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Ce改性Fe2O3/γ-Al2O3催化剂的表征及催化活性研究

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刘琰等:Ce改性Fe ()。/7一A1。O 催化荆的表征及催化活性研究 Ce改性Fe2 O3/ 一A12O3催化剂的表征及催化活性研究 刘 琰,孙德智 (哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090) 摘 要: 采用浸渍焙烧法分别制备了Fe2O / 一 Al2O3和Ce改性的Fe2O3/ 一Al2O3催化荆,采用 BET、XRD、XPS和XRF对其结构进行了表征,并用 浸溃到0.1mol/L的铁盐溶液中,室温下浸渍12h后 倒掉上层溶液,8O。C水浴蒸干12h,再在l1O℃烘干 2h,最后在350℃焙烧3h即得负载型FezO / 一AlzOa 催化剂。 Fe。O。一CeO。/ 一AI。O 催化剂的制备采用分层浸 于常温常压CWPO工艺中,考察了Ce的掺杂对 Fe2O。/ 一Al。O。催化荆催化活性和稳定性的影响。结 果表明,Ce的掺杂提高了活性组分在栽体表面的分散 度,在相同的CWPO工艺条件下,Ce的掺杂使得 Fe2()3/ 一Al。O。催化荆处理偶氮染料废水的催化活性 渍焙烧法。将一定量经活化处理的 一AlzOa小球浸溃 到Ce含量为0.5 (质量分数)(Ce与 一Al2O。的质量 比)的Ce盐溶液中,室温下浸渍12h后倒掉上层溶液, 8O℃水浴蒸10h,l10℃烘干2h后于400℃焙烧2h得 到CeO2/ 一Al2O3,再将CeO2/ 一Al2O3浸渍于0.1 提高了1O 左右。 关键词: 催化湿式过氧化氢氧化工艺;常温常压;催 化剂;偶氮染料;废水处理 中图分类号:X505 文献标识码:A 文章编号:1001—9731(2006)06—0915—04 mol/L的Fe盐溶液中,经过相同的浸渍和干燥过程, 再于350℃焙烧3h即得负载型Fe。O3一CeO。/ 一AI2O。 催化剂。 2.2催化剂的表征 2.2.1 BET测试 1 引 言 随着医药、化工、染料等行业的发展,高浓度难降 解的废水种类和数量越来越多,它们的处理已成为废 水处理的一大难点f1]。在传统催化湿式氧化法 (CWO)基础上发展起来的催化湿式过氧化氢氧化技 术(CWPO)是处理此类废水最有效的方法之一【2]。此 催化剂的比表面积、孔容和孔径分布通过采用美 国QUANTACHOME公司的AUTOSOR 1型气体 吸附仪利用高纯N。吸附一解吸特性测得。 2.2.2 XRD测试 采用X射线衍射(XRD)分析催化剂晶型结构,实 验仪器为日本理学电机株式会社D/max-rB型旋转阳 极X射线衍射仪,Cu阳极,石墨单色器,电压为45kV, 电流为45mA,狭缝:DS 1。,SS 1o,RS 0.15mm,扫描速 度为5 ̄/min 2.2.3 XPS测试 法是利用过氧化氢在催化剂的作用下产生OH・,可 以直接氧化废水中的有机污染物或将废水中大分子有 机污染物氧化成小分子有机污染物 由于其能在较为 温和的条件下进行,故能耗低,投资少[33。但是目前对 CWPO技术在常温常压下降解有机污染物的报道较 少。 为了研究催化剂表面元素组成和各元素的化学态 变化,采用PHI5700型X射线光电子能谱分析仪对催 化剂表层进行分析,检测深度为5~lOnm。X射线源 为Al阳极靶,Ka射线( =1486.60eV),靶功率为 250W,电压为12.5kV,采用固定通过能模式,成分分 析时通过能为187.85eV,元索化学态分析时采用的通 高效、稳定的催化剂的研制是CWPO技术的关 键[4 ]。稀土元素由于特殊的电子结构和物理化学性 质而表现出了良好的催化和助催化作用,已引起人们 的广泛关注【6 ]。本文以Ce为催化剂助剂,采用浸渍 焙烧法制备了Ce改性的Fe。O / 一Al。O 催化剂,对其 进行了结构表征,并以H O。为氧化剂,以模拟的偶氮 过能为29。35eV X射线辐照催化剂表面激发出光电 染料为目标降解物,考察了其在常温常压下CWPO工 艺中的催化活性。 子,由于催化剂不导电,致使电中性被破坏,产生空间 荷电效应,使得谱图的峰位移向高结合能端。实验中 采用污染碳外标法来校正化学位移,污染碳的1s标准 结合能为284.62eV 2.2.4 XRF测试 2实验 2.1催化剂的制备 Fe 0 / 一Al。0 催化剂的制备采用浸渍焙烧法。 将一定量经预处理的 一Al。O 小球(粒径为2~3 ram) 采用荷兰帕纳科公司,AX10S pw4400型X射线 荧光光谱仪(XRF)在Rh靶,4kw功率条件下对催化 *基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB418505) 收到初稿日期:2005—09—24 收到修改稿日期:2005—10—24 通讯作者:孙德智 作者简介:刘琰(1978--).女.河南南阳人,在读博士.师从孙德智教授,从事水污染控制技术方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com

916 剂中各组分进行定量分析。 2.3 CWPO实验方法 助 对 斟 2006年第6期(37)卷 染物,考察催化剂的催化活性。3种染料在可见光区 的最大吸收波长分别位于465、485和600nm处,其化 学结构如图1所示。具体方法为:向150ml烧杯中加 人100ml浓度为500mg/L的模拟酸性橙染料废水,并 加入3g催化剂和33mg的H 0。,处理3h后取样进行 CWPO试验在恒温水浴振荡器上进行。选择甲 基橙(C.I.Acid orange 52,简称AO52)、酸性橙(C.I. Acid orange 7,简称AO7)和活性黑(C.I.Reactive black 5,简称RB5)3种具有偶氮结构的染料为模拟污 分析。控制反应温度为25℃,反应压力为常压。 CH Na。 s N=N 一cH。 甲基橙IAcid Orange 52) 酸性橙7 IAcid Orange 7) NaSO3OCH2cH2S03 SO3CH=CH=OSO3Na 活性黑5(Reactive Black 5) 图l 3种偶氮染料的化学结构 Fig 1 Chemical structures of three azo dyes 2.4水样分析方法 催化剂的活性以模拟染料废水的脱色率、COD去 除率和TOC去除率为指标。采用紫外一可见分光光度 计(日本岛津,UV一2550型)测试样品的吸光度,脱色 率通过处理前后模拟废水在最大吸收波长处的吸光值 求得。COD测试采用国家标准重铬酸钾法。T0c测 试采用总有机碳测定仪(日本岛津,T0C—VCPN型)。 催化剂活性组分溶出量的测定采用火焰原子吸收分光 光度计(日本岛津,AA一630—01型),仪器的最低检出限 为0.05 mg/L。 Fig 2 XRD pattern of Fez O3/ Al2 O3 catalyst 对FezO 一CeO2/v—AI O。催化剂也进行了XRD 3结果与讨论 测试,但得到的XRD谱图与图2相似,未发现Ce氧化 3.1催化剂的表征 物的特征衍射峰,这可能是由于Ce的掺杂量太少所 3.1.1 BET测试结果 致:。 分别对 一Al O。载体、Fe O / 一Al O。催化剂和 3.1.3 XPS表征结果 FezO 一CeO2/v—A12O 催化剂进行了BET测试,结果 对FezO /7一Al 0。催化剂进行了XPS测试,催化 如表1所示。 剂表面Fe2p的XPS谱图如图3所示。图3中, 表1 BET测试结果 Fe2p /z的电子结合能位于710.9eV处,Fe2pl/2的电子 Table 1 Results of BET test 结合能位于724.0eV处。对照XPS手册和文献可知, 比表面积 总孔容 平均孔径 Fe2p峰对应于Fez O L1叭“]。由此可知,在Fe2O3/ 一 (m /g) (ml/g) (nm) Al o。催化剂中,活性组分Fe是以Fe O 的形式存在 —Alz()3 200.8 O.5221 10.40 的。这与XRD的测试结果是一致的。 Fe2():l/7-AIz()3 193.0 0.4933 1O.22 Fe=()3一CeO2/7一AlzO3 193.6 0.4980 1O.29 由表1中数据可知,与7+Al O 载体相比,Fe。O / 7一Al2O 催化剂和Fe O 一CeO / 一Al O 催化剂的比 表面积、总孔容、平均孔径均有所减小,这可能是由于 活性组分的引入造成的。 3.1.2 XRD表征结果 为了分析Fe O。/7一Al O 催化剂的晶相结构,对 其进行XRD测试,结果如图2所示。催化剂活性组分 图3 Fe2O。/v A1zO: 催化荆表 面Fe2p的XPS谱图 中铁主要以斜方体的a—Fe。O。晶体形式存在,其晶格 Fig 3 Fe2p XPS pattern of Fe2O3/v—A12O3 catalyst 参数为a=6=f 5.423,口一口一’,一55.28。。 为了研究ce在催化剂中的存在形式,采用XPS 维普资讯 http://www.cqvip.com

刘琰等:Ce改性FezO /7一A1。O 催化剂的表征及催化活性研究 对Fe2Os—CeOz/ 一A1zO。催化剂表面进行分析 结果 在FezO —CeOz/ 一A1。O。催化剂的XPS全谱图上。并 未检测到Ce元素的存在。这一方面是由于Ce的负载 量较少所致,另一方面也可能是由于Fe O 一CeO。/ 一 活性黑模拟染料废水,当氧化剂H。O 的投加量为 33mg,催化剂的加入量为3g时,在常温常压下采用 CWPO工艺处理3h后的处理效果列于表3中。由表 中数据可以看出,与催化剂Fe O。/ 一Al O。相比,以 FezO3一CeOz/ Al2O 为催化剂时,3种染料的脱色率、 COD去除率和TOC去除率均提高1O 左右。这是由 AlzO 催化剂是采用分层浸渍法制得的,先负载Ce, 经焙烧后再负载Fe,而XPS只能对催化剂表面进行分 析,且分析的深度有限,因此未能检测到底层的Ce元 素。为此,对未进行二次负载的CeO。/ 一Al。O。进行 了XPS测试,CeO2/ 一Al。O 表面Ce3d的XPS谱图 于CeOz的掺杂提高了催化剂中活性组分Fe O 的分 散度,增加了催化剂表面的活性点。从而提高了 Fe。O。/ 一Al。()3催化剂的催化活性,进而加快了OH・ 如图4所示。 图4 CeO2/ 一Al2O。表面Ce3d的XPS谱图 Fig 4 Ce3d XPS pattern of CeO2/7一Al2 O3 图4中,Ce3d 的电子结合能出现在882.4eV,对 应于CeO2 E1 23,由此可知,在CeO2/ 一A12O3和Fe2O3一 CeO2/ 一A12O。催化剂中,ce元索是以CeO。的形式存 在。 3.2.4 XRF表征结果 为了确定催化剂中活性组分的真实负载量,采用 XRF对Fe2O / 一Al2O 催化剂和Fe2O3一CeO2/ AlzO。催化剂中各组分的含量进行分析,结果列于表2 中。由表中数据可知,在Fe。O 一CeO / 一A1。O 催化剂 中,活性组分Fe和Ce的百分含量分别为2.207 Ao和 0.390 ,而在Fe2O / 一Al2O。催化剂中,活性组分Fe 的百分含量为1.907 ,这说明稀土元素Ce的掺杂改 善了载体的表面条件,使得活性组分的分散度增大,从 而提高了活性组分Fe在载体表面的负载量。这都有 利于催化剂催化活性的提高。 表2 Fe2O3/ 一Al2O 催化剂和Fe2O3一CeO2/ 一A12O3 催化剂中各组分的含量 Table 2 Component contents of Fe2 O3/ 一A12 O3 and Fe2 03-CeO2/ 一A12 O3 catalyst 催化剂 Fe2()3/_y—AI2 O3 Fc2 03一Ce()2/7一A1z O3 Al 48.34l 47.835 () 49.641 49.679 Fe 1.907 2.207 Ce O O.39O Na 0.063 0.031 Si 0.048 0.038 3.2 Ce掺杂对Fe O / 一Al O 催化剂活性和稳定性 的影响 3.2.1 Ce掺杂对Fe2O / 一Al2O 催化剂活性的影响 对于100ml浓度为500mg/I 的甲基橙、酸性橙和 的产生【6J。实验中还考察了在不投加H。O 的条件 下,单独投加Fe2O。/ Al O3催化剂或Fe2O 一CeO。/ 7一Al o 催化剂时对染料的处理效果,结果表明,在相 同催化剂投加量条件下,对于500mg/L的甲基橙模拟 染料废水,处理3h时的脱色率和COD去除率仅为 4O 左右,远低于与HzOz联合作用时的处理效果。 这说明。催化氧化在染料的降解中起到了重要作用,也 说明了本课题所制备的催化剂具有良好的催化活性。 表3 常温常压CWO工艺中染料的降解效果 Table 3 Degradation efficiency of azo dyes in CWPO under room condition 催化剂 染料 脱色率 C()D去除 TOC去除 ( ) 率( ) 率( ) A()52 79.67 8O.92 72.88 Fe2()3/ AI2O3 A()7 70.14 78.5O 64.21 RB5 52.52 69.O9 47.98 A052 88.77 89.54 81.44 Fe2 0 一CeO2/7一A12 O3 A07 85.12 86.O8 78.1O RB5 65.29 79.14 64.26 3.2.2 Ce掺杂对Fe2O /7一Al O 催化剂稳定性的影 响 以甲基橙模拟废水为目标降解物,考察了Fe。O。/ 一Al O3催化剂和Fe2O 一CeO / 一A1 0 催化剂的使 用寿命。结果如图5所示。 连 褂 删 罄 图5 Fe2O3/ 一Al2O3催化剂和Fe203一CeO2/ 一A12O3 催化剂的使用寿命 Fig 5 Using life of Fez03/'r—A1z03 and FezO3一Ce0z/ 一Al2 03 catalyst 由图5可知,Fe。O / 一Al O 催化剂在每次使用 3h、连续使用4次后,染料的脱色率由78.52 降到 5O.44 ,而在相同的使用条件下,Fe2O 一CeO2/ 一 Al。O 催化剂在连续使用5次后,染料的脱色率由 维普资讯 http://www.cqvip.com

018 助 锨 材 抖 2006年第6期(37)卷 88.6O 降到52.13 ,这说明Ce的掺杂对Fe。O /7一 Al O。催化剂的使用寿命略有提高,但两种催化剂的 使用寿命均不够理想。 般来说,引起催化剂失活的原因主要有两类: 一Fe2O3/7一Al2O3催化剂 化活性提高lO%左右,也使得 的使用寿命略有提高。 参考文献: [ii]Golka K。Kopps S,Myslak z W,et a1.[J].Toxicology Letters。2004,151:203—210. (1)是由于污染物或分解产物吸附在催化剂表面,覆盖 了催化剂的活性中心;(2)是由于催化剂活性组分流 失。为了研究催化剂失活的原因,对每次处理3h后的 溶液进行原子吸收测试。结果表明,Fe离子的溶出量 [21] Chen I P,Lin S S.Wang C H,et a1.[J].Applied catal— ysis B:Environmenta1.2004.50:49—58. 均小于仪器的检出限0.05mg/L。这就说明,在本实 验中,催化剂的失活不是由于活性组分的流失造成的, alysis Today.1999,53 l81—91. [3] Luck F.[J].Cat[4] Neamtu M.Catrinescu C,Kettrup A.[J].Applied Catal— ysis B:Environmental,2004,51:149—157. 而是由于染料分子及染料降解的中间产物吸附在催化 剂的表面,覆盖了催化剂的活性中心,从而使得催化剂 失去催化活性。因此,找到常温常压下使染料分子及 降解中间产物从催化剂表面脱附的方法是保持催化剂 具有良好使用寿命的关键,有关这方面的研究正在进 行中。 E5] Gould D M,Griffith W P,Spiro M.[J].Journal of Mo— lecular Catalysis A:Chemical,200l,175t 289-291. [6] 杨少霞。冯玉杰.蔡伟民.等.[J].材料工程.2003.儿:32— 35. [7] 吴玉程,陈挺松,解 挺.等.[J].功能材料.2005,36(1): l24一l26. [8] Hung C M,Lou J C,Lin C H.LJ].Chemosphere.2003, 4 结 论 (1) 本文制备的Fe。O /7一Al。O。催化剂和稀土 元素Ce改性的Fe。O /7一Al。O 催化剂,在常温常压 52:989-995. [9] Silva A M T.Marques R R N.[J].Applied Catalysis Bl Environmental。2004,47:269—279. s L Etet a1.Handbook [1o] Wagner C D。Riggs W M,DaviCWPO工艺中表现出了较高的催化活性,能够有效降 解3种模拟染料废水。 (2) 对催化剂的表征表明,Fe和Ce在催化剂中 of X Ray Photoelect ron Spectroscopy[M].Minn:Perkin- Elmer Corporation,Physical Electronics Division.Eden Prairie,l979.55344. 是以FezOs和CeO。的形式存在的,且CeO。的掺杂提 [11] Tan B J,Klabunde K J,Sherwood P M A.[J].Chem— istry of Materials.1990,2(2):186—191. 高了活性组分Fe。O。在载体表面的分散度,从而增加 了催化剂表面的活性点; [12] Dauscher A,Hilaire Lt LeNormand F。et a1.[J].Sur— face and Interface Analysis,1990.16:341—346. (3) Ce的掺杂可使Fe2O /7一Al O 催化剂的催 Study on characterizati0n and catalytic activity of Fe2 03/Y—AI2 03 catalysts modified by Ce LlU Yan. SUN De—zhi (School of Municipal&Environmental Engineering. Harbin Institute of Technology,Harbin 15009O,China) cata1)rst modified by Ce were prepared by precipitation Abstract:Fe2 03/v—A12 03 catalyst and Fe2 O3/,/一A12 O3 method.BET,X—ray diffraction(XRD),X—ray photoelectron spectroscopy(XPS)and X—ray fluorescence spec- troscopy(XRF)were performed to characterize the two kinds of prepared catalystsThe effect of Ce on catalyt— .ic activity of Fez O /v—Al2 O3 catalyst was investigated in CWPO process under room temperature and atmospher ic pressure.The results showed that the catalytic activitY of Fe2 O3/v—A12 O3 catalyst modified by Ce could be in— creased about 1 0 compared with Fe2 O3/7一Al2 O3 catalyst. Key words:catalytic wet peroxide oxidation;room condition and atmospheric pressure;catalysts;8zo dyes; wastewater treatment 

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