Pd-Cu/AC催化剂制备及其去除水体中硝酸盐研究

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随着工农业的发展,水体硝酸盐污染日益严重,硝酸盐对人体健康有很大危害,经济有效地去除水中硝酸盐对饮用水卫生安全具有重要意义。催化还原去除硝酸盐可以在常温常压下进行,反应速度快,以氢气为还原剂不会造成二次污染,特别适用于以饮用水为目的的硝酸盐去除,被认为是最有前景的饮用水脱氮技术。  活性炭孔隙率高、比表面积大,表面官能团易调变,作催化剂载体有很多优势。本研究以国产活性炭为载体,采用浸渍法负载Pd-Cu催化剂,重点研究了催化剂的制备条件及其用于去除水中硝酸盐。  实验结果表明:利用金属前体物PdCl2、Cu(NO3)2新制备的Pd-Cu/AC催化剂首次使用前经过充分还原活化后获得稳定且较高的催化效率,2h硝酸盐去除率达到80%以上。催化剂每次反应后都进行还原活化处理,催化性能保持较好的稳定;催化剂每次反应后不进行还原活化处理,则随着使用次数的增加催化剂的活性逐渐降低,氨氮生成率逐渐增加。  原活性炭做载体时,反应2h后硝酸盐去除率为61.3%,氨氮生成率为31.7%,催化效果差;将50g活性炭用150mL1.0mol/LHNO3在25℃、200r/min条件下处理4h后,对应的催化剂催化效果较好,反应2h后NO3-去除率提高到84.6%,氨氮生成率降低到24.3%。在200~500℃焙烧温度下,较低的焙烧温度不利于催化剂活性和选择性的提高,具有较高活性和选择性的焙烧温度为300℃;在30~240min焙烧条件下,随着焙烧时间的增加催化剂活性增加,但增加的幅度逐渐减小,焙烧时间达到2h后活性不再发生明显变化,焙烧时间对催化剂选择性影响较小,适宜的焙烧时间为2h。在300℃,2h焙烧条件下,反应2h后NO3-去除率为81.1%,氨氮生成率为25%。在100W~300W,1min~5min的微波条件下,微波功率引起的催化剂活性变化比微波照射时间显著,微波功率越大,催化剂活性越低。微波处理引起NO3-去除率下降范围为6.7%~14.3%,没有导致氨氮生成率的明显差异,综合效应不利于催化性能的提高。活性炭经0.01~0.1mol/LEDTA处理后催化剂的活性增加,并随EDTA浓度的增加而增加,氨氮生成率没有明显变化,经0.1mol/LEDTA处理后对应的催化剂催化性能最好,反应2h后硝酸盐去除率达到98.1%。反应过程中氨氮的生成受NO2-的浓度影响明显,较高浓度的NO2-有利于反应选择性的提高。在初始NO3-浓度100mg/L的条件下,ln(0/trr)与时间t之间呈线性关系,Pd-Cu/AC催化还原硝酸盐的反应为一级反应,在最佳实验条件下,R2为0.9888,反应速率系数k=1.969h-1,半衰期t1/2=0.49h。  水中共存离子影响研究表明,CO32-、HCO3-的存在不仅会硝酸盐的去除效率明显降低,同时导致氨氮生成率明显增加,S2-存在使催化剂中毒,催化效率极低,Cl-、SO42-的存在对硝酸盐的去除影响较小。水中阳离子存在时催化活性大小顺序为K+Na+>Ca2+>Mg2+>Al3+。
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