[发明专利]表面高碱性球状活性炭臭氧催化剂及其应用

说明书

本发明提供了一种表面高碱性介孔球状活性炭，通过以下方法制备：用低软化点沥青和氧化促进剂及Lewis催化剂混合，加入表面活性剂和水悬浮成球，炭化、活化得到介孔球状活性炭催化剂，再将其投入碱液充分混和改性，通过梯度温度变化使其混合均匀，洗涤至pH稳定后在真空中烘干，制得表面高碱性介孔球状活性炭。该材料催化活性高，可显著提高臭氧转化为羟基自由基的效率，显著促进难降解污染物的矿化程度；稳定性好，在长期使用过程中仍能保持较高的催化活性。可用于有机污染物的处理，有利于污染物的吸附和粒内扩散传质，提高降解效率。

技术领域

本发明涉及一种表面高碱性球状活性炭臭氧催化剂及其应用。属于环境工程和水处理领域。

背景技术

降解有机废水是指被微生物分解时分解速度很慢或者不能被微生物分解，且如果可以被微生物分解，但又不能彻底分解的废水。这些物质所具有的共同特点是毒性较大，成分 比较复杂，化学耗氧量高，一般微生物对此废水几乎没有降解效果，如果这些物质不加治理地肆意排放，势必严重地污染环境，威胁到人类的身体健康。难降解污染物易在生物体内富集，也容易成为水体中的潜在污染源。目前工业废水的种类和排放量日益增多，成分更加复杂，农药、印染、医药和化工等工业废水中含有许多毒性和难降解有机污染物，如酚、烷基苯磺酸、氯苯酚、农药、多氯联苯、多环芳烃、硝基芳烃化合物、染料及腐殖酸等。其中有些污染物具有致癌、致畸、致突变等作用，对环境和人类有巨大的危害。

目前一些先进的氧化工艺(AOPs)包括臭氧化，电化学氧化，光催化，芬顿工艺，可以通过形成高活性氧化物质分解或矿化难降解有机污染物。其中臭氧化技术具有安全且无二次污染的特点，但臭氧活化具有一定的选择性。臭氧分子在废水中通常会与不饱和键快速反应，仅对有机物有部分的氧化能力。因此臭氧需要通过在碱性pH下与羟基离子(OH^-)反应或与过氧化氢(H₂O₂)、紫外线辐射(UV)、固体催化剂结合，将臭氧分子转化为高活性自由基物种。过渡金属及其氧化物如Fe，Mn，Ni，Ce和Co的氧化物已经被广泛应用于非均相催化臭氧化过程中，然而，这些金属氧化物在水中的稳定性有限，在催化反应过程中往往会严重浸出，这导致催化活性的降低并且产生二次污染；同时出于对催化剂工程化和连续操作的考虑，实际工业催化剂必须满足一定的结构和强度要求。

然而，现有多数臭氧氧化催化剂和高效水处理应用需求之间存在显著的差距：一方面，现有商用催化剂多为陶粒基质，缺乏多孔结构，比表面积、活性位点密度小，因而对污染物矿化度提高程度有限；另一方面，研究论文报道的诸多催化剂宏观表现为粉体，流体力学性能差，在实际应用中面临难分离、易流失/堵塞的技术瓶颈，难以实现规模化应用。

CN109663589A公开了一种铈钛氧化物介孔毫米球臭氧催化剂，通过向多价无机金属水溶液中滴加均匀分散的铈钛氢氧化物的海藻酸钠溶胶，再通过两段式煅烧得到铈钛氧化物介孔毫米球催化剂。该催化剂可被应用于固定床或流化床臭氧催化过程中，并具有结构稳定，臭氧催化活性高的优点。但是该发明中催化剂的制备过程复杂，明显不适用于大规模生产应用。且该发明中催化剂含有铈氧化物和钛氧化物，在反应过程中易浸出从而导致催化剂的失活。

活性炭作为一种易制备，廉价，高吸附性及催化性能的催化剂被广泛应用于臭氧催化中。CN109879481A公开了一种臭氧和活性炭吸附污水深度处理工艺，该发明中使用臭氧氧化直接氧化污水中的有机物，已达到去除COD的目的。随后使用活性炭的吸附功能用于吸附水中的有机物质。该工艺流程简单，但却将臭氧氧化及活性炭吸附工艺分开执行，大大降低了臭氧的氧化效果。

发明内容

该发明主要针对现有臭氧催化氧化催化剂制备成本高、制备流程复杂、耗时长等问题，提供了一种表面高碱性介孔球状活性炭的制备方法。该催化剂适用于固定床或流化床反应器，催化性能高，制备改性方法简单，可显著提高废水中难降解有机物的矿化程度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：