CN111057969A - 一种FeCoNi基非晶合金及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种FeCoNi基非晶合金及应用，该FeCoNi基非晶合金的表达式为Fe_aCo_bNi_cMo_dP_eC_f，合金表达式中a、b、c、d、e、f分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：a为20～30，b为20～30，c为20～30，d为0～8，e为13～20，f为5～15，a+b+c+d+e+f=100。本发明通过设计FeCoNi基非晶合金，有效的解决了传统金属催化处理污水效果不佳的问题，并通过合金成分调整，可以有效的提高非晶合金的污水处理效率，为非晶合金提供了一种新的应用领域，且合金制备工艺简单，催化处理污水简单可行，有利于大规模的工业化应用。

Description

一种FeCoNi基非晶合金及应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种FeCoNi基非晶合金及其应用于催化处理污水。

背景技术

由于全世界水污染现象的迅速增加，污水处理已经成为一个热门的研究领域。在工业上广泛使用的催化剂主要是铁和镁，这是由于它们具有很高的降解效率和较低的成本，便于它们在污水处理工业上大规模的应用。但是，零价金属的的抗氧化性和耐腐蚀性较差，它们在水中氧化会导致催化效果快速下降。金属玻璃，也被称为非晶态合金，是通过延缓甚至绕过晶体相的成核和生长来实现独特的原子堆积结构的，这使得它缺乏晶体缺陷，从而使非晶合金与它们的结晶相相比具有许多优异的性能。近年来，由于非晶合金具有非晶态结构、大的残余应力、独特的原子尺度及短程有序和长程无序结构，这为改变其电子结构和增强催化应用的性能提供了有利的条件，这也使得非晶合金已经成为一种有前途的催化剂。此外，更重要的是可广泛调节的原子成分有助于非晶合金适应不同的催化环境并获得不错的效果。例如，具有活性位点和高电导率的镍基非晶合金在碱性和酸性介质中都具有很高的析氧反应性能，具有大的表面积和强残余应力的铁基非晶合金粉末（Fe 73 Si 7B 17 Nb 3）可直接快速降解直接蓝6染料溶液，可调整网格尺寸的铁基非晶丝（Fe80B20）可以快速降解直接蓝15染料溶液。铁基非晶合金由于其低成本、环境友好相容性等优点，在废水修复中成为具有吸引力的催化剂。

综上所述，尝试通过合理的非晶成分设计，并寻求一种采用非晶合金催化处理污水的方法有助于工业中更高效地处理污水。

发明内容

本发明的目的在于解决传统金属催化处理污水效率不足的问题，提供了一种FeCoNi基非晶合金，本发明设计的非晶合金应用于处理污水简单、高效，污水处理效果较好。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种FeCoNi基非晶合金，它的合金表达式为Fe_aCo_bNi_cMo_dP_eC_f，合金表达式中a、b、c、d、e、f分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：a为20～30，b为20～30，c为20～30，d为0～8，e为13～20，f为7～15， a+b+c+d+e+f=100。

所述FeCoNi基非晶合金表达式中a为20～25，b为26～30，c为26～30，d为2～8，e为13～20，f为7～15。

所述FeCoNi基非晶合金表达式中a为26～30，b为26～30，c为26～30，d为0～1，e为13～20，f为7～15。

作为示例：

合金表达式中a为24，b为27，c为27，d为2，e为13，f为7。

合金表达式中a为26，b为27，c为27，d为0，e为13，f为7。

所述的FeCoNi基非晶合金应用于催化处理污水。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明为非晶合金的多方面应用提供了新的领域。

（2）本发明非晶合金可以通过调整成分提高合金的催化性能。

（3）本发明非晶合金可以通过替代传统金属催化剂来进行污水处理，污水处理效果好，且有望降低污水净化成本。

（4）本发明操作工艺简单，有利于大规模工业化应用。

综上所述，本发明通过设计成分合适的FeCoNi基非晶合金，有效的解决了传统金属催化处理污水效果不佳的问题，并通过合金成分调整，可以有效的提高非晶合金对亚甲基蓝和直接胡蓝等污水中主要成分的处理效率，为非晶合金提供了一种新的应用领域，且合金制备工艺简单，催化处理污水简单可行，有利于大规模的工业化应用。

附图说明

图1 为实施例1和2中FeCoNi基非晶合金的XRD图；

图2为实施例3和4中FeCoNi基非晶合金的XRD图；

图3为实施例1中Fe₂₆Co₂₇Ni₂₇P₁₃C₇非晶合金催化处理亚甲基蓝效果图；

图4为实施例2中Fe₂₆Co₂₇Ni₂₇P₁₃C₇非晶合金催化处理直接胡蓝效果图；

图5为实施例3中Fe₂₄Co₂₇Ni₂₇Mo₂P₁₃C₇非晶合金催化处理亚甲基蓝效果图；

图6为实施例4中Fe₂₄Co₂₇Ni₂₇Mo₂P₁₃C₇非晶合金催化处理直接胡蓝效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种非晶合金,它的合金表达式为Fe₂₆Co₂₇Ni₂₇P₁₃C₇，记作Y-1。作为更详细的示例，它的制备和应用于处理污水包括如下步骤：

（1）配料：选取纯度为99.9wt%的Fe、纯度为99.99wt%的Ni、Co，纯度为99.99wt%的C和P含量为24.98 wt%的FeP，按照上述合金表达式进行配料；在称取原材料之前，把原材料表面的氧化膜等杂质用砂纸或砂轮机打磨去除，后将Fe、Co、Ni原材料放入盛有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗250S，然后用吹风机将其完全干燥；

（2）熔炼母合金：将配制好的母合金原料放在真空电弧熔炼炉中，在钛吸气剂和高纯氩气气氛下，采用电磁搅拌和水冷铜坩埚，将已配好料进行熔炼。为了保证熔炼合金的成分均匀，对每个合金进行6次及以上重熔，且进行翻转处理，并保证每个试样在液相状态下的总时间超过1h；在整个过程中，电弧熔炼炉的火焰温度可达到3000℃以上；

（3）快淬成带：将熔炼后的母合金破碎成小块状，夹取7g母合金放入底部开有圆孔的石英管中，圆孔的直径为0.6mm；将石英管放入熔体快淬设备腔体的感应线圈中，石英管在铜轮正上方1 mm高度处；将感应熔体快淬设备腔体真空度抽至6.0×10^-3Pa，后向腔体内后充0.05MPa的纯度为99.999%的氩气，开启设备腔体中通有冷却循环水的铜轮，铜轮的线速度为32m/s；打开感应加热电源并设定电流值，电流值开始设定为3A，5S后设定为12A，观察石英管中母合金的颜色由暗红色转变为亮白色时，此时确定石英管中的母合金完全熔化，利用石英管的内外压差将完全熔化的母合金喷射到通有冷却循环水的高速旋转的铜轮上，从而制备出非晶薄带；

（4）处理污水：剪取长39.484mm，宽0.799mm，厚0.04mm的Fe₂₆Co₂₇Ni₂₇P₁₃C₇非晶条带，剪碎后放入烧杯中；用天平称取20mg的亚甲基蓝，取1L的去离子水配制成20ppm的亚甲基蓝溶液；称取0.5406克过硫酸钾，倒入已配好的亚甲基蓝溶液中，摇匀后从溶液中用滴管吸取10ml，滴入空烧杯中，再取10ml滴入放有非晶条带的烧杯中，不停搅拌两个烧杯中溶液；每30分钟观察一次颜色变化，直到最后溶液变为无色，分别记录总时长。

该方法制备用于催化处理污水的非晶合金条带工艺简单，合金条带的XRD测试图如图1所示，只有在45度处有一个馒头峰，印证了该合金条带为非晶条带。由于非晶合金制备宽度一定，不容易改变，可以改变长度保证它们与污水的接触面积相同。图3中（a）和（b）的状态分别为天蓝色和无色，由图3可以看出，最初将溶液倒入装有非晶合金条带的烧杯中时，溶液呈天蓝色， 24小时后，溶液由呈现天蓝色（a）变为无色（b），这说明非晶合金催化处理污水有着较好的效果，而没有放入非晶条带的溶液仍呈天蓝色，一星期后观察，颜色仍未完全褪去；这是由于非晶合金具有无序的原子堆积结构，高的吉布斯自由能和丰富的活性位点，这些都为催化处理污水提供了优势，使非晶合金条带添加后污水降解速率加快。

实施例2

一种非晶合金,它的合金表达式为Fe₂₆Co₂₇Ni₂₇P₁₃C₇，记作Y-1。作为更详细的示例，它的制备和应用于处理污水包括如下步骤：

（1）配料：选取纯度为99.9wt%的Fe、纯度为99.99wt%的Ni、Co，纯度为99.99wt%的C和P含量为24.98 wt%的FeP，按照上述合金表达式进行配料。在称取原材料之前，把原材料表面的氧化膜等杂质用砂纸或砂轮机打磨去除，后将Fe、Co、Ni、Si原材料放入盛有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗250S，然后用吹风机将其完全干燥；

（2）熔炼母合金：将配制好的母合金原料放在真空电弧熔炼炉中，在钛吸气剂和高纯氩气气氛下，采用电磁搅拌和水冷铜坩埚，将已配好料进行熔炼。为了保证合金的化学均匀性，对各锭进行了6次重熔，对每种熔体进行了翻转处理，并保证每个合金锭在液相状态下的总时间超过1h。在整个过程中，电弧熔炼炉的火炬温度可达到3000℃以上；

（3）快淬成带：将熔炼后的母合金破碎成小块状，夹取6g母合金放入底部开有圆孔的石英管中，圆孔的直径为0.6mm；将石英管放入熔体快淬设备腔体的感应线圈中，石英管在铜轮正上方1 mm高度处；将感应熔体快淬设备腔体真空度抽至6.0×10^-3Pa，后向腔体内后充0.05MPa的纯度为99.999%的氩气，开启设备腔体中通有冷却循环水的铜轮，铜轮的线速度为32m/s；打开感应加热电源并设定电流值，电流值开始设定为3A，5S后设定为12A，观察石英管中母合金的颜色由暗红色转变为亮白色时，此时确定石英管中的母合金完全熔化，利用石英管的内外压差将完全熔化的母合金喷射到通有冷却循环水的高速旋转的铜轮上，从而制备出非晶薄带；

（4）处理污水：剪取长39.484mm，宽0.799mm，厚0.04mm的Fe₂₆Co₂₇Ni₂₇P₁₃C₇非晶条带，剪碎后放入烧杯中；用天平称取20mg的直接胡蓝，取1L的去离子水配成的20ppm的直接胡蓝溶液；称取0.5406克过硫酸钾，倒入以配好的直接胡蓝溶液中，摇匀后从溶液中用滴管吸取10ml，滴入空烧杯中，并在取10ml滴入放有非晶条带的烧杯中，不停搅拌两个烧杯中溶液；每30分钟观察一次颜色变化，直到最后溶液变为无色，记录总时长。

该方法可制备出用于催化的非晶条带，金属条带的XRD测试如图1所示，可以看出，该金属条带为非晶条带。由于非晶合金制备宽度一定，不容易改变，可以改变长度保证它们与污水的接触面积相同。图4中（c）和（b）的状态分别为深蓝色和无色，由图4可以看出，从刚开始将溶液倒入装有非晶条带的烧杯中时，溶液呈深蓝色，随后，24小时后，溶液由深蓝色（c）变为无色（b），这说明非晶合金催化处理污水有着较好的效果，而没有放入非晶条带的溶液仍处于深蓝色状态，一星期后观察，颜色仍未完全褪去；这是由于非晶条带具有无序的原子堆积结构，高的吉布斯自由能和丰富的活性位点，这些催化优势使得非晶条带加入后污水降解速率加快。

实施例3

一种非晶合金,它的合金表达式为Fe₂₄Co₂₇Ni₂₇Mo₂P₁₃C₇，记作Y-2。作为更详细的示例，它的制备和应用于处理污水包括如下步骤：

（1）配料：选取纯度为99.9wt%的Fe、Mo、纯度为99.99wt%的Ni、Co，纯度为99.99wt%的C和P含量为24.98 wt%的FeP，按照上述合金表达式进行配料。在称取原材料之前，把原材料表面的氧化膜等杂质用砂纸或砂轮机打磨去除，后将Fe、Co、Ni、Mo原材料放入盛有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗250S，然后用吹风机将其完全干燥；

（2）熔炼母合金：将配制好的母合金原料放在真空电弧熔炼炉中，在钛吸气剂和高纯氩气气氛下，采用电磁搅拌和水冷铜坩埚，将已配好料进行熔炼。为了保证合金的化学均匀性，对各锭进行了6次重熔，对每种熔体进行了翻转处理，并保证每个合金锭在液相状态下的总时间超过1h。在整个过程中，电弧熔炼炉的火炬温度可达到3000℃以上；

（3）快淬成带： 将熔炼后的母合金破碎成小块状，夹取7g母合金放入底部开有圆孔的石英管中，圆孔的直径为0.6mm；将石英管放入熔体快淬设备腔体的感应线圈中，石英管在铜轮正上方1 mm高度处；将感应熔体快淬设备腔体真空度抽至6.0×10^-3Pa，后向腔体内后充0.05MPa的纯度为99.999%的氩气，开启设备腔体中通有冷却循环水的铜轮，铜轮的线速度为32m/s；打开感应加热电源并设定电流值，电流值开始设定为3A，5S后设定为12A，观察石英管中母合金的颜色由暗红色转变为亮白色时，此时确定石英管中的母合金完全熔化，利用石英管的内外压差将完全熔化的母合金喷射到通有冷却循环水的高速旋转的铜轮上，从而制备出非晶薄带；

（4）处理污水：剪取长20mm，宽0.033mm，厚1.912mm的Fe₂₄Co₂₇Ni₂₇Mo₂P₁₃C₇非晶条带，剪碎后放入烧杯中；用天平称取20mg的亚甲基蓝，取1L的去离子水配成的20ppm的亚甲基蓝溶液；称取0.5406克过硫酸钾，倒入以配好的亚甲基蓝溶液中，摇匀后从溶液中用滴管吸取10ml，滴入空烧杯中，并在取10ml滴入放有非晶条带的烧杯中，不停搅拌两个烧杯中溶液；每30分钟观察一次颜色变化，直到最后溶液变为无色，记录总时长。

该方法可制备出用于催化的非晶条带，金属条带的XRD测试如图2所示，可以看出，该金属条带为非晶条带。由于非晶合金制备宽度一定，不容易改变，可以改变长度保证它们与污水的接触面积相同。图5中（a）和（b）的状态分别为天蓝色和无色，由图5可以看出，从刚开始将溶液倒入装有非晶条带的烧杯中时，溶液呈天蓝色，随后，24小时后，溶液由天蓝色（a）变为无色（b），这说明非晶合金催化处理污水有着较好的效果，而没有放入非晶条带的溶液仍处于天蓝色状态，一星期后观察，颜色仍未完全褪去；这是由于非晶条带具有无序的原子堆积结构，高的吉布斯自由能和丰富的活性位点，这些催化优势使得非晶条带加入后污水降解速率加快。

实施例4

一种非晶合金,它的合金表达式为Fe₂₄Co₂₇Ni₂₇Mo₂P₁₃C₇，记作Y-2。作为更详细的示例，它的制备和应用于处理污水包括如下步骤：

（1）配料：选取纯度为99.9wt%的Fe、Mo、纯度为99.99wt%的Ni、Co，纯度为99.99wt%的C和P含量为24.98 wt%的FeP，按照上述合金表达式进行配料。在称取原材料之前，把原材料表面的氧化膜等杂质用砂纸或砂轮机打磨去除，后将Fe、Co、Ni、Si原材料放入盛有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗250S，然后用吹风机将其完全干燥；

（2）熔炼母合金：将配制好的母合金原料放在真空电弧熔炼炉中，在钛吸气剂和高纯氩气气氛下，采用电磁搅拌和水冷铜坩埚，将已配好料进行熔炼。为了保证合金的化学均匀性，对各锭进行了6次重熔，对每种熔体进行了翻转处理，并保证每个合金锭在液相状态下的总时间超过1h。在整个过程中，电弧熔炼炉的火炬温度可达到3000℃以上；

（3）快淬成带： 将熔炼后的母合金破碎成小块状，夹取7g母合金放入底部开有圆孔的石英管中，圆孔的直径为0.6mm；将石英管放入熔体快淬设备腔体的感应线圈中，石英管在铜轮正上方1 mm高度处；将感应熔体快淬设备腔体真空度抽至6.0×10-3Pa，后向腔体内后充0.05MPa的纯度为99.999%的氩气，开启设备腔体中通有冷却循环水的铜轮，铜轮的线速度为32m/s；打开感应加热电源并设定电流值，电流值开始设定为3A，5S后设定为12A，观察石英管中母合金的颜色由暗红色转变为亮白色时，此时确定石英管中的母合金完全熔化，利用石英管的内外压差将完全熔化的母合金喷射到通有冷却循环水的高速旋转的铜轮上，从而制备出非晶薄带；

（4）处理污水：剪取长20mm，宽0.033mm，厚1.912mm的Fe₂₄Co₂₇Ni₂₇Mo₂P₁₃C₇非晶条带，剪碎后放入烧杯中；用天平称取20mg的直接胡蓝，取1L的去离子水配成的20ppm的直接胡蓝溶液；称取0.5406克过硫酸钾，倒入以配好的直接胡蓝溶液中，摇匀后从溶液中用滴管吸取10ml，滴入空烧杯中，并在取10ml滴入放有非晶条带的烧杯中，不停搅拌两个烧杯中溶液；每30分钟观察一次颜色变化，直到最后溶液变为无色，记录总时长。

由于非晶合金制备宽度一定，不容易改变，可以改变长度保证它们与污水的接触面积相同。该方法可制备出用于催化的非晶条带，金属条带的XRD测试如图2所示，可以看出，该金属条带为非晶条带。图6中（c）和（b）的状态分别为深蓝色和无色，由图6可以看出，从刚开始将溶液倒入装有非晶条带的烧杯中时，溶液呈深蓝色，24小时后，溶液由深蓝色（c）变为无色（b），这说明非晶合金催化处理污水有着较好的效果。而没有放入非晶条带的溶液仍处于深蓝色状态，一星期后观察，颜色仍未完全褪去。这是由于非晶条带具有无序的原子堆积结构，高的吉布斯自由能和丰富的活性位点，这些催化优势使得非晶条带加入后污水降解速率加快。

Claims (6)

1.一种FeCoNi基非晶合金，其特征在于，它的合金表达式为Fe_aCo_bNi_cMo_dP_eC_f，合金表达式中a、b、c、d、e、f分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：a为20～30，b为20～30，c为20～30，d为0～8，e为13～20，f为5～15， a+b+c+d+e+f=100。

2.根据权利要求1所述的FeCoNi基非晶合金，其特征在于，所述合金表达式中a为20～25，b为26～30，c为26～30，d为2～8，e为13～20，f为5～15，a+b+c+d+e+f=100。

3.根据权利要求1所述的FeCoNi基非晶合金，其特征在于，所述合金表达式中a为26～30，b为26～30，c为26～30，d为0～1，e为13～20，f为5～15，a+b+c+d+e+f=100。

4.根据权利要求1所述的FeCoNi基非晶合金，其特征在于，所述合金表达式中a为24，b为27，c为27，d为2，e为13，f为7。

5.根据权利要求1所述的FeCoNi基非晶合金，其特征在于，所述合金表达式中a为26，b为27，c为27，d为0，e为13，f为7。

6.根据权利要求1所述的FeCoNi基非晶合金应用于催化处理污水。

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