催化濕氧化系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?200980120348. 1(PCT/US2000/002105)、申請(qǐng)日為 2009 年 4 月 3日的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及廢物流和/或工藝流的處理，并且更具體的，涉及用于處理其中的不 合意成分的催化濕氧化系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 濕氧化是一種公知的用于處理工藝流的技術(shù)，并且被廣泛用于例如破壞廢水中的 污染物。該方法包括在升高的溫度和壓力，通過(guò)氧化劑來(lái)在水相氧化不合意的成分，該氧化 劑通常是來(lái)自含氧氣體的分子氧。該方法能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物轉(zhuǎn)化為二氧化碳，水和生物可 降解的短鏈有機(jī)酸例如乙酸。還能氧化無(wú)機(jī)成分，包括硫化物和硫醇鹽。
[0004] 作為焚化的一個(gè)替代選項(xiàng)，濕氧化可以用于廣泛的多種應(yīng)用中來(lái)處理隨后排放的 工藝流，用于工藝內(nèi)再循環(huán)中，或者作為預(yù)處理步驟來(lái)為常規(guī)的生物處理設(shè)備提供拋光。催 化濕氧化已經(jīng)表現(xiàn)出是對(duì)傳統(tǒng)的非催化濕氧化的一種有效改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方案，本發(fā)明涉及一種催化濕氧化系統(tǒng)和方法。該方法可以 包含提供含水混合物，該混合物包含至少一種待處理的不合意的成分，和將該含水混合物 與顆粒固體催化劑接觸來(lái)形成漿體混合物。將該漿體在亞臨界溫度和超計(jì)大氣壓氧化，來(lái) 處理該至少一種不合意的成分和形成氧化的漿體混合物。將顆粒固體催化劑從該氧化的漿 體混合物中分離出來(lái)。
[0006] 另外一種實(shí)施方案涉及催化濕氧化系統(tǒng)，其具有濕氧化單元；流體連接到該濕氧 化單元的進(jìn)料口處的含水混合物源，該含水混合物包含至少一種不合意的成分；和含水混 合物管道，該管道包含：流體連接到該含水混合物源的出口處的入口；和流體連接到該濕 氧化單元進(jìn)料口處的出口。該系統(tǒng)還包含顆粒固體催化劑源，其不溶于該含水混合物中，并 且其流體連接到下列的至少一個(gè)：濕氧化單元的催化劑入口、含水混合物源、和含水混合物 管道。該系統(tǒng)還包含分離器，該分離器包含流體連接到濕氧化單元出口處的入口和流體連 接到下列的至少一個(gè)處的催化劑漿體出口 ：濕氧化單元的催化劑入口、含水混合物源、和含 水混合物管道。
[0007] 在一些實(shí)施方案中，該顆粒固體催化劑選自過(guò)渡金屬元素及其水不溶性化合物。 在另外一種實(shí)施方案中，該顆粒固體催化劑包含至少兩種過(guò)渡金屬元素，包括其水不溶性 化合物，例如氧化錳和氧化鈰。
[0008] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，本發(fā)明其它的優(yōu)點(diǎn)，新的特征和目標(biāo)將從本發(fā)明下面的詳細(xì) 說(shuō)明中而變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]該附圖并非打算按照尺寸繪制。在附圖中，各個(gè)相同的或者基本類似的部件是用 單個(gè)數(shù)字或者標(biāo)記來(lái)表示的。為了清楚起見(jiàn)，并非每個(gè)附圖中的每個(gè)部件都進(jìn)行了標(biāo)示， 也沒(méi)有標(biāo)示出其中不必示意出的本發(fā)明每種實(shí)施方案的每個(gè)部件，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員 理解本發(fā)明。優(yōu)選地，本發(fā)明非限定性的實(shí)施方案將依靠實(shí)施例和參考附圖進(jìn)行描述，在其 中： 圖1是用于進(jìn)行本發(fā)明方法的濕氧化系統(tǒng)的通用的流程圖； 圖2是用于進(jìn)行本發(fā)明方法的一種實(shí)施方案的濕氧化系統(tǒng)的流程圖； 圖3是用于進(jìn)行本發(fā)明方法的另外一種實(shí)施方案的濕氧化系統(tǒng)的流程圖； 圖4是用于進(jìn)行本發(fā)明方法的仍然另外一種實(shí)施方案的濕氧化系統(tǒng)的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 本發(fā)明涉及利用懸浮的顆粒固體催化劑來(lái)催化濕氧化廢物流和/或工藝流。濕氧 化是公知的用于破壞廢水中的污染物的技術(shù)，其包括在升高的溫度和壓力，用氧化劑來(lái)處 理廢物流，該氧化劑通常是來(lái)自含氧氣體的分子氧。在低于水的臨界溫度（374°C)的濕氧 化被稱作亞臨界濕氧化（subcriticalwetoxidation)。亞臨界濕氧化系統(tǒng)在足夠的壓力 運(yùn)行，來(lái)將水相保持為液體，并且可以在商業(yè)上用于調(diào)節(jié)污水淤漿，氧化苛性硫化物廢物， 再生粉末活性炭，和氧化化學(xué)生產(chǎn)廢水，這僅僅提到了少數(shù)幾種應(yīng)用。當(dāng)與常規(guī)的濕氧化相 比時(shí)，催化濕氧化會(huì)產(chǎn)生成本節(jié)約，特別是降低能源成本，這歸因于可接受的處理程度會(huì)在 降低的溫度，壓力，和/或反應(yīng)時(shí)間時(shí)發(fā)生?？蛇x擇地，當(dāng)與常規(guī)的濕氧化相比時(shí)，催化濕氧 化會(huì)產(chǎn)生更高的處理程度。
[0011] 根據(jù)一種或多種實(shí)施方案，本發(fā)明涉及一種或多種用于處理工藝流的系統(tǒng)和方 法。在典型的操作中，所公開(kāi)的系統(tǒng)可以接收來(lái)自社區(qū)，工業(yè)或者住宅來(lái)源的工藝流。例如， 在其中該系統(tǒng)處理廢水的實(shí)施方案中，該工藝流可以來(lái)自于市政廢水淤漿或者其它大規(guī)模 的污水系統(tǒng)。工藝流還可以來(lái)自于例如食品加工廠，化學(xué)品加工設(shè)備，氣化工程，或者制漿 造紙廠。該工藝流可以通過(guò)在該系統(tǒng)上游或者下游的操作來(lái)移動(dòng)通過(guò)所述的系統(tǒng)。
[0012] 作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)"工藝流（processstream) "指的是含水混合物，其可以傳 遞到所述的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行處理。在處理后，該工藝流可以返回到上游工藝或者可以作為廢物 從該系統(tǒng)排出。該含水混合物典型地包括至少一種能夠被氧化的不合意的成分。該不合意 的成分可以是任何打算從該含水混合物中除去的材料或者化合物，例如出于公共健康，工 藝設(shè)計(jì)和/或美觀的考慮。在一些實(shí)施方案中，該能夠被氧化的、不合意的成分是有機(jī)化合 物。某些無(wú)機(jī)成分例如硫化物和硫醇鹽也可以被氧化。待通過(guò)所述系統(tǒng)處理的含水混合物 源可以采用從工廠或者保持容器中直接管道輸送的形式。在一種實(shí)施方案中，該含水混合 物可以包含下面的至少一種：有機(jī)酸化合物，酷化合物（phenoliccompound)，有機(jī)鹵素化 合物，含氮化合物和含硫化合物。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種或多種實(shí)施方案，令人期望的是破壞該不合意的成分或者其降 解產(chǎn)物中的一種或多種具體的化學(xué)鍵。本發(fā)明的一方面涉及這樣的系統(tǒng)和方法，其用于氧 化處理含有一種或多種不合意成分的含水混合物。
[0014]在一種實(shí)施方案中，包括至少一種不合意成分的含水混合物是被濕氧化的。該含 水混合物是在升高溫度和超計(jì)大氣壓，用氧化劑氧化足以處理該至少一種不合意的成分的 時(shí)間。該氧化反應(yīng)能夠基本上破壞在該不合意的成分中的一種或多種化學(xué)鍵的完整性。作 為此處使用的，措詞"基本上破壞"定義為至少大約95%的破壞。本發(fā)明的方法能普遍應(yīng)用 于處理任何的能夠被氧化的、不合意的成分。
[0015] 所公開(kāi)的濕氧化方法可以在任何已知的、適合于該有待氧化的化合物的批次的或 者連續(xù)的濕氧化單元中進(jìn)行。典型地，含水相氧化是在連續(xù)流動(dòng)的濕氧化系統(tǒng)中進(jìn)行的，如 圖1中的示例性表示?？梢允褂萌魏蔚难趸瘎?。該氧化劑通常是含氧的氣體，例如空氣，富 氧空氣，或者基本上純的氧氣。作為此處使用的，措詞"富氧空氣"定義為氧含量大于大約 21%的空氣。
[0016] 在一種實(shí)施方案中，將該包括至少一種不合意成分的含水混合物與顆粒固體催化 劑接觸。該顆粒固體催化劑可以是任何多相催化劑，其不溶于或者基本不溶于該含水混合 物中，并且適于處理該含水混合物中的一種或多種不合意的成分。作為此處使用的，措詞 "基本上不溶性催化劑"指的是這樣的固體催化劑，其在水中的溶解度小于3重量％。當(dāng)處 于漿體形式時(shí)，可以使用已知的在濕氧化系統(tǒng)中有效的多相催化劑。作為此處使用的，術(shù)語(yǔ) 漿體定義為不溶性顆粒在液體載體中的懸浮體。該液體載體可以是任何的適于具體目的液 體，其不會(huì)可察覺(jué)地增溶顆粒。在一種實(shí)施方案中，該液體可以是水。該顆粒固體催化劑可 以承載在任何可流化的介質(zhì)上，例如球體和微球，其在加入到含水混合物中時(shí)形成含水漿 體。
[0017] 在一種實(shí)施方案中，該催化劑在濕氧化過(guò)程中，可以保持在含水混合物中基本上 的不溶性。該顆粒固體催化劑的尺寸可以是足夠小的，來(lái)在它流過(guò)濕氧化系統(tǒng)時(shí)保持在含 水漿體中，并且可以具有足以從氧化的漿體混合物中分離的密度。在一種實(shí)施方案中，該顆 粒固體催化劑的粒度可以是大約5微米-大約500微米，來(lái)提供合適的沉降特性。在另外 一種實(shí)施方案中，該固體顆粒催化劑可以包含納米尺寸的金屬，金屬氧化物和/或金屬鹽 顆粒。該納米尺寸的顆粒固體催化劑可以包含大約3nm-大約15nm的離散顆粒和/或粒度 為大約l〇nm-大約500nm的附聚顆粒。
[0018] 在一種實(shí)施方案中，該顆粒固體催化劑可以是金屬元素和/或它的化合物例如金 屬氧化物和/或金屬鹽，其處于顆粒形式或者處于可流化的惰性支撐載體上。在另外一種 實(shí)施方案中，該催化劑包含至少兩種金屬元素和/或它們的化合物。在仍然的另外一種實(shí) 施方案中，該催化劑包含兩種過(guò)渡金屬和/或貴金屬，以使得該催化劑可以包含至少兩種 過(guò)渡金屬，至少一種過(guò)渡金屬和至少一種貴金屬，或者至少兩種貴金屬。該至少兩種金屬可 以采用混合物形式和/或至少兩種金屬的反應(yīng)產(chǎn)物的形式。在一種實(shí)施方案中，該顆粒固 體催化劑可以是一種或多種金屬，金屬氧化物和金屬鹽。
[0019] 合適的金屬包括第一過(guò)渡系列，其包括的原子序數(shù)為21-30,并且更具體的是鈧， 鈦，釩，鉻，錳，鐵，鈷，鎳，銅和鋅。合適的金屬還包括第二過(guò)渡系列，其包括的原子序數(shù)是 39-28,并且更具體的是釔，鋯，鈮，鉬，锝，釕，銠，鈀，銀和鎘。合適的金屬還包括第三過(guò)渡系 列，其包括的原子序數(shù)是72-80,并且具體的包括鉿，鉭，鎢，錸，鋨，銥，鉑，金和汞。其它合 適的金屬包括來(lái)自鑭系的金屬，其包括的原子序數(shù)是57-71，并且更