CN111437808A - 一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，包括活性催化组分盐：粘结剂：中空微球：表面活性剂，质量比为0.5～40:0～35：0.5～80：0～5。中空玻璃微珠(球)作为调控催化剂密度的主要组分，起到类似“鱼鳔”的效果，从而达到令催化剂悬浮或漂浮在水相中的效果，减少了因固体相对气泡的阻隔作用。当小气泡附着在催化剂颗粒上时，催化剂浮力增加，由于催化剂本身密度与水接近，极易上浮或翻转，从而产生催化剂与气体的进一步混合。新进入水体的小气泡则与迁移过来的催化位面发生吸附作用，大大增加了催化剂与气体的共混效果，增加了臭氧溶解性和三相反应界面位点。

Description

一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其是一种一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料。
背景技术
催化臭氧氧化作为一种高级氧化技术成为近年来污水深度处理领域的研究热点。臭氧催化氧化技术进一步分为均相臭氧催化氧化和非均相臭氧催化氧化。均相催化臭氧氧化技术是指反应物和催化剂在水中为同相，不进行分离的催化氧化技术；但存在着金属离子的二次污染，回收分离困难的缺点。
目前，非均相催化剂是环保工程上使用较多的一类催化剂，非均相臭氧催化氧化过程中涉及气-液-固三相，催化剂的形态对于臭氧催化氧化性能的表现起到直接影响。其主要包括负载型催化剂和非负载型催化剂，虽然类别繁多，但通常都是由金属氧化物或无机非金属陶瓷等稳定成分组成。此类物质密度较高，在使用过程中装填到反应腔后往往形成堆积形态，即便是采用粉体形态的催化剂，在底部依然会形成厚厚的泥状沉积。该结构会导致反应中通入的小气泡气体受到挤压，在催化剂底层汇聚，合并形成大气泡向上涌出(见图1)，最终导致臭氧气体扩散距离变大、气液接触面积减小，降低了臭氧的溶解效率；其次，底部催化剂利用率高，但中部及以上利用率下降，部分催化剂接触不到臭氧，整个催化反应装置的效率都受到较大抑制。
现有技术中，公开了一种双组份复合型金属催化剂及其应用，载体Al2O3上负载活性物质氧化铜和钌。利用贵金属催化活性高的特点，提升催化剂的催化氧化效率。另外，有人提供一种三组分复合型金属催化剂V2O5-TiO2-AlF3/Al2O3，由三氧化二铝载体负载活性组分五氧化二钒、二氧化钛和氟化铝。由于采用金属氧化物作为催化剂组分，催化剂密度都比水大，沉积在底部，降低了臭氧的传质效率。目前众多研究都集中于催化剂成分搭配方面的工作，但涉及到调节催化剂密度，从而改善臭氧传质过程的方案还很少。
发明内容
本发明提供一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其通过密度的调节，从而调整催化反应中气体与催化剂颗粒的混合效果。
一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，包括活性催化组分盐：粘结剂：中空微球：表面活性剂，质量比为0.5～40:0～35：0.5～80： 0～5。
进一步地，所述中空微球是中空玻璃微球、中空陶瓷微球，粉煤灰空心微球之一或组合。
进一步地，所述中空微球的密度为0.1-1.0g/cm3，优选 0.3-0.6g/cm3；颗粒尺寸范围为1um-1mm，优选10um-120um。
进一步地，中空微球的密度为0.3-0.6g/cm3；颗粒尺寸范围为 10um-120um。
进一步地，活性催化组分为Mg,Cu,Co,Ni,Mn,Fe, Zn,Ti,Ce,Al,V,Sc,Y,La，Ag,Au,Pd,Pt的一种或几种的水溶性盐。
进一步地，活性催化组分为葡萄糖、壳聚糖、氧化石墨烯等碳源来形成碳素材料。
进一步地，粘结剂包括黏土，硅酸盐，钛氧化物，铝氧化物等成分，
进一步地，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠阴离子活性剂、季铵盐阳离子活性剂、聚氧乙烯类非离子型表面活性剂的一种或几种。
采用本发明的技术方案，具有以下技术效果：
中空玻璃微珠(球)作为调控催化剂密度的主要组分，起到类似“鱼鳔”的效果，从而达到令催化剂悬浮或漂浮在水相中的效果，减少了因固体相对气泡的阻隔作用。当小气泡附着在催化剂颗粒上时，催化剂浮力增加，由于催化剂本身密度与水接近，极易上浮或翻转，从而产生催化剂与气体的进一步混合。新进入水体的小气泡则与迁移过来的催化位面发生吸附作用，大大增加了催化剂与气体的共混效果，增加了臭氧溶解性和三相反应界面位点。
附图说明
图1传统氧化铝为载体的催化剂反应图。
图2本发明为载体的催化剂反应图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
取100克玻璃微珠(中空玻璃微球密度为0.6，粒径D50为45um)用氢氧化钠溶液浸泡后纯水洗涤，然后加入500ml水中，加入1克十二烷基苯磺酸钠，用磁力恒温搅拌器使溶液混合均匀并控制温度，缓慢滴加600mlTi(SO4)2/Ce(NO3)3混合溶液，其中Ti(SO4)2浓度为0.21mole/L,Ce(NO3)3浓度为0.02mole/L，同时滴加氨水始终维持体系的PH值近中性，反应持续2h，抽滤水洗至PH值为7，将粉饼转移到80℃烘箱干燥成粉末，粉末升温至600℃煅烧1h，得到活性组分包覆的玻璃微珠载体催化剂，用气体置换法测试其真实密度为 0.90g/cm3。
实施例2：
取100克玻璃微珠(中空玻璃微球密度为0.5，粒径D50为58um)用氢氧化钠溶液浸泡后纯水洗涤，然后加入300ml的0.3wt.％SDBS水溶液中浸润，在机械搅拌下混合均匀，滴加100mlCu(Ac)2/Co(Ac)2/Ni (Ac)2/葡萄糖混合溶液，其中Cu(Ac)2浓度为0.6mole/L,Co(Ac)2浓度为0.3mole/L，Ni(Ac)2浓度为0.3mole/L，葡萄糖浓度为 0.3mole/L,升高温度至100℃附近，搅拌条件下将液体蒸干，冷却后揉搓获得粉末，在保护气氛下，粉末升温至580℃煅烧2h，得到活性组分包覆的玻璃微珠载体催化剂，用气体置换法测试其真实密度为0.98g/cm3。
实施例3：
取1000克玻璃微珠(中空玻璃微球密度为0.3，粒径D50为72um) 用氢氧化钠溶液浸泡后纯水洗涤干燥备用。
3000目工业黄黏土粉250克，四水乙酸锰80克，4.5克硝酸银，十二烷基苯磺酸钠15克，在机械搅拌下溶解于1L纯水中获得分散液，然后在圆盘造粒机中对该分散液进行喷雾分散，对中空玻璃微珠粉进行造粒，获得尺寸在1-4mm的颗粒，将颗粒转移到50℃烘箱干燥，烘干后升温至500℃煅烧2h，再升温到620℃煅烧30分钟，得到活性组分与玻璃微珠共混的催化剂颗粒，用气体置换法测试其真实密度为1.02g/cm3。
实施例4：
取100克玻璃微珠(中空玻璃微球密度为0.3，粒径D50为72um)用氢氧化钠溶液浸泡后纯水洗涤，然后加入500ml水中，用磁力恒温搅拌器使溶液混合均匀并控制温度，缓慢滴加600mlAl 2(SO4)3/Mn(NO3)2混合溶液，其中Al2(SO4)3浓度为0.16mole/L，Mn(NO3)3浓度为 0.31mole/L，同时滴加氨水始终维持体系的PH值近中性，反应持续2h，抽滤水洗至PH值为7，将粉饼转移到80℃烘箱干燥成粉末，粉末升温至600℃煅烧1h，得到活性组分包覆的玻璃微珠载体催化剂，用气体置换法测试其真实密度为1.15g/cm3。
实施例5：
取1000克玻璃微珠(中空玻璃微球密度为0.3，粒径D50为72um) 用氢氧化钠溶液浸泡后纯水洗涤干燥备用。
3000目工业黄黏土粉588克，乙酸锰8.4克，十二烷基磺酸钠84克，在机械搅拌下溶解于1.3L纯水中获得分散液，然后在圆盘造粒机中对该分散液进行喷雾分散，对中空玻璃微珠粉进行造粒，获得尺寸在 1-4mm的颗粒，将颗粒转移到50℃烘箱干燥，烘干后升温至500℃煅烧2h，再升温到620℃煅烧30分钟，得到活性组分、粘结剂与玻璃微珠共混的催化剂颗粒，用气体置换法测试其真实密度为1.05g/cm3。以苯酚溶液作为模型有机废水，进行臭氧催化氧化处理，对本发明中的臭氧氧化催化剂的催化臭氧氧化性能作进一步说明。在5个完全相同的500mL玻璃柱型反应容器中，装入300mL 100ppm苯酚溶液，初始溶液pH为5～7，其中一个不加催化剂作为空白对照试验，另三个中分别加入40g的氧化铝对照组催化剂、本发明实施例1，2，3， 4，5中制得的臭氧氧化催化剂，之后连续通入有效臭氧浓度为 50mg/min的臭氧混合气体，反应20min后取样，分析出水TOC的浓度。整个实验过程中都无机械搅拌，由气体自然混合。
氧化铝对照组：
将100克325目氧化铝粉加入500ml水中，加入1克十二烷基苯磺酸钠，用磁力恒温搅拌器使溶液混合均匀并控制温度，缓慢滴加 60mlTi(SO4)2/Ce(NO3)3混合溶液，其中Ti(SO4)2浓度为 0.21mole/L,Ce(NO3)3浓度为0.02mole/L，同时滴加氨水始终维持体系的PH值近中性，反应持续2h，抽滤水洗至PH值为7，将粉饼转移到80℃烘箱干燥成粉末，烘干后升温至600℃煅烧1h，得到粉末状氧化铝载体催化剂。
实施例与对照组的实验数据如下：
催化剂名称 进水TOC浓度 出水TOC浓度 TOC去除率
无催化剂空白 76.5mg/L 45.5mg/L 40.5％
氧化铝对照组 76.5mg/L 30.4mg/L 60.2％
实施例1 76.5mg/L 22.6mg/L 70.4％
实施例2 76.5mg/L 20.4mg/L 73.3％
实施例3 76.5mg/L 17.2mg/L 77.5％
实施例4 76.5mg/L 16.7mg/L 78.2％
实施例5 76.5mg/L 23.0mg/L 70.0％
本发明中，采用中空玻璃微珠(球)作为调控催化剂密度的主要组分，起到类似“鱼鳔”的效果，从而达到令催化剂悬浮或漂浮在水相中的效果，减少了因固体相对气泡的阻隔作用。当小气泡附着在催化剂颗粒上时，催化剂浮力增加，由于催化剂本身密度与水接近，极易上浮或翻转，从而产生催化剂与气体的进一步混合。新进入水体的小气泡则与迁移过来的催化位面发生吸附作用，大大增加了催化剂与气体的共混效果，增加了臭氧溶解性和三相反应界面位点。
反应过程中观察到，采用传统氧化铝为载体的催化剂会在反应柱底部形成堆积层，臭氧气泡变大，如图1所示；而采用中空玻璃微球对催化剂密度调控的催化剂，则可以均匀分散在液相体系中，受气流驱动混合；导入的臭氧气泡均匀分布，无聚集现象，如图2所示。20min 取样点时，整体上有10-15％左右的效率提升。
可以理解，实施例1-5的参数不应当理解为对本发明的限制，即活性催化组分盐和中空微球的比例不限于上述实施例，通常来说各组分的质量比为：活性催化组分盐0.5～40份，粘结剂0～35份，中空微球0.5～80份，表面活性剂0～5份；其中粘结剂和表面活性剂可根据材料设计需要选加。
本发明中采用的中空玻璃微球，或中空陶瓷微球，粉煤灰空心微球等作为密度调节组分，其真实密度范围为0.1-1.0g/cm3，优选 0.3-0.6g/cm3；颗粒尺寸范围为1um-1mm，优选10um-120um。
本发明的活性催化组分、粘结剂、表面活性剂可以进行合理的扩展，只要能实现本发明的目的，都应当属于本发明的保护范围，例如：
本发明中活性催化组分为Mg,Cu,Co,Ni,Mn,Fe, Zn,Ti,Ce,Al,V,Sc,Y,La，Ag,Au,Pd,Pt等金属中的一种或几种的水溶性盐，也可以考虑引入葡萄糖、壳聚糖、氧化石墨烯等碳源来形成碳素材料。
本发明中引入的粘结剂包括黏土，硅酸盐，钛氧化物，铝氧化物等成分，粘结剂可以使用，也可以根据具体工艺要求不额外引入。
本发明中采用的表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠等阴离子活性剂，也包括季铵盐等阳离子活性剂，或聚氧乙烯类非离子型表面活性剂，上述的一种或几种。
本发明中为了制备包覆玻璃微球的核壳结构催化剂，可以采用溶胶凝胶法获得固体粉末，亦可以采用圆盘造粒技术获得大颗粒。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，包括活性催化组分盐：粘结剂：中空微球：表面活性剂，质量比为0.5～40:0～35：0.5～80：0～5。
2.根据权利要求1所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，所述中空微球是中空玻璃微球、中空陶瓷微球，粉煤灰空心微球之一或组合。
3.根据权利要求1所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，所述中空微球的密度为0.1-1.0g/cm3，优选0.3-0.6g/cm3；颗粒尺寸范围为1um-1mm，优选10um-120um。
4.根据权利要求3所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，中空微球的密度为0.3-0.6g/cm3；颗粒尺寸范围为10um-120um。
5.根据权利要求1所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，活性催化组分为Mg,Cu,Co,Ni,Mn,Fe,Zn,Ti,Ce,Al,V,Sc,Y,La，Ag,Au,Pd,Pt的一种或几种的水溶性盐。
6.根据权利要求1所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，活性催化组分为葡萄糖、壳聚糖、氧化石墨烯等碳源来形成碳素材料。
7.根据权利要求1所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，粘结剂包括黏土，硅酸盐，钛氧化物，铝氧化物一种或几种。
8.根据权利要求1所述的密度可控的催化臭氧氧化的催化剂材料，其特征在于，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠阴离子活性剂、季铵盐阳离子活性剂、聚氧乙烯类非离子型表面活性剂的一种或几种。
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CN114797859A (zh) * 2021-01-21 2022-07-29 广东卓信环境科技股份有限公司 一种毫米级悬浮型金属臭氧氧化催化剂及其制备方法与应用
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