深度處理化工污水生化出水的臭氧氧化催化劑

王宏偉，許 芳，趙冬炎，馬麗榮，高 陽，劉 巍，耿長君，莊立波

(中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021)

石油化工廢水組成復(fù)雜，經(jīng)生化處理后仍含有少量高化學(xué)穩(wěn)定性，難以生物降解的污染物，嚴(yán)重時(shí)影響到達(dá)標(biāo)排放。面對越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)成為迫切需求。臭氧具有較高的氧化性能，且產(chǎn)物為氧氣，無二次污染，是一種環(huán)境友好的水處理氧化劑，國內(nèi)外開展了廣泛的研究[2-5]。為解決單獨(dú)使用臭氧的利用率低、反應(yīng)具有選擇性問題[6]，發(fā)展了催化臭氧氧化技術(shù)。其原理是在催化劑存在的條件下，臭氧、催化劑、廢水中的污染物發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，最終實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。臭氧催化氧化反應(yīng)復(fù)雜，催化劑不同，反應(yīng)物不同，反應(yīng)機(jī)理也往往不同。文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了羥基自由基反應(yīng)機(jī)理[7]、絡(luò)合物作用機(jī)理[8]、成鹽作用機(jī)理[9]等反應(yīng)機(jī)理。非均相催化臭氧氧化技術(shù)中固態(tài)催化劑、廢水和氣態(tài)臭氧化氣發(fā)生三相催化反應(yīng)，易于分離催化劑、反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物，有利于催化劑的循環(huán)使用和連續(xù)操作，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑制備

采用等體積濕法浸漬法制備催化劑，載體采用活性氧化鋁，以Cu為活性組分，負(fù)載量質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%。浸漬、烘干、焙燒，得到催化劑。

三水硝酸銅(AR )、一水檸檬酸(AR)：天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；活性氧化鋁(工業(yè)級(jí))：江蘇某化工公司；反應(yīng)原水：取自某化工污水廠生化反應(yīng)二沉池出水。

1.2 催化劑表征

載體和催化劑的XRD表征采用日本島津公司的XRD-6000進(jìn)行測定。儀器參數(shù)Cu靶Kα=0.154 06 nm射線源，衍射強(qiáng)度1.5 kcps，管電壓40 kV，管電流30 mA，掃描范圍2θ=10°～80°，步長0.02°，每2.0°(2θ/min)連續(xù)掃描，平行光路，入射狹縫1.0°(2θ)。

載體和催化劑的孔容及比表面積采用美國麥克公司的AutoPore IV 9510全自動(dòng)壓汞儀測試。載體和催化劑的表面形貌采用日本日立公司的S-3000N電子掃描電鏡測試。催化劑活性組分含量采用美國PE公司的AA800原子吸收光度計(jì)測定。

1.3 評(píng)價(jià)裝置

催化劑評(píng)價(jià)裝置見圖1。采用普通氮?dú)夂推胀ㄑ鯕鈿馄繛槌粞醢l(fā)生系統(tǒng)供氣，可以保證氣流穩(wěn)定，且調(diào)節(jié)不同氮?dú)庋鯕獗壤纯傻玫讲煌瑵舛鹊某粞趸瘹狻＝?jīng)過臭氧發(fā)生器高壓放電反應(yīng)轉(zhuǎn)化為臭氧化氣，進(jìn)入氣體緩沖分配器。氣體緩沖分配器采用分流方式保證供氣壓力恒定和流量穩(wěn)定。通過氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入反應(yīng)器底部曝氣。廢水、臭氧化氣與固定床中的固體催化劑接觸反應(yīng)，反應(yīng)出水從反應(yīng)器頂部出水口排出，進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，在底部進(jìn)行取樣點(diǎn)。分離出的氣體、反應(yīng)尾氣和分流氣體經(jīng)碘化鉀溶液吸收后排放。

圖1 評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)開始前，用實(shí)驗(yàn)原水浸泡參評(píng)催化劑24 h，減少吸附影響。臭氧發(fā)生器開機(jī)預(yù)熱時(shí)，氣路全部調(diào)節(jié)到分流位置，待臭氧濃度檢測儀讀數(shù)穩(wěn)定后，具備開始實(shí)驗(yàn)條件。取樣前2 h開始收集出水，取混合水樣分析COD，作為催化劑活性評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)在室溫下進(jìn)行，氮?dú)狻醚鯕?4∶1(流量比)，臭氧化氣濃度2.0 mg/L，曝氣量120 mL/min，廢水流量300 mL/min，催化劑裝填量100 mL，空速3 h-1，評(píng)價(jià)時(shí)間32 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸漬時(shí)間對催化劑活性的影響

按浸漬時(shí)間3～8 h制備催化劑，考察浸漬時(shí)間對催化劑活性的影響。采用原子吸收法對催化劑活性組分含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著浸漬時(shí)間的增加，活性組分含量上升，見圖2。

從圖2可知，隨著浸漬時(shí)間的增加，出水COD呈下降趨勢，COD的去除率上升，催化劑的活性呈上升趨勢。催化劑浸漬時(shí)間為7 h或8 h，催化劑活性已無差別。浸漬時(shí)間增加，活性組分與載體相互作用增加，因此催化劑活性增加。

浸漬時(shí)間/h圖2 浸漬時(shí)間對催化劑活性的影響

2.2 浸漬溫度對催化劑活性的影響

按室溫、50～90 ℃制備催化劑，考察浸漬溫度對催化劑活性的影響見圖3。

浸漬溫度/℃圖3 浸漬溫度對催化劑活性的影響

從圖3可以看出，隨著浸漬溫度升高，出水COD呈下降趨勢，COD去除率增加，催化劑的活性呈上升趨勢。浸漬溫度對催化劑的活性起有益作用，其原因是提高溫度后，增強(qiáng)了分子運(yùn)動(dòng)，有利于活性組分負(fù)載到催化劑載體上。應(yīng)當(dāng)指出，提高溫度能增強(qiáng)催化劑活性，同時(shí)也增加了能源消耗，因此需要選擇適宜的浸漬溫度。

2.3 載體處理對催化劑活性的影響

對載體進(jìn)行改性，基礎(chǔ)載體采用江蘇某化工公司提供的工業(yè)級(jí)活性氧化鋁，考察載體處理方式對催化劑活性的影響見表1。

表1 載體預(yù)處理?xiàng)l件

采用確定的浸漬液配方，等體積浸漬法，浸漬時(shí)間為7 h，浸漬溫度為70 ℃，采用1#～5#分別制備催化劑見表2。

表2 載體預(yù)處理方式對催化劑活性的影響

從表2可以看出，載體經(jīng)過預(yù)處理后，制成的催化劑活性顯著提高。只進(jìn)行焙燒預(yù)處理，COD去除率就提高了4.74%。

由圖4可知，焙燒后，載體上的雜峰消失，譜圖變規(guī)整；載體晶型從γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3與χ- Al2O3的混合體。

圖4 載體焙燒前后XRD譜圖

采用檸檬酸溶液處理后再焙燒，COD去除率進(jìn)一步提高到8.37%。增加檸檬酸濃度會(huì)提高制成催化劑的活性，但是檸檬酸濃度從0.3 mol/L提高到0.5 mol/L后，COD去除率增加僅0.14%。使用檸檬酸溶液處理基本載體后，改變了載體表面的酸堿特性，有利于增加金屬活性組分的負(fù)載，增強(qiáng)活性組分與載體的相互作用，因此能提高催化劑活性。這種改性過程主要發(fā)生于載體外表面，故而進(jìn)一步提高檸檬酸溶液濃度后，催化劑活性增加程度有限。

3 結(jié) 論

增加浸漬時(shí)間有利于提高催化劑活性，浸漬時(shí)間為7 h時(shí)催化劑活性達(dá)到峰值。提高浸漬溫度有利于提高催化劑活性，浸漬溫度70 ℃是理想的浸漬溫度。工業(yè)級(jí)活性氧化鋁經(jīng)焙燒后制備催化劑，將提高催化劑活性。用0.3 mol/L檸檬酸溶液預(yù)處理載體后，催化劑活性大幅度上升。