光催化氧化处理高浓度有机工业废水制造技术

本发明专利技术涉及二氧化钛为主体的改性负载型纳米复合光催化剂，并采用反应新工艺在水处理系统（见说明书附图１）中降解有机工业废水。催化剂制备方面，重点是采用在不同载体上负载二氧化钛活性组分，制备粒径为５～４０ｎｍ负载型光催化剂，并掺杂不同元素，减小了光生电子和空穴的复合，使得催化剂对光的吸收波长向可见光区移动，有效的提高了对有机污染物的降解效率，是新一代环境友好型催化剂。有机工业废水处理新工艺方面，克服了目前光催化技术只能用于降解低浓度有机工业废水的缺陷，该催化剂还可在太阳光和紫外光分别或同时照射条件下，在短时间内使高浓度有机工业废水ＣＯＤ值从１００００～４００００ｍｇ／Ｌ下降到１００ｍｇ／Ｌ以内，达到国家排放标准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是制备以二氧化钛为主体的负载型纳米复合光催 化剂及其应用工艺。其中采用共沉淀结合溶胶-凝胶的方法，重点通 过二氧化钛在不同载体上的负载和掺杂不同元素进行改性，制备出粒径为5 40nrn的纳米复合光催化剂，不但提高了光催化活性，也减 少光生电子和空穴的复合程度。该催化剂可在水处理装置(见说明书 附图l)中，分别或同时采用紫外光和可见光的照射条件，有效的降 解有机污染物，是新一代环境友好型催化剂。该光催化剂克服了目前 光催化技术只能用于降解10 3000 mg/L低浓度有机工业废水的缺 点，如专利"太阳光照射下催化氧化降解有机物负载型纳米复合光催 化剂的制备"，申请号2005100830380;专利"一种光催化降解有机 污染物的方法及其专用固相光催化剂"，申请号200510064496.X。 本专利技术催化剂不但可用于降解低浓度有机工业废水，还可用于降解 COD值为10000 40000 mg/L的髙浓度有机工业废水，并通过反应 新工艺，不但完成了对催化剂的回收再利用，且可将废水COD值降 到国家工业废水排放标准100mg/L以下。 技术背景随着工业的发展，工业废水的数量日益增多，成分也日趋复杂， 而工业废水最后的出路通常有两个，即灌溉农田或排入水体，对大量 的工业废水若不能很好的处理，势必将引起对水体的严重污染危害环 境。所以必须在排放前应加以适当处理，使其达到国家颁布的污水排放标准。现代工业废水的处理方法主要分为物理处理法、化学处理法及生 物处理法三类。物理处理法是指通过物理作用分离、回收废水中不溶解的悬浮状 态污染物包括油膜和油珠的方法，可分为重力分离法、离心分离法和 筛滤截留法等。化学处理法是指通过化学反应和传质作用来分离，去除废水中呈 溶解、胶体状态污染物或将其转化为无害物质的方法。在化学处理中以投加药剂产生化学反应为基础的单元有混凝、中和、氧化还原等； 而以传质作用为基础的处理单元有萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交 换及电渗析和反渗透等。运用传质作用的处理既有化学作用又有于之 相关的物理作用，所以也可以从化学分离法中分出來，成为另一类处 理法，即为物理化学处理法。生物处理法通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶解、胶休以及 微细悬浮状态的有机污染物转化为稳定、无害的物质的方法。根据微 生物的不同，生物处理法又可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。废 水生物处理广泛使用的是好氧生物处理法。按传统，好氧生物处理法 又分为活性污泥法和生物膜法。厌氧生物处理法义名生物还原处理 法，主要用于处理高浓度的有机废水和污泥。废水中的污染是多种多样的，用一种处理单元往往难以把所有的 污染物除尽，通常需要通过有几种方法和儿个处理单元组成的处理系 统处理后，才能达到要求。最近几十年来， 一种降解有机污染物的新方法 一 半导体光催化氧 化法，受到了科研工作者的重视，各国投入了大量的人力、物力展开 了对半导体光催化技术的基础理论和应用基础的研究。负载型半导体光催化技术的关键问题是在光照的条件下，半导 体能产生光生电子和空穴，而光激发电子与光生高能空穴可在10 "秒 内复合而失去活性。因此如何快速捕获光激发电子，使其与高能空穴 有效分离以减少复合对提高半导体光催化降解有机污染物的效率是 非常重要的。同时为了有效利用太阳能提高光催化活性，木研究所通 过掺杂锡、铁、锌、铈、钼、银、铂、锰、鸨、硅、钒、锆、铝、铜、 镉元素制备了负载型高分散纳米复合光催化剂。通过掺杂元素，活性 组分降低了光生电子与空穴的复合，并使光激发范围由紫外光向可见 光移动，充分利用了绿色无污染的太阳能。通过载体达到催化活性组 分高分散，粒径在5 40nm,同时也提高了光催化活性。本申请开创 了一种全新的稳定、牢固、高效的负载型纳米复合二氧化钛光催化剂 及其使用新工艺，研制出能分别或同时在紫外光和太阳光照射条件T 具有高活性的多功能光催化剂，同时也建立了催化氧化降解有机工业 废水的新工艺。
技术实现思路
本专利技术釆用共沉淀结合溶胶凝胶的方法使Ti02与掺杂元素负载 到载体上，制备出一种新型催化剂，其目的是为了得到粒径小、分散 度高、比表面积大、热稳定性好、催化活性高的可分别或同时在紫外 光和可见光条件下具有高效光激发的负载型纳米复合光催化剂。该催艺条件下，可将浓度为10000 mg/L~40000 mg/L的有机工业废水COD值降至国家排放标准100 mg/L以下。 本专利技术的优势主要在于、 本专利技术涉及掺杂锡、铁、锌、铈、钼、银、铂、锰、钨、 硅、钒、锆、铝、铜、镉中的一种或多种元素金属氧化物 或硫化物于二氧化钛，制备出新型的负载型纳米复合光催 化剂，它能使光生电子在不同能级间跃迀，从而使电子与 空穴分离，减少复合，提高光催化活性。同时，二氧化钛 会和掺杂元素与载体会形成一种新的化学键，在增大催化 剂活性的同时还增强了催化剂与载体间的牢固性。2、 不同元素与二氧化钛进行掺杂，由于能级相互交错，会增 大催化剂的光响应范围，使其对光的吸收由紫外光区向可 见光移动。解决了二氧化钛只能吸收紫外光的缺点，达到 能够充分利用绿色无污染的太阳能，也提高了对可利用光 吸收强度的目的。3、 纳米光催化剂负载到载体上，使光催化活性组分高度分散， 用以提高光催化活性。4、 先以共沉淀溶胶-凝胶法制备凝胶，再用乙醇置换水凝胶中 的水使之成为醇凝胶后再进行干燥。这是由于乙醇较水粘 度低，扩散程度高，因此可降低孔内表面张力，千燥过程 中凝胶孔结构不易被破坏，避免粒子孔道塌陷和团聚，得 到比表面积大，孔容量大，密度小，并有复杂的微孔结构，高催化活性的催化剂。5、 本专利技术所采用的共沉淀结合溶胶凝胶法制备催化剂有操作 简单，对设备要求不高的特点，可满足工业化耍求。6、 本专利技术的催化剂可在太阳光照射条件下有效降解有机工业 废水，充分的利用了太阳能，可解决工业上的能源需求。7、 本专利技术所设计的工业反应装置，结构简单，操控性强，设 备材质要求不高，有很强的工业应用性。8、 针对目前专利技术只能对低浓度有机物有降解效果的缺 点，本专利技术的另一特点是制得的纳米负载型光催化剂不但 能够对低浓度有机废水有降解作用，最重要的是能够对多 种高浓度COD值为10000 40000 mg/L的有机物以及它们 的混合物进行矿化并能达到很好的效果。本专利技术主要采用以下技术方案1、 将定量的溶剂与含钛化合物充分混合，搅拌条件下滴加一 种或两种一定量浓度的金属盐溶液，并加入一定量的表面 活性剂使之成为乳状液，在充分搅拌一定时间后，加入一 定量处理过的载体，同时以一定浓度的碱性溶液调节上述 混合液pH值至碱性得到水凝胶。经5 72小时的陈化，将上述水凝胶离心洗涤至无氯离子。最后用无水乙醇置换水 凝胶中的水使之成为醇凝胶，在25 180'C的温度下干燥。2、 将上述(l)得到的催化剂前驱体在马弗炉里以空气或惰性气 氛保护进行煅烧，温度在300~900'C ，煅烧时间为0.5 8小时，最后制得分散性好、粒径小、催化活性高的纳米负载 型二元或三元负载型复合光催化剂。3、 用自行设计加工的光催化反应系统对光催化性能进行测 试。中心有紫外灯或日光灯，加入反应液和氧化剂，催化 剂的用量为2~10 Kg/m3，在反应液底部通入本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用共沉淀法与溶胶凝胶法相结合制备用于处理高浓度有机工业废水的负载型纳米复合光催化剂，其特征在于：取含钛化合物与金属盐溶液均匀混和，加入表面活性剂和载体，滴加碱液，调节ｐＨ值在８～１０之间，得水凝胶，再经陈化，干燥，３００～９００℃下煅烧，制得负载型纳米复合光催化剂，该催化剂具有粒径小、分散性好、光催化活性高的特点，且成分由下几种组成：ＴｉＯ↓［２］质量百分含量为１０．０％～８０．０％，载体质量百分含量为８０．０％～２０．０％，掺杂金属元素或非金属元素质量百分含量为０．０１％～２０．０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张敬畅，胡斌，曹维良，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]