CN107176668A - 一种用于污水处理的材料及制备方法与应用 - Google Patents

一种用于污水处理的材料及制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于污水处理的材料及制备方法与应用，其中，所述用于污水处理的材料的化学式为：FeaBb；其中，20≤a≤99，1≤b≤80，且a+b＝100。本发明用于污水处理的材料，由于含有铁，能与偶氮染料中的‑N=N‑双键发生氧化还原反应，从而破坏对生物有毒害的‑N=N‑双键基团，而处理剂中的硼，可以诱导铁更快地降解‑N=N‑双键基团。通过将铁、硼混合粉末应用在污水处理中，尤其是对含有偶氮染料的工业废水，具有较高的降解速率，起到了更好的污水处理功能。此外，由于原料相对廉价，Fe、B之间的配比具有较宽的成分范围，更易于通过调控原料成分比例来调控实际应用中的降解速率。

Description

一种用于污水处理的材料及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及污水处理材料领域，尤其涉及一种用于污水处理的材料及制备方法与应用。
背景技术
目前，纺织、皮革、造纸、印刷等行业排放的含偶氮染料的废水已经对水资源和环境造成了严重破坏。偶氮染料在染料行业所占比例超过50%。因此经济、环保、高效地处理偶氮染料废水具有重要的实际意义。
传统的印染废水处理方法包括物理法(活性炭等多孔材料吸附)、化学法(零价态金属降解,如零价Fe等)和生物技术法(微生物降解)，其中工艺主要包括了活性污泥工艺、生物膜工艺、厌氧-好氧工艺和生物铁工艺等，大多数传统物理和化学法工艺是依靠吸附、沉降技术将污染物转移，但容易造成二次污染且无法实现彻底降解，且还存在以下缺点：1)污泥量过大，有可能产生毒性较大的中间体；2)对变化较大的废水(温度、溶液pＨ值和含氧量等)缺乏适应性，应用范围狭窄；3)污水处理设备(池)占地面积庞大，运行、维护费用较高，对于许多中小企业来说难以接受；4)生物法存在色度和COD脱除效率不高，反应时间长，一般不单独应用。另外，以上传统方法都无法使污水处理剂利于收集且成本高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于污水处理的材料及制备方法与应用，旨在解决现有污水处理剂使用时受到温度限制、效率低、成本昂贵以及难于收集回收的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于污水处理的材料，其中，所述用于污水处理的材料的化学式为：FeaBb；其中，20≤a≤99，1≤b≤80，且a+b＝100。
所述的用于污水处理的材料，其中，所述用于污水处理的材料的化学式为Fe43.64B56.36、Fe55B45或Fe95B5。
所述的用于污水处理的材料，其中，所述用于污水处理的材料成型为颗粒状粉末。
所述的用于污水处理的材料，其中，所述颗粒状粉末的粒径为1~100μm。
一种如上任一项所述的用于污水处理的材料的制备方法，其中，包括步骤：首先按照上述成分配比进行配料，得到混合物料；然后将混合物料进行真空球磨，得到所述用于污水处理的材料。
所述的用于污水处理的材料的制备方法，其中，所述真空球磨的时间为10~100h。
所述的用于污水处理的材料的制备方法，其中，所述真空球磨所选用的球磨罐为不锈钢球磨罐或不锈钢内套刚玉球磨罐。
所述的用于污水处理的材料的制备方法，其中，所述真空球磨所选用的磨球为不锈钢球或氧化锆球。
一种如上任一项所述用于污水处理的材料的应用，其中，将所述用于污水处理的材料应用于污水处理。
有益效果：本发明用于污水处理的材料含有铁和硼，由于该污水处理剂中含有铁，这能与偶氮染料中的-N=N-双键发生氧化还原反应，从而破坏对生物有毒害的-N=N-双键基团，而处理剂中的硼，可以诱导铁更快地降解-N=N-双键基团。通过将铁、硼混合粉末应用在污水处理中，尤其是对含有偶氮染料的工业废水，具有较高的降解速率，起到了更好的污水处理功能。此外，由于原料相对廉价，Fe、B之间的配比具有较宽的成分范围，更易于通过调控原料成分比例来调控实际应用中的降解速率。
附图说明
图1为实施例1中制备的Fe43.64B56.36的XRD表征图。
图2为实施例1中制备的Fe43.64B56.36的SEM表征图。
图3为实施例1中制备的Fe43.64B56.36的另一SEM表征图。
图4为实施例2中Fe43.64B56.36对甲基橙溶液的紫外吸收分光光度图。
图5为实施例2中Fe43.64B56.36对甲基橙溶液的脱色率图。
图6为实施例3中Fe43.64B56.36对甲基橙溶液降解过程的残余浓度与降解时间的拟合图。
具体实施方式
本发明提供一种用于污水处理的材料及制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种用于污水处理的材料较佳实施例，其中，所述用于污水处理的材料中含有铁（Fe）和硼（B），其化学式为：FeaBb；其中，20≤a≤99，1≤b≤80，且a+b＝100。由于所述用于污水处理的材料中含有铁，使得能与偶氮染料中的-N=N-双键发生氧化还原反应，从而破坏对生物有毒害的-N=N-双键基团，而所述用于污水处理的材料中的硼，可以诱导铁更快地降解-N=N-双键基团。通过将铁、硼混合粉末应用在污水处理中，尤其是应用在含有偶氮染料的工业废水处理中，具有较高的降解速率，起到了更好的污水处理功能。此外，由于原料相对廉价，Fe、B之间的配比具有较宽的成分范围，更易于通过调控原料成分比例来调控实际应用中的降解速率。本发明的含铁、硼混合粉末的处理剂成本低，无需熔炼等，大大节省了熔炼能耗，且该粉末处理剂也便于收集，利于资源回收。
本发明提供的一种用于污水处理的材料的具体实施例，其中，所述用于污水处理的材料的化学式可以为Fe43.64B56.36、Fe55B45或Fe95B5。本发明该用于污水处理的材料由铁和硼制成，其具有较高的化学活性，对偶氮染料的降解效率高。且能够通过调控原料成分比例（即铁粉和硼粉的配比）来调控污水处理的降解效率。
本发明用于污水处理的材料不限于含铁和硼，还可以引入其他非金属元素，例如所述用于污水处理的材料中还可以含有硅，以进一步提高污水处理的降解效率。
优选地，本发明所述用于污水处理的材料成型为颗粒状粉末，所述颗粒状粉末的粒径为1~100μm。其中，颗粒状粉末的粒径越小，比表面积越大，越有利于提高反应速率；但是颗粒状粉末的粒径过小，粉末之间容易团聚，不利于粉末在污水中分散均匀。同时，如果颗粒状粉末的粒径低于1μm，需要延长高能球磨时间，降低该处理剂的生产效率并使其生产成本增加。经综合考虑，本发明将该颗粒状粉末的粒径限定在1~100μm。
本发明还提供一种如上任一项所述的用于污水处理的材料的制备方法较佳实施例，其中，包括步骤：首先按照上述成分配比进行配料，得到混合物料；然后将混合物料进行真空球磨，得到所述用于污水处理的材料。本发明制备的含铁、硼混合粉末处理剂成本低，无需熔炼，大大节省了熔炼能耗，且该粉末处理剂也便于收集，利于资源回收。
具体地，本发明上述真空球磨的时间为10~100h，如10h、30h、50h或100h。所述真空球磨所选用的球磨罐可以为不锈钢球磨罐或不锈钢内套刚玉球磨罐，所选用的磨球可以为不锈钢球或氧化锆球。本发明采用球磨法，在上述时间内，即可制备出粒径较小的颗粒状粉末，大大增加了粉末的比表面积，而比表面积越大，越利于提高降解效率。且采用球磨法得到的粉末表面粗糙，粗糙的粉末表面进一步提高了其比表面积，同时大大提高了反应效率
本发明还提供一种如上任一项所述用于污水处理的材料的应用，其中，将所述用于污水处理的材料应用于污水处理，尤其是应用于含偶氮染料的污水处理。本发明所述用于污水处理的材料具有较高的化学活性，对偶氮染料的降解效率高。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
用于污水处理的材料Fe43.64B56.36的制备，具体步骤如下：
将纯铁粉和纯硼粉按照原子比43.64：56.36进行配料，得到混合物料，将混合物料在不锈钢球磨罐中真空球磨，所选用的磨球为不锈钢球，真空球磨25h后，得到颗粒状粉末，所述颗粒状粉末的粒径在10～35μm。球磨后的颗粒状粉末的XRD表征见图1，球磨后的铁、硼粉末只出现了铁的特征衍射峰，其原因是硼的特征X射线被铁吸收而掩盖了；采用球磨法得到的粉末表面粗糙，粗糙的粉末表面进一步提高了其比表面积，同时大大提高了反应效率，如图2和图3所示。
实施例2
采用实施例1中制备的Fe43.64B56.36对污水进行处理，具体步骤如下：
精确称取0.16g Fe43.64B56.36 (at.%)粉末，放至盛有40mL(20mg/L)甲基橙溶液的仪器中，在常温常压下静置，每隔一段时间采取上层清液，做紫外分光检测。50min后，降解完成。随着降解时间的推移，位于464nm处的甲基橙特征吸收峰强度随时间增加而减小，最后消失，表明甲基橙的偶氮双键被破坏；位于273nm处的小峰向左飘移至246nm处，表明含苯环官能团的化合物随降解过程逐渐生成，如图4所示。根据降解率公式D=(A0-At)/A0(A0为初始强度，At为实时强度)可得Fe43.64B56.36对甲基橙的脱色率，如图5所示。
实施例3
采用实施例1中制备的Fe43.64B56.36对污水进行处理，具体步骤如下：
精确称取0.16g Fe43.64B56.36(at.%)粉末，放至盛有40mL(20mg/L)甲基橙溶液的仪器中，在常温常压下静置，每隔一段时间采取上层清液，做紫外分光检测。检测甲基橙溶液反应前后的紫外吸收强度，根据Changqin Zhang等(Journal of Non-Crystalline Solids,356,2010,1703-1706)经验公式（Ct实时浓度，C0初始浓度，Cultimate最终残余浓度，k是一阶速率常数，t反应时间），得到本发明污水处理剂的一阶速率常数k（k越大，催化活性越高，降解越快）。该污水处理剂可50min降解完甲基橙，其半衰期t1/2大约3min，一阶降解速率常数k=0.25163，如图6所示。
实施例4～6
按实施例1的方法制备各种配比的污水处理剂（用于污水处理的材料），污水处理剂的使用方法与实施例2～3相同，各配比的污水处理剂的组成和污水处理时间列于表1中。实施例4至6中制备出的污水处理剂均只出现铁的特征衍射峰，没有其他明显的衍射峰，其原因是硼的特征X射线被铁吸收而掩盖了。
下表1为本实施例4～6的污水处理剂的组成和污水处理的半衰期时间和一阶降解速率常数k。
表1
综上所述，本发明提供的一种用于污水处理的材料及制备方法与应用，本发明所述用于污水处理的材料的化学式为：FeaBb；其中，20≤a≤99，1≤b≤80，且a+b＝100。本发明用于污水处理的材料，由于含有铁，能与偶氮染料中的-N=N-双键发生氧化还原反应，从而破坏对生物有毒害的-N=N-双键基团，而处理剂中的硼，可以诱导铁更快地降解-N=N-双键基团。通过将铁、硼混合粉末应用在污水处理中，尤其是对含有偶氮染料的工业废水，具有较高的降解速率，起到了更好的污水处理功能。此外，由于原料相对廉价，Fe、B之间的配比具有较宽的成分范围，更易于通过调控原料成分比例来调控实际应用中的降解速率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于污水处理的材料，其特征在于，所述用于污水处理的材料的化学式为：FeaBb；其中，20≤a≤99，1≤b≤80，且a+b＝100。
2.根据权利要求1所述的用于污水处理的材料，其特征在于，所述用于污水处理的材料的化学式为Fe43.64B56.36、Fe55B45或Fe95B5。
3.根据权利要求1或2所述的用于污水处理的材料，其特征在于，所述用于污水处理的材料成型为颗粒状粉末。
4.根据权利要求3所述的用于污水处理的材料，其特征在于，所述颗粒状粉末的粒径为1~100μm。
5.一种如权利要求1~4任一项所述的用于污水处理的材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：首先按照上述成分配比进行配料，得到混合物料；然后将混合物料进行真空球磨，得到所述用于污水处理的材料。
6.根据权利要求5所述的用于污水处理的材料的制备方法，其特征在于，所述真空球磨的时间为10~100h。
7.根据权利要求5所述的用于污水处理的材料的制备方法，其特征在于，所述真空球磨所选用的球磨罐为不锈钢球磨罐或不锈钢内套刚玉球磨罐。
8.根据权利要求5所述的用于污水处理的材料的制备方法，其特征在于，所述真空球磨所选用的磨球为不锈钢球或氧化锆球。
9.一种如权利要求1~4任一项所述用于污水处理的材料的应用，其特征在于，将所述用于污水处理的材料应用于污水处理。
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