一种降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料及其制备方法与应用。阳极材料为Fe

【技术实现步骤摘要】
一种降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及铁硅硼非晶合金材料
，具体涉及一种阳极材料电催化降解偶氮染料的应用及降低单位能耗的工艺手段。

技术介绍

[0002]自上世纪末开始，中国的染料生产量己经排在了世界的最前端。据中国染料工业协会报道，染料行业继续保持着稳步增长的态势。然而，随着染料工业的快速发展，染料废水的排放也飞速上升，因为染料在氧化、还原、硝化、磺化、重氮化等生产过程中均会产生大量的废水。染料简单地分为有机和合成两大类。其中偶氮染料是最常用的合成染料，其用量占所有染料用量 50％以上。目前，降解污水中偶氮染料主要有3种方法：
[0003](1)利用微生物降解；(2)利用活性炭等多孔材料吸附；(3)利用原子态(零价态)金属降解。微生物降解法是在微生物作用下将偶氮染料废水进行氧化分解，使其转变为对环境无害的无机物。微生物降解法相对比较成熟，经济上也有优势，但为了使微生物的降解能够达到好的效果，废水要生物需氧量(BOD) 适宜才能处理，还要有适当的温度和溶液pH值，应用限制很大。活性炭吸附法只能将污染物从水中移除而不能降解污染物。
[0004]使用还原性的零价金属去除水体中的污染物是近些年发展起来的一种新的污染物处理技术，其中还原铁粉是最常用的还原金属，由于还原铁粉价格低廉易得而且对人体是无害的，工艺简单，极大推动了零价金属还原技术在处理水中污染物的应用；然而零价金属在降解过程中的氧化与腐蚀损耗严重制约了其在降解领域的应用。铁基非晶合金是非晶合金的一个重要体系，以高强度、高耐磨性以及优良的磁学性能而著称。近期，研究发现铁基非晶合金能有效处理酸性橙溶液，相对于零价晶态铁粉，其降解性能更高，并且重复性好，便于有效降解各种有机废水。
[0005]在此基础上，利用电流来加快铁基非晶合金降解偶氮染料的速率，是一种可行的方法；同时，适当调整电流大小等电催化工艺参数，降低单位能耗，是将这种方法推广至实际工业应用的重中之重。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足和缺点，本专利技术的目的在于提供一种铁硅硼非晶合金材料及其在电催化降解偶氮染料的装置及应用，并有效降低单位能耗，该非晶合金材料可充当电催化的阳极材料。本专利技术中的装置，可调节电流、阳极面积、电极距离、电解质浓度及偶氮染料初始浓度，并探索出了一组有效地降低单位能耗的工艺参数，单位能耗降低至0.114kWh/mol，降解效率也达到90％，同时具有优异的重复利用性；本专利技术所需原材料种类少，材料常见而便宜，产品稳定，装置易操作，对偶氮染料的降解速率快，能耗低，可大规模应用。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现。
[0008]一种降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料，阳极材料为Fe
‑
Si
‑
B非晶带材：Fe(70～85at％)，Si(10～20at％)，B(5～20at％)。
[0009]所述Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材优选为Fe
79
Si9B
12
。
[0010]所述Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材的尺寸为：宽10mm，厚24μm，长70mm。
[0011]一种降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)将称量Fe
‑
Si
‑
B合金的成分铁、硅、硼原材料，然后在惰性气氛中于非自耗电弧熔炼炉中熔炼制成合金铸锭；
[0013](2)将铸锭通过真空快淬甩带成非晶带材。
[0014]上述方法中，带材的厚度为10～30μm，宽度为5～20mm，长度为50～80 mm。
[0015]上述方法中，步骤(1)中，所述惰性气氛包括氩气、氮气及氦气。
[0016]上述方法中，步骤(1)中，所述熔炼温度为800～1000℃；时间为5～30min。
[0017]所述Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材在偶氮染料废水降解中的应用。
[0018]所述偶氮染料为含有
‑
N＝N
‑
键的染料，包括甲基橙、金橙Ⅱ、亚甲基蓝偶氮染料等，优选金橙Ⅱ偶氮染料。
[0019]所述应用，包括以下步骤。
[0020]将Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材作为阳极材料，铜片为阴极材料，材料插入含 Na2SO4电解质的偶氮溶液中，用导线连通电源，通电后，偶氮染料发生降解。
[0021]电催化装置可改变电流大小、电极面积、电极间距电解质浓度及偶氮染料浓度等。
[0022]电催化过程中，温度为45～65℃，电流为0～200mA，阳极电极面积为5～ 50cm2，电极距离为0.5～4cm，Na2SO4电解质浓度为0～0.5mol/L，偶氮染料浓度为10～500mg/L，所述降解在磁力搅拌的条件下进行。
[0023]本专利技术的Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材作为阳极材料，在电催化降解偶氮染料时，具有优异的降解速率，同时通过调节工艺参数，可有效降低单位能耗。
[0024]Fe基非晶合金带材较传统的零价晶态Fe，有着更优异的偶氮染料降解性能；这源于非晶合金具有独特的原子结构和特殊的物理化学性能，从而有着更高的化学反应活性。在此基础上，将Fe基非晶合金带材作为阳极材料，通过施加电流的方法，电催化降解偶氮染料；一方面，相对于晶态Fe或其他阳极材料，可有效降低单位能耗；另一方面，可通过增大电流，有效提高降解速率；其次，通过调节其他工艺参数，如电极面积、电极距离、电解质浓度及偶氮染料浓度，可有效降低单位能耗。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的优点有：
[0026](1)相比于晶态Fe，本专利技术的Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材有更为优异的偶氮染料降解性能；
[0027](2)本专利技术的Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材，由于其非晶的亚稳态结构与不均匀性，均能促进讲解过程中合金表面的高反应活性。其中Si元素的添加会促进Fe 元素降解过程中在条带表面形成松散且容易剥落的氧化层，从而促进带材内层原子与偶氮染料溶液的物质传输与电子交换。
[0028](3)本专利技术中所使用的电催化电源装置为瑞士万通企业生产的 PGSTAT302型号的电化学工作站，分辨率高，可实时记录电催化过程中电压随反应时间的变化，从而精确计算出能耗。
[0029](4)通过施加电流，有效提高了Fe
‑
Si
‑
B非晶合金带材降解偶氮染料的速率。
[0030](5)电催化装置可自由调节电催化的工艺参数，如电流大小、阳极面积、电极距离、电解质浓度及偶氮浓度等，探索出一组工艺参数，有效降低了单位能耗，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料，其特征在于：阳极材料为Fe
‑
Si
‑
B非晶带材，其中，Fe为70～85at％，Si为10～20at％，B为5～20at％。2.权利要求1所述降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将称量Fe
‑
Si
‑
B合金的成分铁、硅、硼原材料，然后在惰性气氛中于非自耗电弧熔炼炉中熔炼制成合金铸锭；(2)将铸锭通过真空快淬甩带成非晶带材。3.根据权利要2所述降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料的制备方法,其特征在于，带材的厚度为10～30μm，宽度为5～20mm，长度为50～80mm。4.根据权利要2所述降低电催化降解偶氮染料能耗的阳极材料的制备方法,其特征在于，步骤(1)中，所述惰性气氛包括氩气、氮气及氦气。5.根据权利要2所述降低电催化降解...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾德长，黄磊，郑志刚，邱兆国，韦靖，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：