利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法
2023-04-28 13:12:11
專利名稱：利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，屬於資源化技術和材料生產技術領域。
背景技術：
廢啤酒酵母是啤酒生產中的主要副產物，是啤酒發酵釀造後形成的酵母泥，其中含有具有一定生物活性的酵母細胞和其他雜質。我國啤酒產量多年保持世界第一。因此每年產生的廢酵母數量巨大。隨著啤酒行業的快速發展，啤酒的產量還會繼續攀升，同時，廢酵母的產生量也隨之增大，因此合理利用廢啤酒酵母，不僅能夠實現資源循環利用，而且能保持生態平衡，促使啤酒工業實現綠色工業的目標，具有良好的社會效應。研究人員發現廢啤酒酵母表面呈絮狀、多孔、疏鬆結構，這種結構為吸附提供了巨大的表面積，使眾多的官能團能與吸附質相接觸達到吸附汙染物的目的，因此研究人員根據廢啤酒酵母上述特點將 其應用到環境治理當中，在廢啤酒酵母實現資源化的同時達到治理環境的目的，實現「以廢治廢」。目前全球有關廢啤酒酵母吸附的專利只有3項，上述專利主要集中在廢啤酒酵母的吸附重金屬和廢啤酒酵母的固化，可見有關廢啤酒酵母在水處理催化劑製備方面的專利較少。當前活性炭負載過渡金屬的方法主要是通過傳統的浸潰法，利用廢啤酒的吸附性能製備該類型的催化劑還未報導。
發明內容
本發明提出一種利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，為啤酒行業產生大量的廢酵母的資源化提供了途徑，促進該行業的清潔生產技術進步。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，其特徵在於包括有以下步驟
O將配製好的過渡金屬的溶液，加入40g幹廢啤酒酵母中，邊加邊攪拌至過渡金屬與廢啤酒酵母的質量比為1/10-1/20，調節溶液pH2-9，振蕩達到吸附平衡後過濾，收集吸附了過渡金屬的廢啤酒酵母；
2)將步驟I)所得的吸附金屬後的廢啤酒酵母烘乾，所得廢啤酒酵母粉末與碳酸鈉粉末混合浸潰12-24小時、過濾，置於馬弗爐中，控制碳化溫度和炭化活化時間；
3)取出後酸洗、水洗去除表面殘留物，烘乾磨碎得到負載過渡金屬的活性炭催化劑，放入乾燥器中備用。按上述方案，所述的過渡金屬為Fe、Zn、Ni、Co或Mn。按上述方案，所述的碳酸鈉粉末的用量為步驟I)所得的廢啤酒酵母粉末的I. 5-2倍。按上述方案，步驟2)炭化溫度為550_750°C，炭化時間為2小時。本發明所述的廢啤酒酵母是啤酒生產中的主要副產物，利用其吸附性能，將過渡金屬吸附在其表面和孔狀結構中，廢啤酒酵母結構中含有豐富的官能團如氨基、羥基、羰基等，水溶液中的過渡金屬離子可以通過與這些官能團的相互作用被吸附在廢啤酒酵母的表面。此外，元素分析結果表明廢啤酒酵母中的碳、氫、氮和硫元素的含量分別為42. 3%、7. 4%、O. 6%和O. 08%,灰分含量為9%，高的碳含量和低的灰分含量使得廢啤酒酵母適合作為製備活性炭的原材料。本發明利用廢啤酒酵母優異的吸附性能，將水溶液中的過渡金屬離子吸附在其表面後從水溶液中分離出來，乾燥後在活化劑的作用下進行炭化，製備得到具有發達孔結構的負載了過渡金屬的活性炭催化劑。這種先吸附再活化炭化製備催化劑的方法能夠使過渡金屬均勻的分布在活性炭孔狀結構中，對比上述催化劑和以商業活性炭為原料採用傳統浸潰製備的負載過渡金屬的活性炭催化劑催化臭氧氧化去除染料亞甲基藍(MB溶液)的性能發現，前者的催化活性和穩定性顯著優於後者。本發明具有以下顯著特點和有益效果
1、首次利用廢啤酒酵母製備水處理催化劑的研究，有利於實現資源的再利用，解決了啤酒行業廢啤酒酵母的處理問題； 2、廢啤酒酵母表面呈絮狀、多孔、疏鬆結構，這種結構為吸附提供了巨大的表面積，使眾多的官能團能與吸附質相接觸達到吸附過渡金屬的目的，使鐵離子能夠均勻的分布在廢啤酒酵母孔狀結構中，為後期炭化製備載鐵；
3、目前水處理中應用的臭氧催化劑價格為20000元/噸，且採用傳統的浸潰法製備的催化劑催化效果一般，本發明所製備的催化劑成本很低且催化效果高於同樣用商業活性炭製備的催化劑(如圖1-2所示)，因此本發明能夠一次解決歷史遺留的廢啤酒酵母浪費問題，變廢為寶；
綜上利用本發明製備催化劑有利於實現資源的再利用，具有明顯的經濟效益和環境效
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圖I為本發明的Fe/AC與Fe/CAC的吸附等溫曲線(其中，Fe/AC以廢酵母為載體，Fe/CAC以商業活性炭為載體)；
圖2為本發明的Fe/AC與Fe/CAC的TOC去除率的示意圖(其中，Fe/AC以廢酵母為載體，Fe/CAC以商業活性炭為載體)；
圖3為本發明的催化劑對MB轉化率及TOC去除率的影響的示意圖(內圖為近似一級動力學的線性擬合)。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進一步詳細的說明，但是此說明不會構成對本發明的限制。實施例I
利用廢啤酒酵母製備催化劑的方法，包括有以下步驟
I)配製2000mg/L的Fe(N03)3*9H20的溶液，向其中加入40g廢啤酒酵母，過渡金屬與廢啤酒酵母的質量比為1/10( Ig鐵離子)，調節溶液PH2-4，振蕩達到吸附平衡後過濾，收集吸附了過渡金屬的廢啤酒酵母；2)將步驟I)所得的吸附金屬後的廢啤酒酵母烘乾，所得廢啤酒酵母粉末與碳酸鈉粉末混合浸潰24小時、過濾，所述的碳酸鈉粉末的用量為步驟I)所得的廢啤酒酵母粉末的兩倍，置於馬弗爐中，控制炭化溫度為700°C，炭化時間為2小時；
3)取出後酸洗、水洗去除表面殘留物，烘乾磨碎得到負載過渡金屬的活性炭催化劑，放入乾燥器中備用。該催化劑簡稱Fe/AC。所得催化劑應用方法
在催化臭氧氧化反應器中加入MB溶液IOOOml及催化劑(AC，Zn/AC，Ni/AC, Fe/AC, Co/AC和Μη/AC) I. 6g，為了消除催化劑吸附MB對結果的影響，反應前先進行攪拌吸附3小時，使體系達到吸附平衡，吸附平衡後溶液中MB濃度約為1600mg/L左右。然後進行催化臭氧氧化降解實驗，在一定的時間間隔取樣分析溶液中MB濃度及TOC濃度，如圖1-3所示，本發明實施例I所得載鐵催化劑的TOC去除率最高約為37. 6%。實施例2
O向40g廢啤酒酵母滴加500mg/L的MnCl2*4H20的溶液，不斷攪拌至過渡金屬與廢啤酒酵母的質量比為1/20 (2g錳離子)，調節溶液pH至5-7，振蕩達到吸附平衡後過濾，收集吸附了過渡金屬的廢啤酒酵母；
2)將步驟I)所得的吸附金屬後的廢啤酒酵母烘乾，所得廢啤酒酵母粉末與碳酸鈉粉末混合浸潰12小時、過濾，所述的碳酸鈉粉末的用量為步驟I)所得的廢啤酒酵母粉末的兩倍，置於馬弗爐中，控制炭化溫度為650°C，炭化時間為2小時；
3)取出後酸洗、水洗去除表面殘留物，烘乾磨碎得到負載過渡金屬的活性炭催化劑，放入乾燥器中備用。該催化劑簡稱Mn/AC。經實驗，所得活催化劑的TOC去除率為20. 7%，實驗條件同實施例I。實施例3
1)配製2000mg/L的Co(NO3)2·6Η20的溶液，向40g廢啤酒酵母滴加上述溶液，過渡金屬與廢啤酒酵母的質量比為l/20(2g鈷離子)，調節溶液pH5-7，振蕩達到吸附平衡後過濾，收集吸附了過渡金屬的廢啤酒酵母；
2)將步驟I)所得的吸附金屬後的廢啤酒酵母烘乾，所得廢啤酒酵母粉末與碳酸鈉粉末混合浸潰18小時、過濾，所述的碳酸鈉粉末的用量為步驟I)所得的廢啤酒酵母粉末的兩倍，置於馬弗爐中，控制炭化溫度為700°C，炭化時間為2小時；
3)取出後酸洗、水洗去除表面殘留物，烘乾磨碎得到負載過渡金屬的活性炭催化劑，放入乾燥器中備用。該催化劑簡稱Co/AC。經實驗，給出所得活催化劑的TOC去除率為23.8%，實驗條件同實施例I。
權利要求
1.利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，其特徵在於包括有以下步驟 1)將配製好的過渡金屬的溶液,加入40g幹廢啤酒酵母中，邊加邊攪拌至過渡金屬與廢啤酒酵母的質量比為1/10-1/20，調節溶液pH2-9，振蕩達到吸附平衡後過濾，收集吸附了過渡金屬的廢啤酒酵母； 2)將步驟I)所得的吸附金屬後的廢啤酒酵母烘乾，所得廢啤酒酵母粉末與碳酸鈉粉末混合浸潰12-24小時、過濾，置於馬弗爐中，控制碳化溫度和炭化活化時間； 3)取出後酸洗、水洗去除表面殘留物，烘乾磨碎得到負載過渡金屬的活性炭催化劑，放入乾燥器中備用。
2.根據權利要求I所述的利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，其特徵在於所述的過渡金屬為Fe、Zn、Ni、Co或Mn。
3.根據權利要求2所述的利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，其特徵在於所述的碳酸鈉粉末的用量為步驟I)所得的廢啤酒酵母粉末的I. 5-2倍。
4.根據權利要求3所述的利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，其特徵在於步驟2)炭化溫度為550-750°C，炭化時間為2小時。
全文摘要
本發明涉及利用廢啤酒酵母製備臭氧氧化催化劑的方法，包括有以下步驟1)將配製好的過渡金屬的溶液，加入幹廢啤酒酵母中，調節溶液pH，振蕩達到吸附平衡後過濾，收集吸附了過渡金屬的廢啤酒酵母；2)將廢啤酒酵母烘乾，所得廢啤酒酵母粉末與碳酸鈉粉末混合浸漬、過濾，置於馬弗爐中，控制碳化溫度和炭化活化時間；3)取出後酸洗、水洗去除表面殘留物，烘乾磨碎得到負載過渡金屬的活性炭催化劑，放入乾燥器中備用。本發明具有以下顯著特點和有益效果有利於實現資源的再利用，解決了啤酒行業廢啤酒酵母的處理問題；能夠解決歷史遺留的廢啤酒酵母浪費問題，變廢為寶。
文檔編號B01J23/75GK102836748SQ201210343648
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者蔡俊雄, 崔龍哲, 吳桂萍, 向羅京, 康瑾, 易川 申請人:湖北省環境科學研究院