CN107538014A

CN107538014A - 一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法及其在偶氮染料废水处理中的应用

Info

Publication number: CN107538014A
Application number: CN201710721903.2A
Authority: CN
Inventors: 陈东进
Original assignee: Dongguan Lianzhou Intellectual Property Operation and Management Co Ltd
Current assignee: Dongguan Lianzhou Intellectual Property Operation and Management Co Ltd
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-01-05

Abstract

本发明提供一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法及其在偶氮染料废水处理中的应用，制备方法为：将铁、过渡族元素和类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，用单辊旋淬法制备成铁基纳米晶非晶合金条带；将铁基纳米晶非晶合金条带进行球磨处理过筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末；在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在铁基纳米晶非晶合金粉末的第二晶化温度之上的温度下等温退火，得到铁基纳米多相合金粉末。应用方法为：将含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末置于网筒中，含偶氮染料废水经过旋转的网筒，并辅助超声振动处理，得到降解后的废水。本发明制备的铁基纳米多相合金粉末对含偶氮染料废水处理效率高。

Description

一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法及其在偶氮染料废水处理中的应用

技术领域

本发明属于铁基纳米合金材料技术领域，具体涉及一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法及其在偶氮染料废水处理中的应用。

背景技术

非晶态材料是不同于晶态材料周期性排列的材料，它只在几个原子范围内存在一定的有序度。非晶态材料的分布十分广阔，从传统的氧化物玻璃和硅酸盐玻璃，至非晶态半导体材料和非晶态合金都属于非晶态材料。非晶态合金是以金属元素为主要组成元素，非晶态合金原子以无规密堆的方式相邻，以金属键结合，其配位数一般不大于4，因此，非晶态合金具有显著的各向异性，具有较高的机械强度、硬度、高耐磨性能、低弹性模量、优异的抗腐蚀性能和软磁性能，在光通讯、激光、光集成、太阳能电池、高效磁性和输电材料方面具有很好的应用前景。

随着非晶态合金研究的不断深入，非晶态合金的形成能力和制备方法得到了不断的提升和完善。铁基非晶合金的主要原料为铁元素，与其他非晶合金相比，铁基非晶合金具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和软磁性能，更为重要的是铁资源丰富，成本较低。目前，铁基非晶合金可作为一种功能材料用于污水处理。中国专利CN 105217773A公开的一种利用铁基非晶合金活化过硫酸盐降解颜料废水的方法，将Fe、Si和B粉末在高纯氩气氛围下球磨后，得到Fe₇₈Si₉B₁₃非晶合金粉体，将Fe₇₈Si₉B₁₃非晶合金粉体加入到去离子水溶液中形成Fe₇₈Si₉B₁₃非晶合金粉体分散液，再与过硫酸钠溶液混合形成混合溶液，将染料废水中加入混合溶液，磁力搅拌处理降解染料废水。中国专利CN103880149A公开的铁基非晶合金/双氧水类芬顿系统降解染料污水的方法，将铁基非晶合金Fe_aMo_bSi_cB_d薄带切片与双氧水作为原料，其中铁基非晶合金Fe_aMo_bSi_cB_d薄带切片中abcd的总和为100％，a的含量为75-78％，b的含量为0-3％，c的含量为4-9％，d的含量为9-13％，铁基非晶合金Fe_aMo_bSi_cB_d薄带切片由快淬法制备得到。由上述现有技术可知，铁基非晶合金粉末和薄带切片都可以用于染料废水处理，优化铁基非晶合金粉末材料或者薄带切片的降解能力具有研究价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法及其在偶氮染料废水处理中的应用，将铁基纳米晶非晶合金粉末在铁基纳米晶非晶合金粉末的第二晶化温度之上的温度下等温退火，得到纳米α-Fe相和金属间化合物相，多相弥散分布在非晶基体中，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末。本发明制备的铁基纳米多相合金粉末的成分不均匀分布，晶粒的细化，原电池效应好，吸附和凝絮效果好，对含偶氮染料废水处理效率高。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将铁、过渡族元素和类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，用单辊旋淬法制备成铁基纳米晶非晶合金条带，其中钢辊转速为20-40m/s；

(2)将步骤(1)制备的铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为200-250r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为2-4h，过筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末；

(3)在惰性气体的氛围下，将步骤(2)制备的铁基纳米晶非晶合金粉末在铁基纳米晶非晶合金粉末的第二晶化温度之上的温度下等温退火5-120min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，铁基纳米晶非晶合金条带中过渡族元素为Co、Ni、Cu、Mo和Nb，类金属元素为B、C、Si和P。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，铁基纳米晶非晶合金条带中铁的含量为60-85％，过渡族元素的含量为0-15％，类金属元素的含量为15-20％。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，铁基纳米晶非晶合金条带的宽度为3mm。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，过筛的目数为200目。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，第二晶化温度之上的温度为300-1000℃。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末中含有纳米α-Fe晶粒、金属间化合物晶粒和非晶相，纳米α-Fe晶粒和金属间化合物晶粒弥散分布在非晶基体中，纳米α-Fe晶粒的尺寸为5-500nm，金属间化合物晶粒的尺寸为5-500nm。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 0-15％，Cu 0.1-5％，Nb 1-5％，Mo 0-3％，B 5-15％，C0-5％，Si 5-15％，P 0-5％，余量为Fe。

本发明还提供一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末在偶氮染料废水处理中的应用，其特征在于，应用方法为：将含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末置于网筒中，含偶氮染料废水经过旋转的网筒，并辅助超声振动处理，得到降解后的废水。

作为上述技术方案的优选，其特征在于，所述旋转的转速为60-180r/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明制备的含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末主要原料为零价铁，零价铁的还原性好，具有较低的电极电位，可以对电势高于它的氧化性强的离子、化合物和有机物进行直接的还原降解，且零价铁的表面具有微电解作用，比表面积大，在零价铁的表面形成无数微小的原电池，对废水中氧化性污染物进行还原，而且可以吸附多种污染物，具有良好的混凝吸附效果，处理废水污染物的效果好。

(2)本发明制备的含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末中还含有电极电位高于铁的过渡族元素和类金属元素，过渡族元素和类金属元素提高非晶形成能力，细化晶粒的粒径，且过渡族元素和类金属元素与铁形成双合金体系后，贵金属不仅可以在降解过程中起到催化加氢的作用，而且可以与零价铁在表面形成原电池结构，进一步加快降解过程中电子的传输，有效提高零价铁对有机污染物的降解速率。

(3)本发明制备的含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末经退火处理后得到纳米α-Fe相和金属间化合物相，多相弥散分布在非晶基体中，使铁基纳米多相合金粉末中的成分不均匀分布，既而存在电势差，加强原电池效应，加速电视相对较低的α-零价铁相失去电子，有机污染物得到电子，加速污染物的分解，而且随着α-零价铁的不断消耗，电极电位高于铁的过渡族元素和类金属元素被保留下来形成三维纳米孔洞结构，进一步提高铁基纳米多相合金粉末的吸附和凝絮能力。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

(1)将铁、Co、Cu和Nb过渡族元素和B和Si类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，在钢辊转速为20m/s下用单辊旋淬法制备成宽度为3mm的铁基纳米晶非晶合金条带。

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为200r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为2h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在300℃下等温退火5min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Cu 0.1％，Nb 1％，B 5％，Si 5％，余量为Fe。

实施例2：

(1)将铁、Co、Ni、Cu、Mo和Nb过渡族元素和B、C、Si和P类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，在钢辊转速为40m/s下用单辊旋淬法制备成宽度为3mm的铁基纳米晶非晶合金条带。

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为250r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为4h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在400℃下等温退火10min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 5％，Cu 0.5％，Nb 2％，Mo 1％，B 6％，C 0.5％，Si6％，P 1％，余量为Fe。

实施例3：

(1)将铁、Co、Ni、Cu、Mo和Nb过渡族元素和B、C、Si和P类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，在钢辊转速为20-40m/s下用单辊旋淬法制备成宽度为3mm的铁基纳米晶非晶合金条带。

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为220r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为2.5h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在500℃下等温退火20min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 10％，Cu 1％，Nb 2％，Mo 0.5％，B 10％，C 2％，Si8％，P 5％，余量为Fe。

实施例4：

(1)将铁、Co、Ni、Cu、Mo和Nb过渡族元素和B、C、Si和P类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，在钢辊转速为35m/s下用单辊旋淬法制备成宽度为3mm的铁基纳米晶非晶合金条带。

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为200-250r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为2.5h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在550℃下等温退火40min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 15％，Cu 0.1％，Nb 2.5％，Mo 0.5％，B 8％，C 2.5％，Si 7％，P 1.5％，余量为Fe。

实施例5：

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为240r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为2-4h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在600℃下等温退火80min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 7.5％，Cu 2.5％，Nb 1.5％，Mo 0.5％，B 9％，C 2％，Si 12％，P 1％，余量为Fe。

实施例6：

(1)将铁、Co、Ni、Cu、Mo和Nb过渡族元素和B、C、Si和P类金属元素作为原料，通过感应熔炼制备母合金锭，在钢辊转速为25m/s下用单辊旋淬法制备成宽度为3mm的铁基纳米晶非晶合金条带。

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为250r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为3h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在800℃下等温退火120min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 2.5％，Cu 5％，Nb 5％，Mo 3％，B 15％，C 5％，Si 5％，P 5％，余量为Fe。

实施例7：

(2)将铁基纳米晶非晶合金条带在球磨转速为200r/min球磨罐中进行球磨处理，球料比为20:1，处理时间为4h，过200目筛，得到铁基纳米晶非晶合金粉末。

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在960℃下等温退火40min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni5.5％，Cu 1.5％，Nb 3％，Mo3％，B 5％，C 0.5％，Si6.5％，P 0.5％，余量为Fe。

实施例8：

(3)在惰性气体的氛围下，将铁基纳米晶非晶合金粉末在300℃下等温退火120min，得到含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末，其中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 3％，Cu 0.5％，Nb 1％，Mo％，B 5％，C 0.5％，Si 7％，P 1.5％，余量为Fe。

将实施例1-8制备的含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末置于网筒中，含偶氮染料废水经过转速为60-180r/min的旋转的网筒，并辅助超声振动处理，得到降解后的废水。

经检测，实施例1-8制备的含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末与传统晶态300目还原铁粉末对含偶氮染料废水的降解效率的结果如下所示：

由上表可见，本发明制备的含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的降解效率显著提高。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。

因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铁基纳米晶非晶合金条带中过渡族元素为Co、Ni、Cu、Mo和Nb，类金属元素为B、C、Si和P。

3.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铁基纳米晶非晶合金条带中铁的含量为60-85％，过渡族元素的含量为0-15％，类金属元素的含量为15-20％。

4.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铁基纳米晶非晶合金条带的宽度为3mm。

5.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，过筛的目数为200目。

6.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，第二晶化温度之上的温度为300-1000℃。

7.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末中含有纳米α-Fe晶粒、金属间化合物晶粒和非晶相，纳米α-Fe晶粒和金属间化合物晶粒弥散分布在非晶基体中，纳米α-Fe晶粒的尺寸为5-500nm，金属间化合物晶粒的尺寸为5-500nm。

8.根据权利要求1所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末的组分，按质量百分比计，包括Ni 0-15％，Cu 0.1-5％，Nb 1-5％，Mo 0-3％，B 5-15％，C 0-5％，Si 5-15％，P 0-5％，余量为Fe。

9.一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末在偶氮染料废水处理中的应用，其特征在于，应用方法为：将含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末置于网筒中，含偶氮染料废水经过旋转的网筒，并辅助超声振动处理，得到降解后的废水。

10.根据权利要求9所述的一种含过渡族元素的铁基纳米多相合金粉末在偶氮染料废水处理中的应用，其特征在于，所述旋转的转速为60-180r/min。