酸处理对赤泥物理化学性质及催化性能的影响（用于氯苯燃烧）

《Applied Nursing Research》：Effect of acid treatment on the physicochemical property and catalytic performance of red mud for chlorobenzene combustion

红泥酸处理催化剂的氯苯催化燃烧性能及机理研究，系统考察不同酸处理（醋酸、硝酸、酒石酸）对红泥理化性质及催化性能的影响，发现酒石酸处理红泥（RM-TA）在420℃时实现氯苯>90%转化率且抗氯中毒能力最优，其增强的酸性和氧化还原性能通过Mars-van Krevelen机制促进深度氧化，而水处理红泥因酸性不足导致中间产物积累。

　　

张凯伦|方思勇|黄阳阳|张蕾|于子瑞|罗宝玉|王新艺|邹伟新|李婷珍

中国重庆市三峡大学环境与化学工程学院三峡水库水环境演变与污染控制重点实验室，重庆404000

摘要

赤泥（RM）是铝工业产生的高碱性危险固体废物，对环境具有重大风险，包括严重的土壤盐碱化和地下水污染。本研究通过多种酸处理方法制备了基于赤泥的催化剂，并系统研究了这些处理方法对赤泥在氯苯（CB）燃烧过程中物理化学性质和催化性能的影响。结果表明，酸处理能有效去除赤泥中的碱金属/碱土金属，从而改变其Fe³⁺含量、氧化还原行为、O₂吸附/活化能力以及表面酸性。值得注意的是，经酒石酸处理的赤泥（RM-TA）表现出最高的催化活性，在420℃时CB转化率超过90%，同时对氯中毒具有优异的抵抗能力。原位DRIFTS分析进一步揭示，RM-TA优化的酸位点和增强的氧化还原性能促进了通过Mars-van Krevelen机制的深度CB氧化。相比之下，经水处理的赤泥（RM-W）由于酸性和氧化还原能力较低，导致中间产物的积累和氧化不完全。

引言

挥发性有机化合物（VOCs）是光化学烟雾和臭氧层破坏的主要污染源[1]。其中，氯化挥发性有机化合物（CVOCs）因其持久性、毒性和生物累积性而特别令人担忧，对生态系统和人类健康构成严重威胁[2]。目前的控制策略包括吸附、热焚烧和催化氧化[3]。催化燃烧被认为是最有效的方法，因为它能在适中温度（200–500℃）下将CVOCs完全氧化为无害产物（CO₂、H₂O），同时避免热焚烧过程中产生的有毒氯化副产物[4]。负载在氧化物或蜂窝结构上的贵金属催化剂（Pt、Pd、Rh、Ru）具有优异的低温活性和选择性，但其高昂的成本和对氯中毒的敏感性限制了大规模应用[5]。因此，研究重点转向了过渡金属氧化物，因为它们更具成本效益。然而，这些材料经常面临烧结、低温活性有限和快速失活等挑战[6]。开发同时具备低成本、高催化活性和强抗氯中毒能力的催化剂仍然是一个重要的科学和工程难题。

赤泥（RM）是拜耳法生产氧化铝过程中产生的高碱性废物，全球年产量约为1.3亿吨[7]。其堆积导致严重的环境问题，包括碱性渗滤液和重金属引起的土壤盐碱化和地下水污染[8]。[9]、[11]等人致力于将赤泥用于建筑材料、[12]金属回收、[13]环境催化材料、[14]、[15]以及催化热解或气化反应[16]、[17]、[18]。众所周知，赤泥中的碱性成分会影响催化剂结构和表面酸性，从而降低其对VOCs的催化活性[14]、[15]。酸处理可以有效去除碱金属，提高赤泥的催化活性。例如，方思勇等人[19]使用硝酸、硫酸和盐酸处理赤泥，制备出了用于甲苯催化氧化的催化剂，在420℃时保持良好的稳定性。Shim等人[20]使用盐酸处理的赤泥和负载Pd的赤泥作为苯催化氧化的催化剂，在400℃和250℃时的转化率分别超过90%。Kim等人[21]使用盐酸处理的赤泥作为甲苯催化氧化的催化剂，HCl处理显著提高了其比表面积和催化活性。然而，关于赤泥在CVOCs催化燃烧中的应用仍存在诸多未知之处。关键问题是，固有的碱金属对催化活性位点的抑制作用是一个主要挑战。据我们所知，酸强度对赤泥衍生催化剂的催化性能和CVOCs氧化机制的影响仍不清楚。

传统的强酸脱碱方法（如盐酸）可以有效去除碱金属，但常常会导致有价值的活性金属不受控制地流失[19]、[21]。为了解决这一限制，采用具有适当强度的酸是一种可行的策略，既能选择性地去除碱性，又能保留赤泥中的关键金属成分。在本研究中，选择了三种易获得且成本效益高的酸（醋酸[弱]、酒石酸[中-强]和硝酸[强]）进行赤泥预处理[22]。通过对酸处理后的赤泥样品进行全面的表征，并系统评估其在氯苯（CB）燃烧中的催化性能，我们明确了酸预处理、物理化学性质和催化活性之间的明确关联。这种综合实验方法不仅优化了CVOCs净化催化剂的酸预处理条件，还通过同时解决赤泥的增值和环境修复问题，推动了可持续的“废物-处理-废物”模式。

催化剂制备

不同酸处理的赤泥催化剂的制备方法如下：将原始赤泥块机械研磨成细粉，然后在110℃下热干燥12小时，得到基线赤泥材料。对于酸改性处理，使用蒸馏水配制了三种不同的酸溶液：醋酸（AC）、硝酸（N）和酒石酸（TA），每种酸溶液的浓度固定为1.2 mol·L^?1。随后，取4克干燥后的赤泥粉末进行后续处理

形态与结构分析

通过N₂吸附-脱附实验表征了催化剂的结构性质，相关参数总结在表1中。酸处理显著去除了赤泥中的碱金属和碱土金属，从而提高了赤泥的比表面积和孔隙体积。这种结构改善源于酸处理引起的结构改性：不同强度的酸不同程度地破坏了赤泥的矿物框架，有效去除了杂质

结论

本文制备了通过不同酸处理（醋酸、硝酸和酒石酸）得到的赤泥催化剂，并研究了酸处理对赤泥在氯苯催化燃烧中催化性能的影响。与醋酸和纯H₂O相比，酒石酸和硝酸在去除碱金属（Na⁺、K⁺、Ca²⁺）方面表现出更高的效率，催化性能排序为RM-TA > RM-N > RM-AC > RM-W。改进的催化活性

作者贡献声明

张凯伦：撰写——初稿撰写、验证、方法学设计、实验实施、数据整理。方思勇：项目监督、项目管理、实验指导。黄阳阳：方法学设计、数据整理。张蕾：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹集、概念构思。于子瑞：方法学设计、数据整理。罗宝玉：结果验证。王新艺：结果验证。邹伟新：项目监督、资源协调、资金筹集。李婷珍：资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2023NSCQ-MSX1008）和国家自然科学基金（项目编号：62375120）的支持。