碱改性ZSM-5负载金属组分催化臭氧降解工业废水

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1280

摘要/Abstract

摘要：

采用氢氧化钠对ZSM-5分子筛进行碱改性，并结合SEM、XRD、BET、FT-IR、UV-Vis等技术对其进行了分析。利用改性后的ZSM-5分子筛负载Fe、Mn、Co等活性组分制备了Fe/ZSM-5（1）、Mn/ZSM-5（1）、Co/ZSM-5（1）负载型催化剂，并用其催化臭氧降解工业废水，考察了3种催化剂的催化降解效果。结果表明，Co/ZSM-5（1）负载型催化剂的催化降解效果最佳。处理200 mL COD为400~500 mg/L的工业废水，当Co/ZSM-5（1）催化剂投加量为1.0 g/L，温度为40℃，pH为6~7，臭氧质量浓度为4 mg/L，臭氧通量为25 L/h，反应60 min时，废水COD降解率可达89.7%。该催化剂性能较为稳定，循环使用4次后仍具有较好的COD降解效果。

关键词: 工业废水, 臭氧, 碱改性, ZSM-5分子筛, 催化氧化

Abstract:

The ZSM-5 molecular sieve was modified by sodium hydroxide, and analyzed by SEM, XRD, BET, FT-IR, UV-Vis and other characterization techniques. Fe/ZSM-5(1), Mn/ZSM-5(1) and Co/ZSM-5(1) supported catalysts were prepared by using modified ZSM-5 molecular sieve supported with active components such as Fe, Mn and Co. The prepared catalysts were used to catalyze ozone degradation of industrial wastewater to investigate their catalytic degradation effects. The results showed that Co/ZSM-5(1) supported catalysts had the best catalytic degradation effect. The COD degradation ratio of wastewater could reach 89.7% at conditions of 200 mL of industrial wastewater with COD of 400-500 mg/L, Co/ZSM-5(1) catalyst dosage 1.0 g/L, temperature 40℃, pH 6-7, ozone concentration 4 mg/L, ozone flux 25 L/h and time 60 min. Moreover, the performance of catalyst was relatively stable, and it still had a good wastewater COD degradation effect after 4 times recycle usage.

Key words: industrial wastewater, ozone, alkali modification, ZSM-5 molecular sieve, catalytic oxidation

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2021/V41/I10/109

图/表 8

图1 碱改性前后ZSM-5分子筛及制备的负载型催化剂的扫描电镜图
a₁—ZSM-5；a₂—ZSM-5（1）；b₁—Co/ZSM-5（0）；b₂—Co/ZSM-5（1）；c₁—Fe/ZSM-5（0）；c₂—Fe/ZSM-5（1）；d₁—Mn/ZSM-5（0）；d₂—Mn/ZSM-5（1）。

Fig.1 SEM of ZSM-5 molecular sieve and the prepared supported catalyst before and after alkali modification

图2 碱改性前后ZSM-5分子筛及制备的负载型催化剂的XRD图谱

Fig.2 XRD spectrogram of ZSM-5 molecular sieve and the prepared supported catalyst before and after alkali modification

表1 改性前后ZSM-5分子筛结构性质变化

Table 1 ZSM-5 structure change before and after modification

样品	比表面积/（m²·g^-1）	孔容/（cm³·g^-1）	孔径/nm
ZSM-5原粉	315.1	0.214	2.822
碱改性ZSM-5	324.8	0.273	3.105

图3 改性前后ZSM-5分子筛的FT-IR图

Fig.3 FT-IR spectrogram of ZSM-5 before and after modification

图4 改性前后ZSM-5分子筛的UV-Vis谱图

Fig.4 UV-Vis spectrogram of ZSM-5 before and after modification

图5 碱改性ZSM-5负载活性组分对COD的催化降解效果
a₁—ZSM-5；a₂—ZSM-5（1）；b₁—Co/ZSM-5（0）；b₂—Co/ZSM-5（1）；c₁—Fe/ZSM-5（0）；c₂—Fe/ZSM-5（1）；d₁—Mn/ZSM-5（0）；d₂—Mn/ZSM-5（1）。

Fig.5 COD degradation effect by the alkali-modified ZSM-5 loaded active components

图6 不同体系对废水COD的降解效果

Fig.6 COD degradation effect under different systems

表2 催化剂重复使用效果及Co离子溶出情况

Table 2 Catalyst reuse effect and Co ion dissolution

循环次数	第1次	第2次	第3次	第4次
COD降解率/%	89.7	87.6	83.7	81.5
Co析出量/%（以质量分数计）	0.62	0.55	0.44	0.49

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