CN112717951B - 一种高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污染物净化中的应用 - Google Patents

一种高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污染物净化中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污染物净化中的应用,将硫酸钴水溶液加入到高锰酸钾水溶液中,反应后过滤,得到黑色固体粉末;将黑色固体粉末加入到水中,然后滴加贵金属源溶液,避光搅拌均匀后加入乙二醇搅拌均匀后加入乙二醛,搅拌均匀后在氮气保护下,于光照下搅拌30‑60min,并加热到60‑80℃反应后焙烧,得到钌基分散催化剂。本发明材料制备方法简单,经济性强,操作简单,并可在低温条件下有效的降解CVOCs,降低反应过程的能耗,实现经济环保的催化理念,具有良好的工业应用前景。

Description

一种高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污 染物净化中的应用
技术领域
本发明属于大气污染治理技术领域,涉及一种高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污染物净化中的应用。
背景技术
近年来,我国工业的飞速发展带来了一系列的环境污染问题。大气污染问题显得尤为突出,常见的大气污染问题有酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏以及雾霾生成。大气污染对环境和人体健康造成了极大的危害,因为雾霾问题导致呼吸道疾病的报道屡见不鲜。雾霾组分十分复杂,有近百种有害健康的化合物颗粒组成,其中粒径小于2.5μm的细颗粒(PM2.5)能直接进入并粘附在人体呼吸道和肺泡中,引起急性鼻炎和急性支气管炎等病症,长期处于这种环境还会诱发肺癌,并且雾霾还会对人体心血管***造成影响,影响心理健康甚至进一步引起抑郁症。研究表明,挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)对雾霾的产生具有重大贡献。
挥发性有机物是指由多种高蒸气压(>133.32Pa)和低沸点(50~260℃)有机物组成的有机化合物,环境中主要来源为燃料和垃圾焚烧的不完全燃烧、化工制备(炼油、石化、涂料、油墨、粘结剂、农药和医药)过程的有机物排放、溶剂使用中的挥发排放(印刷包装、汽车喷涂、家具制造、鞋服制造和谷物熏蒸等),其主要包括烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他。其中,氯代烷烃由于其环境可持续性、较强的毒性、难降解性以及在处理过程中多种毒副产物的产生等问题成为研究的重点和难点。目前,对工业过程中VOCs的处理技术主要包括冷凝法、吸收法、热力燃烧法、生物处理法、低温等离子法、光催化法和催化燃烧法。催化燃烧由于其能耗少、易操作和环境友好等特点被广泛应用于工业废气的处理。
发明内容
为克服现有技术中的不足,本发明的目的是提供一种高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污染物净化中的应用。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种高分散钌基催化剂的制备方法,包括以下步骤:
1)将硫酸钴水溶液加入到高锰酸钾水溶液中,反应后过滤,得到黑色固体粉末;
2)将黑色固体粉末加入到水中,然后滴加贵金属源溶液,避光搅拌均匀后加入乙二醇搅拌均匀后加入乙二醛,搅拌均匀后在氮气保护下,于光照下搅拌30-60min,并加热到60-80℃反应后焙烧,得到钌基分散催化剂。
本发明进一步的改进在于,高锰酸钾水溶液通过以下过程制得:将0.2-0.6g的高锰酸钾溶于200-600mL的去离子水中,在400-600r/min下搅拌20min,直至形成澄清透明的溶液,得到高锰酸钾水溶液。
本发明进一步的改进在于,硫酸钴水溶液通过以下过程制得:将硫酸钴溶于去离子水中,搅拌至形成澄清透明的溶液,得到硫酸钴水溶液;其中,硫酸钴与去离子水的比为1.8-2.4g:20-40mL。
本发明进一步的改进在于,硫酸钴与高锰酸钾的质量比为1.8-2.4g:0.2-0.6g;硫酸钴水溶液以滴加的方式加入到高锰酸钾水溶液中。
本发明进一步的改进在于,贵金属源为RuCl3·xH2O。
本发明进一步的改进在于,贵金属源与黑色固体粉末的质量比为0.004:1;高锰酸钾为0.2-0.6g时,乙二醇的加入量为4-6mL。
本发明进一步的改进在于,高锰酸钾为0.2-0.6g时,乙二醛的加入量为2-5mL;加热到60-80℃反应0.5-1.5h后焙烧。
本发明进一步的改进在于,焙烧的温度为330-380℃,时间为3-5h。
一种如上所述的方法制备的高分散钌基催化剂的制备方法及其在含氯挥发性有机污染物净化中的应用。
本发明进一步的改进在于,在反应空速40000~50000ml·h-1·g-1、氧气浓度10~21%条件下,90-340℃实现工业CVOCs中1,2-二氯乙烷降解。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果:
本发明利用多相共沉淀法、热氧化法和原位光化学还原沉积结合热还原法制备三元多功能协同处理含氯挥发性有机污染物的钌基催化材料Ru/MnyCozOx。本发明主要通过原位光化学还原沉积定向将钌元素锚定在活性位点上,并且结合原位热还原法将锚定的钌元素以及作为载体的锰钴元素呈现还原状态,提高其氧空位的含量,实现活性相与载体的强相互作用,提高其低温氧化活性。该三元催化剂中的金属元素所发挥作用相互独立又相互影响是含氯挥发性污染物的有效降解材料。
本发明所制备催化剂具有较大的比表面积可有效的促进目标污染物在催化材料表面的传输传递;在光热共还原条件下制备的催化材料,使贵金属钌可以定向的锚定在活性位点上,所以具有优异的低温可还原性能和酸碱性位点;该催化剂含有三元金属元素,其催化作用相互独立又相互协同。Mn在该体系中主要提供低温还原活性位点,Co元素主要实现目标污染物的深度氧化,Ru元素主要实现氯元素的传递和脱除,三元金属元素相互协同同时促进1,2-二氯乙烷的深度氧化。本发明通过对催化剂组分选择、物理化学性质和功能设计,不仅实现低温催化和优异的抗氯性能和抗积炭性能,降低反应能耗,而且减少或避免副产物产生,实现环境友好。此发明在挥发性有机污染物低温净化领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明中高分散钌基催化材料程序升温还原(H2-TPR)曲线;
图2为本发明中高分散钌基催化剂催化材料程序升温脱附(NH3-TPD)曲线;
图3为本发明中高分散钌基催化剂催化材料O1s元素价态分布(XPS)曲线;
图4为本发明中高分散钌基催化剂催化材料催化降解1,2-二氯乙烷的活性测试曲线;
图5为本发明中高分散钌基催化剂催化材料催化降解1,2-二氯乙烷的稳定性测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明利用多相共沉淀法、热氧化法和原位光化学还原沉积结合热还原法制备三元多功能协同处理含氯挥发性有机污染物的高分散钌基催化材料Ru/MnyCozOx。本发明主要通过原位光化学还原沉积定向将钌元素锚定在活性位点上,并且结合原位热还原法将锚定的钌元素以及作为载体的锰钴元素呈现还原状态,提高其氧空位的含量,实现活性相与载体的强相互作用,提高其低温氧化活性。该三元催化剂中的金属元素所发挥作用相互独立又相互影响是含氯挥发性污染物的有效降解材料。
具体步骤如下:
(1)将0.2-0.6g的高锰酸钾溶于200-600mL的去离子水中,常温下在400-600r/min搅拌20min,直至完全溶解且形成澄清透明的溶液,并将该溶液加热至60度;
(2)将1.8-2.4g的硫酸钴溶于20-40mL的去离子水中,常温下在400-600r/min搅拌20min,直至完全溶解且形成澄清透明的溶液;
(3)将步骤(2)得到的澄清溶液逐滴加入步骤(1)溶液中,速度控制在10滴/分钟,待滴加完毕之后搅拌2h,促使溶液充分反应,然后将该混合溶液体系升高至80度继续搅拌2h,之后将该混合溶液自然放凉静置6h,随后过滤该溶液得到黑色固体粉末;
(4)将步骤(3)得到的黑色粉末重新分散在去离子水溶液中,逐滴加入一定量的贵金属源RuCl3·xH2O,避光搅拌30min;
(5)向步骤(4)溶液中加入一定量的乙二醇继续避光搅拌30-50min,随后加入一定量的乙二醛继续避光搅拌30-50min;
(6)将步骤(5)溶液在氮气条件下,用氙灯进行边光照并同时搅拌30min;
(7)随后将步骤(6)溶液加热至70度并同时搅拌0.5-1h;
(8)将步骤(7)所得液体在真空条件下抽滤,并用去离子水和无水乙醇多次清洗,得到黑色粉末,之后将所得的黑色粉末放至真空干燥箱中60度干燥一定时间直至所得粉末干燥,将所获得样品在马弗炉中350-400度焙烧一定时间,最终制得具有高比表面积的Ru/MnyCozOx氧化物。
本发明所制备催化剂具有较大的比表面积可有效的促进目标污染物在催化材料表面的传输传递;在光热共还原条件下制备的催化材料,使贵金属钌可以定向的锚定在活性位点上,所以具有优异的低温可还原性能和酸碱性位点;该催化剂含有三元金属元素,其催化作用相互独立又相互协同。Mn在该体系中主要提供低温还原活性位点,Co元素主要实现目标污染物的深度氧化,Ru元素主要实现氯元素的传递和脱除,三元金属元素相互协同同时促进1,2-二氯乙烷的深度氧化。
下面为具体实施例。
实施例1采用多相共沉淀法、热氧化法、原位光化学还原沉积法结合热还原制备高分散钌基催化材料
将0.4g的高锰酸钾溶于500mL的去离子水中,常温下在600r/min搅拌20min,直至完全溶解且形成澄清透明的溶液,并先将该溶液加热至60度;随后加入逐滴加入完全溶解的30mL含有2.0g的硫酸钴溶液,待滴加完毕之后搅拌2h,促使溶液充分反应,然后将该混合溶液体系升高至80度继续搅拌2h,之后将该混合溶液自然放凉静置6h,随后过滤该溶液得到黑色固体粉末。
将所制备得到的黑色粉末重新分散在去离子水溶液中,逐滴加入一定量的贵金属源RuCl3·xH2O溶液,贵金属源与黑色固体粉末的质量比为0.004:1,避光搅拌30min,之后加入5mL的乙二醇继续避光搅拌40min,随后加入3mL的乙二醛继续避光搅拌40min,之后溶液在氮气条件下,用氙灯进行边光照并同时搅拌30min;然后将该溶液加热至70度并同时搅拌1h,自然放凉后所得液体在真空条件下抽滤,并用去离子水和无水乙醇多次清洗,得到黑色粉末,之后将所得的黑色粉末放至真空干燥箱中60度干燥一定时间直至所得粉末干燥,将所获得样品在马弗炉中350度焙烧4h,最终制得具有高比表面积的Ru/MnyCozOx氧化物。
实施例2高分散钌基催化材料催化降解1,2-二氯乙烷的活性测试及评价
取实施例1中所得的固体粉末压片、过筛(40-60目),并准确称取0.5g过筛后的催化材料以1,2-二氯乙烷作为探针气体,反应物的浓度控制在1000ppm,反应空速为42000mL/g·h且氧气浓度为21%条件下,分别测试催化剂在不同温度下(90℃、135℃、170℃、210℃、250℃、300℃、310℃、330℃和340℃)的催化反应活性,反应产物通过气相色谱监测分析。
实施例3高分散钌基催化材料催化降解1,2-二氯乙烷的稳定性测试
取实施例1中所得的固体粉末压片、过筛(40-60目),准确称取0.5g过筛后的催化材料并置于评价装置的固定床中,以1,2-二氯乙烷作为探针气体,反应物的浓度控制在1000ppm,反应空速为42000h-1且氧气浓度为21%,持续测试催化剂在300℃下的催化反应活性,反应产物通过气相色谱监测分析。
实施例4高分散钌基催化材料催化降解1,2-二氯乙烷中间产物的分析
取实施例1中所得的固体粉末压片、过筛(40-60目),并准确称取0.5g过筛后的催化材料以1,2-二氯乙烷作为探针气体,反应物的浓度控制在1000ppm,反应空速为42000mL/g·h,氧气浓度为21%,分别测试催化剂在不同温度下(90℃、135℃、170℃、210℃、250℃、300℃、310℃、330℃和340℃)的中间产物产生,反应产物通过气相色谱和原位在线质谱监测分析。
本发明中反应空速40000~50000ml·h-1·g-1内均可以实现对1,2-二氯乙烷降解。
图1为高分散钌基催化剂催化材料程序升温还原(H2-TPR)曲线。从图1中可以看出,高分散钌基催化剂催化材料在136度即出现了可还原峰,说明该材料具有优异的低温可还原性能,在催化氧化领域具有较大的优势。
图2为高分散钌基催化剂催化材料程序升温氨气脱附(NH3-TPR)曲线。从图2中可以看出,高分散钌基催化剂材料在183.3和336.9度出现了氨气脱附峰,说明该材料具有较优异的弱酸性和中强酸的性能,在含氯挥发性有机物催化氧化过程中对多氯副产物有较好的抑制作用。
图3为高分散钌基催化剂催化材料O1s元素价态分布情况。从图3中可以看出,高分散钌基催化剂材料表面含有丰富的表面晶格氧(530.0eV)和表面吸附氧(531.6eV),该物种可以促进含氯挥发性有机污染物的深度氧化。
图4为高分散钌基催化材料1,2-二氯乙烷的活性测试曲线。从图4中可以看出,高分散钌基催化剂材料具有较好的低温催化性能,其在300℃且反应空速约42000mlh-1·g-1条件下,实现90%的1,2-二氯乙烷转化,基本可以运用于目前工业催化RCO催化反应装置且能达到较好效果。
图5为高分散钌基催化剂催化材料1,2-二氯乙烷稳定性测试曲线。从图5中可以看出,高分散钌基催化剂材料在300℃且反应空速约42000ml·h-1·g-1条件下,在约20小时内,该催化材料对1,2-二氯乙烷的转化率保持在90%左右,表现出非常优异的含氯挥发性有机物的氧化稳定性能。
本发明根据含氯挥发性有机污染物的排放特点和分子特征研发一种具有良好低温活性、抗氯性能、抗积碳性能的钌基分散的三元金属催化剂。从而实现化效率高、抗中毒能力强和抗积碳效果好的同时,实现其环境友好特性。本发明采用多相共沉淀法和原位光化学还原沉积法促进锰钴氧化物电子跃迁,从而在活性位点周围空出氧空位,进而使钌元素定向锚定和捕获,之后再结合热还原促使钌与载体之间共还原,促进其元素之间的电子交换并实现高效催化剂的设计与制备。本发明所制备的三元多功能协同处理含氯挥发性有机物的高分散钌基催化剂材料具有优异的含氯挥发性有机物的低温催化活性和突出的抗氯性能。该催化剂在反应温度300℃左右、反应空速40000~50000ml·h-1·g-1、氧气浓度10~21%条件下,实现工业典型CVOCs中1,2-二氯乙烷的90%降解。与现有技术相比,本发明材料制备方法简单,经济性强,操作简单,并可在低温条件下有效的降解CVOCs,降低反应过程的能耗,实现经济环保的催化理念,具有良好的工业应用前景。
实施例5制备高分散钌基催化材料
1)将0.1g的高锰酸钾溶于200mL的去离子水中,常温下在400r/min搅拌20min,直至完全溶解且形成澄清透明的高锰酸钾水溶液,并将高锰酸钾水溶液加热至60℃;随后加入逐滴加入20mL含有1.8g的硫酸钴水溶液,待滴加完毕之后搅拌2h,促使溶液充分反应,然后将该混合溶液体系升高至80℃继续搅拌2h,之后将该混合溶液自然放凉静置6h,随后过滤该溶液,得到黑色固体粉末。
2)将所制备得到的黑色粉末分散在去离子水溶液中,逐滴加入一定量的贵金属源RuCl3·xH2O溶液,其中,贵金属源与黑色固体粉末的质量比为0.004:1,避光搅拌30min,之后加入4mL的乙二醇继续避光搅拌40min,随后加入5mL的乙二醛继续避光搅拌40min,之后溶液在氮气条件下,用氙灯进行边光照并同时搅拌30min;然后将该溶液加热至60℃并同时搅拌1.5h,自然放凉后所得液体在真空条件下抽滤,并用去离子水和无水乙醇多次清洗,得到黑色粉末,之后将所得的黑色粉末放至真空干燥箱中60℃干燥一定时间,直至所得粉末干燥,将所获得样品在马弗炉中330℃焙烧5h,最终制得高分散钌基催化剂。
实施例6制备高分散钌基催化材料
1)将0.6g的高锰酸钾溶于600mL的去离子水中,常温下在500r/min搅拌20min,直至完全溶解且形成澄清透明的高锰酸钾水溶液,并将高锰酸钾水溶液加热至60℃;随后加入逐滴加入30mL含有2.4g的硫酸钴水溶液,待滴加完毕之后搅拌2h,促使溶液充分反应,然后将该混合溶液体系升高至80℃继续搅拌2h,之后将该混合溶液自然放凉静置6h,随后过滤该溶液,得到黑色固体粉末。
2)将所制备得到的黑色粉末分散在去离子水溶液中,逐滴加入一定量的贵金属源RuCl3·xH2O溶液,其中,贵金属源与黑色固体粉末的质量比为0.004:1,避光搅拌30min,之后加入5mL的乙二醇继续避光搅拌40min,随后加入2mL的乙二醛继续避光搅拌40min,之后溶液在氮气条件下,用氙灯进行边光照并同时搅拌30min;然后将该溶液加热至75℃并同时搅拌0.5h,自然放凉后所得液体在真空条件下抽滤,并用去离子水和无水乙醇多次清洗,得到黑色粉末,之后将所得的黑色粉末放至真空干燥箱中60℃干燥一定时间,直至所得粉末干燥,将所获得样品在马弗炉中360℃焙烧4h,最终制得高分散钌基催化剂。
实施例7制备高分散钌基催化材料
1)将0.5g的高锰酸钾溶于300mL的去离子水中,常温下在600r/min搅拌20min,直至完全溶解且形成澄清透明的高锰酸钾水溶液,并将高锰酸钾水溶液加热至60℃;随后加入逐滴加入40mL含有2.2g的硫酸钴水溶液,待滴加完毕之后搅拌2h,促使溶液充分反应,然后将该混合溶液体系升高至80℃继续搅拌2h,之后将该混合溶液自然放凉静置6h,随后过滤该溶液,得到黑色固体粉末。
2)将所制备得到的黑色粉末分散在去离子水溶液中,逐滴加入一定量的贵金属源RuCl3·xH2O溶液,其中,贵金属源与黑色固体粉末的质量比为0.004:1,避光搅拌30min,之后加入6mL的乙二醇继续避光搅拌40min,随后加入4mL的乙二醛继续避光搅拌40min,之后溶液在氮气条件下,用氙灯进行边光照并同时搅拌30min;然后将该溶液加热至80℃并同时搅拌0.5h,自然放凉后所得液体在真空条件下抽滤,并用去离子水和无水乙醇多次清洗,得到黑色粉末,之后将所得的黑色粉末放至真空干燥箱中60℃干燥一定时间,直至所得粉末干燥,将所获得样品在马弗炉中380℃焙烧3h,最终制得高分散钌基催化剂。

Claims (8)

1.一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将硫酸钴水溶液加入到高锰酸钾水溶液中,反应后过滤,得到黑色固体粉末;其中,硫酸钴与高锰酸钾的质量比为1.8-2.4g:0.2-0.6g;
2)将黑色固体粉末加入到水中,然后滴加贵金属源溶液,避光搅拌均匀后加入乙二醇搅拌均匀后加入乙二醛,搅拌均匀后在氮气保护下,于光照下搅拌30-60min,并加热到60-80℃反应后焙烧,得到钌基分散催化剂;其中,焙烧的温度为330-380℃,时间为3-5h。
2.根据权利要求1所述的一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,高锰酸钾水溶液通过以下过程制得:将0.2-0.6g的高锰酸钾溶于200-600mL的去离子水中,在400-600r/min下搅拌20min,直至形成澄清透明的溶液,得到高锰酸钾水溶液。
3.根据权利要求1所述的一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,硫酸钴水溶液通过以下过程制得:将硫酸钴溶于去离子水中,搅拌至形成澄清透明的溶液,得到硫酸钴水溶液;其中,硫酸钴与去离子水的比为1.8-2.4g:20-40mL。
4.根据权利要求1所述的一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,硫酸钴水溶液以滴加的方式加入到高锰酸钾水溶液中。
5.根据权利要求1所述的一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,贵金属源为RuCl3·xH2O。
6.根据权利要求5所述的一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,贵金属源与黑色固体粉末的质量比为0.004:1;高锰酸钾为0.2-0.6g时,乙二醇的加入量为4-6mL。
7.根据权利要求1所述的一种高分散钌基催化剂的制备方法,其特征在于,高锰酸钾为0.2-0.6g时,乙二醛的加入量为2-5mL;加热到60-80℃反应0.5-1.5h后焙烧。
8.一种如权利要求1所述的方法制备的高分散钌基催化剂在去除含氯挥发性有机污染物中的应用,具体过程为:在反应空速40000~50000ml·h-1·g-1、氧气浓度10~21%条件下,90-340℃实现工业CVOCs中1,2-二氯乙烷降解。
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