Y/γ-Al2O3濕式催化氧化降解甲基橙的研究

包逸飛，蘇會東，孟偉康

Y/γ-Al2O3濕式催化氧化降解甲基橙的研究

包逸飛，蘇會東*，孟偉康

（沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

以γ-Al2O3為載體，采用浸漬硝酸釔溶液的方法，制備Y/γ-Al2O3催化劑，以甲基橙溶液作為模擬印染廢水進行模擬實驗，考察了濕式催化氧化反應條件pH、催化劑投加量、催化反應時間、氧化劑投加量等反應條件對甲基橙廢水處理效果的影響。結果表明：在濕式催化氧化反應溫度為 27 ℃、pH為7、催化劑投加量為300 mg、氧化劑30%過氧化氫溶液5 mL、反應時間90 min時，對甲基橙溶液作為模擬廢水降解率達到91.01%。

γ-Al2O3；濕式催化氧化；浸漬法；甲基橙廢水

當前，石化、制藥等產業產生了許多毒性高、難生物降解的有機廢水，給環境安全和人類健康帶來了嚴重威脅。濕式催化氧化技術（CWAO），是在濕式氧化技術基礎上發展起來的一種新型處理難生物降解有機廢水的環保技術，具有效率高、占地小、操作簡便、無二次污染等優點[1-3]，得到國內外學者的高度重視[4-7]。本實驗以γ-Al2O3為載體，采用浸漬硝酸釔的方法，制備了Y /γ-Al2O3催化劑，以甲基橙溶液作為模擬廢水研究濕式催化氧化實驗效果。

1 實驗部分

1.1 Y- Al2O3催化劑的制備

以γ-Al2O3為載體，對γ-Al2O3進行研磨，使用標準篩過濾得到粒度為40~60目的γ-Al2O3，放入燒杯洗滌，用蒸餾水洗滌至上部清潔液不混濁，然后在超聲振蕩器中振蕩至不渾濁，將清潔后的γ-Al2O3放在110 ℃烘箱干燥12 h，于通風處儲存備用。

實驗催化劑的制備選用浸漬法，用滴定管將 3.5 mL 0.1 mol·L-1的硝酸釔溶液滴入經過預處理后的放在燒杯底的3 g γ-Al2O3載體中，靜置24 h，再以烘箱80 ℃烘干2 h，放入350 ℃的馬弗爐中煅燒 3 h，即制得Y/γ-Al2O3催化劑，待自然冷卻后取出備用。

1.2 濕式催化氧化實驗方法

以甲基橙溶液為模擬印染廢水進行實驗，在250 mL錐形瓶中裝有100 mL質量濃度為10 mg·L-1甲基橙溶液，用電子天平稱取300 mg Y/γ-Al2O3催化劑放入錐形瓶中，并用滴定管滴入5 mL的30%的H2O2。將錐形瓶放入水浴振蕩器中，在170 r·min-1、27 ℃條件下震蕩90 min，使用分光光度計測量吸光度，計算降解率= (0-)/0。其中，0為降解前甲基橙溶液的吸光度，為處理后的吸光度。

2 結果與討論

2.1 浸漬液濃度的選擇

通過浸漬法制備催化劑，制備不同濃度的硝酸釔溶液作為浸漬溶液，按1.1的方法制備多份 Y/γ-Al2O3催化劑，以1.2方法進行實驗。對比分析不同浸漬液濃度的催化反應降解率，計算出降解效率，實驗結果如圖1所示。

圖1 催化劑浸漬液濃度對降解率的影響

從圖1看出，以Y/γ-Al2O3為催化劑，相同的反應條件下，隨著浸漬液濃度的增加，催化劑的催化性能首先提高，這使得當催化劑的濃度提高時，可以獲得更好的催化性能。 浸漬液濃度為 0.1 mol·L-1催化性能最好，達到最大降解率89.68％，隨后催化性能降低且穩定。這是由于Y/γ- Al2O3催化劑孔隙一定，過多的活性組分對降解過程有抑制作用。因此，當浸漬液濃度為0.1 mol·L-1時，催化劑Y/γ- Al2O3表現出最好的催化性能。

2.2 焙燒溫度的選擇

按1.1的方法，選用濃度為0.1 mol·L-1的硝酸釔溶液為浸漬液，制備多份Y/γ-Al2O3催化劑，在馬弗爐中分別在300、350、400、450、550、650 ℃的溫度下煅燒，制備催化劑，以1.2實驗流程進行實驗。對比分析不同焙燒溫度下的催化反應降解率，計算出降解率，實驗結果如圖2。

圖2 不同焙燒溫度的Y/γ-Al2O3催化劑降解率對比

如圖2可以看出，以Y/γ-Al2O3為催化劑，在相同反應條件下，浸漬液的濃度為0.1 mol·L-1，焙燒溫度為300 ℃和350 ℃時的降解率很大，而且降解率接近，但350 ℃降解率稍高；此后，隨著煅燒溫度的升高，催化劑的催化性能顯著下降，下降到約10％后基本保持不變，這是由于催化劑經一定溫度焙燒能夠形成具有一定粒度、比表面積和晶形的孔隙結構，提高了Y/γ-Al2O3的機械強度和比表面積，但當溫度過高，催化劑又會出現燒結現象毀壞了它的孔隙結構，反而使得催化劑的催化性質降低。因此，當焙燒溫度為350 ℃時，Y/γ-Al2O3表現出最佳的催化性能。

2.3 Y/Al2O3催化劑催化活性研究

2.3.1 pH對處理效果的影響

采用浸漬法，按照2.2最佳實驗條件制備催化劑，按1.2方法進行實驗，將100 mL的橙色甲基溶液調節不同的pH，用Y/γ-Al2O3催化劑進行實驗，對比分析不同pH下的催化反應降解率，計算出降解率，實驗結果如圖3。

從圖3可以看出，以Y/γ-Al2O3作為催化劑，相同反應條件中，甲基橙溶液在酸性條件下，降解率逐漸增加，但小于中性的條件下的降解率。在中性時，降解率最大，為91.01%，所以中性條件下Y/γ-Al2O3催化劑具有最佳催化性能。Y/γ-Al2O3催化的催化效率在堿性條件下顯著降低，然后逐漸減小，pH=15時最小，為1.44%，可忽略不計。其降解性能下降原因可能在于，在堿性條件下，H2O2分解速度加快，氧化劑自身消耗過多，從而使其不能快速氧化廢水中有機物生色基團，而抑制了進一步氧化有機分子的能力[8-9]。

圖3 pH對處理效果的影響

2.3.2 氧化劑加入量對處理效果的影響

采用浸漬法，按照2.2最佳實驗條件制備催化劑，按2.3.1最佳條件進行實驗，在100 mL的橙色甲基溶液中加入不同量的H2O2，用Y/γ-Al2O3催化劑進行實驗，對比分析不同氧化劑劑量下的催化反應降解率，計算出降解率，實驗結果如圖4。

圖4 不同劑量氧化劑條件下催化實驗降解率對比

如圖4所示，當使用Y/γ-Al2O3作為催化劑時，降解率開始時隨著氧化劑的增加而緩慢增加。當雙氧水用量為5 mL時，催化氧化效果最好，降解率達到91.01％。當雙氧水的劑量高于7 mL時，反應的降解率明顯開始降低，然后反應的降解速率幾乎沒有差別。當雙氧水用量為5 mL時，催化氧化效果最佳。

2.3.3 催化劑加入量對處理效果的影響

采用浸漬法，按照2.2最佳實驗條件制備催化劑，按2.3.2最佳條件進行實驗，在100 mL的橙色甲基溶液中加入不同量的Y/γ-Al2O3催化劑，用 Y/γ-Al2O3催化劑進行實驗，對比分析不同催化劑劑量下的催化反應降解率，計算出降解率，實驗結果如圖5。

如圖5所示，當使用Y/γ-Al2O3作為催化劑時，降解率最初隨催化劑劑量的增加而增加。當催化劑量是300 mg時，降解率達到最高，為91.01％，然后降解率逐漸降低。因此可以得出結論，過量的 Y/γ-Al2O3催化劑的存在會對反應產生不利影響，因此最佳催化劑用量應為300 mg。

圖5 催化劑加入量對處理效果的影響

2.3.4 反應時間對處理效果的影響

采用浸漬法，按照2.2最佳實驗條件制備催化劑，按2.3.3最佳條件進行實驗，用Y/γ-Al2O3催化劑進行實驗，保持其他條件不變，每隔一段時間取樣測吸光度，考查時間對催化反應降解率的影響。對比分析不同反應時間下的催化反應降解率，計算出降解率，實驗結果如圖6。

由圖6可見，當使用Y/γ-Al2O3作為催化劑時，降解速度隨著反應時間的增加而逐漸增加。 在最初的30 min內降解率達到86.05％，之后降解速率趨于穩定，但是仍然增加，最高降解率達到91.01%。因此催化濕式氧化反應主要發生在反應開始后的前30 min內，之后少量的氧化劑殘留在溶液中。可以看出，以Y/γ-Al2O3為催化劑的催化濕式氧化具有較高的需氧量和較快的反應速率。

圖6 Y/γ-Al2O3為催化劑反應時間對處理效果的影響

3 結 論

實驗以γ-Al2O3為載體，采用浸漬硝酸釔溶液的方法，制備Y/γ-Al2O3催化劑，通過采用甲基橙溶液作為模擬印染廢水進行模擬實驗。結果表明：在濕式催化氧化反應溫度為 27 ℃、pH為7、催化劑投加量為300 mg、氧化劑30%過氧化氫溶液5 mL、反應時間90 min時，對甲基橙溶液作為模擬廢水降解率達到91.01%，這說明以Y/γ-Al2O3為催化劑、以過氧化氫為氧化劑對甲基橙溶液具有很好的降解作用。

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Study on Degradation of Methyl Orange by Y /γ- Al2O3Wet Catalytic Oxidation

,SU Hui-dong,

（School of Environmental and Chemical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China）

Using γ-Al2O3as a carrier, a method of impregnating yttrium nitrate solution was used to prepare a catalyst, and methyl orange solution was used as a simulated printing and dyeing wastewater for a simulation experiment. The effect of reaction conditions (pH, catalyst dosage, catalytic reaction time, oxidant dosage) on the treatment efficiency of methyl orange wastewater was investigated. The results showed that the degradation rate of methyl orange solution as simulated wastewater reached 91.01% when the temperature of wet catalytic oxidation reaction was 27 ℃, pH was 7, catalyst dosage was 300 mg, oxidant 30% hydrogen peroxide solution was 5 mL, and reaction time was 90 min.

γ-Al2O3; Wet catalytic oxidation; Impregnation method; Methyl orange wastewater

2020-06-05

包逸飛（1996-），男，研究方向：環境工程。

蘇會東（1963-） ，男，教授，博士，研究方向：環境凈化功能材料。

X703.5

A

1004-0935（2020）11-1349-04