关键词:
高铝粉煤灰
陶瓷膜支撑体
制备
铁
迁移
催化氧化
摘要:
针对陶瓷膜支撑体制备存在原料成本高、烧结能耗高等问题,研究以工业固废高铝粉煤灰为原料制备陶瓷支撑体的方法,同时探究陶瓷支撑体制备过程中的物相变化规律,重点明晰铁元素的存在形式和迁移规律,考查陶瓷支撑体在水处理过程中的催化氧化性能。
采用高铝粉煤灰作为原料,淀粉为造孔剂,甲基纤维素为粘结剂,不额外添加氧化铝,制备低成本微滤陶瓷膜支撑体。分别考查了烧结温度、造孔剂和粘结剂添加量对支撑体性能的影响,较优制备条件是:高铝粉煤灰、淀粉和甲基纤维素分别按照95%、4%和1%的比例混合,控制泥料的含水量为5%,在10 MPa压力下挤压成型,1300℃下烧结制备陶瓷支撑体。支撑体孔隙率为37%,抗弯强度为22MPa,最可几孔径为665 nm,水通量为2800 L/h·m2·MPa,酸性介质下质量损失率为1.8%,碱性介质下质量损失率为1.4%,满足《多孔陶瓷产品通用技术条件(GB/T16533-1996)》的性能要求。
利用X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体发光光谱(ICP)、透射电镜(TEM)、球差矫正透射电子显微镜(AC-TEM)、激光拉曼光谱(LRS)对支撑体及Fe元素的存在形态进行了表征。表明支撑体以莫来石晶相为主,含有少量刚玉和二氧化硅。烧结温度达到1200℃时,粉煤灰中的氧化铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)开始大量转化成莫来石相(3Al2O3·2SiO2),且随温度升高莫来石含量不断增多,在1350℃~1400℃时转化率相近。支撑体中约7.7%的Fe元素以负载型Fe2O3的形式存在;约92.3%的Fe元素固溶到莫来石中,固溶的Fe元素稳定性好,在酸性条件下不易溶出。随烧结温度升高支撑体颜色逐渐加深的现象,推断是氧化铁从玻璃相中逐渐溶出,并不断固溶进莫来石晶体中所导致。在莫来石相中,固溶的Al、Si、O、Fe、Ti元素分布较均匀,在晶界处富集显现为元素偏聚,Ca元素存在局部富集情况。
与传统氧化铝支撑体相比,高铝粉煤灰制备的支撑体固溶了Fe、Ti元素,具有催化氧化潜力。选择某焦化废水,以COD去除率作为评价支撑体催化氧化性能的指标,分别探究了过氧化氢和过硫酸钾体系的较优工艺条件。过硫酸钾体系的较优工艺条件:反应温度为55℃,焦化废水初始pH=7,支撑体的投加量为0.02 g/mL,过硫酸钾的投加量为8 mmol/L时,3 h时的COD去除率为26.2%。过氧化氢体系的较优工艺条件:反应温度为25℃,焦化废水初始pH=3,支撑体的投加量为0.02 g/mL,过氧化氢的投加量为15 mmol/L时,3 h时的COD去除率为17.3%。对比25℃下过硫酸钾和过氧化氢体系的COD去除率,支撑体对COD去除的贡献率为13.2%,是过氧化氢体系的1.4倍。过硫酸钾被活化产生的·SO4-的氧化性能高于过氧化氢产生的·OH,因此在催化氧化工艺中选取过硫酸钾做氧化剂更优。