一种热处理赤泥催化剂的制备及其在水处理技术中的应用

摘要

本发明提供了一种热处理赤泥催化剂的制备及其在水处理技术中的应用方法，属于水处理技术和环境功能材料领域。热处理赤泥催化剂的性状可为粉末或颗粒，以铝工业废物赤泥为主要原料，采用高温热处理实现赤泥组分的优化重组，提高赤泥催化活性；热处理赤泥催化剂可强化臭氧对水中难降解有机污染物的去除。本发明解决了现有催化臭氧氧化技术中催化剂活性差、制备成本高的问题。作为一种水深度处理技术，热处理赤泥催化臭氧氧化技术工艺简单、成本低廉，且对难降解有机污染物的除污染效果好，这些优点有利于热处理赤泥催化剂在水处理技术中的高效应用，提高常规水处理技术的净化效果，为水中难降解有机污染物的净化提供一种新型、高效、价廉的水处理催化剂和深度处理技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多相催化臭氧氧化除污染水深度处理技术及其催化剂的制备方法。

背景技术

近年来，随着化工合成产品在人们日常生活及工农业生产中的大量应用，水环境中难降 解有机污染物和新型污染物的种类、含量明显增加。日趋复杂的水污染状况，给我国水质安 全保障技术提出了新的挑战。由于常规给水处理和污水处理工艺是以去除水中悬浮及胶体污 染物为主，对有机污染物，特别是对难降解有机污染物的去除能力十分有限，甚至无能为力。 因此，必须借助深度处理技术来进一步保障水质安全。其中，多相催化臭氧氧化技术没有向 工艺中引入其它能量和有毒有害的化学药剂，催化剂可一次性填装于反应器内，操作简单、 便于在实际的水处理工艺中应用。但目前所采用的催化剂普遍存在催化效率低、成本高、且 具有一定的选择性，难以满足实际需求。因此，迫切需要开发和制备新型、高效和经济的催 化剂，以解决饮用水中低浓度的难降解有机污染物的去除问题。

赤泥作为氧化铝生产过程中产生的强碱性废渣，含有大量的铁、铝、钛、钙等金属氧化 物，其主要矿物成分包括赤铁矿(α-Fe₂O₃)、针铁矿(α-FeOOH)、三水硬铝石(Al₂O₃·3H₂O)和石 英(SiO₂)等。可见，赤泥是多种高效水处理化学品的基本制备原理，具有催化臭氧氧化除污染 的应用潜能。近年来，我国对原铝的需求量逐年增加，赤泥的产生量也呈现出逐年增加的态 势。鉴于此，采用适度的处理技术改变赤泥表面结构和优化矿物组成，可提高赤泥在催化臭 氧氧化过程中的催化活性。

发明内容

本发明旨在提供一种新型、高效和经济的催化臭氧氧化水深度处理技术及其催化剂制备 方法。该催化剂可以显著强化臭氧分解产生羟基自由基，最终实现难降解有机污染物的强化 去除。与其它催化臭氧氧化水处理技术相比较，本发明可显著提高除污染效能，同时大大降 低了催化剂的原料成本和制备成本，并且资源化利用了工业废物赤泥，实现“以废治废、变废 为宝”。

本发明提供一种热处理赤泥催化剂的制备及其在水处理技术中的应用，其特征在于(一) 采用热处理方法实现赤泥自身矿物成分的优化，提高赤泥的催化活性；热处理赤泥可以作为 高效催化剂应用水处理技术中，实现强化臭氧分解，产生具有强氧化能力的羟基自由基，完 成对水中难降解有机污染物的强化去除，提供出水水质；其特征在于(二)热处理赤泥催化 剂可以通过如下过程完成制备：(1)清洗，将适量赤泥原矿用蒸馏水连续清洗5次后，去除 赤泥原矿表面的灰分，于70℃的温度下烘干；(2)高温处理准备，称取清洗后的赤泥2.0～ 3.0克，置于洗净烘干后的瓷坩埚内，将瓷坩埚盖上坩埚盖，放到马弗炉内，进行高温处理； (3)高温处理条件，以8～12℃/min为升温速率，升高马弗炉内温度至390～410℃，并在 390～410℃下保温3.5～4.5小时；(4)降温条件，以8～12℃/min为降温速率，降低马弗炉 内温度至23～27℃，并在23～27℃条件下保持6～10小时；(5)研磨与过筛，降至23～27 ℃后得干燥粉末，将其研磨并过筛，选取粒径在0.075～0.15mm范围的颗粒。其特征在于(三) 热处理赤泥催化剂的主要成分组成为：SiO₂48％，Fe₂O₃24％，CaCO₃5％，α-FeOOH2％，TiO₂2％，Na₈(AlSiO₄)₆(NO₂)₂16％，Al(OH)₃0％；其特征在于(四)热处理赤泥催化剂的比表面积 为22.74～22.94m²/g，总孔容为0.071～0.073mL/g，平均孔径为8.14～8.54nm；

本发明提供了一种热处理赤泥在水处理中应用的方法，其特征在于(五)该技术通过以 下几个步骤实现：(1)工艺所需臭氧浓度为1.8～2.2mg/L；(2)工艺所需赤泥基催化剂投量为 450～550mg/L；(3)待处理水体中难降解有机污染物浓度为0.7～1.3mg/L水平；(4)臭氧、 催化剂和污染水体的接触时间为20～40min；(5)待处理水体pH范围为6.0～8.0。

附图内容

附图是具体实施方式一得到的热处理赤泥催化剂催化臭氧氧化除污染技术对水体难降解 有机物硝基苯的去除效能图，其中■表示单独臭氧氧化技术对硝基苯的去除效能，▲表示赤 泥原矿催化臭氧氧化技术对硝基苯的去除效能，●表示热处理赤泥催化臭氧氧化技术对硝基 苯的去除效能。从图中可以看出，热处理赤泥催化剂催化臭氧氧化除污染技术较单独臭氧氧 化技术和赤泥原矿催化臭氧氧化除污染技术对硝基苯的去除效果高，且有着显著的提高，实 现了对水体中难降解有机污染物的强化去除。

具体实施方式

将这种热处理赤泥催化臭氧氧化除污染水深度处理技术中催化剂制备方法及其在水处理 技术中的应用进行说明，本发明技术方案不局限于以下所例举具体实施方式，还包括各具体 实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式热处理赤泥催化臭氧氧化去除水中有机物的水处理方法中 催化剂的制备方法为：(1)清洗，将适量赤泥原矿用蒸馏水连续清洗5次后，去除赤泥原矿 表面的灰分，于70℃的温度下烘干；(2)高温处理准备，称取清洗后的赤泥2.0～3.0克， 置于洗净烘干后的瓷坩埚内，将瓷坩埚盖上坩埚盖，放到马弗炉内，进行高温处理；(3)高 温处理条件，以8～12℃/min为升温速率，升高马弗炉内温度至390～410℃，并在390～ 410℃下保温3.5～4.5小时；(4)降温条件，以8～12℃/min为降温速率，降低马弗炉内温 度至23～27℃，并在23～27℃条件下保持6～10小时；(5)研磨与过筛，降至23～27℃ 后得干燥粉末，将其研磨并过筛，选取粒径在0.075～0.15mm范围的颗粒。

本实施方式制备的热处理赤泥催化剂在水处理中的应用方法为：受污染水体先进行混凝- 沉淀预处理后，再进行热处理赤泥催化剂催化臭氧氧化处理，然后经后处理出水。

催化臭氧氧化除污染技术按照以下步骤实现：(1)工艺所需臭氧浓度为1.8～2.2mg/L；(2) 工艺所需赤泥基催化剂投量为450～550mg/L；(3)待处理水体中难降解有机污染物浓度为 0.7～1.3mg/L水平；(4)臭氧、催化剂和污染水体的接触时间为20～40min；(5)待处理水体 pH范围为6.0～8.0。

本实施方式所使用的热处理赤泥催化臭氧氧化去除水中有机物的水处理方法与水厂现有 臭氧氧化系统完全相同，受污染水体预处理和后处理工艺完全采用现有工艺，无须水处理设 备。本实施方式催化臭氧氧化反应器可为间歇式反应器，也可为连续式反应器或多级联用反 应系统。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是热处理赤泥催化剂在水处理中 的应用方法为：受污染水体先进行初次沉淀一级处理-曝气生化-二次沉淀二次处理后，再进 行热处理赤泥催化剂催化臭氧氧化处理，然后经后处理出水。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是催化剂的制备步骤中(2)中赤 泥原矿为块状形态。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是催化剂的制备步骤中(2)中赤 泥原矿为粉末形态。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

本实施方式得到的热处理赤泥催化剂的制备及其在水处理中的应用，可以实现对水中存 在的难降解有机污染物硝基苯的强化去除作用。从附图中可以发现应用热处理催化剂多相催 化臭氧氧化除污染技术对硝基苯的去除率达到90％以上，较单独臭氧氧化技术提高33.33个 百分点，较赤泥原矿多相催化臭氧氧化技术提高23.96个百分点。