申请日2018.11.16
公开(公告)日2019.01.18
IPC分类号B01J21/16; B01J20/28; B01J20/10; B01J20/30; C02F1/78; C02F1/28; C02F101/30; C02F101/16
摘要
一种污泥基陶基催化剂的制备方法及其应用。涉及一种新型污泥基陶基催化剂的制备方法及其应用，用于改良传统催化剂催化性能不足、制造成本昂贵等问题，属于污水处理和生态环境修复工程技术领域。提出一种增大陶基材料的比表面积、优化空隙结构的用于催化臭氧工艺治理黑臭水的催化剂的制备方法及其应用。一种利用污泥基陶基催化剂的制备方法制得的催化剂在用于黑臭水体治理的催化臭氧工艺中的应用。应用条件为：臭氧投加量1‑3mg/L废水，催化剂投加量10‑15g/L废水，氧化时间10‑50min。本发明可实现快速净化黑臭水水质，且兼顾到经济性与处理效果，具有广阔的应用前景。
权利要求书
1.一种污泥基陶基催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)、污泥基陶基材料的制备：以市政污泥和疏浚淤泥为主料，秸秆、粉煤灰为辅料，混合后制备陶粒，焙烧，烧制结束后获得陶基材料并取出冷却备用;
2)、陶基材料预处理：将陶基材料先后经过盐酸溶液和氢氧化钠溶液浸泡后，再用去离子水冲洗至中性，将洗净的陶基材料干燥备用;
其特征在于，还包括如下步骤：
3)、水热法覆炭改性：向水热釜中加入葡萄糖与硫酸亚铁铵混合溶液，将陶基材料浸渍于该混合液中进行水热反应，反应结束将陶基材料取出，洗净、干燥后备用;
4)、吸附法负载活性组分：将步骤3)得到的覆炭改性陶基材料浸渍于含有活性金属前驱体的溶液中，待吸附平衡后将其干燥、焙烧，从而制得所述污泥基陶基催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中市政污泥、疏浚淤泥、秸秆、粉煤灰质量比为6-7：3-4：0.02-0.03：0.02-0.03。
3.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的焙烧条件为焙烧温度1000-1100℃，焙烧时间5-12min。
4.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述盐酸溶液浓度为0.8-1.0mol/L，氢氧化钠溶液浓度为0.8-1.0mol/L，浸泡时间相同，均为15-20h。
5.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所述3)中水热反应温度为140-200℃，时间为10-16h。
6.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所3)中陶基材料、葡萄糖、硫酸亚铁铵、蒸馏水的质量比为1：0.6-0.8：0.25-0.4：4-5。
7.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所述4)中含有活性金属前驱体的溶液为Fe(NO3)3、Mn(NO3)2、Cu(NO3)2中的一种或多种复配，所述Fe(NO3)3、Mn(NO3)2、Cu(NO3)2浓度分别为0.17-0.86g/mL、0.07-0.36g/mL、0.10-0.53g/mL。
8.根据权利要求1所述的一种污泥基陶基催化剂的制备方法，其特征在于，所述4)中陶基材料浸渍时间为16-24h，浸渍开始1h时内不断搅拌，待吸附平衡后在110-120℃下干燥4-5h，再在400-500℃下焙烧4-5h，从而得到所述污泥基陶基催化剂。
9.一种利用权利要求1所述的污泥基陶基催化剂的制备方法制得的催化剂在用于黑臭水体治理的催化臭氧工艺中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，应用条件为：臭氧投加量1-3mg/L废水，催化剂投加量10-15g/L废水，氧化时间10-50min。
说明书
一种污泥基陶基催化剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种新型污泥基陶基催化剂的制备方法及其应用，用于改良传统催化剂催化性能不足、制造成本昂贵等问题，属于污水处理和生态环境修复工程技术领域。
背景内容
近年来，随着社会经济的高速发展，我国城市化水平显著提高，但生态环境护长期滞后于城市发展，城市水体受污染严重，黑臭水体占比高(水体黑臭主要是水体受到严重有机污染所致，溶解氧大幅下降，水体进入厌氧阶段，引起污染物酸化分解和厌氧细菌分泌代谢产物，表现为水体发黑发臭。)，城市黑臭水体的治理广受关注，黑臭水体治理技术的研究也成为生态环境修复领域的热点。
将臭氧氧化工艺应用于黑臭水治理，可显著去除水体色度和嗅味(异味)，迅速增加水中DO(溶解氧)浓度，提高水体可生化性。但单独进行臭氧氧化过程时，臭氧在水中的溶解度较低，利用率不高，而在相关催化剂的作用下，臭氧在水中的溶解量得到显著提高，进而提高氧化效果。传统臭氧催化剂存在催化效率低，催化性能不足，制造成本昂贵等问题，而负载型催化剂通过将催化剂活性组分负载在合适的载体上，在降低催化剂造价的同时提高其机械强度，并能为催化反应提供活性中心，已成为当前臭氧催化剂领域的研究热点。
选择合适的载体是负载型催化剂制备过程中最为关键的问题。
国家知识产权局分别于2016年4月13日和2016年5月4日公开了专利陶基质催化剂及其制备方法(201510920310.X)和新型负载二氧化锰陶基质催化剂及其制备方法与应用(201510840270.8)，该两个专利均采用陶基材料作为载体来制备催化剂，陶基催化剂可有效避免催化成分的流失，提升催化效果，降低生产成本。但是通过以上方法制备出的陶基载体因比表面积较小(150-300m2/g)，导致其污染物吸附能力和催化剂负载性能及稳定性比较差。
发明内容
本发明针对以上问题，提出一种增大陶基材料的比表面积、优化空隙结构的用于催化臭氧工艺治理黑臭水的催化剂的制备方法及其应用。
本发明的技术方案是：
一种污泥基陶基催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)、污泥基陶基材料的制备：以市政污泥和疏浚淤泥为主料，秸秆、粉煤灰为辅料，混合后制备陶粒，焙烧，烧制结束后获得陶基材料并取出冷却备用;
2)、陶基材料预处理：将陶基材料先后经过盐酸溶液和氢氧化钠溶液浸泡后，再用去离子水冲洗至中性，将洗净的陶基材料干燥备用;
3)、水热法覆炭改性：向水热釜中加入葡萄糖与硫酸亚铁铵混合溶液，将陶基材料浸渍于该混合液中进行水热反应，反应结束将陶基材料取出，洗净、干燥后备用;
4)、吸附法负载活性组分：将步骤3)得到的覆炭改性陶基材料浸渍于含有活性金属前驱体的溶液中，待吸附平衡后将其干燥、焙烧，从而制得所述污泥基陶基催化剂。
所述步骤1)中市政污泥、疏浚淤泥、秸秆、粉煤灰质量比为6-7：3-4：0.02-0.03：0.02-0.03。
所述步骤1)中的焙烧条件为焙烧温度1000-1100℃，焙烧时间5-12min。
所述步骤2)中所述盐酸溶液浓度为0.8-1.0mol/L，氢氧化钠溶液浓度为0.8-1.0mol/L，浸泡时间相同，均为15-20h。
所述3)中水热反应温度为140-200℃，时间为10-16h。
所3)中陶基材料、葡萄糖、硫酸亚铁铵、蒸馏水的质量比为1：0.6-0.8：0.25-0.4：4-5。
所述4)中含有活性金属前驱体的溶液为Fe(NO3)3、Mn(NO3)2、Cu(NO3)2中的一种或多种复配，所述Fe(NO3)3、Mn(NO3)2、Cu(NO3)2浓度分别为0.17-0.86g/mL、0.07-0.36g/mL、0.10-0.53g/mL。
所述4)中陶基材料浸渍时间为16-24h，浸渍开始1h时内不断搅拌，待吸附平衡后在110-120℃下干燥4-5h，再在400-500℃下焙烧4-5h，从而得到所述污泥基陶基催化剂。
一种利用污泥基陶基催化剂的制备方法制得的催化剂在用于黑臭水体治理的催化臭氧工艺中的应用。
应用条件为：臭氧投加量1-3mg/L废水，催化剂投加量10-15g/L废水，氧化时间10-50min。
本发明的有益效果是：
(1)针对陶基材料表面孔隙少、比表面积不足等缺点，以水热法对其进行覆炭改性，借助葡萄糖分子碳化后在陶基材料表面产生丰富的亲-CH有机官能团，将陶基材料表面的密集孔道与亲有机官能团相结合，制备出陶/碳复合材料，增大陶基材料的比表面积数倍，优化空隙结构(比表面积能达到400-700m2/g)，增加陶基材料的亲有机性及有机污染物吸附能力，提高其污染物吸附能力和催化剂负载性能及稳定性。
(2)提供了一种新型污泥基陶基催化剂的制备方法，以市政污泥、疏浚淤泥等废弃泥为主要原料制备陶基材料，实现了废弃物资源化，并再利用于黑臭水体等生态环境治理领域，符合可持续发展的理念及国家节能减排政策。
(3)制备方法操作简单，成本低廉，规模化生产难度低，解决了传统催化剂催化效率低，催化性能不足，制造成本昂贵等问题，易于制备出廉价易获得且催化效果好的新型污泥基陶基催化剂。将制备出的催化剂与臭氧工艺联用，可实现快速净化黑臭水水质，且兼顾到经济性与处理效果，具有广阔的应用前景。