一种废水处理用铁基非晶电极材料及其应用
阅读：998发布：2020-05-14
专利汇可以提供一种废水处理用铁基非晶电极材料及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的目的在于提供废 水 处理 用 铁 基非晶 电极 材料及其应用，所述材料为铁基非晶 合金 ，该合金成分中铁元素的 原子 百分比在40～84％，其他 合金元素 优选自Si、B、P、C、Mo、Nb、Cu、Ni、Co中一种或几种。该铁基非晶合金条带作为电极在电化学降解工业 废水 的过程中具有很好的 稳定性 ，在使工业废水达到很高降解效率的同时，还大大降低了 电能 耗，且电极损耗少，电极寿命长，生产成本低，具备非常好的应用前景。，下面是一种废水处理用铁基非晶电极材料及其应用专利的具体信息内容。
1.一种工业废水处理用铁基非晶电极材料，其特征在于：所述材料为铁基非晶合金，作为电极用于电化学降解工业废水，该合金成分中铁元素的原子百分比在40～84％。
2.按照权利要求1所述染料废水处理用铁基非晶电极材料，其特征在于：所述铁基非晶合金中铁元素的原子百分比为65～84％，其他合金元素选自Si、B、P、C、Mo、Nb、Cu、Ni、Co中一种或几种。
3.按照权利要求1所述染料废水处理用铁基非晶电极材料，其特征在于：所述铁基非晶合金中铁元素的原子百分比为70～84％，其他合金元素选自Si、B、P、C、Mo、Nb、Cu、Ni、Co中一种或几种。
4.一种采用权利要求1所述铁基非晶电极材料处理染料废水的方法，其特征在于：采用铁基非晶合金条带作为电极应用于电化学降解工业废水，其电极电位为0～5V。
5.按照权利要求4所述铁基非晶电极材料处理工业废水的方法，其特征在于：铁基非晶合金条带作为电极，流过其的电流为0.005A～1A。
6.按照权利要求4所述铁基非晶电极材料处理工业废水的方法，其特征在于：采用的铁基非晶合金条带通过甩带法制备，条带厚度为15μm～100μm。
7.按照权利要求4所述铁基非晶电极材料处理染料废水的方法，其特征在于：染料废水溶液的浓度为20mg/L～2000mg/L，溶液的温度为环境温度到100℃，溶液的pH值为1～12。
8.按照权利要求4所述铁基非晶电极材料处理染料废水的方法，其特征在于：染料废水溶液中铁基非晶合金条带的比表面积浓度大于100cm2/(g·L)。
9.一种权利要求1所述铁基非晶电极材料在电化学降解工业废水方面的应用。
10.按照权利要求9所述铁基非晶电极材料在电化学降解工业废水方面的应用，其特征在于：所述工业废水为染料废水。
一种废水处理用铁基非晶电极材料及其应用
技术领域
背景技术
[0002] 随着工业的迅猛发展，排放的废水的种类和数量快速增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，已严重威胁人类的健康和安全。因此，对于保护环境和可持续发展而言，工业废水的处理比城市污水的处理更为重要。目前，难降解工业废水处理方法主要有物理法、生物法和化学法等。物理法主要包括吸附法、絮凝法、超滤法等，然而由于吸附剂的不可再生、价格昂贵，絮凝剂的投加量大、产生的淤泥多，超滤法的分离困难等等原因而不被看好。而且物理法仅仅是将污染物收集起来，并未达到真正降解污染物的目的。生物法是利用微生物酶对污染物分子，特别是有机污染物分子进行降解，但由于微生物对外界环境，如营养物质、温度、pH等要求较为苛刻，且对成分复杂、污染物浓度高、毒性大的染料废水抵抗力低等缺点而限制了其广泛应用。电化学处理技术具有降解效率高、二次污染低、运行操作简单等优点，其作为环境友好型处理工艺在工业废水降解中有独特的优势。根据污染物降解原理不同，又可细分为电化学氧化还原、电凝聚、电气浮、光电化学氧化、内电解等。然而能耗高、电极损耗严重、稳定性差成为制约电化学技术处理工业废水的共性问题。因此，电极材料技术是 解决以上问题的关键途径之一。研制高稳定性、高耐蚀、高电催化活性的电极材料是推动这类技术广泛应用的急需。
[0003] 非晶合金长程无序、短程有序的结构特征以及体系处于的高能量状态赋予其优异的化学以及催化性能，同时由于成分的均匀性，相比晶态合金而言，具有更高的耐蚀性。已有文献报道将铁基非晶合金条带作为一种内电解材料放入染料废水中，均匀搅拌，可以实现脱色效果。与传统零价铁方法相比，铁基非晶合金的脱色效率明显提高。然而，针对于实际应用，铁基非晶合金的处理效率相对较低和质量损失大仍然是亟待解决的关键问题。如何充分发挥铁基非晶合金的性能优势，开发一种高效、稳定、低成本的工业废水处理技术，是当前迫切需要解决的问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种利用铁基非晶合金材料作为电极材料高效降解工业废水的方法，该铁基非晶合金条带作为电极在电化学降解工业废水的过程中具有很好的稳定性，在使工业废水达到很高降解效率的同时，还大大降低了电能耗。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种废水处理用铁基非晶电极材料，其特征在于：所述材料为铁基非晶合金，作为电极用于电化学降解工业废水，该合金成分中铁元素的原子百分比在40～84%，优选65～84%，最优选范围是70～84%，其他合金元素优选自Si、B、P、C、Mo、Nb、Cu、Ni、Co中一种或几种。
[0007] 一种利用铁基非晶合金降解工业废水的方法，其特征在于：采用铁基非晶合金作为电极电化学降解工业废水（优选染料废水），合金成分中铁元 素的原子百分比在65～84%，优选范围70～84%。
[0008] 采用的铁基非晶合金条带通过甩带法制备，条带厚度为15μm～100μm。
[0009] 所述的铁基非晶合金条带在染料废水溶液中的比表面积浓度大于100cm2/(g·L)。
[0010] 所述染料废水溶液的浓度为20mg/L～2000mg/L，溶液的温度为环境温度到100℃,溶液的pH值为1～12。
[0011] 所述的铁基非晶合金降解染料废水的方法中，铁基非晶合金条带作为电极，其电极电位为0～5V，流过其的电流为0.005A～1A。
[0012] 所述的铁基非晶合金降解染料废水的方法中，通过搅拌器以100rpm～800rpm的转速对染料废水进行搅拌。
[0014] 1.本发明所述的铁基非晶合金条带作为电极电化学降解偶氮染料，不仅可以使废水达到很高的降解效率，而且可以大大降低能耗。
[0015] 2.铁基非晶合金条带在降解染料废水时稳定性好、适用范围广。
[0016] 3.铁基非晶合金的成分均匀性大大降低了铁的腐蚀速率，参加降解染料废水后的条带仍可保持非晶结构，且电极质量损失小，为其回收再重复利用提供了保障，延长了电极的使用寿命。
[0017] 4.本发明涉及的铁基非晶合金来源广。随着非晶变压器的广泛应用，铁基非晶合金条带已有且将会有更多的废料，这包括在甩带、变压器加工过程中产生的次品以及变压器达到受用寿命后产生的废品等等。而将这些 废弃的条带应用于染料废水的电化学降解可以达到以废治废的效益。不仅价格便宜，而且能实现对废弃能源整合利用。
[0019] 图1为降解酸性橙Ⅱ溶液反应前后的铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9（at.%）的XRD图谱。
[0020] 图2为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B（9 at.%）的电化学降解作用下，酸性橙Ⅱ溶液的紫外-可见光吸收光谱随反应时间的变化曲线，以及Ct/C0随反应时间的变化曲线。其中电极电压为0.5V，溶液温度为60℃。
[0021] 图3为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9（at.%）的电化学降解作用下，酸性橙Ⅱ溶液的紫外-可见光吸收光谱随反应时间的变化曲线，以及Ct/C0随反应时间的变化曲线。其中电极电压为1V，溶液温度为60℃。
[0022] 图4为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9（at.%）的降解作用下，酸性橙Ⅱ溶液的紫外-可见光吸收光谱随反应时间的变化曲线，以及Ct/C0随反应时间的变化曲线。其中电极电压为0V，溶液温度为60℃。
[0023] 图5为在铁基非晶合金条带Fe78Si8B1（4 at.%）的降解作用下，酸性橙Ⅱ溶液的紫外-可见光吸收光谱随反应时间的变化曲线，以及Ct/C0随反应时间的变化曲线。其中电极电压为1V，溶液温度为60℃。
[0024] 图6为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9（at.%）的降解作用下，电极电压分别为1V和0V时酸性橙Ⅱ溶液反应前后的取样照片。
具体实施方式
[0025] 以下结合附图及实施例详述本发明。
[0026] 本发明利用甩带法得到铁基非晶合金条带，主要集中在Fe-B，Fe-Si-B，Fe-Co-Si-B，Fe-Ni-Si-B，Fe-Si-B-P，Fe-Si-B-Mo，Fe-Si-B-Nb，Fe-Si-B-P-Cu，Fe-Si-B-Nb-Cu，Fe-B-C，Fe-B-C-Nb，Fe-B-C-Cu，Fe-P-C Fe-P-C-Cu等合金体系，典型名义成分（原子百分比）如：Fe83B17,Fe78Si8B14，Fe65Co13Si8B14，Fe40Co38Si8B14，Fe68Ni10Si8B14，Fe50Ni28Si8B14，Fe83B11Si4P3，Fe77Si8B14Mo1，Fe74.5Nb3Si13.5B9，Fe83Si4B10P2Cu1，Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9，Fe84B10C6，Fe83Nb1B10C6，Fe83.5Cu0.5B10C6，Fe84P10C6，Fe83.25P10C6Cu0.75等，并应用于染料废水的电化学降解试验，试验结果表明，铁基非晶合金条带作为电极在电化学降解染料废水的过程中具有很好的稳定性，降解效率高的同时大大降低了电能耗。
[0027] 1.图1为反应前后的铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9（at.%）的XRD图谱，反应前后条带的XRD图谱无明显差别，弥散峰说明了样品的非晶态结构。
[0028] 2.将铁基非晶合金条带作为电极应用于电化学降解酸性橙Ⅱ溶液，参与反应的电极表面积为50cm2，酸性橙Ⅱ溶液浓度为0.2g/L，溶液体积为300mL。将盛有酸性橙Ⅱ溶液的烧杯放置于电磁搅拌系统中以200rpm的转速对染料溶液进行搅拌，温度控制在60℃。选取电极电压分别为0.5V和1V进行试验。反应开始后每间隔一定时间取出约3mL溶液进行紫外-可见光吸收光谱检测。根据光谱学知识，酸性橙Ⅱ溶液的最大吸收峰为484nm，代表其偶氮结构（-N=N-），对应的吸光度与溶液溶度成正比，因此可 以通过最大吸收峰处的吸光度变化得出溶液溶度变化。选取电极开路状态时进行对比试验，另外，在电极电压为0.5V时，选取高纯铁箔作为电极进行对比试验。
[0029] 图2为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B（9 at.%）的电化学降解作用下，酸性橙Ⅱ溶液的紫外-可见光吸收光谱随反应时间的变化曲线。如图2a所示，电极电压为0.5V，随着反应时间的增加，484nm处吸光度逐渐降低，意味着偶氮键（-N=N-）不断断裂，酸性橙Ⅱ不断被降解。图2b为酸性橙Ⅱ降解的动力学曲线，进行非线性拟合后发现，降解过程满足假一级反应：
[0030] Ct/C0=(1-Cult/C0)exp(-kt)+Cult/C0
[0031] 其中，Ct和C0分别为t时刻和初始时刻的溶液浓度，Cult为溶液最终残余浓度，t为反应时间，k为反应速率常数，降解效率η=1-Cult/C0。
[0032] 电极电压为0.5V，反应240min时，酸性橙Ⅱ溶液的降解效率可以达到90.42%，拟合得到的速率常数为0.014min-1。经过计算得到的电能耗为40.76J，单位降解效率的电能耗为0.45J/%，电极的质量损失为16mg。而用高纯铁箔作为电极时，在其他实验条件均相同的情况下，反应120min时，酸性橙Ⅱ溶液的降解效率可以达到98.06%，电能耗为91.65J，单位降解效率的电能耗为0.94J/%，电极的质量损失为60mg。实验中高纯铁箔与铁基非晶合金条带具有相同的表面积，铁箔的厚度（100μm）是铁基非晶合金条带厚度（30μm）的三倍之多，而且，铁基非晶合金中含有大量非金属元素，因此，铁基非晶合金条带中单位表面积的铁含量远远少于高纯铁箔，然而铁基非晶合金条带作为电极时酸性橙Ⅱ降解效率也能达到90%以 上，可以说单位铁含量的铁基非晶合金条带作为电极对酸性橙Ⅱ溶液的降解效率肯定要大于高纯铁箔。而且，高纯铁箔作为电极时的能耗和电极质量损失远超出铁基非晶合金条带，由此可见，相对于高纯铁箔，铁基非晶合金条带作为电极电化学降解酸性橙Ⅱ溶液时具有降解效率高、电极损耗少、电极寿命长、电能耗低等优点。
[0033] 图3所示为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9（at.%）的电化学降解作用下，电极电压增加至1V时，酸性橙Ⅱ溶液的降解过程，反应时间为30min时，降解效率即可达到92.67%，60min时可达到96.60%。可见电极电压一定幅度地升高有助于酸性橙Ⅱ的降解。
[0034] 图4为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B（9 at.%）电极处于开路状态时，酸性橙Ⅱ溶液的降解情况。可以看出，在没有电化学的作用下，铁基非晶合金条带对于酸性橙Ⅱ-1的降解非常缓慢，反应300min时，降解效率仅仅为25.34%，反应速率常数为0.006min 。可见，在电化学作用下，铁基非晶合金条带降解酸性橙Ⅱ溶液的反应速率和降解效率均远远大于不加电的情况。
[0035] 图5为在铁基非晶合金条带Fe78Si8B14（at.%）的电化学降解作用下，电极电压为1V时，酸性橙Ⅱ溶液的降解过程。反应时间为10min时，降解效率即可达到95.47%，反应20min时，降解效率可达98.46%。由此可见，随着铁基非晶合金中Fe元素含量的提高，酸性橙Ⅱ的降解速率加快。
[0036] 图6为在铁基非晶合金条带Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B（9 at.%）的降解作用下，电极电压分别为1V和0V时酸性橙Ⅱ溶液反应前后的取样照片，可以看出在电化学作用下，反应60min，溶液即由初始的橙红色变为无色透明状 态，而没有电化学作用时，反应300min，溶液颜色几乎没有明显变化。
[0037] 为了进一步阐述本发明的技术先进性，补充以下比较例：
[0038] 比较例1：
[0039] 技术方案与实施例基本相同，铁基非晶合金成分为Fe78Si8B1（4 at.%），不同之处为本比较例不加电流和电压，其余技术细节与实施例相同。试验结果表明，需经120min，才能有效降解偶氮染料，脱色效率为96.09%。显然，经过比较，可以发现，本发明技术方案的脱色效果得到了大大增强。
[0040] 比较例2：
[0041] 利用高纯铁箔和Fe78Si8B14铁基非晶合金作为电极时，电压为0.5V，其他实验条件均相同。反应120min时，高纯铁箔作为电极时，酸性橙Ⅱ溶液的降解效率可以达到98.06%，电能耗为91.65J，单位降解效率的电能耗为0.94J/%，电极的质量损失为60mg；而Fe78Si8B14铁基非晶合金作为电极时，酸性橙Ⅱ溶液的降解效率可以达到98.35%，单位降解效率的电能耗为0.66J/%，电极的质量损失为21mg。由此可见，相对于高纯铁箔，铁基非晶合金条带作为电极电化学降解酸性橙Ⅱ溶液时具有降解效率高、电极损耗少、电极寿命长、电能耗低等优点。
[0042] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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