一种基于渗碳体-碳体系的多元催化复合载体的制作方法

1.本发明涉及污水处理领域，具体是一种基于渗碳体-碳(fe3c-c)体系的多元催化复合载体。


背景技术：

2.近年来基于高级氧化理论的铁基催化剂，以及基于微电解理论的铁-碳载体越来越多的用于污水处理领域，取得了很好的净水效果。但是，由于铁本身的化学性质，使其在发挥催化、微电解功能同时，很容易进入水体发生次生反应，生成的沉淀物形成大量粘泥或导致催化剂和载体的板结、钝化。催化剂、载体的频繁更换使得系统运维复杂、成本升高，废弃的材料处理更推升整体运营成本。从而限制了铁基催化剂、铁碳载体在实践中的应用。
3.关于这类催化剂载体研究开发工作的焦点集中在调整配方材料的成分含量加工方法、应用场景等具体工艺指标上面，对于催化剂载体材料本身的基础研究缺乏较系统的理论探索。这在一定程度上造成市场对于催化剂载体的诸多模糊、错误认识。更有甚者，鱼目混珠，劣币驱逐良币，造成市场的混乱，反而不利于这一技术的推广使用。
4.fe基催化剂及fe-c载体在污水净化处理过程所遇到的板结、钝化问题的核心是：铁溶出后的次生反应生成过量的三价铁水合物沉淀，沉积在载体表面或致载体的孔洞堵塞。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于渗碳体-碳体系的多元催化复合载体，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于渗碳体-碳体系的多元催化复合载体，包括如下重量份数的各原料：
8.基本成分：纯铁粉40-75份、活性炭5-35份、水玻璃4-18份、硅酸盐水泥1-7份、碳酸钡1-16份、植物胶1-10份；
9.渗碳体稳定型元素：铬0.01-0.1份、锰0.1-2.5份、硫0.01-2份；
10.催化增强型元素：铂0.001-0.02份、钒0.01-0.1份、钛0.01-0.8份、钯0.01-0.1份、铑0.01-0.1份、稀土0-0.5份；
11.微电极活化型元素：镁0.1-3份、铜0.1-6份、锌0.1-1.2份、铯0.01-0.2份；
12.具体制备方法如下：
13.步骤一、原料准备；
14.各原料的颗粒级别要求：50-160目；微电极活化型元素中的活泼金属用含等量重量份数的氧化物或氢氧化物粉料；催化增强型元素中的贵金属采用金属粉或含等量重量份数的氧化物粉料；
15.步骤二、混料；
16.将各原料按比例配比混合，并兑水，用水量按硅酸盐水泥水灰比0.75-1:1，水玻璃
浓度20-50％计算，充分搅拌混料；
17.步骤三、压制成型；
18.在10-30mpa下将混料压成直径5-60mm的球形或椭球形，并在50-90℃下固化干燥12-36小时；
19.步骤四、烧结；
20.在900-1150℃及充氮条件下烧结3-60小时；
21.步骤四、后处理；
22.烧结后，冷却或逐步降温，以防止开裂粉碎。
23.作为本发明进一步的方案：包括如下重量份数的各原料：
24.纯铁粉55份、活性炭25份、水玻璃9份、硅酸盐水泥5份、碳酸钡5份、植物胶3份；
25.铬0.05份、锰1份、硫0.3份；
26.铂0.002份、钒0.03份、钛0.01份、钯0.01份、铑0.01份、稀土0.3份；
27.镁2份、铜5份、锌0.5份、铯0.02份。
28.作为本发明进一步的方案：包括如下重量份数的各原料：
29.纯铁粉60份、活性炭25份、水玻璃9份、硅酸盐水泥5份、碳酸钡7份、植物胶3份；
30.铬0.05份、锰1份、硫0.3份；
31.铂0.001份、钒0.03份、钛0.01份、钯0.01份、铑0.01份、稀土0.3份；
32.镁2份、铜7份、锌1份、铯0.02份。
33.作为本发明进一步的方案：包括如下重量份数的各原料：
34.纯铁粉50份、活性炭30份、水玻璃9份、硅酸盐水泥5份、碳酸钡5份、植物胶3份；
35.铬0.05份、锰1份、硫1份；
36.铂0.002份、钒0.03份、钛0.01份、钯0.01份、铑0.01份、稀土0.5份；
37.镁3份、铜4份、锌0.5份、铯0.02份。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
39.本发明从材料学的角度出发，针对铁基催化剂及载体使用中的具体问题，调整材料的相组织结构，在高温及充氮、长时间保温的条件下，使c充分渗入铁基体中，获得更多使用过程中比0价铁(铁素体)更稳定的渗碳体结构(fe3c)，大幅减少其使用过程中的铁析出。同时，适当添加促进催化、微电解的微量合金元素或氧化物，使得多元催化复合载体材料具有fe3c-c微电极体系的同时，提升催化氧化的性能。渗碳体稳定化元素的加入使得加工过程中能够更容易的获得渗碳体结构，使用过程中能获得更长的使用寿命，所加入的合金元素并有提升催化性能、促进微电极形成的功效。为加速烧结过程中碳渗入铁中，原料中添加适量的碳酸钡催渗剂。
40.因此，本发明的多元催化复合载体既具有微电解的性能，又具有催化氧化的功效，同时较好的解决了铁基催化剂载体的铁析出产生粘泥以及板结钝化等问题，大幅提升了其使用寿命。使用本发明的多元催化复合载体，可以根据具体的使用场景，微调组分或者匹配使用不同特点的多元催化复合载体，结合适当的工艺设计，或与生化技术相耦合，可发挥更强的水质净化功能。
具体实施方式
41.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
42.一种基于渗碳体-碳体系的多元催化复合载体，包括如下重量份数的各原料：
43.基本成分：纯铁粉40-75份、活性炭5-35份、水玻璃4-18份、硅酸盐水泥1-7份、碳酸钡1-16份、植物胶(淀粉、糊精等)1-10份；
44.渗碳体稳定型元素：铬(cr)0.01-0.1份、锰(mn)0.1-2.5份、硫(s)0.01-2份；
45.催化增强型元素：铂(pt)0.001-0.02份、钒(v)0.01-0.1份、钛(ti)0.01-0.8份、钯(pd)0.01-0.1份、铑(rh)0.01-0.1份、稀土0-0.5份；
46.微电极活化型元素：镁(mg)0.1-3份、铜(cu)0.1-6份、锌(zn)0.1-1.2份、铯(cs)0.01-0.2份；
47.具体制备方法如下：
48.步骤一、原料准备；
49.各原料的颗粒级别要求：50-160目(100-300μm)；微电极活化型元素中的活泼金属(mg、cs等)用含等量重量份数的氧化物或氢氧化物粉料；催化增强型元素中的贵金属采用金属粉或含等量重量份数的氧化物粉料；
50.步骤二、混料；
51.将各原料按比例配比混合，并兑水，用水量按硅酸盐水泥水灰比0.75-1:1，水玻璃浓度20-50％计算，充分搅拌混料；
52.步骤三、压制成型；
53.通过10-30mpa将混料压成直径5-60mm的球形或椭球形，并在50-90℃下固化干燥12-36小时(或高温炉前端固化干燥)；
54.步骤四、烧结(气氛及温控)；
55.在900-1150℃及充氮条件下烧结3-60小时；
56.步骤四、后处理；
57.烧结后，随炉冷却或逐步降温，以防止开裂粉碎。
58.具体配方如下：
59.配方1
60.纯铁粉55份、活性炭25份、水玻璃9份、硅酸盐水泥5份、碳酸钡5份、植物胶(淀粉、糊精等)3份；铬(cr)0.05份、锰(mn)1份、硫(s)0.3份；铂(pt)0.002份、钒(v)0.03份、钛(ti)0.01份、钯(pd)0.01份、铑(rh)0.01份、稀土0.3份；镁(mg)2份、铜(cu)5份、锌(zn)0.5份、铯(cs)0.02份。在烧结过程中，在980℃及充氮条件下烧结24小时。
61.配方2
62.纯铁粉60份、活性炭25份、水玻璃9份、硅酸盐水泥5份、碳酸钡7份、植物胶(淀粉、糊精等)3份；铬(cr)0.05份、锰(mn)1份、硫(s)0.3份；铂(pt)0.001份、钒(v)0.03份、钛(ti)0.01份、钯(pd)0.01份、铑(rh)0.01份、稀土0.3份；镁(mg)2份、铜(cu)7份、锌(zn)1份、铯(cs)0.02份。在烧结过程中，在1100℃及充氮条件下烧结12小时。
63.配方3
64.纯铁粉50份、活性炭30份、水玻璃9份、硅酸盐水泥5份、碳酸钡5份、植物胶(淀粉、糊精等)3份；铬(cr)0.05份、锰(mn)1份、硫(s)1份；铂(pt)0.002份、钒(v)0.03份、钛(ti)
0.01份、钯(pd)0.01份、铑(rh)0.01份、稀土0.5份；镁(mg)3份、铜(cu)4份、锌(zn)0.5份、铯(cs)0.02份。在烧结过程中，在1000℃及充氮条件下烧结18小时。
65.应用案例及效果：
66.案例1、生活污水提标：使用上述配方1和配方3生产的载体，与自养反硝化工艺结合，微曝气工作环境，作为高速公路管理站污水处理的末级，前此处理为ao工艺，处理后的污水达标排放。
67.案例2、生态滤床：使用上述配方1和配方2的载体，做成功能性生态滤床，作为高速公路桥梁、建筑屋面、场地雨水或海绵设施雨水集中处理的净化系统，保障雨污达标应用。
68.案例3、浮岛：使用上述配方2和配方3的载体，做成生态浮岛、人工湿地、雨水花园，用于景观水体的净化或富营养化水体的底泥修复等。
69.案例4、高级氧化：使用上述配方3载体，与生化工艺配合，用于垃圾渗滤液、煤焦化废水的高级氧化处理，确保达标排放。
70.本发明的工作原理是：本发明通过调整原料成分、控制烧结气氛、温度、时间，使铁颗粒表面充分渗碳，形成比铁素体(α-fe)更为稳定的渗碳体结构，与过量的碳形成fe3c-c基本微电池体系，大幅降低fe的反应溶出，并可采用以下方法形成多元催化复合载体，提高其工作效率；结合适当的工艺设计，或与生化技术相耦合，可发挥更强的水质净化功能：
71.1、调整原料中的碳含量以获得更佳的微电解效率；
72.2、通过添加cr、mn等渗碳体稳定化元素获得更稳定的渗碳体结构，并可适当降低渗碳的反应条件，减少鉄的反应析出，延长载体的使用寿命；
73.3、通过添加催化增强型元素，pt、稀土、v、ti等，在载体表面提供更多、催化效率更高的催化活性点，提升载体的的催化功能；
74.4、通过添加mg、cu、zn、al等微电极活化型合金元素，调整合金体系表面的微区电位差，降低过电位，使得微电极反应更易于发生，提升反应效率。
75.5、在采用铁粉渗碳形成渗碳体的制备条件下，加入碳酸钡促进渗碳体的形成。
76.以上添加元素按主要功能作用分类，不排除同一金属元素具有多重功效。根据使用场景的不同可以选择以上1-4中任何不同组合的调整增强方式生产合适的载体材料。
77.上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。