[发明专利]一种臭氧强化催化材料的制备及应用方法

说明书

本发明涉及一种臭氧强化催化材料的制备及应用方法，具体是硼修饰介孔碳气凝胶负载Fe₂O₃和C_O3O₄的臭氧强化催化材料，在原材料中投加硼酸和铁溶液得到硼修饰负载铁介孔碳气凝胶前体，在氩气保护下得到气凝胶，以此作为C_O3O₄的载体，在毛细作用下，四氧化三钴渗透到碳气凝胶空隙内部，获得硼修饰负载铁和四氧化三钴的介孔碳气凝胶催化剂，该材料可用于废水深度处理，通过溶臭氧气浮、臭氧微气泡、双氧水或臭氧微气泡/双氧水等与废水充分混合，在硼修饰负载铁和四氧化三钴介孔碳气凝胶催化剂表面充分接触，生成大量羟基自由基来深度处理水中有机污染物。本发明具有比表面积大、孔隙率高等特性；在铁和钴协同催化作用下具有高效催化特性。

技术领域

本发明属于工业废水和生活污水处理技术领域，特别涉及一种臭氧强化催化材料的制备及应用方法。

背景技术

当今社会，由于城市人口的急剧增长和经济的高速发展致使需水量加大、水体污染加剧，水资源短缺严重。而我国虽然有位列世界第四的淡水资源储备量，但是，人均水资源占有量却仅有2300m³，因此，我国仍被联合国列为世界13个贫水国之一。除此之外，我国的水体污染情况也相当严重：目前，我国45％的地下水受到污染、90％以上的城市出现水源污染严重。水体污染使可利用的淡水资源进一步减少。

针对我大部分城市缺水的现象，采取的主要对策包括“开源”和“节流”。其中“开源”即指修建引水工程、开采地下水、海水淡化等。而“节流”则是通过污水再生回用、清洁生产等各种方法提高水资源的利用效率，并且逐渐成为解决城市缺水的主流方法。高级氧化是生活污水和工业废水再生的主要方法之一，其中应用最广泛的是臭氧氧化和臭氧气浮。臭氧是一种活泼小分子，具有很强氧化性，其氧化还原电位为2.07V，仅次于氟，因此具有很强的氧化性。

通常臭氧通过两种途径与有机污染物发生作用，一是臭氧分子与有机污染物通过亲电反应或亲核反应直接氧化作用，该反应进程缓慢，选择性强。二是臭氧在水中氢氧根(OH^-)、有机污染物或某些无机物等引发剂的作用下生成羟基自由基(OH·)间接与水中有机污染物发生作用，该反应速度快，选择性低，其反应动力学常数在10⁸-10¹⁰L/(mol·s)之间。因此，臭氧氧化效率的提升可以通过采用与双氧水、紫外线和金属离子等联用的方式，以提高OH·的产率来实现。市场上开发的TiO₂催化剂、聚合氯化铝催化剂、CuO和零价铁催化剂，就属于金属类催化剂。

一般金属离子催化剂难溶于水中，将其粉碎成纳米颗粒投加到污水中催化臭氧化，存在回收率低和催化剂流失的问题。为解决这一问题，人们采用活性炭负载金属化合物来生产复合态催化剂。其中碳为载体，金属化合物为催化活性中心。当前，制作出的载体根据形态不同，包括活性炭纤维、中孔炭、酚醛碳气凝胶以及介孔碳气凝胶等。载体的制作方法通常有水热合成法、溶胶凝胶法、高温热解法、超高盐脱水法和恒流电沉淀法等。

发明专利CN 101380569 B通过毛细和超声分散作用制得三维有序大孔炭材料负载二氧化钛催化剂，载体主要为高温热处理得到的活性炭颗粒，具有孔道开阔和接触充分等特点，但是在臭氧曝气过程中，颗粒活性炭之间的互相碰撞与摩擦，会导致载体磨损和二氧化钛的流失。这种催化剂的载体强度较低限制了其工业化应用。浙江理工大学白志飞等人开发的碳纤维负载喹啉铁，投加量为3g/L，投加量过大，比如一个3000m³/d深度处理工程，每天投加量为9t，如此大的投加量不仅需要专用投加设备，还需要配套分离、再生和存储系统，系统过于庞杂。此外，在分离回收过程中较低的回收率也导致催化剂损失，费水费电还耗用人力，增大了运行费用。中科大研发出了超高浓度氯化锌作为三维硬模板直接制备酚醛碳气凝胶的方法，应用该方法制得的碳化树脂载体，脱水程度高，碳化程度高，孔隙率大。高浓度氯化锌废液处理成为生产这种类型催化剂的限制性因素。