含酚废水湿式催化氧化的铁系微纤复合分子筛膜催化剂的制备及其特性研究

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随着工业的迅速发展,水污染成为一个越来越严重的问题。废水中的有机污染物的含量与种类越来越多,给人类的生存带来了严重的威胁。含酚废水的危害也越来越受到人们的关注。目前,处理含酚废水的方法很多,主要有物理法、化学法和生化法等。其中化学法的湿式催化氧化法因为其能彻底氧化含酚废水、反应条件温和、操作简单、成本低等优点而备受关注。非均相催化剂能够克服传统Fenton试剂法带来的二次污染、活性组分流失严重等问题,因此,如何制备一种高效稳定的非均相催化剂,并用于含酚废水的湿式催化氧化反应是一项具有重要意义的课题。本文选择铁系分子筛作为研究对象,系统地研究了Fe2O3/MCM-41分子筛颗粒和微纤复合分子筛膜催化剂Fe-ZSM-5/PSSF的制备、表征,并将其用于固定床反应器上含酚废水的湿式催化氧化反应。首先,研究了苯酚在Fe2O3/MCM-41分子筛颗粒催化剂上的固定床湿式催化氧化性能。采用浸渍法在商用MCM-41上合成了Fe2O3/MCM-41分子筛颗粒,通过XRD、N2吸/脱附和XPS等表征手段分析了Fe2O3/MCM-41分子筛的晶型、比表面积、孔体积以及铁元素价态等。其次,通过改变反应温度、床层高度、流速等因素对苯酚固定床湿式催化氧化性能的影响,考察了苯酚转化率、H2O2转化率、TOC转化率、Fe离子浸出浓度以及pH值的变化规律,并通过多次使用催化剂来研究Fe2O3/MCM-41分子筛催化剂的稳定性。最后,探讨了苯酚在固定床反应器上的反应机理。实验结果表明,铁主要以Fe2O3形式负载在MCM-41分子筛表面以及孔道内中。苯酚的转化率随着温度的升高、床层高度的增加以及流速的降低而升高,H2O2以及TOC转化率也呈现出相同的趋势。当苯酚浓度为1000 mg/L,H2O2浓度为5100 mg/L,反应温度为80℃,催化剂床层高度为4 cm,流速为2 mL/min时,苯酚的转化率为100%,H2O2以及TOC转化率分别为91%和72.5%,铁离子浸出浓度低于1 mg/L。催化剂在固定床反应器上使用4次(28 h)之后,苯酚的转化率仍然保持在98%以上,基本完全转化,H2O2的转化率从92.5%缓慢降低至84.7%,TOC的转化率从72.5%降低至59.9%,Fe离子浸出浓度一直低于1 mg/L,只有微量流失。在反应过程中,苯酚先发生羟基化反应,产生苯醌,邻二苯酚和对二苯酚等,这些芳烃类化合物又会进一步被氧化成小分子酸,比如甲酸,乙酸,马来酸,草酸等等,最终,这些小分子酸被氧化成CO2和H2O。同时,研究了苯酚在基于微纤复合Fe-ZSM-5分子筛膜催化剂固定床反应器上的湿式催化氧化性能。通过水热合成法在不锈钢纤维(Paper-like sintered stainless steel fibers,PSSF)载体上合成微纤复合Fe-ZSM-5/PSSF分子筛膜。通过XRD,比表面积与孔径分布,XPS,SEM,FT-IR和TPR等表征手段对微纤复合分子筛膜催化剂Fe-ZSM-5/PSSF的晶体结构,比表面积与孔体积,元素组分的价态,微观形态,以及还原性能进行评价。通过分子筛膜固定床反应器系统地研究以微纤复合分子筛膜Fe-ZSM-5/PSSF为催化剂湿式催化氧化含酚废水,以苯酚转化率、H2O2转化率、TOC转化率以及Fe离子浸出浓度为Fe-ZSM-5/PSSF催化剂湿式催化氧化含酚废水效果的重要指标,通过改变不同Si/Fe比、反应温度、催化剂床层高度以及流速考察微纤复合分子筛膜催化剂Fe-ZSM-5/PSSF湿式催化氧化含酚废水的规律以及催化剂的稳定性,同时与浸渍法合成的Fe2O3/ZSM-5/PSSF催化效果进行对比。结果表明,合成的微纤复合分子筛膜Fe-ZSM-5/PSSF中的Fe以骨架形式嵌入分子筛骨架内。Si/Fe为120,反应温度为80℃,催化剂床层高度为4 cm,流速为2 mL/min时,苯酚的转化率为100%,H2O2转化率为98.5%,TOC转化率为54.5%,铁离子浸出浓度约为0.5 mg/L。与浸渍法合成的Fe2O3/ZSM-5/PSSF对比发现,在反应温度为80℃,床层高度为2 cm,流速为2 mL/min条件下,水热法合成的微纤复合分子筛膜催化剂Fe-ZSM-5/PSSF(苯酚转化率92.5%)催化效果略优于浸渍法的(90.5%),其H2O2以及TOC转化率分别为80%和40%,远高于浸渍法的转化率。催化剂在固定床反应器上使用3次(21 h)之后,苯酚的转化率仍然保持在98%以上,基本完全转化,H2O2的转化率从98.5%缓慢降低至96.3%,TOC的转化率从53.8%降低至50.4%,Fe离子浸出浓度一直低于0.5 mg/L。
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