第17卷第5期分 子 催 化V o l.17,N o.5 2003年10月JOU RNAL O F M OL ECULA R CA TAL YS IS(CH I NA)O ct. 2003 文章编号:100123555(2003)0520357205湿式氧化催化剂Ru O2 Χ-A l2O3降解高浓度含酚配水的研究杨少霞,冯玉杰1),万家峰,蔡伟民1,2(1.哈尔滨工业大学 市政环境学院,黑龙江哈尔滨150001;2.上海交通大学 环境科学与工程学院,上海200030)摘 要:采用浸渍法制备了R uO2 Χ2A l2O3催化剂,利用XRD和SE M对催化剂进行了表征,研究了焙烧温度、反应温度、反应溶液pH值和氧分压对R uO2 Χ2A l2O3催化剂活性影响.结果表明,R uO2 Χ2A l2O3催化剂组分R u在表面有较好的分散性;焙烧温度升高使R uO2晶粒长大,在低温焙烧,R uO2晶粒细小,R uO2 Χ2A l2O3催化剂的活性较高;反应温度升高,使R uO2 Χ2A l2O3催化剂的活性显著提高;反应溶液pH值为酸性时比在碱性条件的催化剂活性高;氧分压达到3M Pa后,对于R uO2 Χ2A l2O3催化剂的活性几乎没有影响.在150℃、3M Pa、pH值为5.6时,反应150m in后,苯酚全部被氧化.研究表明,R uO2 Χ2A l2O3催化剂具有较好的催化活性.关 键 词:苯酚氧化;R u系催化剂;pH值;湿式氧化中图分类号:O643.32 文献标识码:A 高浓度、有毒、有害的有机废水是对环境影响较大的污染源,已成为世界普遍重视的问题.对于此类废水,有许多处理方法,如生物处理,但由于废水中有机物对微生物的毒害作用,严重影响了其处理效果,有时甚至无法运行[1];焚烧法是一种处理超高浓度废水的有效方法,但二口恶口婴的影响,使人们对焚烧法的安全,产生了极大的怀疑[2];湿式氧化技术(W et A ir O x idati on,简称W AO)是近几十年发展起来的一种有效处理此类废水的氧化技术,它是在高温(125~320℃)和高压(0.5~20 M Pa)下,以氧气为氧化剂,将有机污染物氧化分解为二氧化碳和水等无机物或有机小分子的化学过程[3].与传统的生物处理相比,W AO具有高效、无二次污染等优点.目前在欧洲大约有90多家工厂采用W AO处理石油、化工、制药废水、城市污泥、活性炭再生和垃圾渗漏液等[4].但由于W AO的操作条件较苛刻,设备费用大,影响了它的应用.催化剂的使用,可以使反应在温和、较短的时间内完成,因此催化湿式氧化技术(Catalytic W et A ir O x2 idati on,简称C W AO)在近年来倍受关注[5,6].其中非均相催化剂具有活性高、易分离、稳定性好等优点,已成为C W AO研究热点.催化剂的制备条件和W AO操作条件对催化剂的活性影响很大[7,8],因此本论文采用浸渍法制备了R uO2 Χ2A l2O3催化剂,重点研究了焙烧温度、反应温度、反应溶液pH 值和反应压力对R uO2 Χ2A l2O3催化剂活性的影响,获得了一些较有价值的数据,它对于C W AO 的广泛应用具有一定的意义.1实 验1.1实验装置实验采用1L高压釜进行催化剂的活性评价.选取苯酚作为目标有机物,将500mL苯酚溶液(苯酚溶度为4200m g L)和1g R uO2 Χ2A l2O3催化剂加入高压釜中,通入氮气将空气排除,密封后,开始升温,当温度达到150℃,通入氧气,达到设定压力后,同时开启搅拌装置,此时定为反应的零点,以后每隔一定时间通过取液管取样.在取样期间,开启供氧阀以维持反应系统的总压恒定,流程图见文献[9].用稀N aO H和HNO3溶液调节进入高压釜的苯酚溶液pH值到强酸性2.94、中性7和碱性9.在反应达到150℃,通入氧气前,从高压釜中取少量的溶液,通过气相色谱分析样品中苯酚的含量.收稿日期:2002211211;修回日期:2003208222.基金项目:上海市横向课题.作者简介:杨少霞,女,1973年10月生,哈尔滨工业大学博士研究生.e2m ail:yang2shaox@.1)通讯联系人.1.2Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂的制备采用浸渍法制备R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂.将载体Χ2A l 2O 3(平均粒径:3~5mm ,比表面积:175m 2g )用蒸馏水反复冲洗后,浸泡数小时,除去吸附在载体上的杂质和Χ2A l 2O 3粉末之后,在110℃下干燥后备用.将处理后的Χ2A l 2O 3浸渍于0.2M R uC l 3溶液中,室温下浸渍12h 后,110℃干燥12h ,然后分别在不同的温度(300℃、400℃、500℃和600℃)下焙烧3h ,得到负载型R uO 2 Χ2Al 2O 3催化剂.1.3分析测试方法采用日本岛津XRD 6000型粉末转靶X 射线衍射仪分析R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的晶相结构,X 射线为Cu 靶K Α射线(Κ=1.5418∼).采用日本生产的JEOL 2840型扫描电镜(SE M ),O xfo rd IS IS 能谱仪观察催化剂表面组分的分布情况.不同时间的出水水样,用721分光光度计,在510nm 波长,测定溶液中苯酚的浓度.采用上海雷磁PH S 23C 紧密pH 计测定反应溶液的pH 值.2结果与讨论2.1Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂XRD 和SE M 结果图1是分别在300、400、500和600℃温度下图1在不同焙烧温度下R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的XRD 谱图F ig .1XRD spectra of R uO 2 Χ2A l 2O 3catalyst calcinedat differen t temperatu re(a :300℃b :400℃c :500℃d :600 ℃)焙烧得到的R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的XRD 谱图.从图可知,R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂中R u 以R uO 2物相存在,载体以Χ2A l 2O 3的物相形式存在.在低温焙烧时,R uO 2的衍射峰较宽,衍射峰强度较弱,这表明形成的R uO 2晶粒细小,晶体发育不完整.随着焙烧温度的升高,R uO 2衍射峰由弱变强,衍射峰由宽变窄,表明随着焙烧温度的升高,形成的R uO 2晶粒逐渐趋于完整,且晶粒尺寸逐渐长大.利用Scherre 公式计算得到不同焙烧温度下R uO 2的晶粒尺寸(见表1),由表可以看出随着焙烧温度表1不同焙烧温度得到的Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂晶粒尺寸T ab le 1C rystal size of R uO 2 Χ2A l 2O 3catalysts calcinedat differen t temperatu reCalcinati on temperatu res (℃)R uO 2crystal size (nm )300440095001560033的升高,R uO 2的晶粒尺寸逐渐增加.图2是R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂组分R u 在表面图2R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂表面R u 分布的SE M 照片F ig .2SE M of R u do t m app ing of R uO 2 Χ2A l 2O 3catalyst (300℃)分布的SE M 照片.由图可以看出,采用此制备工艺,R u 在催化剂表面均匀的分布,具有较好的分散性.2.2焙烧温度对Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂活性的影响图3是分别在300℃、400℃、500℃和600℃焙烧3h 后得到的R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂,在150℃、3M Pa 、反应150m in ,湿式氧化降解苯酚溶液的情况.由图可知,随着反应时间的进行,苯酚去除率逐渐增加,且不同焙烧温度得到的R uO 2 Χ2853分 子 催 化 第17卷 A l 2O 3催化剂降解苯酚的效果不同.当焙烧温度为600℃时,反应150m in 后,苯酚去除率只有80%,但远高于不加催化剂时苯酚去除率(约30%),表明R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂有较好的催化活性;当焙烧温度降低时,苯酚的去除率逐渐增加;当焙烧温度为300℃时,催化剂的活性最高,反应120m in 后,苯酚的去除率已经达到96%以上.由此可知,当催化剂的焙烧温度降低时,R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的活性增加.焙烧温度的变化,使催化机的晶粒尺寸改变,在低温焙烧时得到的R uO 2晶粒小,使催化图3R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的焙烧温度对苯酚去除率的影响F ig .3Influence of calcinati on temperatu res ofR uO 2 Χ2A l 2O 3catalyst on the pheno lremoval at 150℃and 3M Pa剂有效表面积和活性中心增加,从而有利于氧、苯酚、有机物的吸附和氧化,因此在300℃焙烧时R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂较好的活性.2.3反应温度对Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂活性的影响反应温度是W AO 过程中重要的因素,对有机物的氧化降解效果起决定性作用.图4是反应温度分别为150℃、165℃和180℃,反应120m in ,R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂对苯酚去除率情况.由图可知,反应温度对R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂氧化苯酚有较大的影响.当反应温度为180℃时,反应50m in 后,苯酚去除率已达到97%;反应温度为165℃时,反应90m in 后,苯酚全部被降解;当温度降低为150℃时,反应120m in 后,苯酚才能全部被降解,因此随着温度的升高,催化剂的活性明显增加.但是反应的升高,操作压力相应的提高,对设备的耐压要求也提高,同时反应的操作费用增加,因此从经济的角度考虑,选择反应温度为150℃.图4反应温度对R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂苯酚去除率的影响F ig .4Influence of the differen t reacti on temperatu res on the pheno l removal over R uO 2 A l 2O 3in W AOat the in itial pH value of 5.62.4反应溶液pH 值对Ru O 2 Χ-A l 2O 3活性的影响图5是300℃焙烧3h 后得到的R uO 2 Χ2图5反应溶液pH 值对R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂湿式氧化降解苯酚去除率的影响F ig .5Influence of the in itial pH value of the so lu ti onon the pheno l removal over R uO 2 Χ2A l 2O 3catalyst in W AO at 150℃and 3M PaA l 2O 3催化剂在150℃、3M Pa 、所研究的反应溶液pH 值条件下,反应150m in ,溶液中苯酚去除率情况.由图5可知,反应溶液的pH 值对苯酚去除率有较大影响.当反应溶液为强酸性时,如pH 值为2.94,苯酚去除率约90%;当反应溶液为弱酸性时(pH 值为5.6左右),反应120m in 后,苯酚几乎全部被氧化;当反应溶液为碱性时,如pH 值为953第5期 杨少霞等:湿式氧化催化剂R uO 2 Χ2A l 2O 3降解高浓度含酚配水的研究9.02,反应150m in 后,苯酚的去除率36%.C W AO 降解有机物时,有机物首先吸附在催化剂表面,然后有机物在催化剂表面被氧化[10],有机物的吸附是发生氧化反应的关键步骤.表2是不同的反应溶液pH 值下,R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂对苯酚的吸附数据.由表可以看出,在反应溶液为酸性时,苯酚在催化剂上的吸附大于碱性条件,这表明酸性条件下易于苯酚在催化剂表面的吸附,从而有表2Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂在150℃对苯酚的吸附量T ab le 2Amoun ts of pheno l ab so rbed on the catalyst at 150℃T he in itial pH value of the so lu ti onIn itial pheno l concen trati on Concen trati on (at 150℃before O 2A dm issi on ,m g L )A b so rbed amoun ts(m g gcat )T he pH value of the so lu ti on after 150m in2.944136.165.22.255.604134.763.42.677.014139.559.92.809.024145.454.64.99利于反应溶液中苯酚的氧化,因此催化剂的活性在酸性时较高.但是当反应溶液pH 值为强酸性时(如pH 值为2.94),虽然苯酚在催化剂表面的吸附量增加,但反应溶液pH 值也降低了,这使得催化剂组分的流失增加,从而减小了催化剂的有效表面积,故在强酸性条件下催化剂的活性降低.2.4氧分压对于Ru O 2 Χ-A l 2O 3催化剂活性的影响湿式氧化降解有机物过程中,反应的总压力要高于反应温度的饱和蒸气压,以确保反应在液相中进行.氧分压应保持在一定的范围内,以保证在液相中高的溶解氧浓度.本实验研究了氧分压对R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂氧化苯酚活性的影响.图6图6反应压力对R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂湿式氧化降解苯酚去除率的影响F ig .6T he influence of oxygen p ressu re on the pheno lremoval over R uO 2 Χ2A l 2O 3catalystin W AO at 150℃是总压分别为3、4、5M Pa 下,在150℃、反应150m in ,R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂降解苯酚的情况.由图可以看出,当总压大于3M Pa 后,催化剂降解苯酚的活性几乎不变,这说明当氧分压达到一定值后,氧的传质不是反应的控制步骤,氧分压对催化剂的活性没有影响.3结 论焙烧温度、进水pH 值和温度对R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的活性有重要影响.焙烧温度升高使R uO 2晶粒长大,在低温300℃焙烧3h 后,R uO 2晶粒细小,得到的R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的活性较高.反应温度升高,使得R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的活性显著提高.在反应溶液pH 值为酸性时催化剂的活性大于在碱性溶液中;氧分压达到3M Pa 后,对于R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂的活性几乎没有影响.R uO 2 Χ2A l 2O 3催化剂湿式氧化降解苯酚,在150℃、3M Pa 、pH 值为5.6时,反应150m in 后,苯酚全部被氧化,这说明此催化剂有较好的活性.参考文献:[1] R andall T L ,Knopp P V .J W a t P ollu t [J ],1980,52:2117~1151[2] L i L in 2jun (李灵军),J iang Ke (蒋可).E nv ironm en 2ta l S cience [J ],1995,16(6):55~60[3] M ish ra V .S ,V ijaykum ar V ,Jo sh i J B .Ind E ngChe m R es [J ],1995,34:2~48[4] L uck F .Ca ta ly sis T od ay [J ],1999,53:81~91[5] W ilhel m i A R ,Knopp P V .Che m E ng P rog [J ],1979,8:46~52063分 子 催 化 第17卷 [6] Stuck leyd D C ,M acarty P L .W a ter R esea rch [J ],1984,18(2):133~1352[7] M allat T .;Baiker A .Ca ta ly sis T od ay [J ],1994,19:247~254[8] Zhang Q ,Chuang K T .T he Canad ian of Che m icaE ng ineering [J ],1999,77(4):399~405[9] W an J 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the calcinati on s tem p eratu re .M o reover ,influence of the calcinati on tem p eratu re ,reacti on tem p eratu res ,the in itial pH of the feed so lu ti on and oxygen p ressu re on the activity of the R uO 2Χ2A l 2O 3catalyst w as investigated .R esu lts show ed that the activity of the catalyst w as h igher w hen R uO 2Χ2A l 2O 3catalyst w as calcined at low er tem p eratu re of 300℃fo r 3h .Increasing reacti on tem p eratu re ,thep heno l rem oval w as obvi ou sly increased .T he activity of R uO 2 Χ2A l 2O 3catalyst w as h igher in the acidic so 2lu ti on than in the alkaline so lu ti on .T he activity of the catalyst did no t change up to 3M Pa of the to talp ressu re .Fo r the R uO 2 Χ2A l 2O 3catalyst ,the p heno l w as to tally ox idized at tem p eratu re of 150℃,pH of5.6and p ressu re of 3M Pa after 150m in .T h is indicated that R u A l 2O 3catalyst has good activity .Key words :Pheno l ox idati on ;R u then ium catalyst ;pH T em p eratu re ,W et air ox idati on163第5期 杨少霞等:湿式氧化催化剂R uO 2 Χ2A l 2O 3降解高浓度含酚配水的研究。