水熱法合成催化氧化高含硫廢水的Ni-MnO2/Al2O3制備條件優(yōu)化

譚文捷 尹麗虹 李文軒 馬秀彪 孫文珊 王永強(qiáng)

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院)

0 引 言

硫雜質(zhì)是原油中含量最高的雜質(zhì)成分,天然氣和原油中硫含量約為0.03%～6%[1],在石油天然氣開(kāi)采過(guò)程中,采出水及其后續(xù)的脫硫除雜工藝會(huì)產(chǎn)生大量的含硫污水;此外,制藥、造紙以及其他化工行業(yè)的某些工藝也會(huì)產(chǎn)生含硫污水[2]。污水中的含硫化合物會(huì)導(dǎo)致工藝設(shè)備和管道的腐蝕,影響生物生長(zhǎng),產(chǎn)生的H2S氣體是劇毒物質(zhì),對(duì)大氣環(huán)境乃至人身健康造成嚴(yán)重威脅[3-4]。

目前,對(duì)于含硫污水的處理有物理法、化學(xué)法、生物法等多種方法[5],針對(duì)不同成分和濃度的含硫污水應(yīng)采取相應(yīng)的處理技術(shù)。催化氧化法因操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)速率快、處理范圍廣等優(yōu)點(diǎn),在油氣田含硫污水處理中應(yīng)用較廣[6]。催化氧化法處理廢水的關(guān)鍵是高效催化劑的開(kāi)發(fā),而負(fù)載型異相催化劑具有活性高、易于分離的優(yōu)點(diǎn),是目前研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外有部分學(xué)者已對(duì)此開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究,Lu等[7]利用浸漬法制備的新型Mo/MMS氧化脫硫催化劑,硫離子最高去除率可達(dá)97.5%;Rivoira等[8]制備的Ti-CMK-3碳介孔催化劑,在30 min內(nèi)可以氧化2 000 mg/L硫,極大節(jié)約了時(shí)間和成本;郭二亮、姜蔚等[9-10]均以γ-Al2O3為載體,利用浸漬法分別制備了MnO2/γ-Al2O3和Mo/γ-Al2O3負(fù)載異相催化劑,效果顯著且多次循環(huán)利用,硫離子去除率無(wú)明顯降低。負(fù)載異相催化劑的研究在不斷突破,但以上研究主要適用于含硫濃度低或反應(yīng)速率慢的含硫廢水,無(wú)法適用于油氣開(kāi)采過(guò)程或其他化工過(guò)程中產(chǎn)生的高濃度含硫污水。因此,研究出一種可以快速高效處理高濃度含硫廢水的催化劑具有重要意義。

α-MnO2材料具有活性高、比表面積大、毒性低、資源豐富、價(jià)格低廉、合成方法多樣等優(yōu)點(diǎn)[11-12],向α-MnO2材料中摻雜Ni、Cu等過(guò)渡金屬元素改性可以進(jìn)一步提高其催化性能。水熱法因其制得的材料純度高、分散性好、晶型好、形狀可控等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注[13]。因此本文利用水熱法制備了Ni金屬助劑的Ni-MnO2/Al2O3催化劑,通過(guò)優(yōu)化制備催化劑時(shí)的Ni金屬助劑摻雜濃度、水熱溫度、水熱時(shí)間、焙燒溫度,以確定催化劑的最佳制備條件;并通過(guò)BET、XPS等表征手段考察上述制備條件對(duì)催化劑活性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑:γ-Al2O3載體(購(gòu)于鞏義市潔之源凈水材料有限公司);九水合硫化鈉、硫代硫酸鈉、碘化鉀、可溶性淀粉、硫酸、鹽酸、高錳酸鉀、硝酸鎳(均為AR,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);碘、硫酸錳一水合物(均為AR,購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司)。

實(shí)驗(yàn)儀器:電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(FCD-E6000型,上海朗軒實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、電子分析天平(BT 124S型,梅特利-托利多儀器(上海)有限公司)、X射線衍射儀(XRD-6100型,島津公司)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SU-8200型,日立高新技術(shù)有限公司)、物理吸附儀(Ipore-400型,理化聯(lián)科儀器科技有限公司)、X射線光電子能譜儀(ESCALAB 250Xi,美國(guó)ThermoFisher)、臭氧發(fā)生器(FH-CYJ1510A-Y型,上海楓花光電科技有限公司)、空氣泵(LP-20型,上海仁創(chuàng)環(huán)境科技有限公司)、循環(huán)式真空泵(SHZ-D(Ⅲ)型,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)、氣體流量計(jì)(LZB-3WB型,濟(jì)南科德儀表科技有限公司)。

1.2 催化劑的制備

取0.55 g KMnO4樣品溶解至14 mL去離子水中,然后將KMnO4溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中,加入適當(dāng)?shù)摩?Al2O3小球作為載體。將0.89 g MnSO4·H2O與0.51 g Ni(NO3)2·6H2O溶解至21 mL去離子水中,所得的溶液與0.3 mL濃硫酸逐滴滴加到反應(yīng)釜中,放入烘箱在110℃下進(jìn)行水熱反應(yīng),12 h后取出冷卻至室溫,分離,在75℃下干燥12 h,制得Ni-MnO2/Al2O3催化劑。

1.3 模擬含硫廢水開(kāi)展催化劑活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

含硫廢水:取22.5 g九水合硫化鈉溶于1 L去離子水中,加入鹽酸調(diào)節(jié)pH值至8,得到硫離子濃度為3 000 mg/L的模擬含硫廢水。

催化劑活性評(píng)價(jià):催化劑活性評(píng)價(jià)在圓柱形反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,反應(yīng)器底部設(shè)有進(jìn)氣裝置與空氣泵連接,在硫離子濃度為3 000 mg/L、催化劑用量為12.5 g/L、曝氣量(空氣)為0.75 L/min的條件下進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)開(kāi)始后每隔一定時(shí)間取定量廢水按照國(guó)標(biāo)HJ/T 60—2000《水質(zhì) 硫化物的測(cè)定 碘量法》進(jìn)行分析,硫離子的去除率由公式(1)計(jì)算。

(1)

式中:C0為反應(yīng)開(kāi)始時(shí)廢水中硫離子的濃度,mg/L;Ct為反應(yīng)tmin后廢水中硫離子的濃度,mg/L;η為硫離子去除率,%。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ni金屬摻雜濃度的影響

摻雜的金屬助劑濃度會(huì)影響催化劑表面化學(xué)態(tài)、孔結(jié)構(gòu)和比表面積[14]。圖1為不同金屬助劑濃度下制備催化劑的催化性能。由圖1可以看出,鎳與錳的摩爾比為2∶10時(shí)催化劑的催化性能最強(qiáng),反應(yīng)100 min后的硫離子轉(zhuǎn)化率為95.23%。隨著鎳金屬助劑摻雜量的增加,催化劑的催化性能呈先增加后降低的趨勢(shì),反應(yīng)100 min后的硫離子轉(zhuǎn)化率分別為78.56%,95.23%,92.85%,88.68%,這可能是由于催化劑摻入適量的鎳金屬后,鎳錳間的相互作用使得催化劑中的MnO2晶粒尺寸變小,分散度變好,能提供更多的活性位點(diǎn)。

圖1 金屬助劑濃度對(duì)催化劑活性的影響

對(duì)不同金屬助劑濃度的催化劑進(jìn)行N2吸脫附表征,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同金屬助劑摻雜濃度催化劑的BET表征結(jié)果

由表1可知,當(dāng)鎳與錳摩爾比由1∶10提高至2∶10時(shí),比表面積由192.5 m2/g提高至232.5 m2/g,提高了40 m2/g。而當(dāng)摩爾比由2∶10提高至4∶10時(shí),比表面積驟降至158.1 m2/g,降低了74.4 m2/g,證明金屬助劑濃度對(duì)于催化劑比表面積影響較大。催化劑的比表面積隨著鎳與錳摩爾比的提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),出現(xiàn)這樣趨勢(shì)的原因可能是金屬助劑Ni的適量增加使得催化劑活性組分MnO2分散度提高,比表面積增加,但隨著摻雜的金屬Ni過(guò)量,可能會(huì)堵塞了活性組分MnO2的孔道結(jié)構(gòu),使其比表面積大幅度降低。

對(duì)不同Ni金屬摻雜濃度下的催化劑進(jìn)行XPS表征以分析催化劑表面的化學(xué)態(tài)和氧物種[15],結(jié)果如圖2和表2所示。由圖2可以看出,Mn的2p軌道可分為Mn3+(642.0 eV)和Mn4+(643.1 eV)兩個(gè)峰,O1s的峰可以分為結(jié)合能位于529.7 eV附近的表面晶格氧(Olatt)的峰和位于531.7,533.3 eV附近的表面吸附氧(Oads)的峰,533.3 eV處的峰值與表面吸附的活性基團(tuán)有關(guān),而531.7 eV處的峰則歸因于催化劑表面氧空位吸附的缺陷氧化物或表面氧離子。

表2 不同金屬助劑濃度催化劑的XPS表征結(jié)果

圖2 不同金屬助劑濃度催化劑的Mn2p、O1s軌道的XPS圖

對(duì)4種催化劑進(jìn)行表面Mn3+/Mn4+和Oads/Olatt定量分析,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出,鎳與錳摩爾比為2∶10的催化劑,Mn3+/Mn4+的比值為1.28,高于其余3種催化劑,表明摩爾比為2∶10的催化劑的Mn3+相對(duì)含量最高,而Mn3+的存在對(duì)MnO2中氧空位的存在有重要作用,反應(yīng)機(jī)理如下:

(2)

式(2)中Ov代表氧空位,故可以得知,較多的Mn3+相對(duì)含量表明制備的催化劑中含有較多的氧空位,即鎳與錳摩爾比為2∶10的催化劑中的氧空位含量最高。由表2可知,鎳與錳摩爾比為2∶10催化劑的Oads/Olatt比值為2.02,高于其余3種催化劑,表明摩爾比為2∶10時(shí)催化劑的表面吸附氧相對(duì)含量最高。較高的表面吸附氧相對(duì)含量和氧空位量對(duì)于催化劑的催化活性有著積極影響,在活性實(shí)驗(yàn)中證明摩爾比為2∶10時(shí)催化劑的催化活性最強(qiáng)。

2.2 水熱溫度的影響

圖3為不同溫度下制備催化劑的催化性能。由圖3可以看出,在100,110,120,130,140℃下制備的Ni-MnO2/Al2O3,反應(yīng)90 min后硫離子轉(zhuǎn)化率分別為78.72%,90.81%,85.70%,77.1%,76.44%,催化效果呈現(xiàn)先升高后保持相對(duì)平緩的趨勢(shì),在水熱溫度為110℃下制備的Ni-MnO2/Al2O3具有最佳的催化活性。

圖3 水熱溫度對(duì)催化劑活性的影響

對(duì)不同水熱溫度下制備的催化劑進(jìn)行N2吸脫附表征,結(jié)果見(jiàn)表3。催化劑的比表面積隨著水熱溫度的提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在水熱溫度為110℃時(shí),催化劑的比表面積最大,為232.5 m2/g,比表面積越大,越有利于催化劑表面暴露出更多的活性位點(diǎn),從而提高催化劑的活性。

表3 不同水熱溫度催化劑的BET表征結(jié)果

在100℃下制備的催化劑的比表面積最小,為192.4 m2/g,變化幅度較低,表明水熱溫度對(duì)于催化劑的比表面積影響較小。

圖4為不同水熱溫度下制備的催化劑在放大20 000倍后的SEM圖。由圖4可以看出,在100℃制備的催化劑表面形貌以兩頭粗細(xì)不一的棒狀為主。在110℃制備的催化劑表面形貌變?yōu)橐?guī)整的片狀結(jié)構(gòu),片狀MnO2相互連接形成孔狀結(jié)構(gòu),從而使得110℃制備的催化劑比表面積顯著大于100℃制備的催化劑。而隨著水熱溫度的進(jìn)一步增加,催化劑表面的片狀結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,部分孔道結(jié)構(gòu)也被堵塞,這可能是110℃后催化劑比表面積隨著水熱溫度提高而降低的原因。

圖4 不同水熱溫度下制備的Ni-MnO2/Al2O3的SEM圖

2.3 水熱時(shí)間的影響

圖5為不同水熱時(shí)間下制備催化劑的催化性能。由圖5可以看出,在水熱時(shí)間為8,10,12,14,16 h條件下制備的催化劑反應(yīng)90 min后的硫離子轉(zhuǎn)化率分別為74.56%,71.43%,90.80%,63.34%,53.90%,催化劑的催化效果呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì),且硫離子轉(zhuǎn)化率變化幅度較大。

圖5 水熱時(shí)間對(duì)催化劑活性的影響

而在8 h下制備的催化劑的比表面積最小,為184.7 m2/g,表明催化劑的比表面積受水熱時(shí)間的影響要低于金屬助劑濃度的影響。

對(duì)不同水熱時(shí)間下制備的催化劑進(jìn)行N2吸脫附表征,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,催化劑的比表面積隨著水熱時(shí)間的提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在水熱時(shí)間為12 h時(shí),催化劑的比表面積最大,為232.5 m2/g,這可能是水熱時(shí)間為12 h時(shí)催化劑活性最強(qiáng)的原因之一。

表4 不同水熱時(shí)間催化劑的BET表征結(jié)果

圖6為不同水熱時(shí)間下制備的催化劑在放大20 000倍后的SEM圖,可以看出,5種催化劑的表面形貌差別較大。水熱時(shí)間為8 h時(shí),催化劑表面形貌以短粗且密集的棒狀結(jié)構(gòu)為主;水熱時(shí)間為10 h時(shí),催化劑表面形貌開(kāi)始出現(xiàn)些許的片狀結(jié)構(gòu),但是片狀結(jié)構(gòu)之間呈封閉狀態(tài);水熱時(shí)間為12 h時(shí),催化劑表面形貌為整齊的片狀結(jié)構(gòu),片狀MnO2相互連接形成孔狀結(jié)構(gòu);水熱時(shí)間為14 h時(shí),催化劑表面形貌上的片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂扭曲,部分孔狀結(jié)構(gòu)被堵塞;水熱時(shí)間為16 h時(shí),催化劑表面形貌變?yōu)橐郧驙罱Y(jié)構(gòu)為主,且有棒狀和片狀結(jié)構(gòu)混合。

圖6 不同水熱時(shí)間下制備的Ni-MnO2/Al2O3的SEM圖

綜合N2吸脫附表征結(jié)果,可以證明在12 h下制備的催化劑表面的孔狀結(jié)構(gòu)提供了更多的比表面積,有利于暴露出更多的活性位點(diǎn),從而提高催化劑的催化活性。

2.4 焙燒溫度的影響

焙燒催化劑可去除表面的化學(xué)結(jié)合水和揮發(fā)性雜質(zhì),并且適當(dāng)?shù)谋簾郎囟瓤梢允勾呋瘎┑谋缺砻娣e和孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,提高催化劑的強(qiáng)度[16-17]。

圖7為不同焙燒溫度下制備催化劑的催化性能。由圖7可以看出,隨著焙燒溫度的提高,催化劑的催化效果呈現(xiàn)先增加后保持相對(duì)平緩的趨勢(shì),在400℃下焙燒的催化劑具有最高的活性,反應(yīng)90 min后的硫離子轉(zhuǎn)化率為96.6%,這可能是由于適宜的焙燒溫度去除了催化劑中的雜質(zhì),提高了比表面積。

圖7 焙燒溫度對(duì)催化劑活性的影響

對(duì)Al2O3載體、Ni-MnO2/Al2O3催化劑及經(jīng)過(guò)400℃焙燒后的Ni-MnO2/Al2O3催化劑進(jìn)行N2吸脫附表征,結(jié)果如表5所示。由表5可以看出,負(fù)載活性組分Ni-MnO2后,比表面積由Al2O3載體的265.6 m2/g降低至232.5 m2/g,原因可能是活性組分Ni-MnO2堵塞了Al2O3載體的孔道。經(jīng)過(guò)400℃焙燒后,催化劑的比表面積增加至247.3 m2/g,這可能是由于適當(dāng)?shù)谋簾郎囟热コ舜呋瘎┲械碾s質(zhì),優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu),提高了比表面積,因此,經(jīng)過(guò)400℃焙燒后的催化劑活性最強(qiáng)。

表5 3種材料的BET表征結(jié)果

3 結(jié) 論

1)通過(guò)考察不同條件對(duì)催化劑活性的影響,結(jié)果表明:在鎳與錳的摩爾比為2∶10,在110℃下水熱12 h后,再經(jīng)400℃焙燒2 h的制備條件下制備的催化劑催化活性最佳,在硫化物濃度為3 000 mg/L,催化劑用量為12.5 g/L,曝氣量為0.75 L/min的條件下反應(yīng)90 min后硫離子轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.6%。

2)催化劑比表面積受Ni金屬助劑摻雜濃度的影響最大,其次是水熱時(shí)間和水熱溫度。金屬助劑濃度對(duì)比表面積和表面化學(xué)態(tài)的影響較大,當(dāng)Ni與Mn的摩爾比為2∶10時(shí),催化劑具有最大比表面積232.5 m2/g,最多的氧空位和吸附氧相對(duì)含量。水熱溫度和時(shí)間會(huì)影響催化劑的表面形貌和比表面積,制備條件為110℃和12 h時(shí),催化劑具有最大的比表面積232.5 m2/g,表面形貌以片狀和孔道結(jié)構(gòu)為主。