申请日2016.03.04
公开(公告)日2016.10.26
IPC分类号B01J23/50; B01J21/06; B01J35/08; C02F1/78; C02F101/30
摘要
公开了用于废水处理的催化剂。催化剂包括其表面上形成有纳米孔的不锈钢纳米基材和装载到纳米孔中的金属纳米颗粒。该催化剂具有优异的耐腐蚀性和耐磨性并对pH和温度变化很稳定。特别地，当应用到基于先进氧化方法的废水处理时，该催化剂与现有催化剂相比使废水处理速率增加至两倍或更多。因此，使用该催化剂使废水处理成本显著降低。该催化剂能够重复地再使用而不用在使用后进行特殊的稳定化。与其他现有催化剂不同，该催化剂不留下沉淀物，消除对后续处理的需求。该催化剂很容易制备。此外，该催化剂能够简单应用于现有设备。因此，在需要处理废水的情况下能够直接使用该催化剂。还公开了制备催化剂的方法和包括催化剂的废水处理设备。
权利要求书
1.一种用于废水处理的催化剂，所述催化剂包括表面上形成有纳米孔的不锈钢基材和装载到所述纳米孔中的金属纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述金属纳米颗粒是选自银和钛的至少一种有色金属的纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述纳米孔具有70nm至90nm的平均直径和20nm至100nm的平均深度。
4.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述不锈钢基材的每单位表面积(1μm2)的纳米孔的数量是160至200。
5.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述金属纳米颗粒是平均直径为15nm至50nm的球体。
6.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述纳米孔的平均直径与所述纳米颗粒的平均直径的比是2:1至5:1。
7.根据权利要求1所述的催化剂，其中，所述纳米孔的平均直径与深度的比是3:1至1:1。
8.一种制备用于废水处理的催化剂的方法，所述方法包括通过阳极氧化在不锈钢基材的表面上形成纳米孔和通过化学还原或光化学还原将金属纳米颗粒装载到纳米孔中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在5℃至9℃的温度在搅拌下以20V至60V的电压和0.1A至6A的电流进行所述阳极氧化。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，通过以下步骤进行所述化学还原：将所述不锈钢基材浸入含有金属盐和酸的水溶液中，和向所述水溶液添加还原剂。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属盐是选自AgNO3、TiCl3和TiCl4的水溶性有色金属盐，所述酸是具有至少一个羟基基团或羧基基团的酸并选自柠檬酸钠、没食子酸和其混合物，所述还原剂是选自氢氧化钠、硼氢化钠和其混合物的强碱。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，以0.001M至0.05M的浓度添加所述金属盐。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述不锈钢基材浸入1小时或更短的时间。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，通过以下步骤进行所述光化学还原：在黑暗中，在真空中将所述不锈钢基材浸入含有金属盐和酸的水溶液中，用蒸馏水和氮气清洗所述不锈钢基材，和用UV-C光照射清洗过的不锈钢基材。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述金属盐是选自AgNO3、TiCl3和TiCl4的水溶性有色金属盐。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，以0.001M至0.05M的浓度添加所述金属盐。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述不锈钢基材浸入6小时至12小时，并且UV-C光照射0.5小时至2小时。
18.一种基于先进氧化方法的废水处理设备，所述废水处理设备包括臭氧反应器和UV发生器，其中所述臭氧反应器包括根据权利要求1至7中任一项所述的用于废水处理的催化剂。
说明书
用于废水处理的催化剂、制备催化剂的方法和包括催化剂的废水处理设备
技术领域
本发明涉及用于废水处理的催化剂、用于制备该催化剂的方法和包括该催化剂的废水处理设备。
背景技术
近年来，针对增加的废水流出物的环境规定已经变得更加严格。因此，出现了对用于废水处理的经济且有效的技术的需求。现有的生物废水处理技术在满足严格的规定方面不足，并且在处理不断增长的量的废水方面并不令人满意。通过生物处理技术难以完全去除持久性有机物和微污染物。这样的持久性有机物和微污染物流入水系统并被认为是水域生态系统失衡的主要原因。在这样的情况下，存在对与基于生物处理的现有技术相比满足针对流出物的严格规定、在处理不断增长的量的废水方面有效、并能够用来完全去除持久性有机物和微污染物的先进技术的需求。
在这一点上，韩国政府已经计划进行研究以提出关于流出物中总有机碳(TOC)的标准，并预期很快提出流出物质量标准。因此，更多关注已经集中在从流出物去除持久性有机物和微污染物。然而，这种污染物质的完全去除使得需要引入现代先进氧化设备。一些韩国机构和公司正在经营基于先进氧化方法的废水处理厂，但是因为方法的固有问题，它们具有运营废水处理厂的困难。
许多先进氧化方法目前应用于废水处理。例如，Fenton法在pH 3至5的酸性范围中氧化废水的方面最有效。然而，该方法的缺点在于，废水的pH应当被调节至用于反应的酸性范围，且在氧化完成后应当增加经处理的水的pH以排放。Fenton法还需要后续的处理步骤来去除在反应期间产生的大量沉淀物。作为另一个实例，已知基于紫外光/过氧化氢(UV/H2O2)的先进氧化方法。根据该方法，紫外光加速过氧化氢的分解以提高氧化污染物的OH自由基的形成速率。基于UV/H2O2的方法在去除污染物方面是有效的，但是具有的问题在于：为了实现高的效率，需要大量的过氧化氢。另一个问题在于：大量过氧化氢的使用造成经济负担，并导致最终流出物的化学需氧量(COD)的增加，使得难以满足流出物质量标准。
相反地，基于臭氧(O3)的方法具有以下优点：只要电力是可用的就可以根据需要制备臭氧，并且通过在短时间与臭氧直接反应能够对污染物进行有效地灭菌和氧化。由于这些优点，基于臭氧的方法已经吸引了很多关注。基于臭氧的方法的另一个优点是能够使疏水性物质如持久性有机物亲水化，并使其能够被容易地生物降解。因此，基于臭氧的方法是环境友好的，因此适合在要求高水质的加工应用中作为用于废水预处理的技术。然而，因为基于臭氧的方法依赖于与污染物接触，所以它们仅在去除特定的目标物质方面有效。这导致差的选择性，并限制了能够通过直接反应去除的有机物质的量。基于臭氧的方法的其他缺点是：溴的存在可能导致致癌物质的产生，以及需要使用其他能量来源来促进用于减少有机物质的间接反应。
不锈钢具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，并且与其他金属相比不容易受pH和温度变化的影响。也就是说，不锈钢具有非常好的理化稳定性。与其他基于铁的材料不同，不锈钢是环境友好的催化材料，这是因为它是不生锈的，不留下沉淀物。因为这个优点，不锈钢能够在各种水处理领域得到直接应用。对此，韩国专利第0403275号公开了一种施用到不锈钢基材的光催化剂涂层组合物，其包含有机硅烷、金属氧化物、储存稳定剂等。另外，韩国专利公开第2007-0113551号公开了一种用于通过先进氧化方法处理持久性废液的复合设备。该复合设备基于臭氧电解和半导体催化，并包括表面涂覆有钛和铱的不锈钢阳极。
然而，现有技术仅公开了与在不锈钢材料上金属颗粒的部分涂覆相关的技术，并且没有公开用于通过有效地构造不锈钢载体的结构和装载在载体上的金属颗粒来使污染物的降解最大化的技术。
发明内容
已经完成本发明来解决常规废水处理技术的问题，并且本发明旨在提供一种用于废水处理的催化剂，其具有好的耐久性、促进废水处理、能够重复地再使用而不用在使用后进行特殊的稳定化或后续处理、易于制备、并且能够简单直接地应用于现有设备，本发明还提供用于制备该催化剂的方法和包括该催化剂的废水处理设备。
本发明的一个方面提供一种用于废水处理的催化剂，所述催化剂包括表面上形成有纳米孔的不锈钢纳米基材和装载到纳米孔中的金属纳米颗粒。
根据本发明的一个实施方案，金属纳米颗粒可以是选自银和钛的至少一种有色金属的纳米颗粒。
根据本发明的另一实施方案，纳米孔可以具有70nm至90nm的平均直径和20nm至100nm的平均深度。
根据本发明的另一实施方案，不锈钢基材的每单位表面积(1μm2)的纳米孔数量可以是160至200。
根据本发明的另一实施方案，金属纳米颗粒可以是平均直径为15nm至50nm的球体。
根据本发明的另一实施方案，纳米孔的平均直径与纳米颗粒的平均直径的比可以是2:1至5:1。
根据本发明的另一实施方案，纳米孔的平均直径与深度的比可以是3:1至1:1。
本发明的另一方面提供一种制备用于废水处理的催化剂的方法，其包括通过阳极氧化在不锈钢基材的表面上形成纳米孔和通过化学还原或光化学还原将金属纳米颗粒装载到纳米孔中。
根据本发明的一个实施方案，可以在5℃至9℃的温度在搅拌下以20V至60V的电压和0.1A至6A的电流进行阳极氧化。
根据本发明的另一实施方案，可以通过以下步骤进行化学还原：将不锈钢基材浸在含有金属盐和酸的水溶液中，和向水溶液添加还原剂。
根据本发明的另一实施方案，金属盐可以是选自AgNO3、TiCl3和TiCl4的水溶性有色金属盐，酸可以是具有至少一个羟基基团或羧基基团的酸并可以选自柠檬酸钠、没食子酸和其混合物，还原剂可以是选自氢氧化钠、硼氢化钠和其混合物的强碱。
根据本发明的另一实施方案，可以以0.001M至0.05M的浓度添加金属盐。
根据本发明的另一实施方案，可以将不锈钢基材浸入1小时或更短的时间。
根据本发明的另一实施方案，可以通过以下步骤进行光化学还原：在黑暗中，在真空中将不锈钢基材浸入含有金属盐和酸的水溶液中，用蒸馏水和氮气清洗不锈钢基材，和用UV-C光照射清洗过的不锈钢基材。
根据本发明的另一实施方案，金属盐可以是选自AgNO3、TiCl3和TiCl4的水溶性有色金属盐。
根据本发明的另一实施方案，可以以0.001M至0.05M的浓度添加金属盐。
根据本发明的另一实施方案，可以将不锈钢基材浸入6小时至12小时，并且UV-C光可以照射0.5小时至2小时。
本发明的另一方面提供一种基于先进氧化方法的废水处理设备，其包括臭氧反应器和UV发生器，其中臭氧反应器包括用于废水处理的催化剂。
本发明的催化剂具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，并且对pH和温度变化很稳定。特别地，当应用到基于先进氧化方法的废水处理时，本发明的催化剂与现有催化剂相比使废水处理速率增加至两倍或更多。因此，根据本发明的催化剂的使用使废水处理成本显著降低。本发明的催化剂能够重复地再使用而不用在使用后进行特殊的稳定化。与其他现有催化剂不同，本发明的催化剂不留下沉淀物，消除对后续处理的需求。本发明的催化剂很容易制备。此外，本发明的催化剂能够简单地应用于现有设备。因此，在需要处理废水的情况下能够直接使用本发明的催化剂。
