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一种用于印染废水处理的铁基非晶合金条带及其制备方法

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CN102070236A
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fe
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strip
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CN 200910220048
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丁炳哲
付华萌
吕曼琪
张昌钦
张海峰
李宏
王爱民
胡壮麒
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中国科学院金属研究所
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Abstract

本发明涉及Fe基非晶合金材料,具体为一种用于印染废水处理的铁基非晶合金条带及其制备方法。根据现有的文献及技术资料选取具备铁基非晶条带形成能力的合金成分,一般要求选取的合金成分中铁的原子百分在50%以上,以60%~85%之间为宜,以发挥铁原子的还原脱色能力。该非晶合金条带是通过添加少量其他元素,利用甩带设备进行快速凝固而得到的。利用这种预处理技术实现了零价铁的非晶化,不但保留了铁原子的除色能力,而且有效地减少了在废水处理过程中铁的锈蚀消耗,在保证脱色速率的前提下使条带的重复持久利用成为现实,克服了传统的还原铁粉或铸铁废屑处理印染废水的技术及应用缺陷,是非晶化技术在工业领域有潜力的应用领域,具备非常好的应用前景。

Description

一种用于印染废水处理的铁基非晶合金条带及其制备方法

所属技术领域

[0001] 本发明涉及狗基非晶合金材料,具体为一种用于印染废水处理的铁基非晶合金 条带及其制备方法,该材料对于印染废水尤其是偶氮染料印染废水的处理具有很好的效

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背景技术

[0002] 目前,印染废水处理技术主要包括物理吸附法、化学絮凝法、膜分离法、化学氧化 法、生物降解法等,现有的这些不同处理技术各有其优缺点和适用性。例如,活性炭吸附法 对于印染废水有良好的处理效果,但由于价格昂贵、再生困难,一般只用于浓度较低废水或 者深度处理;而无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂和复合絮凝剂则具有很强的选择性,且存在 投加量过大、沉淀污泥过多等缺点;膜分离技术具有低能耗、操作简单、可回收有用物质等 优点,但膜及其设备价格昂贵、不易维护;化学氧化法则需要消耗大量化学试剂,且存在安 全性隐患;生物降解法属于环境友好型处理方法,但其选择性更强,一种生物菌往往只对某 种或某几种染料具有脱色效果,而且对废水的酸碱度有特定要求。

[0003] 还原铁粉和铸铁废屑也应用于印染废水的处理中,由于这种方法不使用附加的设 备,不使用强氧化剂,被认为是一种环境友好的方法。但是传统的还原铁粉处理印染废水所 采用的铁粉往往是商业级标准,而铸铁废屑其纯度、活性等指标比起还原铁粉更差,这就导 致需要很长的处理时间才能达到后续处理的标准;而且这种方法需要在一定的PH值范围 内才能有明显的作用,这就需要对大批量的印染废水进行PH值调整,对于实际应用来说非 常不方便。此外,由于还原铁粉和铸铁屑的比表面比较大,在实际的印染废水过程中会发 生严重的氧化,造成铁的锈蚀消耗。而且由于铁极易与酸反应,通过酸洗而实现其表面还原 能力的复原可操作性差,给还原铁粉或铸铁废屑的再利用带来困难,往往仅能进行一次废 水处理,造成了该方法的成本升高,限制了其广泛应用。为了弥补还原铁粉或铸铁废屑在实 际的印染废水处理过程中需要满足的处理条件较多,处理效果不佳及可重复利用性差等缺 点,可以通过非晶化技术,制得狗基非晶条带。这种非晶条带中,铁以原子态存在,保留了 零价铁本身具有的除色功能,而且兼具铁基非晶及薄带样品的优势,是一种很有应用价值 的印染废水除色材料。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种用于印染废水处理的铁基非晶合金条带及其制备方 法,该非晶化技术为可以解决还原铁粉或铸铁废屑在实际的印染废水处理过程中需要满足 的处理条件较多,处理效果不佳及可重复利用性差等缺点的预处理技术。

[0005] 本发明的技术方案如下:

[0006] 一种用于印染废水处理的铁基非晶合金条带,根据现有的文献及技术资料选取具 备铁基非晶条带形成能力的合金成分,一般要求选取的合金成分中铁的原子百分比在50% 以上(50〜90% ),以60%〜85%之间为宜,以发挥铁原子的还原脱色能力,非晶合金以条带形式存在;

[0007] 本发明中,铁基非晶合金中的其他添加元素为Mo、Si、B或其他现有文献及技术 资料涉及的有助于铁原子非晶化的元素中的一种或几种,其原子百分含量范围分别为Mo : 0〜1%,Si :8〜11%,B :12〜14%或参考相应文献及技术资料。

[0008] 本发明中,铁基非晶合金条带的规格范围如下:

[0009] 条带宽度2〜IOmm ;条带厚度20〜100 μ m ;条带长度可根据使用要求,通过改变 感应熔炼的合金质量来进行调整。

[0010] 所述用于印染废水处理的铁基非晶合金的制备方法,包括如下步骤:

[0011] (1)根据所选定的合金成分,进行称量配比,在惰性气体气氛或真空中感应熔炼制 成选定成分的合金。

[0012] 熔炼过程中可施加电磁搅拌,以保证合金成分的均勻。

[0013] (2)利用甩带设备,将合金锭在惰性气氛或真空中利用中频电源进行感应熔化。当 熔化完全成分均勻时,通过瞬时压差将金属液喷到辊轮上进行甩带得到非晶条带。

[0014] 针对不同合金成分的非晶形成能力,甩带设备的辊轮转速一般选择在1000〜 2000rpm。

[0015] 所述步骤O)中,甩带设备的瞬时压差是指合金熔体上方与甩带设备腔体压差, 其范围为0. 04〜0. 06MPa。

[0016] 本发明提供了两种利用该方法而得到的,对于偶氮染料具有良好脱色效果的铁基 非晶合金材料,按原子百分比计,其合金成分分别为(Fi5a99Moatll)78Si9B13和!^e78Si9B13,经X 射线衍射(XRD)证实,所获得的条带具有典型的非晶态合金的特征。

[0017] 本发明具有以下优点:

[0018] 1.本发明预处理技术所得到的铁基非晶条带通过添加其他元素,利用甩带设备进 行快速凝固而实现了零价铁的非晶化,从而保留了铁原子的除色能力。一方面,非晶条带以 非晶态存在,没有晶体缺陷;另一方面,非晶条带以条带的形式存在,其比表面积介于粉末 和板材之间。综合这两方面考虑,在印染废水处理过程中,非晶条带中的零价铁不会因为晶 间腐蚀和过度氧化,而造成用于还原偶氮染料铁原子的利用率的降低。

[0019] 2.本发明铁基非晶条带的条带成形能力强,生产成本低,技术成熟,无需大量资 金、技术投入及即可投入生产,产业化较为容易。

[0020] 3.由于铁基非晶合金本身与酸的反应速度比较慢,当非晶合金条带表面的铁的氧 化物及氢氧化物沉积到一定程度而影响了条带的处理效果时,可以直接以酸洗冲刷的方式 而使其脱色能力迅速得到恢复,重复利用性好。

[0021] 4.本发明中,铁基非晶合金以薄带的状态存在,其适中的比表面积使铁原子的利 用率得以提高。而且,当非晶合金条带表面的铁的氧化物及氢氧化物沉积到一定程度而影 响了条带的处理效果时,可以直接以酸洗冲刷的方式而使其脱色能力迅速得到恢复,重复 利用性好。该种铁基非晶合金条带在印染废水的脱色处理过程中显示了巨大的应用潜力。

[0022] 5.本发明通过添加其他元素,利用甩带设备进行快速凝固而实现对零价铁的非晶 化,有效地减少了在废水处理过程中的锈蚀消耗,在保证脱色速率的前提下使条带的重复 利用成为现实,克服了传统的还原铁粉或铸铁废屑处理印染废水的技术及应用缺陷,是非 晶化技术在工业领域的又一有潜力的应用领域,具备非常好的应用前景。附图说明

[0023] 图1为新制备的(Fe5a99Moatll)78Si9B13合金条带和600°C真空退火后条带的XRD图谱。

[0024] 图2为非晶条带处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液不同时间后进行取样得到的 照片。

[0025] 图3a为(Fea99Moatll) 78Si9B13非晶合金条带处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液不 同时间后溶液的吸光度曲线;图北为晶化后条带处理相同溶液浓度直接蓝2B染料水溶液 不同时间后溶液的吸光度曲线。

[0026] 图乜为(Fea99Moatll) 78Si9B13非晶合金条带处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液吸 光度的动力学曲线;图4b为晶化后条带同样条件下处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液吸 光度的动力学曲线。

[0027] 图5为非晶条带多次处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液1小时后得到溶液的吸 光度曲线(此多次处理过程中非晶条带不需经过任何处理)。

具体实施方式

[0028] 下面以利用该方法得到的(Fea99Moatll)78Si9B13非晶合金条带为实施例来说明该方 法的实施方式,并通过与晶化后的(Fea99Moatll)78Si9B13条带的对比来说明该材料的脱色效 果,并通过相关图示来说明重复利用非晶条带脱色的可行性。

[0029] 1.根据上文提到的技术方案,对于合金的原子百分比成分(Fi5a99Moatll)78Si9B13而 言,是一种很常见的具备较强非晶条带形成能力的成分,生产技术较为成熟,目前已经实现 产业化。而其中铁元素的原子百分比约为78%,满足技术方案中所要求的适宜的成分区间。

[0030] 2.采用Fe、M0、Si、i^8C^。(wt. % )进行熔炼。按原子百分比换算成各元素所需质 量进行称量配比,之后将配好的金属料放入感应炉中,抽真空至5X 10_3 *Pa以下,进行感应 熔炼,并可采用电磁搅拌及多次熔炼,达到合金成分均勻。

[0031] 3.利用甩带设备,将合金锭在惰性气氛(如:氩气,其压力为0. 05MPa)中利用中 频电源进行感应熔化。甩带设备的辊轮转速采用ISOOrpm,当熔化完全成分均勻时,通过瞬 时压差(本实施例中,瞬时压差为0. 05MPa)将金属液喷到辊轮上进行甩带得到非晶条带。 本实施例中,条带宽度3mm,条带厚度30 μ m,条带长度50〜100cm。

[0032] 在得到非晶条带以后,取部分非晶条带在600°C进行真空退火,使条带晶化。然后 取非晶条带和晶化后的条带各2g,分别放入盛有150mL浓度为200mg/L直接蓝2B染料水溶 液的烧杯中。将烧杯置于恒温水浴中,保持60°C,并用机械搅拌器以200rpm的转速进行搅 拌,反应 5min, IOmin, 15min, 20min, 25min, 30min, 45min, 60min 后分别取约 7ml 溶液进行可 见光区的吸光度测试。根据光谱学的相关知识,可见光区最大吸收峰处吸光度与溶液浓度 成比例关系,基于此可以通过可见光区最大吸收峰处吸光度的变化趋势得出溶液浓度的变 化。

[0033] 如图1所示,将新制备的(Fea99Moatll)78Si9B13合金条带与600°C真空退火后条带的 XRD图谱进行比较,可以看出,新制备出的(Fea99Moatll)78Si9B13合金条带的XRD图谱具有典 型的非晶合金的弥散峰,可判定条带是非晶态;而经过600°C真空退火后,XRD图谱上出现了很多的衍射峰,则表明非晶合金条带已被晶化。

[0034] 如图2所示,非晶条带处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液不同时间后进行取 样,a,b,c,d,e,f,g,h,i 对应的处理时间分别为 Omin,5min, IOmin, 15min, 20min, 25min, 30min,45min,60mino从肉眼可以直观看出,该非晶条带对于直接蓝2B染料水溶液具有明 显快速的脱色效果。

[0035] 如图3a-图3b所示,(Fea99Moatll)78Si9B13非晶合金条带处理200mg/L直接蓝2B染 料水溶液不同时间后溶液的吸光度曲线与晶化后条带处理相同溶液浓度直接蓝2B染料水 溶液不同时间后溶液的吸光度曲线比较,可以看出,(I^ea99M0acil)78Si9B13非晶合金条带对于 溶液的脱色速率要明显快于晶化后条带的脱色速率。

[0036] 如图乜所示,(Fq99Moatll) 785丨讽3非晶合金条带处理200mg/L直接蓝2B染料水溶 液吸光度的动力学曲线,进行非线性拟合后可发现,脱色过程满足:

[0037] Ct = Cultimate+ (C0-Cultimate) X exp (_kAt)

[0038] 其中,Cultimate为溶液最终浓度,C0为溶液初始浓度,kA为速率常数,t为反应时间, Ct为反应t时间后溶液的浓度,此处拟合后可得到速率常数为0. Πθπιίη-1 ;

[0039] 图4b所示,晶化后条带同样条件下处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液吸光度的 动力学曲线,非线性拟合后可得到其速率常数为0. («δΟπιήΓ1,可见其脱色速率明显慢于非 晶条带的脱色速率。

[0040] 如图5所示,非晶条带多次处理200mg/L直接蓝2B染料水溶液1小时后得到溶液 的吸光度曲线(此多次处理过程中非晶条带不需经过任何处理)。可见,非晶条带不需进行 任何处理就能重复利用4次以上而脱色效率没有明显的衰减。

Claims (8)

1. 一种用于印染废水处理的铁基非晶合金条带,其特征在于:选取具备铁基非晶条带 形成能力的合金成分用于印染废水处理,合金成分中铁的原子百分比在50%以上。
2.按照权利要求1所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带,其特征在于:非晶 合金以条带形式存在,铁元素的原子百分比处于60%〜85%之间。
3.按照权利要求1所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带,其特征在于:铁基 非晶合金中的其他添加元素为Mo、Si、B或其他现有文献及技术资料涉及的有助于铁原子 非晶化的元素中的一种或几种,其原子百分含量范围分别为Mo :0〜1%,Si :8〜11%,B : 12〜14%或参考相应文献及技术资料确定。
4.按照权利要求1所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带,其特征在于,铁基 非晶合金条带的规格范围如下:条带宽度2〜IOmm ;条带厚度20〜100 μ m ;条带长度根据使用要求,通过改变感应熔 炼的合金质量来进行调整。
5.按照权利要求1所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带的制备方法,其特征 在于,包括如下步骤:(1)根据所选定的合金成分,进行称量配比,在惰性气体气氛或真空中感应熔炼制成选 定成分的合金;(2)利用甩带设备,将合金锭在惰性气氛或真空中利用中频电源进行感应熔化,当熔化 完全成分均勻时,通过瞬时压差将金属液喷到辊轮上进行甩带得到非晶条带。
6.按照权利要求5所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带的制备方法,其特征 在于,所述步骤(1)中,熔炼过程中施加电磁搅拌。
7.按照权利要求5所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带的制备方法,其特 征在于,所述步骤O)中,针对不同合金成分的非晶形成能力,甩带设备的辊轮转速选择在 1000 〜2000rpm。
8.按照权利要求5所述的用于印染废水处理的铁基非晶合金条带的制备方法,其特征 在于,所述步骤O)中,甩带设备的瞬时压差为0. 04〜0. 06MPa。
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