CN110028146B - 一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，是采用铁基非晶合金Fe80B13C7基于氧化还原反应降解酸性橙7。其工艺步骤包括：(1)在恒温水浴环境下，调整酸性橙7溶液的pH至酸性、中性或弱碱性；(2)将Fe80B13C7非晶合金条带按1～6g/L用量加入步骤(1)所得溶液中，搅拌、使酸性橙7溶液充分接触到Fe80B13C7非晶合金条带，实现酸性橙7的均匀降解。采用铁基非晶合金Fe80B13C7降解酸性橙7，不仅降解速率快，而且降解成本低，降解过程无需加电压，无需双氧水，不会产生大量的Fe(OH)3沉淀；另外，只需对反应后的条带直接搅拌水洗就可以实现其回收和再利用，表现出优异的循环利用性，在污水治理方面具有很好的应用前景。

Description

一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用
技术领域
本发明涉及一种铁基非晶合金的应用，特别涉及一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，属于污水处理领域。
背景技术
偶氮染料广泛用于纺织和印刷业，其中部分染料废水没有经过处理就被直接排放到环境中。偶氮染料的化学性质比较稳定，难以降解，已成为环境的主要威胁。处理偶氮染料废水的方法主要有三种：物理，化学和生物方法。在众多的染料废水处理方法中，零价铁因其制备简单，成本低廉，无二次污染，能降解多种污染物等优点，获得了广泛的研究。但是由于现有的零价铁采用的是铁屑、铁粉等，其受制于降解过程中容易失去自身活性，导致降解效率有限。如何在保持零价铁自身低成本等优势的情况下使其既能有高的反应活性，又能具有很好的稳定性，且无生物毒性成为一个重要的命题。根据材料学的基本原理可知，除了尺寸的降低，另外一种提高材料活性的方法便是改变材料的结构，使其具有更高的能量状态。在众多亚稳态材料中，非晶合金因其自身所具有的优异的化学性能以及成熟的制备工艺而成为重要的新型零价铁材料之一。非晶合金具有结构和成分上的均匀性，相对于同成分晶态材料往往具有更好的耐蚀性能。与此同时非晶合金所处能级高于对应的晶态材料，因而其具有更高的化学活性。所以相对于晶态零价铁材料，铁基非晶合金可能会是一种兼具优异降解性能与稳定性的材料，适合用于环境污水的处理。开展铁基非晶合金作为零价铁降解性能的研究能够为其工业应用提供相应的理论依据，拓展铁基非晶合金的应用范围。
公开号为CN107540054A的中国专利申请公开了一种废水处理用铁基非晶电极材料及其应用，所述铁基非晶合金中包括了Fe-B-C非晶合金作为电极材料。该研究利用电化学原理降解工业废水，虽然其具有优异的稳定性和降解性能，但是在降解过程中用到电化学工作站不断的对电极材料加电压，使得其降解过程源源不断的消耗电能，提高了其降解工业废水的成本。
公告号为CN102070236B的中国专利申请公开了一种铁基非晶合金条带用于印染废水处理的应用，研究结果显示，该Fe-Mo-Si-B非晶合金条带能够使直接蓝2B溶液的颜色在1小时内完全褪去。但是，四元非晶合金相对复杂，且催化降解效率较低，条带重复利用性差。如果要重复利用非晶合金条带，需对反应后的条带用酸洗冲刷的方式去除其非晶合金条带表面的沉积，操作麻烦，且产生的酸洗废液需另行处理。
公开号为CN108525688A的中国专利申请公开了一种铁基非晶合金用于降解染料废水中亚甲基蓝的应用。利用分子式为Fe80B13C7的铁基非晶合金条带基于类芬顿反应可以高效率的降解染料废水中的亚甲基蓝。但该专利中Fe80B13C7的铁基非晶合金只能在酸性条件下降解亚甲基蓝，并降解过程用到过氧化氢，会产生Fe(OH)3沉淀物，且原材料中含有一种对环境有害的磷元素。
综上所述，已有的废水处理方法存在处理成本高，处理过程中会产生大量的Fe(OH)3沉淀，循环利用复杂且循环利用性差，只能在酸性条件下降解，对环境有害等缺陷。
发明内容
发明目的：针对现有废水处理成本高、处理过程中会产生其他有害物质、循环利用性差等问题，本发明提供一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用。
技术方案：本发明所述的一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，为采用铁基非晶合金Fe80B13C7基于氧化还原反应降解酸性橙7。
采用铁基非晶合金Fe80B13C7降解酸性橙7的工艺步骤包括：
(1)在恒温水浴环境下，调整酸性橙7溶液的pH至酸性、中性或弱碱性；
(2)将Fe80B13C7非晶合金条带按1～6g/L用量加入步骤(1)所得溶液中，搅拌、使酸性橙7溶液充分接触到Fe80B13C7非晶合金条带，实现酸性橙7的均匀降解。
上述步骤(1)中，恒温水浴温度一般为25～55℃。
优选的，步骤(1)中，调整酸性橙7溶液的pH值至2～9；最好调整pH值至2～3，酸性条件下酸性橙7的降解速率更快。
较优的，步骤(2)中，Fe80B13C7非晶合金条带的用量为1～2g/L。
更优的，步骤(2)降解反应结束后，回收溶液中的Fe80B13C7非晶合金条带，将其搅拌水洗10～30秒，然后取出重复步骤(1)～(2)催化降解酸性橙7，循环往复直至Fe80B13C7非晶合金条带失去催化降解能力。通过搅拌水洗10～30秒后Fe80B13C7非晶合金条带即可再次用于催化降解，重复使用20余次仍有较好的降解能力。
铁基非晶合金Fe80B13C7对酸性橙7的降解具有普适性，能够适用于较宽浓度范围的酸性橙7溶液；当酸性橙7溶液的浓度为20～160mg/L时，溶液中的酸性橙7能够完全降解。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明利用Fe80B13C7非晶合金条带，基于氧化还原反应法来实现酸性橙7的降解，不仅降解速率快，而且降解成本低，降解过程无需加电压，无需双氧水，不会产生大量的Fe(OH)3沉淀；另外，只需对反应后的条带直接搅拌水洗就可以实现其回收和再利用，该种非晶合金条带循环降解过程中表面会逐渐形成三维多孔纳米片结构，表现出优异的循环利用性，在污水治理方面具有很好的应用前景，对环境保护和可持续发展具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1中Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7的紫外光吸收谱图；
图2为实施例1中不同循环次数下，Fe80B13C7非晶合金条带降解90％的酸性橙7所用的时间；
图3为实施例1中循环降解22次后Fe80B13C7非晶合金条带的截面形貌图(SEM图)；
图4为实施例1中循环降解7、10、22次后，Fe80B13C7非晶合金条带的表面形貌图(SEM图)和条带表面多孔结构逐渐形成的示意图；
图5为分别采用Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7的过程中，染料颜色随时间的变化；
图6为分别采用Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7的过程中，染料归一化浓度随降解时间的变化曲线；
图7为分别采用Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带循环降解酸性橙7的过程中，染料归一化浓度随降解时间的变化曲线；
图8为采用Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7，循环降解10次后，Fe80P13C7非晶合金条带的截面形貌图(SEM图)；
图9为不同pH值下，Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7过程中染料归一化浓度随降解时间的变化曲线；
图10为不同染料浓度下，Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7过程中染料归一化浓度随降解时间的变化曲线；
图11为不同非晶合金条带的用量下，Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7过程中染料归一化浓度随降解时间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明所述的一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，该铁基非晶合金的分子式为Fe80B13C7，利用该铁基非晶合金基于氧化还原反应可降解酸性橙7。
将纯度不低于99％的Fe、Fe-C、B合金按原子百分比换算称量，并放入电弧炉中，抽真空至5×10-3Pa以下，多次电弧熔炼获得成分均匀的母合金。再利用单辊甩带设备，通过瞬时压差(0.05MPa)将金属液喷到转速为4000r/min的铜辊上，获得Fe80B13C7非晶合金条带。
实施例1
本实施例研究了Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7的能力以及循环利用性。
步骤1，在恒温水浴锅中，放置容积为500mL的烧杯，加入250mL浓度为20mg/L的酸性橙7溶液，待溶液温度稳定在25℃后，调整pH至3；
步骤2，将宽度为1.8mm、厚度约为30μm的Fe80B13C7非晶合金长条带剪成长度为1cm的短条带，根据酸性橙7溶液的用量，将剪好的短条带按2g/L用量称重后放至烧杯中，并利用机械搅拌设备对其进行搅拌，使酸性橙7溶液充分接触到Fe80B13C7非晶合金条带，实现酸性橙7的均匀降解；
步骤3，在降解过程中，每隔一段时间利用一次性注射器抽取3mL左右溶液，将所抽取的溶液经过孔径为0.22μm的一次性滤膜过滤，并立即放入紫外/可见光分光光度计中进行测试，得到其紫外光吸收谱图，其最大吸收峰处吸光度与溶液浓度成正比关系，因此可通过最大吸收峰处吸光度的变化趋势得出溶液浓度的变化；
步骤4，反应结束后，回收溶液中的Fe80B13C7非晶合金条带，并将其放入装有适量去离子水的烧杯中，玻璃棒搅拌水洗30秒，再取出非晶合金条带继续降解相同量的酸性橙7，循环往复直至其失去降解能力。
图1为采用UVmini-1280紫外/可见光分光光度计测得的Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7的紫外光吸收谱图，可以看到，随着降解的进行，吸收峰的强度逐渐减弱，27分钟后，其溶液的紫外光吸收谱图中的特征峰消失，即溶液中的酸性橙7完全降解。
图2为不同循环次数下，Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7溶液降解90％所用的时间，可以看到，循环降解22余次，Fe80B13C7非晶合金仍能保持优异的降解性能。
图3为Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7，循环降解22次后，Fe80B13C7非晶合金条带的截面形貌图(SEM图)。可以看出，循环降解22次以后，条带截面形成了通透的多孔结构，这是由于条带与溶液反应后的产物(含硼的化合物)可以溶于酸性溶液中。随着反应的进行，这种产物不断的溶于溶液中，使得条带逐渐形成了相互连接的多孔结构。
图4为Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7，不同循环次数下，降解反应后Fe80B13C7非晶合金条带的表面形貌结构变化图，其中(a)、(c)、(e)为Fe80B13C7非晶合金条带的表面形貌图，(b)、(d)、(f)Fe80B13C7非晶合金条带表面多孔结构形成的示意图。可以看出，随着循环反应的进行，条带表面逐渐形成3维多孔纳米片结构。这种特殊结构使得其可以循环利用至少22次。
对比例1
保持其他实验参数与实施例1相同，用Fe80P13C7非晶合金条带替换Fe80B13C7非晶合金条带，得到Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7的紫外光吸收谱图。
对比Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7的效率。
图5中(a)和(b)分别为Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7过程中染料颜色随时间的变化图，可以看出24分钟之后，Fe80B13C7非晶合金条带降解的溶液的颜色几乎无色透明，而Fe80P13C7非晶合金条带降解的溶液的颜色在24分钟的时候基本呈现原有的颜色。
图6为Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7的Ct/C0vs.时间图，可以看到，27分钟时，Fe80B13C7非晶合金条带降解的溶液中酸性橙7已完全分解，而Fe80P13C7非晶合金条带降解的溶液中酸性橙7只分解了60％。可见，Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7的效率明显优于Fe80P13C7。
图7中(a)和(b)分别为Fe80B13C7和Fe80P13C7非晶合金条带循环降解酸性橙7的降解速率，可以看到，Fe80B13C7非晶条带22次循环降解反应以后降解效率基本无变化，而Fe80P13C7非晶条带7次循环降解反应后的降解效率明显变差。可见，Fe80B13C7较Fe80P13C7非晶条带具有更优的循环利用性。
图8为Fe80P13C7非晶合金条带降解酸性橙7，循环降解10次以后条带的截面形貌图(SEM图)。可以看出，循环降解10次以后，Fe80P13C7非晶合金条带截面只形成了一层薄薄的反应层，这是由于条带与溶液反应以后形成的含磷的化合物在酸性溶液中不溶，导致形成一层致密的氧化膜，阻碍条带与溶液的进一步反应。
实施例2
本实施例研究了溶液酸碱度对Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7效率的影响。
参照实施例1的方法进行一组平行实验，区别在于步骤1中分别调整溶液pH至2、3、4、5、7和9。
图9为Fe80B13C7非晶合金条带在不同pH值下降解酸性橙7的Ct/C0vs.时间图，可以看到，Fe80B13C7非晶合金条不仅在酸性条件下具有优异的降解性能，而且在中性以及弱碱性条件下也具有好的降解能力；其中，当pH调整至2～3时降解速率更快。
实施例3
本实施例研究了Fe80B13C7非晶合金条带对不同浓度的酸性橙7溶液的降解效率。
参照实施例1的方法进行一组平行实验，区别在于降解的酸性橙7溶液的浓度分别为20mg/L、40mg/L、80mg/L和160mg/L。
图10为Fe80B13C7非晶合金条带在不同浓度的酸性橙7溶液下降解的Ct/C0vs.时间图。由图可知，Fe80B13C7非晶合金条带对浓度为20～160mg/L的酸性橙7溶液均有较好的降解效率，尤其是20～80mg/L的酸性橙7溶液，在40min内均能达到完全降解；说明Fe80B13C7非晶合金条带可降解较宽浓度范围的染料废水，具有普适性；同时，降解速率随酸性橙7溶液浓度的增大而降低。
实施例4
本实施例探究了Fe80B13C7非晶合金条带用量对其降解酸性橙7效率的影响。
参照实施例1的方法进行一组平行实验，区别在于Fe80B13C7非晶合金条带用量分别为1g/L、2g/L、4g/L和6g/L。
图11为不同非晶合金条带用量下Fe80B13C7非晶合金条带降解酸性橙7的Ct/C0vs.时间图。由图可知，降解速率随Fe80B13C7非晶合金条带用量的加大而提高；而且，当Fe80B13C7非晶合金条带的用量为1～2g/L时，已经能够达到较优的降解速率。

Claims (5)

1.一种铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，其特征在于，采用铁基非晶合金Fe80B13C7基于氧化还原反应降解酸性橙7，所述铁基非晶合金Fe80B13C7降解酸性橙7的工艺步骤包括：(1)在恒温水浴环境下，调整酸性橙7溶液的pH至酸性、中性或弱碱性；(2)将Fe80B13C7非晶合金条带按1～6g/L用量加入步骤(1)所得溶液中，搅拌、使酸性橙7溶液充分接触到Fe80B13C7非晶合金条带，实现酸性橙7的均匀降解；其中，步骤(1)中，所述恒温水浴温度为25～55℃，所述步骤(2)降解反应结束后，回收溶液中的Fe80B13C7非晶合金条带，将其搅拌水洗10～30秒，然后取出、重复步骤(1)～(2)催化降解酸性橙7，循环往复直至Fe80B13C7非晶合金条带失去催化降解能力。
2.根据权利要求1所述的铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，其特征在于，步骤(1)中，调整所述酸性橙7溶液的pH值至2～9。
3.根据权利要求2所述的铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，其特征在于，调整所述酸性橙7溶液的pH值至2～3。
4.根据权利要求1所述的铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，其特征在于，步骤(2)中，所述Fe80B13C7非晶合金条带的用量为1～2g/L。
5.根据权利要求1所述的铁基非晶合金用于降解酸性橙7的应用，其特征在于，所述酸性橙7溶液的浓度为20～160mg/L。
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