FeO-CeO2/γ-Al2O3催化雙氧水處理羅丹明B廢水研究

王永慧，李楓盛，葛明慧，秦 拓，魏心瑤，田皓穎，蔡衛(wèi)濱

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

催化濕式過(guò)氧化氫氧化(CWPO)工藝具有氧化無(wú)選擇性、降解有機(jī)物徹底、反應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)制備復(fù)合氧化物負(fù)載型催化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)Fenton工藝中的亞鐵離子，以解決后者帶來(lái)的鐵泥等二次污染問(wèn)題。本文以介孔氧化鋁為載體，鐵與鈰為活性組分，通過(guò)活性組分快速催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基，有效降解廢水中難降解的有機(jī)污染物。由于廢水穩(wěn)定性不強(qiáng)，本文采用羅丹明B為模擬廢水，研究催化劑的活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

試劑：硫酸、硫酸銀、六水合硫酸亞鐵銨、七水合硫酸亞鐵、硝酸鈰、重鉻酸鉀、羅丹明B、氫氧化鈉、30%過(guò)氧化氫；常用試劑均從商業(yè)渠道購(gòu)買(mǎi)，除非特別說(shuō)明，均為分析純品。

1.2 催化劑制備

向燒杯中加13.9g FeSO4·7H2O和0.2g Ce(NO3)3·6H2O配制成200mL溶液；再加入30g γ-Al2O3載體小球，置于70℃ 的恒溫水浴中攪拌浸漬4h。將浸漬完的載體用真空泵抽濾后在干燥箱100C烘干；隨后分別置于450，550，650，750℃和850℃的馬弗爐中煅燒4h，得到不同煅燒溫度下制備的FeO-CeO2/γ-Al2O3催化劑。

1.3 催化氧化效果研究

取100mL濃度為100mg/L的羅丹明B的水樣置于250mL的錐形瓶中，將初始pH值調(diào)至6，向各錐形瓶中加入20g FeO-CeO2/γ-Al2O3催化劑，再加入0.23mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2，于一定溫度下恒溫振蕩床中反應(yīng)2h，轉(zhuǎn)速200r/min。反應(yīng)結(jié)束后用NaOH溶液將各水樣pH值調(diào)至9～10以終止反應(yīng)，接著加入0.023gMnO2靜置除去殘留的H2O2。隨后測(cè)試水樣殘留COD并計(jì)算去除率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煅燒溫度對(duì)催化劑催化效果的影響

圖1 煅燒溫度與COD去除效果關(guān)系圖

合適的煅燒溫度能使不同活性組分形成較為穩(wěn)定的固溶體，使催化劑獲得較好的催化效果，同時(shí)能有效降低處理水樣時(shí)活性組分的溶出，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命[1]。因此，本文研究了煅燒溫度對(duì)催化劑催化活性的影響，結(jié)果如圖1所示，在恒溫振蕩的溫度為60℃。由圖可知，煅燒溫度從450℃ 升高到750℃，水樣的COD去除率逐漸增加，依次為49.5%、61.3%、79.2%和92.1%，其中750℃煅燒溫度下催化劑的催化效果最佳，這主要是因?yàn)樵诖遂褵郎囟认拢現(xiàn)eO與CeO2能形成固溶體，Aneggi等[2]發(fā)現(xiàn)一方面鐵鈰固溶體的形成能有效提高材料的氧遷移能力；另一方面鐵鈰復(fù)合材料表面的無(wú)定型Fe2O3以及其與鐵鈰固溶體緊密接觸而產(chǎn)生的界面層，可能作為活性位提高了材料對(duì)雙氧水的吸附能力。當(dāng)煅燒溫度進(jìn)一步升高到850℃時(shí)，水樣的COD去除率迅速下降到72.2%，這主要是由于，當(dāng)煅燒溫度過(guò)高時(shí)，一方面氧化鋁載體的比表面積和孔容大大減小；另一方面，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，催化劑顆粒團(tuán)聚減少，表面積減少，兩者都減少了催化劑與雙氧水以及羅丹明B的接觸，因此催化效率下降。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)催化劑催化效果的影響

溫度是催化濕式過(guò)氧化氫氧化反應(yīng)的重要影響因素之一，能夠顯著影響反應(yīng)時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)采用羅丹明B模擬廢水進(jìn)行了溫度對(duì)催化氧化效果的影響。實(shí)驗(yàn)溫度分別為室溫(23.4℃)、30,40,50,60℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)溫度與COD去除效果關(guān)系圖

由圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，廢水COD的去除率逐漸增加。當(dāng)反應(yīng)溫度從30℃增加到40℃，水樣COD的去除率從30.9%增加到70.4%；這主要是因?yàn)樵黾臃磻?yīng)溫度可以促進(jìn)反應(yīng)的傳質(zhì)過(guò)程，可加快H2O2、廢水和催化劑三者之間的反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多的羥基自由基，有利于廢水的降解[3]。當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高到50℃和60℃時(shí)，水樣COD的去除率分別為76.3%和86.6%，此時(shí)隨著溫度的增加，COD去除率增加速率相對(duì)減緩。因此，基于COD的去除率和經(jīng)濟(jì)成本，40℃可作為工業(yè)處理廢水的合適反應(yīng)溫度。

3 結(jié)論

以氧化鋁為載體，以FeO與CeO2為催化劑活性成分，通過(guò)浸滯法制備了FeO-CeO2/γ-Al2O3雙氧水催化氧化催化劑。研究了催化劑煅燒溫度與反應(yīng)溫度對(duì)催化劑催化效果的影響。

隨煅燒溫度增加，催化劑的催化效果先上升而后下降，在750℃催化效果最佳，對(duì)應(yīng)COD去除率86.6%；隨反應(yīng)溫度上升，催化效果先快速上升，隨后上升速度降低。基于COD去除率和經(jīng)濟(jì)成本，40℃較為合適，對(duì)應(yīng)COD去除率70.4%。