赤泥基類(lèi)Fenton催化劑的制備及其性能研究.pdf

1、隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)廢水大量排放，對(duì)自然環(huán)境及人類(lèi)健康造成了嚴(yán)重的危害，其中有機(jī)廢水由于具有水質(zhì)復(fù)雜、COD高、毒性大、難降解等特點(diǎn)，其處理一直是環(huán)保領(lǐng)域的熱點(diǎn)話(huà)題，高級(jí)氧化法被認(rèn)為是處理有機(jī)廢水比較可行的方法之一。其中，F(xiàn)enton氧化法因具有高效、穩(wěn)定、污染物降解相對(duì)徹底等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。但是均相Fenton法存在鐵離子難回收，容易造成二次污染等缺點(diǎn)，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用天然鐵礦或?qū)⒋呋钚澡F組分固定

2、在載體上，制備出不溶于水的非均相催化劑，以解決催化劑難回收等問(wèn)題。赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，根據(jù)氧化鋁不同生產(chǎn)方法可分為拜耳法赤泥、燒結(jié)法赤泥和聯(lián)合法赤泥。赤泥呈強(qiáng)堿性(pH10.0-12.5)，主要的化學(xué)成分包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、TiO2、Na2O、CaO等，其中拜耳法赤泥通常鐵含量高，鐵氧化物含量高達(dá)30％以上，這一特性為拜耳法赤泥制備非均相類(lèi)Fenton催化劑提供了可能。
　　本研究工作，從

3、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，同時(shí)立足于廣西區(qū)域發(fā)展，以廣西制鋁行業(yè)大量排放的拜耳法赤泥為基礎(chǔ)材料，通過(guò)無(wú)機(jī)酸酸化對(duì)赤泥進(jìn)行預(yù)處理，再經(jīng)高溫焙燒過(guò)程制備出酸化/焙燒赤泥;通過(guò)引入糖蜜酒精廢液協(xié)同無(wú)機(jī)酸酸化對(duì)赤泥進(jìn)行預(yù)處理，再經(jīng)高溫焙燒過(guò)程制各出糖蜜酒精廢液-硫酸酸化/焙燒赤泥;通過(guò)對(duì)赤泥進(jìn)行焙燒預(yù)處理，充分釋放赤泥的堿性物質(zhì)，然后將預(yù)處理后的赤泥制成漿液，并向漿液中投加鋅鹽，利用赤泥自身堿源，沉淀水相中的鋅離子，得到前驅(qū)體，再經(jīng)焙燒處理，將具有光

4、催化活性的半導(dǎo)體材料ZnO固載于赤泥基體上，制備出赤泥基ZnO/α-Fe2O3復(fù)合材料。并以黃藥和橙黃Ⅱ模擬有機(jī)廢水，研究酸化/焙燒赤泥、糖蜜酒精廢液-硫酸酸化/焙燒赤泥、赤泥基ZnO/α-Fe2O3復(fù)合材料的類(lèi)Fenton催化性能，確定其最佳制備工藝及部分應(yīng)用工藝條件。借助XRD、SEM、EDS以及N2吸附與脫附等技術(shù)對(duì)催化劑進(jìn)行表征分析，研究所制備催化劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。研究成果可為赤泥的資源化利用提供參考，主要研究結(jié)果如下:
　　

5、(1)酸化/焙燒赤泥制備過(guò)程中關(guān)鍵控制步驟的最佳工藝條件包括:硫酸酸化至泥漿的pH=3、焙燒溫度673 K、焙燒時(shí)間1h。催化劑的表征顯示，酸化/焙燒赤泥中的鐵相主要是α-Fe2O3，并且該催化劑是一種多孔的材料，具有粗糙的表面。在上述條件下所制備出的酸化/焙燒赤泥具有優(yōu)良的類(lèi)Fenton催化性能，在催化劑投加量0.2 g·L-1、H2O2初始濃度5 mmol·L-1的條件下，對(duì)于50 mg·L-1的丁基黃藥溶液在反應(yīng)進(jìn)行到40 min

6、時(shí)，黃藥去除率達(dá)到90.2％，并且所制備的催化劑在Fenton過(guò)程中性能穩(wěn)定。另外酸化/焙燒赤泥催化類(lèi)Fenton過(guò)程中羥基自由基的產(chǎn)生以及丁基黃藥的降解機(jī)理被探究。
　　(2)糖蜜酒精廢液-硫酸酸化/焙燒赤泥制備過(guò)程中關(guān)鍵控制步驟的最佳工藝條件包括:對(duì)于3 g赤泥，9mL濃度為0.7 mol·L-1 H2SO4配以2 g糖蜜酒精廢液作為酸化試劑，焙燒溫度573 K，焙燒時(shí)間1h。催化劑的表征顯示，糖蜜酒精廢液-硫酸酸化/焙燒赤泥

7、中的鐵相主要是α-Fe2O3，有微量的炭生成，并且該催化劑是一種多孔的材料，表面粗糙。另外，糖蜜酒精廢液的加入，節(jié)省了H2SO4的用量，同時(shí)也顯著增強(qiáng)了所制備催化劑的物化性能。催化劑近中性的微環(huán)境、優(yōu)良的孔結(jié)構(gòu)、炭的生成都促使糖蜜酒精廢液-硫酸酸化/焙燒赤泥的催化性能顯著提高。其中，炭的生成以及優(yōu)良的孔結(jié)構(gòu)完全歸因于催化劑制備過(guò)程中糖蜜酒精廢液的加入。在上述條件下所制各出的催化材料具有優(yōu)良的類(lèi)Fenton催化性能，在初始溶液pH3、H2

8、O2投加量50 mmol·L-1、橙黃Ⅱ質(zhì)量濃度40 mg·L-1、反應(yīng)時(shí)間6h的條件下，橙黃Ⅱ去除率達(dá)到86.79％;該催化降解過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。并且，所制備的催化劑在Fenton過(guò)程中具有優(yōu)良的沉降性能以及較好的穩(wěn)定性，反應(yīng)溶液中總鐵離子質(zhì)量濃度在5次重復(fù)使用過(guò)程中均遠(yuǎn)低于10 mg·L-1的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
　　(3)赤泥基ZnO/α-Fe2O3復(fù)合材料制備過(guò)程中關(guān)鍵控制步驟的最佳工藝條件包括:預(yù)處理溫度973 K、預(yù)處理時(shí)

9、間1h、赤泥與Zn(NO3)2質(zhì)量比2∶1、焙燒溫度623 K、焙燒時(shí)間2h。催化劑的表征顯示，赤泥基ZnO/α-Fe2O3復(fù)合材料中的鐵相主要是α-Fe2O3，ZnO成功固載于赤泥基體上，并且該催化劑是一種多孔的材料，具有粗糙的表面和良好的孔隙結(jié)構(gòu)，而且對(duì)紫外光和可見(jiàn)光具有較好的吸收能力。在上述條件下所制備出的赤泥基ZnO/α-Fe2O3復(fù)合材料具有優(yōu)良的光助Fenton催化性能，在催化劑投加量0.1 g·L-1、反應(yīng)溫度303 K、