權利要求
1.催化劑，其特征在于，包括：載體以及負載在所述載體表面上的碳材料和硝酸鹽；
所述載體包括氧化硅以及包裹在所述氧化硅外表面的氧化鋁。
2.根據(jù)權利要求1所述的催化劑，其特征在于，所述氧化硅和所述氧化鋁的質量比為10：(1～10)。
3.根據(jù)權利要求1所述的催化劑，其特征在于，所述載體的形狀包括球形；
優(yōu)選地，所述載體的直徑為3～5mm；
優(yōu)選地，所述碳材料的質量為所述載體的1wt％～20wt％；
優(yōu)選地，所述碳材料主要由原料焙燒得到；
優(yōu)選地，所述原料包括：蔗糖、葡萄糖、聚葡萄糖、果糖、檸檬酸、環(huán)糊精、聚乙二醇、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇中的至少一種。
4.根據(jù)權利要求1所述的催化劑，其特征在于，所述硝酸鹽的質量為所述載體的負載量的0.5wt％～5wt％；
優(yōu)選地，所述硝酸鹽包括：硝酸鐵、硝酸銅、硝酸鉀、硝酸鋇和硝酸鎳中的至少一種。
5.如權利要求1～4任一項所述的催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
將氧化鋁包裹在氧化硅外表面，得到載體；將碳材料和硝酸鹽溶于去離子水中，得到浸漬液；將所述載體在所述浸漬液中進行浸漬處理；所述浸漬處理后的所述載體進行干燥和焙燒。
6.根據(jù)權利要求5所述的催化劑的制備方法，其特征在于，所述浸漬液中的去離子水與所述載體的吸水量的質量比為1：(0.5～1.5)。
7.根據(jù)權利要求5所述的催化劑的制備方法，其特征在于，所述浸漬處理的方式包括：逐滴浸漬和/或噴霧浸漬。
8.根據(jù)權利要求5所述的催化劑的制備方法，其特征在于，所述干燥的溫度為50～200℃；
優(yōu)選地，所述干燥的時間為2～12h。
9.根據(jù)權利要求5所述的催化劑的制備方法，其特征在于，所述焙燒在真空條件下進行；
優(yōu)選地，所述焙燒的升溫速率為3～10℃/min；
優(yōu)選地，所述焙燒溫度為500～1300℃；更優(yōu)選地，所述焙燒時間為2～12h。
10.一種工業(yè)廢水的處理方法，使用權利要求1～4任一項所述的催化劑催化臭氧氧化反應。
說明書
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及水處理領域，具體而言，涉及一種催化劑及其制備方法和應用。
背景技術
[0002]現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中要消耗大量的淡水資源，同時會產(chǎn)生大量高毒性難生化有機廢水。水體中難降解有機物具有長期殘留性、生物積累性以及高毒性，對周圍環(huán)境和生物有很大的危害性，且處理難度較大。因此，解決水體污染，深度處理降解水中污染物尤為重要。
[0003]催化臭氧氧化技術具有氧化能力強、工藝簡單、無二次污染以及成本較低的特點。其中非均相催化臭氧氧化，催化劑為固體形式，反應可在溶液主體或在催化劑表面上進行，催化劑催化臭氧氧化作用的效果高于在相同pH值下臭氧單獨氧化和催化劑吸附的綜合效果。催化劑是催化臭氧氧化反應體系的核心，因此開發(fā)具有高穩(wěn)定性和高催化活性的固體催化劑為重中之重。
[0004]催化臭氧氧化技術中非均相臭氧催化劑存在催化活性不高、穩(wěn)定性不足、金屬溶出等問題?，F(xiàn)有催化劑主要有金屬氧化物、碳基材料、分子篩、氧化鋁等。傳統(tǒng)碳基催化劑結構相對脆弱，機械強度低，在使用過程中容易磨損和脫落，且成本較高。傳統(tǒng)鋁基催化劑表面相對惰性且缺乏充足的電子空穴，導致其對反應物吸附和解離很弱。大部分催化劑只針對廢水中單一有機物進行降解，對于其他有機物處理效不突出。在處理成分復雜的實際工業(yè)廢水時，效果較差。現(xiàn)有技術中公開了一種催化臭氧氧化去除廢水中喹啉的催化劑，其使用過量浸漬法制備得到Al2O3催化劑，催化劑只能針對去除廢水中特定有機物。
[0005]有鑒于此，特提出本發(fā)明。
發(fā)明內容
[0006]本發(fā)明的一個方面，涉及一種催化劑，包括：載體以及負載在所述載體表面上的碳材料和硝酸鹽；
[0007]所述載體包括氧化硅以及包裹在所述氧化硅外表面的氧化鋁。
[0008]所述的催化劑載體具有核殼結構，結構穩(wěn)定，催化活性高，能夠連續(xù)穩(wěn)定的催化降解工業(yè)廢水中的有機物，機械強度大，價格低廉。
[0009]本發(fā)明的另一個方面，還涉及所述的催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0010]將氧化鋁包裹在氧化硅外表面，得到載體；將碳材料和硝酸鹽溶于去離子水中，得到浸漬液；將所述載體在所述浸漬液中進行浸漬處理；所述浸漬處理后的所述載體進行干燥和焙燒。
[0011]所述的催化劑的制備方法，方法簡單，易操作，環(huán)境友好，生產(chǎn)成本低，制備得到的催化劑的催化性能好，結構穩(wěn)定。
[0012]本發(fā)明的另一個方面，還涉及一種工業(yè)廢水的處理方法，使用所述的催化劑催化臭氧氧化反應。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0014](1)本發(fā)明提供的催化劑，能夠連續(xù)穩(wěn)定的催化降解工業(yè)廢水中的有機物，具有氧化鋁包覆氧化硅的載體結構，能夠很好的負載穩(wěn)固過渡金屬和貴金屬離子，催化劑的結構穩(wěn)定，催化活性高，金屬不易流失，機械強度大，價格低廉。
[0015](2)本發(fā)明提供的催化劑的制備方法，方法簡單，易操作，成本低，對環(huán)境友好，制備得到的催化劑催化活性高，結構穩(wěn)定。
附圖說明
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明提供的水處理系統(tǒng)結構示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明提供的催化劑的XRD表征圖。
[0019]附圖標記：
[0020]1-氧氣儲存裝置、2-臭氧發(fā)生裝置、3-反應裝置、4-待處理廢水儲存裝置。
具體實施方式
[0021]下面將結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，但是本領域技術人員將會理解，下列所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限制本發(fā)明的范圍?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
[0022]本發(fā)明的一個方面，涉及一種催化劑，包括：載體以及負載在所述載體表面上的碳材料和硝酸鹽；
[0023]所述載體包括氧化硅以及包裹在所述氧化硅外表面的氧化鋁。
[0024]所述的催化劑的載體具有核殼結構，結構穩(wěn)定，能夠連續(xù)穩(wěn)定的催化降解工業(yè)廢水中的有機物，催化運行時間可達3000h，催化活性高，機械強度大，價格低廉。
[0025]所述的催化劑，將氧化鋁包裹在氧化硅外，形成具有核殼結構的載體，碳材料和金屬離子吸附在載體表面。氧化鋁易成球，自身有豐富的孔道，能夠很好的負載穩(wěn)固過渡金屬和貴金屬離子，且機械強度大，價格低廉；碳材料具有較大的表面積，表面有豐富的官能團，表面活性大。碳和氧化鋁的結合，使催化劑擁有豐富的孔道結構、較大的比表面積和豐富的表面官能團，使其能很好的穩(wěn)固金屬助劑組分，有效防止組分流失；能穩(wěn)定快速生成大量強氧化性的羥基自由基，去除有機廢水中的大部分有機物。催化劑既有穩(wěn)定的結構又有高活性，可以很好的應用于實際工業(yè)廢水中，并降低了催化劑生產(chǎn)成本。
[0026]優(yōu)選地，所述氧化硅和所述氧化鋁的質量比為10：(1～10)。
[0027]在一些具體的實施方式中，所述氧化硅和所述氧化鋁的質量比例如可以為，但不限于10：1、10：2.5、10：3、10：4.5、10：5、10：6.5、10：7、10：8或10：9。
[0028]優(yōu)選地，所述載體的形狀包括球形。
[0029]優(yōu)選地，所述載體的直徑為3～5mm。
[0030]在一些具體的實施方式中，所述載體的直徑例如可以為，但不限于3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm。
[0031]優(yōu)選地，所述碳材料的質量為所述載體的1wt％～20wt％(例如1wt％、5wt％、7wt％、9wt％、13wt％、15wt％、17wt％、19wt％或20wt％)。
[0032]優(yōu)選地，所述碳材料主要由原料焙燒得到。
[0033]優(yōu)選地，所述原料包括：蔗糖、葡萄糖、聚葡萄糖、果糖、檸檬酸、環(huán)糊精、聚乙二醇、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇中的至少一種。
[0034]優(yōu)選地，所述硝酸鹽的質量為所述載體的負載量的0.5wt％～5wt％。
[0035]優(yōu)選地，所述硝酸鹽包括：硝酸鐵、硝酸銅、硝酸鉀、硝酸鋇和硝酸鎳中的至少一種。
[0036]本發(fā)明的另一個方面，還涉及所述的催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0037]將氧化鋁包裹在氧化硅外表面，得到載體；將碳材料和硝酸鹽溶于去離子水中，得到浸漬液；將所述載體在所述浸漬液中進行浸漬處理；所述浸漬處理后的所述載體進行干燥和焙燒。
[0038]所屬的催化劑的制備方法，方法簡單，容易操作，環(huán)境友好，生產(chǎn)成本低，制備得到的催化劑的催化性能好，結構穩(wěn)定。
[0039]優(yōu)選地，所述浸漬液中的去離子水與所述載體的吸水量的質量比為1：(0.5～1.5)。
[0040]在一些具體的實施方式中，所述浸漬液中的去離子水與所述載體的吸水量的質量比例如可以為，但不限于1：0.5、1：0.7、1：0.8、1：0.9、1：1、1：1.2或1：1.5。
[0041]優(yōu)選地，所述浸漬處理的方式包括：逐滴浸漬和/或噴霧浸漬。
[0042]通過浸漬法將有機碳源和金屬助劑組分浸入到氧化鋁孔道內以及包覆在球形表面。采用逐滴或噴霧的添加方式，避免了浸漬液的浪費和二次污染，避免載體溶損，可控制浸漬程度，如只浸漬表面或全部浸漬等；無需后續(xù)過濾瀝干等步驟；過程沒有使用和產(chǎn)生有毒有害物質，對環(huán)境友好；
[0043]優(yōu)選地，所述干燥的溫度為50～200℃。
[0044]在一些具體的實施方式中，所述干燥的溫度例如可以為，但不限于50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、120℃、130℃、140℃、160℃、170℃、180℃或200℃。
[0045]優(yōu)選地，所述干燥的時間為2～12h。
[0046]在一些具體的實施方式中，所述干燥的時間例如可以為，但不限于2、4h、6h、8h、10h或12h。
[0047]優(yōu)選地，所述焙燒在真空條件下進行。
[0048]焙燒過程中，不需氣氛保護，只需要隔絕空氣即可。
[0049]優(yōu)選地，所述焙燒的升溫速率為3～10℃/min。
[0050]在一些具體的實施方式中，所述焙燒的升溫速率例如可以為，但不限于3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、或10℃/min。
[0051]優(yōu)選地，所述焙燒溫度為500～1300℃。
[0052]焙燒溫度需在一定范圍內，在一定溫度范圍內焙燒得到的催化劑比表面積和孔體積良好。焙燒溫度如果不在適宜范圍內，得到的催化劑的機械強度低，耐磨損性差，且抗氧化性差。
[0053]在一些具體的實施方式中，所述焙燒溫度例如可以為，但不限于500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、950℃、1000℃、1100℃、1200℃或1300℃。
[0054]更優(yōu)選地，所述焙燒時間為2～12h。
[0055]在一些具體的實施方式中，所述焙燒時間為2h、4h、6h、8h、10h或12h。
[0056]本發(fā)明的另一個方面，還涉及一種工業(yè)廢水的處理方法，使用所述的催化劑催化臭氧氧化反應。
[0057]優(yōu)選地，實施所述工業(yè)廢水的處理方法的水處理系統(tǒng)，如圖1所示，包括：氧氣儲存裝置1、臭氧發(fā)生裝置2、反應裝置3和待處理廢水儲存裝置4。
[0058]優(yōu)選地，所述氧氣儲存裝置1、所述臭氧發(fā)生裝置2、所述反應裝置3和所述待處理廢水儲存裝置4依次相連。
[0059]優(yōu)選地，所述催化劑填充在所述反應裝置3中。
[0060]下面將結合實施例和對比例對本發(fā)明的實施方案進行詳細描述。
[0061]實施例1
[0062]本實施例提供的催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0063](1)將53g的檸檬酸用100ml的去離子水溶解，配制成溶液；
[0064](2)將12.89g硝酸鐵、16.8g硝酸銅和20.43g硝酸鉀溶于步驟(1)的溶液中，并充分攪拌；
[0065](3)將200g氧化鋁-碳化硅球置于燒杯中，逐滴加入步驟(2)中的溶液，過程中不斷攪拌使溶液浸漬均勻，待溶液被完全吸收后浸漬完成；
[0066](4)將浸漬后的樣品置于50℃的烘箱中烘干6h；
[0067](5)使用馬弗爐，在700℃下焙燒10h。
[0068]實施例2
[0069]本實施例提供的催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0070](1)將31g的果糖和135g的聚乙二醇(PEG)用100ml的去離子水溶解，配制成溶液；
[0071](2)將6.74g硝酸鉀、13.22g硝酸鎳和10.35g硝酸鋇溶于步驟(1)的溶液中，并充分攪拌；
[0072](3)將200g氧化鋁-碳化硅球置于燒杯中，逐滴加入步驟(2)中的溶液，過程中不斷攪拌使溶液浸漬均勻，待溶液被完全吸收后浸漬完成；
[0073](4)將浸漬后的樣品置于80℃的烘箱中烘干3h；
[0074](5)使用馬弗爐，在1000℃下焙燒5h。
[0075]實施例3
[0076]本實施例提供的催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0077](1)～(3)同實施例1；
[0078](4)將浸漬后的樣品置于200℃的烘箱中烘干2h；
[0079](5)使用馬弗爐，在500℃下焙燒12h。
[0080]實施例4
[0081]本實施例提供的催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0082](1)～(3)同實施例1；
[0083](4)將浸漬后的樣品置于100℃的烘箱中烘干4h；
[0084](5)使用馬弗爐，在1300℃下焙燒2h。
[0085]實施例5
[0086]本實施例提供的實施所述工業(yè)廢水的處理方法的水處理系統(tǒng)，包括：氧氣儲存裝置1、臭氧發(fā)生裝置2、反應裝置3和待處理廢水儲存裝置4；所述氧氣儲存裝置1、所述臭氧發(fā)生裝置2、所述反應裝置3和所述待處理廢水儲存裝置4依次相連；所述催化劑填充在所述反應裝置3中。
[0087]對比例1
[0088]本實施例提供的催化劑的制備方法，與實施例1相比，區(qū)別僅在于焙燒溫度為300℃。
[0089]實驗例
[0090]將實施例1得到的催化劑進行XRD表征觀察，得到的結果見圖2。從圖2中可以看出，制備的催化劑中主要含有碳、Al2O3、Al2O3C的晶相，以及一些金屬氧化物的晶相。
[0091]將實施例1～4和對比例1制備得到的催化劑用于廢水處理，采用實施例5提供的水處理系統(tǒng)中完成廢水的處理。待處理廢水為某污水處理廠取回的有機廢水(COD濃度約為300mg/L)，進水量為400mL/h，在臭氧投加量為50mg/L的催化臭氧氧化體系下進行曝氣，每24h取樣一次。首先要使催化劑吸附飽和，然后開始臭氧曝氣。
[0092]表1COD去除率
[0093]
[0094]由表1中的試驗結果可以看出，本發(fā)明提供的催化劑用于廢水的處理具有較好的效果。24h取樣有機廢水中COD去除率最高可達70％，在連續(xù)臭氧曝氣下運行60天后，出水的COD去除率最高保持在55％以上。
[0095]盡管已用具體實施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應意識到，以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；本領域的普通技術人員應當理解：在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍；因此，這意味著在所附權利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內的所有這些替換和修改。
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催化劑及其制備方法和應用.pdf
聲明：
“催化劑及其制備方法和應用” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：北京碧水源膜科技有限公司
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2025年03月28日 ~ 30日 
