钒改性催化剂的制备及表征
作者 :  王莹 等

  摘要: 为了提高废水处理的效果,文章以高岭土为载体,制备了负载型的钒改性高岭土催化剂,并通过X射线单晶衍射、傅立叶红外光谱、扫描电子显微镜等手段对催化剂进行了表征,结果表明:高岭土经改性后,高岭土中的Al-O八面体结构部分被破坏, 导致结构无序化,高岭土的层间距和比表面积显著增大,改性后的催化剂负载铁离子时催化效果较好。
  Abstract: V-modified kaolin was prepared using kaolin as the starting materials. XRD, FTIR, SEM are used to character the V-modified kaolin. The results indicated that, the V- polycations are introduced into the layer of kaolin and such materials show enhanced basal spacing, and surface are stability.
  关键词: 高岭土;制备表征;钒改性高岭土;催化剂
  Key words: Kaolin;preparation;characterization;V- modified kaolin;catalyst
  中图分类号:G633.8 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2012)33-0011-02
  0 引言
  目前,水污染是世界各国普遍面临的急需解决的问题之一。水处理过程中涉及的催化剂种类较多,主要有均相催化剂(金属盐类)、非均相催化剂(铜系、贵金属系及稀土系列)等,金属盐类催化剂在反应后不利于分离回收,存在循环使用难的特点。而非均相催化剂中铜系催化剂易于溶出,贵金属系列及稀土金属价格昂贵[1]。因此采用金属改性催化剂制得负载型固体酸催化剂是当前绿色催化合成和环境科学等领域的研究热点之一[2]。本文结合均相催化剂和非均相催化剂的优点,利用均相催化剂催化效率高及非均相催化剂易于分离回收的特点,制备了钒改性高岭土催化剂,并采用X射线单晶衍射、傅立叶红外光谱、扫描电子显微镜等方法对催化剂进行了表征。
  1 实验部分
  1.1 试剂 ①浓硫酸(AR);②重铬酸钾(A.R);③硫酸亚铁(A.R);④硫酸银(A.R);⑤硫酸亚铁铵(A.R);⑥硝酸银(A.R);⑦氢氧化钠(A.R);⑧五氧化二钒(A.R);⑨磷酸钠(A.R);⑩氯化铜(A.R);{11}氯化钴(A.R);{12}氯化铁(A.R);{13}高岭土等。
  1.2 仪器 ①WYK-302B2直流稳压电源(扬州爱克赛电子有限公司);②HB-I型多功能消解装置(广东环境保护仪器设备厂);③DZF-6050型真空干燥箱(上海精密实验设备有限公司);④UV-75O4紫外分光光度计(上海普析通用仪器设备公司);⑤Eoulnx55傅立叶变换红外光谱仪(德国Eoulnx公司);⑥全自动X射线衍射仪D/Max2550VB+/PC(日本理学公司);⑦Quanta200场发射扫描电镜仪(荷兰Quanta公司)。
  1.3 实验装置 实验装置如图1所示,电极由多孔性石墨构成,电极距为0.5cm,电极使用面积为19.2cm2
  (3.2cm×6cm),电化学催化过程在温度为25℃,容量为500ml的电解池中进行。
  1.4 钒改性催化剂的制备 采用沉淀法按照一定的比例将五氧化二钒溶液、氢氧化钠溶液、磷酸钠溶液、高岭土混合,搅拌2小时,同时控制温度在80℃,将过滤后固体晾干,在真空干燥箱中80℃烘干,再将其于马弗炉中适当温度焙烧4小时,即制得钒改性高岭土催化剂。
  2 结果与讨论
  2.1 傅立叶红外光谱 图2为钒改性高岭土前后的傅立叶红外光谱图。由图a可知,高岭土在改性之前有3696cm-1、3621cm-1、3388cm-1、1400cm-1、1104cm-1、1096cm-1、920cm-1、579cm-1、470cm-1等特征峰,其中3696cm-1、3621cm-1和3388cm-1为高岭土中羟基(O-H)的伸缩振动,1400cm-1~1000cm-1范围为O-Si-O的伸缩振动的吸收带,920cm-1处为Al-O-H振动,579cm-1为Al-O振动[3]。由图b可知,改性后的高岭土傅立叶红外光谱图中,吸收峰数目减少,图中3435cm-1处为羟基的伸缩振动吸收峰,高岭土结构中的羟基已大量脱除;1096cm-1和470cm-1处的吸收峰为高岭土Si-O四面体中Si-O伸缩振动吸收峰,说明经过改性后,高岭土中的四面体结构没有破坏。920cm-1、579cm-1处Al-O-H、Al-O的吸收峰消失;同时799cm-1处表征Al-O-Si振动的吸收峰依然存在。这些说明了高岭土中的Al-O八面体结构部分被破坏。
  2.2 X射线衍射 图a中2θ=20.3°、25°、36°为高岭土的特征峰,图b中高岭土的特征峰明显减弱,说明高岭土结构部分被破坏,Si-O结构峰在22°-24°区间内变宽变缓,说明高岭土的八面体结构被破坏,Si-O结构存在而大部分的Al-O结构被脱除[4],改性后的高岭土结构中莫来石的特征峰(26.6° 17.8°)比较明显,表明改性后的高岭土结构被破坏,结晶度变小趋于无序化。
  2.3 扫描电镜 扫描电镜表征图表明改性后的高岭土表面积有一定的增大。
  2.4 钒改性高岭土的应用 图5为钒改性高岭土负载不同金属离子处理造纸废水的COD图。由图可见在造纸水电化学降解中,负载铁的改性高岭土处理效果较好,35分钟内,COD去除率约76%。这可能是由于在电解过程中Fe2+与电极上产生的H2O2发生了Fenton反应(Kitis et al.,Yoon et al., Lu et al.)。这样溶液中的氧化剂·OH增多,加快了氧化降解。Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-。而负载钴的改性高岭土和负载铜的改性高岭土作催化剂,相同条件时,COD去除率分别为69%和62%。因此,负载铁的改性高岭土其催化性能优于其它两种催化剂。
  3 小结
  本文通过X射线单晶衍射、傅立叶红外光谱、扫描电子显微镜表征了钒改性催化剂,结果表明钒复合插层剂成功的插入到高岭土的层间,使高岭土的结构被破坏,导致结构无序化,改性后的高岭土负载铁离子催化效果较好。
  参考文献:
  [1]李桂菊,雷岗星,蔡永凯等.CWO法处理高浓度有机废水中催化剂的研究进展[J].工业水处理,2009,29(11):11-14.
  [2]翟卢琼.膨润土负载ZnCl2催化剂的制备与表征及其在伞花烃半合成中的应用[D].广西大学,2010.
  [3]李贺,关毅,张卫国.高比表面改性高岭土材料制备及其吸附性能研究[J].非金属矿,2006,29(2):15-17.
  [4]欧延,林敬东,陈文瑞等.酸改性高岭土的结构与性能的研究[J].厦门大学学报,2004,43(2):272-274.

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