Y/γ-Al2O3湿式催化氧化降解甲基橙的研究

包逸飞，苏会东，孟伟康

Y/γ-Al2O3湿式催化氧化降解甲基橙的研究

包逸飞，苏会东*，孟伟康

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

以γ-Al2O3为载体，采用浸渍硝酸钇溶液的方法，制备Y/γ-Al2O3催化剂，以甲基橙溶液作为模拟印染废水进行模拟实验，考察了湿式催化氧化反应条件pH、催化剂投加量、催化反应时间、氧化剂投加量等反应条件对甲基橙废水处理效果的影响。结果表明：在湿式催化氧化反应温度为 27 ℃、pH为7、催化剂投加量为300 mg、氧化剂30%过氧化氢溶液5 mL、反应时间90 min时，对甲基橙溶液作为模拟废水降解率达到91.01%。

γ-Al2O3；湿式催化氧化；浸渍法；甲基橙废水

当前，石化、制药等产业产生了许多毒性高、难生物降解的有机废水，给环境安全和人类健康带来了严重威胁。湿式催化氧化技术（CWAO），是在湿式氧化技术基础上发展起来的一种新型处理难生物降解有机废水的环保技术，具有效率高、占地小、操作简便、无二次污染等优点[1-3]，得到国内外学者的高度重视[4-7]。本实验以γ-Al2O3为载体，采用浸渍硝酸钇的方法，制备了Y /γ-Al2O3催化剂，以甲基橙溶液作为模拟废水研究湿式催化氧化实验效果。

1 实验部分

1.1 Y- Al2O3催化剂的制备

以γ-Al2O3为载体，对γ-Al2O3进行研磨，使用标准筛过滤得到粒度为40~60目的γ-Al2O3，放入烧杯洗涤，用蒸馏水洗涤至上部清洁液不混浊，然后在超声振荡器中振荡至不浑浊，将清洁后的γ-Al2O3放在110 ℃烘箱干燥12 h，于通风处储存备用。

实验催化剂的制备选用浸渍法，用滴定管将 3.5 mL 0.1 mol·L-1的硝酸钇溶液滴入经过预处理后的放在烧杯底的3 g γ-Al2O3载体中，静置24 h，再以烘箱80 ℃烘干2 h，放入350 ℃的马弗炉中煅烧 3 h，即制得Y/γ-Al2O3催化剂，待自然冷却后取出备用。

1.2 湿式催化氧化实验方法

以甲基橙溶液为模拟印染废水进行实验，在250 mL锥形瓶中装有100 mL质量浓度为10 mg·L-1甲基橙溶液，用电子天平称取300 mg Y/γ-Al2O3催化剂放入锥形瓶中，并用滴定管滴入5 mL的30%的H2O2。将锥形瓶放入水浴振荡器中，在170 r·min-1、27 ℃条件下震荡90 min，使用分光光度计测量吸光度，计算降解率= (0-)/0。其中，0为降解前甲基橙溶液的吸光度，为处理后的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 浸渍液浓度的选择

通过浸渍法制备催化剂，制备不同浓度的硝酸钇溶液作为浸渍溶液，按1.1的方法制备多份 Y/γ-Al2O3催化剂，以1.2方法进行实验。对比分析不同浸渍液浓度的催化反应降解率，计算出降解效率，实验结果如图1所示。

图1 催化剂浸渍液浓度对降解率的影响

从图1看出，以Y/γ-Al2O3为催化剂，相同的反应条件下，随着浸渍液浓度的增加，催化剂的催化性能首先提高，这使得当催化剂的浓度提高时，可以获得更好的催化性能。 浸渍液浓度为 0.1 mol·L-1催化性能最好，达到最大降解率89.68％，随后催化性能降低且稳定。这是由于Y/γ- Al2O3催化剂孔隙一定，过多的活性组分对降解过程有抑制作用。因此，当浸渍液浓度为0.1 mol·L-1时，催化剂Y/γ- Al2O3表现出最好的催化性能。

2.2 焙烧温度的选择

按1.1的方法，选用浓度为0.1 mol·L-1的硝酸钇溶液为浸渍液，制备多份Y/γ-Al2O3催化剂，在马弗炉中分别在300、350、400、450、550、650 ℃的温度下煅烧，制备催化剂，以1.2实验流程进行实验。对比分析不同焙烧温度下的催化反应降解率，计算出降解率，实验结果如图2。

图2 不同焙烧温度的Y/γ-Al2O3催化剂降解率对比

如图2可以看出，以Y/γ-Al2O3为催化剂，在相同反应条件下，浸渍液的浓度为0.1 mol·L-1，焙烧温度为300 ℃和350 ℃时的降解率很大，而且降解率接近，但350 ℃降解率稍高；此后，随着煅烧温度的升高，催化剂的催化性能显著下降，下降到约10％后基本保持不变，这是由于催化剂经一定温度焙烧能够形成具有一定粒度、比表面积和晶形的孔隙结构，提高了Y/γ-Al2O3的机械强度和比表面积，但当温度过高，催化剂又会出现烧结现象毁坏了它的孔隙结构，反而使得催化剂的催化性质降低。因此，当焙烧温度为350 ℃时，Y/γ-Al2O3表现出最佳的催化性能。

2.3 Y/Al2O3催化剂催化活性研究

2.3.1 pH对处理效果的影响

采用浸渍法，按照2.2最佳实验条件制备催化剂，按1.2方法进行实验，将100 mL的橙色甲基溶液调节不同的pH，用Y/γ-Al2O3催化剂进行实验，对比分析不同pH下的催化反应降解率，计算出降解率，实验结果如图3。

从图3可以看出，以Y/γ-Al2O3作为催化剂，相同反应条件中，甲基橙溶液在酸性条件下，降解率逐渐增加，但小于中性的条件下的降解率。在中性时，降解率最大，为91.01%，所以中性条件下Y/γ-Al2O3催化剂具有最佳催化性能。Y/γ-Al2O3催化的催化效率在碱性条件下显著降低，然后逐渐减小，pH=15时最小，为1.44%，可忽略不计。其降解性能下降原因可能在于，在碱性条件下，H2O2分解速度加快，氧化剂自身消耗过多，从而使其不能快速氧化废水中有机物生色基团，而抑制了进一步氧化有机分子的能力[8-9]。

图3 pH对处理效果的影响

2.3.2 氧化剂加入量对处理效果的影响

采用浸渍法，按照2.2最佳实验条件制备催化剂，按2.3.1最佳条件进行实验，在100 mL的橙色甲基溶液中加入不同量的H2O2，用Y/γ-Al2O3催化剂进行实验，对比分析不同氧化剂剂量下的催化反应降解率，计算出降解率，实验结果如图4。

图4 不同剂量氧化剂条件下催化实验降解率对比

如图4所示，当使用Y/γ-Al2O3作为催化剂时，降解率开始时随着氧化剂的增加而缓慢增加。当双氧水用量为5 mL时，催化氧化效果最好，降解率达到91.01％。当双氧水的剂量高于7 mL时，反应的降解率明显开始降低，然后反应的降解速率几乎没有差别。当双氧水用量为5 mL时，催化氧化效果最佳。

2.3.3 催化剂加入量对处理效果的影响

采用浸渍法，按照2.2最佳实验条件制备催化剂，按2.3.2最佳条件进行实验，在100 mL的橙色甲基溶液中加入不同量的Y/γ-Al2O3催化剂，用 Y/γ-Al2O3催化剂进行实验，对比分析不同催化剂剂量下的催化反应降解率，计算出降解率，实验结果如图5。

如图5所示，当使用Y/γ-Al2O3作为催化剂时，降解率最初随催化剂剂量的增加而增加。当催化剂量是300 mg时，降解率达到最高，为91.01％，然后降解率逐渐降低。因此可以得出结论，过量的 Y/γ-Al2O3催化剂的存在会对反应产生不利影响，因此最佳催化剂用量应为300 mg。

图5 催化剂加入量对处理效果的影响

2.3.4 反应时间对处理效果的影响

采用浸渍法，按照2.2最佳实验条件制备催化剂，按2.3.3最佳条件进行实验，用Y/γ-Al2O3催化剂进行实验，保持其他条件不变，每隔一段时间取样测吸光度，考查时间对催化反应降解率的影响。对比分析不同反应时间下的催化反应降解率，计算出降解率，实验结果如图6。

由图6可见，当使用Y/γ-Al2O3作为催化剂时，降解速度随着反应时间的增加而逐渐增加。 在最初的30 min内降解率达到86.05％，之后降解速率趋于稳定，但是仍然增加，最高降解率达到91.01%。因此催化湿式氧化反应主要发生在反应开始后的前30 min内，之后少量的氧化剂残留在溶液中。可以看出，以Y/γ-Al2O3为催化剂的催化湿式氧化具有较高的需氧量和较快的反应速率。

图6 Y/γ-Al2O3为催化剂反应时间对处理效果的影响

3 结 论

实验以γ-Al2O3为载体，采用浸渍硝酸钇溶液的方法，制备Y/γ-Al2O3催化剂，通过采用甲基橙溶液作为模拟印染废水进行模拟实验。结果表明：在湿式催化氧化反应温度为 27 ℃、pH为7、催化剂投加量为300 mg、氧化剂30%过氧化氢溶液5 mL、反应时间90 min时，对甲基橙溶液作为模拟废水降解率达到91.01%，这说明以Y/γ-Al2O3为催化剂、以过氧化氢为氧化剂对甲基橙溶液具有很好的降解作用。

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Study on Degradation of Methyl Orange by Y /γ- Al2O3Wet Catalytic Oxidation

,SU Hui-dong,

（School of Environmental and Chemical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China）

Using γ-Al2O3as a carrier, a method of impregnating yttrium nitrate solution was used to prepare a catalyst, and methyl orange solution was used as a simulated printing and dyeing wastewater for a simulation experiment. The effect of reaction conditions (pH, catalyst dosage, catalytic reaction time, oxidant dosage) on the treatment efficiency of methyl orange wastewater was investigated. The results showed that the degradation rate of methyl orange solution as simulated wastewater reached 91.01% when the temperature of wet catalytic oxidation reaction was 27 ℃, pH was 7, catalyst dosage was 300 mg, oxidant 30% hydrogen peroxide solution was 5 mL, and reaction time was 90 min.

γ-Al2O3; Wet catalytic oxidation; Impregnation method; Methyl orange wastewater

2020-06-05

包逸飞（1996-），男，研究方向：环境工程。

苏会东（1963-） ，男，教授，博士，研究方向：环境净化功能材料。

X703.5

A

1004-0935（2020）11-1349-04