。
在开始处理时和处理1小时之后，按照Eds.Lenore等人在“水及废水检测的标准方法”，美国公众健康协会，P5-10至P5-16中介绍的Cr方法对废水的COD值进行测定。结果列于表2中。
表2
催化剂 无催化剂 Li/MgO  Co/MgO  Co/Li/PbO2   Ru/MgO
Ct/Ci 0.85 0.48  0.57  0.48   0.46
催化剂 Fe/PbO2 Li/PbO2  Co/PbO2  Co/Li/PbO2   Ru/PbO2
Ct/Ci 0.51 0.50  0.48  0.46   0.49
Ct：处理1小时后废水的COD值Ci：开始处理时废水的COD值
可以看到，当不使用催化剂时，用H2O2处理只能使COD降低15％。而当使用本发明的一种催化剂时，在1小时后COD值降低了大约50％。实施例4：酚的处理
按照实施例3的方法处理含有250ppm酚的水溶液，COD的测定结果列于表3中。
表3
催化剂 无催化剂  Co/MgO  Fe/MgO     Ru/MgO     -
Ct/Ci 0.97  0.8  0.8     0.72     -
催化剂 Fe/PbO2  Li/PbO2  Co/PbO2     Co/Li/PbO2   Ru/PbO2
Ct/Ci 0.78  0.81  0.75     0.71   0.68
Ct：处理1小时后废水的COD值Ci：开始处理时废水的COD值
由上表可以看出，在不加催化剂时，酚与过氧化氢没有发生任何明显的反应。相反，当使用本发明的一种催化剂时，在1小时后废水的COD值降低了大约20-30％。实施例5：染料制备过程中产生的废水的处理
在一个流化床反应器中，在20℃、1大气压下并在2％(重量)的实施例1中制备的Fe/MgO催化剂的存在下用过氧化氢连续处理一股由染料制备过程产生的废水，其中过氧化氢的浓度为1克/升，废水的pH值范围为10-11。使用列于表4的催化剂重复上述过程。
在处理前废水的COD值为6,000ppm。在各种LHSV条件下测定处理过的废水的COD值，结果列于表4。
表4
                                                                                   (单位：ppm)
    废水的LHSV催化剂     7     10     12
2％Fe/MgO     3321     3380     3477
2％Cu-2％Fe/MgO     2823     2845     2726
2％Cu/MgO     2795     2934     2726
2％Mn/MgO     3141     3188     3224
2％Fe-2％Cu-2％Mn/MgO     3181     3236     3257
2％Fe/TiO2     4323     4716     4777
2％Fe-2％Cu/TiO2     4701     4808     4883
2％Cu/TiO2     4747     4792     4838
2％Mn/TiO2     4807     4845     4898
2％Fe-2％Cu-2％Mn/TiO2     4089     4588     4762
2％Fe/ZrO     4145     4507     4767
2％Cu-2％Fe/ZrO     4709     4746     4745
2％Cu/ZrO     4810     4702     4810
2％Mn/ZrO     4155     4336     4690
2％Cu-2％Fe-2％Mn/ZrO     3657     4095     4290
实施例6：染料制备过程中产生的废水的处理
重复实施例5所述的过程，只是用氧气代替过氧化氢；即在1大气压、GHSV为5的条件下将氧气流引入反应器中。
在处理前废水的COD值为4,500ppm。处理过的废水的COD值测定结果列于表5。
表5
                                                                                      (单位：ppm)
    废水的LHSV催化剂     7     10     12
2％Fe/MgO     3025     3186     3025
2％Cu-2％Fe/MgO     3059     3202     3188
2％Cu/MgO     3459     3463     3459
2％Mn/MgO     2979     2948     2906
2％Fe-2％Cu-2％Mn/MgO     3012     3083     3112
实施例7：染料制备过程中产生的废水的处理
重复实施例6所述的过程，只是使用含有1％(重量)负载金属的催化剂。
处理前废水的COD值为4,500ppm。处理过的废水的COD值测定结果列于表6。
表6
                                                                                  (单位：ppm)
    废水的LHSV催化剂     7     10     12
1％Fe/MgO     3267     3186     3025
1％Cu-1％Fe/MgO     3354     3290     3300
1％Cu/MgO     3329     3385     3310
1％Mn/MgO     3090     3099     3133
1％Fe-1％Cu-1％Mn/MgO     3071     3299     3310
实施例8：染料制备过程中产生的废水的处理
使用3％的Fe/MgO和3％的Cu/MgO重复实施例6的过程。
处理前废水的COD值为4,500ppm。处理过的废水的COD值测定结果列于表7。
表7
                                                                                (单位：ppm)
    废水的LHSV催化剂     7     10     12
 3％Fe/MgO     3183     3226     3186
 3％Cu/MgO     3422     3901     3868
实施例9：染料制备过程中产生的废水的处理
重复实施例5所述的过程，只是使用臭氧代替过氧化氢作为氧化剂。用鼓泡器将臭氧引入反应器中。
处理前废水的COD值为4,500ppm。处理过的废水的COD值测定结果列于表8。
表8
                                                                                   (单位：ppm)
    废水的LHSV催化剂     7     10     12
2％Fe/MgO     2939     3056     3001
2％Cu-2％Fe/MgO     2960     3129     3103
2％Cu/MgO     3221     3224     3150
2％Mn/MgO     3546     3621     3904
2％Fe-2％Cu-2％Mn/MgO     3427     3550     3700
实施例10：染料制备过程中产生的废水的处理
重复实施例5所述的过程，只是使用浓度为0.35克/升的过氧化氢。
处理前废水的COD值为4,500ppm。处理过的废水的COD值测定结果列于表9。
表9
                                                                                   (单位：ppm)
    废水的LHSV催化剂     7     10     12
2％Fe/MgO     102     105     110
2％Cu-2％Fe/MgO     105     101     120
2％Cu/MgO     99     101     120
2％Mn/MgO     105     111     125
2％Fe-2％Cu-2％Mn/MgO     113     112     123
由上文可以清楚地看出，本发明的催化氧化方法可以在环境条件下有效地处理各种废水，迅速降低废水中的污染物含量。
尽管用上述具体的实施方案对本发明进行了描述，但是应该认识到，在不脱离本发明所附的权利要求的范围内，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修正和改变。

Claims (7)

1、一种在催化剂的存在下在低于100℃用过氧化氢、氧气或臭氧处理废水的方法，其中的催化剂包括负载在一种金属氧化物上的选自过渡金属、碱金属、碱土金属以及它们的混合物的元素。
2、权利要求1的方法，其中所述的方法是在低于30℃的温度下进行的。
3、权利要求1的方法，其中所述的元素选自Ru，Co，Fe，Cu，Mn，Li以及它们的混合物。
4、权利要求1的方法，其中所述的金属氧化物选自PbO2，ZrO，TiO2，MgO以及它们的混合物。
5、权利要求1的方法，其中所述的废水中含有酚化合物、卤代脂族化合物、芳香烃、卤代芳香化合物、硝化芳香化合物，芳杂环化合物，氰、酰胺、硫醇、酮、脲、酰亚胺、有机磷化合物、氰化物以及它们的混合物。
6、权利要求3的方法，其中所述的元素是Fe。
7、权利要求4的方法，其中所述的金属氧化物是MgO。
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