用于臭氧化处理的催化剂的制备方法与流程

本发明属于催化剂制备
技术领域：
，具体涉及一种用于臭氧化处理的催化剂的制备方法。
背景技术：
：催化臭氧化作为一种先进的氧化过程，是最有效和最有前途的技术之一，它可以降解和去除废水中几乎所有类型的有机污染物。该过程基于产生包括羟基自由基和活性氧物质(ross)在内的非选择性氧化物质，这些物质可以将有机污染物矿化成co2和h2o。臭氧化本身完全降解有机物的能力有限，结果可能形成有害或不希望的副产物。因此，连续的臭氧生产是必要的，这增加了该过程的能耗和运营成本。与臭氧一起使用催化剂会产生羟基自由基，该羟基自由基比臭氧能够更好的完全降解有机污染物。不断增长的全球人口以及与该扩张相关的工业和经济发展继续加剧了全球对水的需求。每年，都会有大量新的人造化学药品和个人护理产品(ppcp)引入环境。传统的水处理方法对于有效管理这些新出现的污染物变得越来越困难。这些化学药品对人类健康和环境具有毒性和危害性，因此在排放前必须将其从工业废水中清除。尽管均相催化臭氧化具有很多优点，但是使用的大多数过渡金属离子催化剂对环境有毒，需要回收。一定量的过渡金属离子溶解在水中，会导致二次污染。从水中去除这些金属离子需要复杂的过程并增加成本。非均相催化臭氧化克服了这些缺点，适用于废水处理。在不同的操作条件下，非均相催化剂具有更好的稳定性和更低的损失，使其在催化臭氧化方面比均相催化剂更有效。使用贵金属作为臭氧化催化剂引入了高制造成本，并且不适合大规模应用。目前，亟需提供一种可以减少负载催化剂的损失、延长了催化剂的寿命的用于臭氧化处理的催化剂的制备方法。技术实现要素：本发明的目的是提供一种用于臭氧化处理的催化剂的制备方法，合成的催化剂减少了催化反应过程中过渡金属离子的洗脱和损失，延长了催化剂的寿命，防止了水的二次污染。本发明提供了两种用于臭氧化处理的催化剂，一种是ceo2-sio2纳米复合材料催化剂，另一种是二氧化铈催化剂。本发明所述的用于臭氧化处理的催化剂的制备方法是将ceo2的前驱体和sio2的前驱体加入溶剂中混合均匀，得到前驱体溶液；前驱体溶液经氧气分散后通入到甲烷-氧气火焰中反应，得到用于臭氧化处理的催化剂ceo2-sio2纳米复合材料。所述的ceo2的前驱体为2-乙基己酸铈。所述的sio2的前驱体为六甲基二硅氧烷。所述的溶剂为二甲苯。所述的sio2的前驱体与溶剂的体积比为10-16：100-200。所述的ceo2-sio2纳米复合材料中ceo2与sio2的摩尔比为1：1.5-9。所述的甲烷-氧气火焰中甲烷的流量为0.5-3.5l/min，优选为1.5l/min；氧气的流量为2-5l/min，优选为3.2l/min。本发明所述的用于臭氧化处理的催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备2-乙基己酸铈(iii)作为ceo2的前驱体，制备六甲基二硅氧烷作为sio2的前驱体，其中，在氮气气氛下制备ceo2的前驱体和sio2的前驱体以防止水解；ceo2的前驱体和sio2的前驱体也可以采用市售产品；(2)将ceo2的前驱体和sio2的前驱体加入溶剂中混合均匀，得到前驱体溶液；(3)使用注射泵以4-6ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴送入；(4)用4-6l/min的o2进料分散来自喷嘴的前驱体溶液喷雾；(5)将喷嘴两端的压强保持在140-160kpa；(6)通过ch4和o2的预混合流点燃和维持火焰；(7)使用流量为4-6l/min的o2作为鞘气；(8)使用真空泵将产生的颗粒收集在玻璃纤维过滤器上。步骤(3)中优选以5ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴送入。本发明所述的用于臭氧化处理的催化剂的制备方法是将ceo2的前驱体加入溶剂中混合均匀，得到前驱体溶液；前驱体溶液经氧气分散后通入到甲烷-氧气火焰中反应，得到二氧化铈，二氧化铈进行后处理得到用于臭氧化处理的催化剂。所述的ceo2的前驱体为2-乙基己酸铈。所述的溶剂为二甲苯。所述的甲烷-氧气火焰中甲烷的流量为0.5-3.5l/min，氧气的流量为2-5l/min。所述的后处理为氢热处理或光处理。所述的氢热处理是二氧化铈加热至500℃后，在氢气和氩气的混合气的气流中保持120-240分钟。所述的氢气和氩气的混合气中氢气的含量为10％。所述的光处理是二氧化铈在uv光下照射45-120分钟。本发明所述的用于臭氧化处理的催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)在手套箱中，在氮气气氛下，将ceo2的前驱体与溶剂混合，以防止水解，得到前驱体溶液；(2)将前驱体溶液注入手套箱中的注射器中，注射器安装在注射泵中；(3)使用注射泵以4-6ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴送入；(4)用4-6l/min的o2进料分散来自喷嘴的前驱体溶液喷雾；(5)将喷嘴两端的压强保持在140-160kpa；(6)通过ch4和o2的预混合流点燃和维持火焰；(7)使用流量为4-6l/min的o2作为鞘气；(8)使用真空泵将产生的二氧化铈颗粒收集在玻璃纤维过滤器上；(9)二氧化铈进行氢热处理或光处理得到用于臭氧化处理的催化剂。所述的氢热处理包括如下步骤：(1)从玻璃纤维过滤器中收集纯fsp二氧化铈；(2)将二氧化铈放入电热管炉中；(3)在25-35ml/minar气下，将二氧化铈加热至150℃，保持30分钟以去除表面水；(4)将二氧化铈冷却至环境温度；(5)在25-35ml/minar气下，以5℃·min-1将二氧化铈重新加热至500℃；(6)将气体从ar气切换到25-35ml/min的h2/ar(h2：ar＝10％:90％)混合气并在500℃下保持120-240分钟，即得。所述的光处理包括如下步骤：(1)从玻璃纤维过滤器中收集纯fsp二氧化铈；(2)将二氧化铈加入到水中，得到溶液；(3)将溶液超声处理15-25分钟；(4)将溶液加入到玻璃螺旋反应器中；(5)将溶液暴露于紫外线(nec，20w黑光-蓝灯，最大发射波长为365nm)下45-120分钟，即得。本发明可用于废水处理领域，特别是工业废水的深度处理。本发明通过火焰喷雾热解(fsp)技术制备颗粒。另外，高温下的氢热处理或光处理用于处理催化剂以增强其对臭氧化反应的催化活性。单种金属氧化物(例如ceo2，tio2，al2o3)或金属氧化物附着于支撑基底(支撑基底例如活性炭、二氧化硅、氧化铝)的金属基催化剂可用于催化臭氧化的实际应用。在本发明中，选择氧化铈是由于其高的储氧能力(osc)和氧化还原转换能力(ce3+至ce4+，反之亦然)。另一方面，为了提高二氧化铈的质构和氧化还原性能并提高其活性、选择性和稳定性，将二氧化铈与二氧化硅(sio2)结合使用。在本发明中，使用火焰喷雾热解(fsp)技术生产二氧化铈-二氧化硅复合材料(cexsiyo2)和纯二氧化铈(ceo2)。fsp是一种可扩展、快速且简便的方法，能够生产具有多种结构和组成的纳米材料。2-乙基己酸铈(iii)和六甲基二硅氧烷分别用作二氧化铈和二氧化硅的前驱体。通过改变前驱体溶液中2-乙基己酸铈(iii)和六甲基二硅氧烷的比例来调节复合物中二氧化铈与二氧化硅的比例。本发明使用过渡金属氧化物(二氧化铈，ceo2；二氧化硅，sio2)及其混合物作为用于催化臭氧化以降解有机污染物的催化剂。催化臭氧化需要大量生产复合金属氧化物(臭氧化催化剂)。本发明使用火焰喷雾热解(fsp)作为直接且可扩展的方法，用于大规模可重复的制造复合金属氧化物。对臭氧化反应有活性的过渡金属氧化物催化剂仍然较为昂贵并且具有低的金属氧化物表面积。在一种较贵的过渡金属氧化物中引入第二种相对更便宜的金属氧化物可以得到成本较低且比表面积较高的复合金属氧化物。将ceo2集成到sio2中可以起到这种作用。本发明使用fsp制造在ceo2中包含sio2的复合金属氧化物催化剂，该复合金属氧化物催化剂具有用于催化臭氧化的高比表面积。晶体缺陷例如过渡金属氧化物表面上的氧空位，能够在催化臭氧化过程中催化羟基自由基和活性氧(ros)的产生。ceo2中包含第二种氧化物(如sio2)可增加金属氧化物中的缺陷密度，并改善催化臭氧化工艺的催化剂活性。在本发明制备的催化剂中，二氧化铈(ceo2)具有高的储氧能力(osc)和氧化还原转换能力(ce3+到ce4+，反之亦然)。氧化还原偶合转化意味着可以在ceo2表面形成氧空位，这些空位有利于氧化反应的活性位点。二氧化铈的相对可用性使其成为用于多相催化臭氧化反应的贵金属催化剂的有力替代品。纳米尺寸的ceo2粉末与较大的ceo2颗粒相比可以从其表面释放更多的氧气，这是因为其更大的表面积与体积比。本发明为了增加ceo2的质构和氧化还原特性并调用更大的催化活性、选择性和稳定性，将ceo2与其它金属氧化物如二氧化硅(sio2)结合。二氧化硅表面具有两种主要的缺陷类型：(i)具有≡si-o·结构的非桥接氧孔中心(nbohc)和(ii)具有≡si·结构的e′中心；其中(≡)表示与其他三个氧原子的键，(·)表示未配对的电子。缺陷可以充当用于选择氧化反应的催化活性位点。本发明的有益效果如下：本发明制备的催化剂用于降解生活污水和工业废水中的有机污染物，可以解决新兴污染物二次污染的问题和由于臭氧化过程中活性位的损失而降低了催化剂有效性的问题。使用本发明的催化剂可以减少负载催化剂的损失，并以较少的催化剂量增加催化臭氧化过程的有效性，催化剂具有较高的去除效率，并且避免了二次污染。附图说明图1是催化臭氧化装置的结构示意图，图中，1、氧气罐；2、气体流量计；3、臭氧发生器；4、反应器；5、出气口；6、取样口；7、磁力搅拌器。图2是实施例1-2和对比例1制得的催化剂与实施例3制得的二氧化铈的性能检测结果图。图3是实施例3和实施例4制得的催化剂及实施例3制得的二氧化铈的性能检测结果图。具体实施方式以下结合实施例对本发明做进一步描述。实施例1(1)将18ml49％2-乙基己酸铈(iii)的2-乙基己酸溶液(alfaaesar)、16ml六甲基二硅氧烷(hmdso，sigma-aldrich，≥98.5％)与146ml二甲苯混合均匀，得到前驱体溶液；(2)使用注射泵以5ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴进料；(3)用5l/min的o2进料分散来自喷嘴的前驱体溶液喷雾；(4)将喷嘴两端的压强保持在150kpa；(5)通过ch4和o2的预混合流点燃和维持火焰，甲烷的流量为1.5l/min，氧气的流量为3.2l/min；(6)使用流量为5l/min的o2作为鞘气；(7)使用真空泵将产生的粒径为6nm的颗粒收集在玻璃纤维过滤器上，得到用于臭氧化处理的催化剂fsp9si-1ce(用于臭氧化处理的催化剂中sio2与ceo2的摩尔比为9：1)。催化臭氧氧化反应在半间歇反应器中在环境温度和压力下进行。如图1所示，在半间歇式反应器系统中，水相(包含目标有机污染物)处于间歇状态，并且使用扩散器将臭氧气体连续鼓泡到反应器底部的溶液中。首先，将1l的废水溶液(包括100mg/l的双酚a(bpa)作为模型污染物)放入反应器烧瓶中。然后向溶液中添加25mg/l的催化剂，并以750rpm的磁力搅拌60分钟，以达到有机吸附-解吸平衡。臭氧气体鼓泡进入反应器底部。臭氧是通过使超纯氧以750ml/min的速度通过bmt802n臭氧发生器产生的。在臭氧化反应期间，使来自反应器的样品通过0.45μm的微滤器以除去催化剂。使用硫代硫酸钠(0.025mol/l)淬灭样品中残留的臭氧。通过在所选时间测量系统的总有机碳(toc)含量，可以评估催化剂的性能。催化剂性能测试结果见图2。实施例2(1)将49ml49％2-乙基己酸铈(iii)的2-乙基己酸溶液(alfaaesar)、10ml六甲基二硅氧烷(hmdso，sigma-aldrich，≥98.5％)与121ml二甲苯混合均匀，得到前驱体溶液；(2)使用注射泵以6ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴进料；(3)用6l/min的o2进料分散来自喷嘴的前驱体溶液喷雾；(4)将喷嘴两端的压强保持在160kpa；(5)通过ch4和o2的预混合流点燃和维持火焰，甲烷的流量为2l/min，氧气的流量为3.5l/min；(6)使用流量为5l/min的o2作为鞘气；(7)使用真空泵将产生的粒径为8nm的颗粒收集在玻璃纤维过滤器上，得到用于臭氧化处理的催化剂fsp2si-1ce(用于臭氧化处理的催化剂中sio2与ceo2的摩尔比为2：1)。催化臭氧氧化反应同实施例1，催化剂性能检测结果见图2。实施例3(1)在手套箱中，在氮气气氛下，将97ml浓度为49％的2-乙基己酸铈(iii)的2-乙基己酸溶液(alfaaesar)与83ml二甲苯混合，以防止水解，得到前驱体溶液；(2)将前驱体溶液注入手套箱中的180ml注射器中，注射器安装在注射泵中；(3)使用注射泵以5ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴送入；(4)用5l/min的o2进料分散来自喷嘴的前驱体溶液喷雾；(5)将喷嘴两端的压强保持在150kpa；(6)通过ch4和o2的预混合流点燃和维持火焰，甲烷的流量为1.5l/min，氧气的流量为3.2l/min；(7)使用流量为5l/min的o2作为鞘气；(8)使用真空泵将产生的颗粒收集在玻璃纤维过滤器上，得到粒径为24nm的二氧化铈(fspce)，二氧化铈(fspce)性能检测结果见图2；(9)从玻璃纤维过滤器中收集二氧化铈；(10)将100mg二氧化铈放入电热管炉中；(11)在30ml/minar气下，将二氧化铈加热至150℃，保持30分钟以去除表面水；(12)将二氧化铈冷却至环境温度；(13)在30ml/minar气下，以5℃·min-1将二氧化铈重新加热至500℃；(14)将气体从ar气切换到30ml/min的h2/ar(h2：ar＝10％：90％)混合气并在500℃下保持180分钟，即得用于臭氧化处理的催化剂(reducedfspce)。催化臭氧氧化反应同实施例1，催化剂性能检测结果见图3。实施例4(1)从玻璃纤维过滤器中收集实施例3制得的二氧化铈(fspce)；(2)将25mg二氧化铈加入到50ml的milli-q水中，得到溶液；(3)将溶液超声处理20分钟；(4)将溶液加入到玻璃螺旋反应器中；(5)将溶液暴露于紫外线(nec，20w黑光-蓝灯，最大发射波长为365nm)下60分钟，即得用于臭氧化处理的催化剂(lightpretreatedfspce)；催化臭氧氧化反应同实施例1，催化剂性能检测结果见图3。对比例1(1)在氮气气氛下，在手套箱中将39ml的六甲基二硅氧烷(hmdso，sigma-aldrich，≥98.5％)与141ml的二甲苯混合，以防止水解，得到前驱体溶液；(2)将前驱体溶液注入手套箱中的180ml注射器中，注射器安装在注射泵中；(3)使用注射泵以5ml/min的速度将前驱体溶液通过fsp装置中的喷嘴送入；(4)用5l/min的o2进料分散来自喷嘴的前驱体溶液喷雾；(5)将喷嘴两端的压强保持在150kpa；(6)通过ch4和o2的预混合流点燃和维持火焰，甲烷的流量为1.5l/min，氧气的流量为3.2l/min；(7)使用流量为5l/min的o2作为鞘气；(8)使用真空泵将产生的颗粒收集在玻璃纤维过滤器上，得到二氧化硅催化剂(fspsi)。催化臭氧氧化反应同实施例1，催化剂性能检测结果见图2。对比例2按照实施例1的方法制备得到用于臭氧化处理的催化剂fsp1si-9ce(用于臭氧化处理的催化剂中sio2与ceo2的摩尔比为1：9)。对比例3按照实施例1的方法制备得到用于臭氧化处理的催化剂fsp1si-2ce(用于臭氧化处理的催化剂中sio2与ceo2的摩尔比为1：2)。结果分析：1、实施例1-2和对比例1-3制得的催化剂与实施例3制得的二氧化铈的比表面积和尺寸结果见表1。表1实施例1-2和对比例1-3制得的催化剂与实施例3制得的二氧化铈的比表面积和尺寸样品ceo21si-9ce1si-2ce2si-1ce9si-1cesio2比表面积(m2/g)11397115151223383颗粒尺寸(nm)24121086-2、对实施例1-2和对比例1制得的催化剂与实施例3制得的二氧化铈进行性能检测，结果见图2。图2显示了本发明的催化剂对催化臭氧化过程中作为模型有机污染物的双酚a(bpa)的去除的影响，该图还显示了在本发明的二元氧化物催化剂存在下催化臭氧化60分钟后的总有机碳残留量。图2是纯二氧化铈，两个二氧化铈与二氧化硅比例不同的cexsiyo2样品，纯二氧化硅和非催化臭氧氧化(无催化剂)在催化臭氧化过程中bpa的去除效率。反应条件：初始bpa浓度＝100mg·l-1；催化剂负载量＝25mg·l-1；氧气流量＝750ml·min-1；臭氧浓度＝7mg/l。阶段(时间范围-60分钟至0分钟)，去除的toc首先随着反应时间的增加而增加，然后减少。最初的toc升高表明，引入臭氧后，吸附的有机物解吸到溶液中。溶液中的有机物被臭氧和催化生成的羟基自由基降解。图2显示，当sio2结构中存在10％ceo2(粒径为6nm，bet表面积为223m2/g)时，toc去除效率显着提高。随着sio2中ceo2含量的增加，toc去除效率降低。在cexsiyo2复合材料中，ceo2是表面氧空位的来源。通过添加sio2可以提高toc去除率，这是由于(i)稳定了(ceo2)表面氧空位的sio2和/或(ii)有助于催化臭氧化反应的sio2缺陷和/或(iii)催化剂表面积的增加。在所有催化剂中，1ceo2-9sio2材料具有最高的总氧空位。就60分钟后的toc去除而言，1ceo2-9sio2的催化臭氧氧化效率约为94％，ceo2约为70％，非催化臭氧氧化(无催化剂)约为40％。催化剂稳定性和可循环性是催化臭氧化的关键因素，特别是在降低实际应用的工艺成本方面。检查催化臭氧化五个循环，即使在五个循环后也显示出几乎相同的去除效率。本发明的优点之一是其在催化臭氧化过程中的稳定性和可回收性。另一方面，在残留溶液中溶解的金属离子可以忽略不计，这表明可以忽略离子的损失以及因此去除效率的降低，这与以前的工作相比是重要的成就。3、在本发明中，使用fsp制得的ceo2，其在升高的温度下用氢进行处理(氢化)或用紫外线进行照射，用于通过非均相催化臭氧化除去bpa。对实施例3和实施例4制得的催化剂及实施例3制得的二氧化铈进行性能检测，结果见图3。图3显示了未处理的ceo2、氢热处理后的ceo2和光处理后的ceo2进行催化臭氧氧化过程中bpa去除的toc含量。图3是还显示了光处理、氢热处理和未处理的ceo2催化臭氧氧化过程中bpa的去除效率。反应条件：初始bpa浓度＝100mg·l-1；催化剂负载量＝25mg·l-1；氧气流量＝750ml·min-1；臭氧浓度＝7mg/l。光处理后的ceo2显示出最高的toc去除率(60分钟后after82％)。光处理会在ceo2上产生额外的表面氧空位，这是在催化臭氧氧化过程中具有更好性能的原因。氢化的ceo2表现出与未处理的ceo2几乎相似的活性。氢化可增加ceo2上的表面氧空位，同时减少ceo2的表面积。氢化作用对ceo2性质的两种影响可能会相互抵消，从而在催化臭氧化过程中toc去除率(相对于未经处理的ceo2)的改善可忽略不计。当前第1页12