申请日2014.04.28
公开(公告)日2014.07.30
IPC分类号C02F1/00; C22C45/00
摘要
本发明公开了一种用于污水处理的材料、制备方法及其应用。该用于污水处理的材料，由含有至少一种碱土金属元素的高熵金属玻璃制成。由于高熵金属玻璃中含有较高化学反应活性的碱土金属，该碱土金属能够与偶氮染料中的N=N双键发生氧化还原反应，进而破坏对生物体具有毒害作用的N=N基团。通过将高熵金属玻璃应用在污水处理中，尤其是含有偶氮染料的工业废水中，具有较高的降解速率，起到了更好的污水处理功能。此外，由于该高熵金属玻璃在很宽的成分范围内具有良好的玻璃形成能力，更易于通过调控原料成分比例来调控高熵金属玻璃在实际应用中的降解速率。用于合成本发明的高熵金属玻璃的原材料价格低廉且熔点较低，大大节省了熔炼能耗。
权利要求书
1.一种用于污水处理的材料，其由高熵金属玻璃制成，所述高熵金属玻璃 含有至少一种碱土金属元素。
2.根据权利要求1所述的材料，其中，所述高熵金属玻璃中含有至少两种 碱土金属元素。
3.根据权利要求1或2所述的材料，其中，任一所述碱土金属元素选自 Sr、Ca和Mg。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的材料，其中，所述高熵金属玻璃含有 至少一种非碱土金属元素;可选地，所述高熵金属玻璃中含有至少两种所述非 碱土金属元素。
5.根据权利要求4所述的材料，其中，任一所述非碱土金属元素选自Zn、 Cu和Al。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的材料，其中，所述高熵金属玻璃的化 学式为：SraCabMgcZndCueAlf;其中，0≤a≤35，0≤b≤35，0≤c≤35，0≤d≤35，0≤e≤10， 0≤f≤5且a+b+c+d+e+f=100。
7.根据权利要求6所述的材料，其中，所述高熵金属玻璃中至少包含四种 金属元素。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的材料，其中，所述材料成型为粉末状 颗粒;可选地，所述粉末状颗粒的粒径为10～30μm。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的用于污水处理的材料在污水处理中的 应用。
10.一种用于污水处理的材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按照权利要求1至8中任一项所述的用于污水处理的材料的组分 进行配料，得到混合物料;
步骤S2、熔炼所述混合物料，得到母合金;
步骤S3、冷却所述母合金并制备成高熵金属玻璃条带;以及
步骤S4、粉碎所述高熵金属玻璃条带，得到所述用于污水处理的材料。
说明书
用于污水处理的材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及凝聚态物理和材料科学技术领域，特别是涉及一种用于污水处 理的材料、制备方法及其应用。
背景技术
随着现代工业的发展，环境污染已成为一个人们无法忽视的问题，尤其 是工业废水乱排放导致的水污染，严重危害人体健康并破坏生态环境。偶氮染 料是纺织品服装在印染工艺中应用最广泛的一类合成染料，用于多种天然和合 成纤维的染色和印花，也用于油漆、塑料、橡胶等的着色。含有这种染料的工 业废水如果不进行处理而直接排放，会严重污染淡水资源。
目前对此种工业废水处理的方式主要有三种：微生物处理、活性炭吸附 和零价金属还原。对于微生物处理，由于生物活性的限制，处理过程中需要严 格控制处理的温度;而活性炭吸附的处理效率偏低;综合考虑，采用零价金属 还原是三种处理方式中最方便快捷的一种污水处理方式。在零价金属还原方式 中，铁粉是最常用的污水处理材料，但是铁粉易与水或者空气反应从而降低污 染物的降解效率。目前通常的解决办法是采用贵金属与铁的合金粉，该合金粉 虽然具有更好的化学稳定性和反应活性，但是其高昂的成本限制了该合金粉的 广泛应用。而且目前广泛采用雾化制粉技术制备金属粉末，通过雾化制粉技术 制备的金属粉末不仅表面光滑、活性低，而且粒径大、比表面积低，不利于污水处理效率的提高。因此，目前亟需开发出一种成本低、反应效率高的新型污 水处理材料及其制备技术。
高熵合金(High-entropy Alloys，HEAs)是一种组成至少包括5种合金 元素，且每种元素的原子百分比都在5%～35%之间的合金。HEAs的产生打破 了传统的合金成分以一种元素为基体的设计框架，合金的高混合熵值是HEAs 与传统合金相区别的重要特征。多种主元素混合后具有的高混合熵，使多元合 金倾向形成简单的结晶相——简单固溶体结构(一般为体心立方结构(BCC) 或面心立方结构(FCC)，或二种固溶体的混合结构)，抑制了脆性金属间化 合物的形成。高熵效应能有效降低系统的吉布斯自由能，使系统更稳定。因而， 高熵合金具有高强度、硬度、耐磨性、较好的塑性、良好的组织稳定性和抗回 火软化能力和优良的耐蚀性等综合性能。因此，HEAs具有极为广阔的应用前 景。
随合金组元数目增加，构成合金系的原子半径不同，合金系混乱度增加， 凝固时原子扩散重排的难度加大，可抑制晶体形成。近年来，寻找能够结合高 熵效应和形成金属玻璃结构(又称“非晶结构”)的合金成分受到了业界的关注， 以实现在合金性能上的更大突破。
金属玻璃与传统晶态合金材料相比，其内部结构有很大不同。金属玻璃 内部的原子排列不具有长程有序性，不存在晶界以及位错等结构缺陷，这与氧 化物玻璃的微观结构十分相似，因此金属玻璃的塑性较差。由于金属玻璃的尺 寸较小且塑性差等缺陷，严重限制了其作为结构材料的应用。但是研究发现， 由于金属玻璃具有特殊的内部微观结构，金属玻璃在多个方面具有其相应晶态 合金所不具备的优异力学、化学与物理等特性，这些优异性能主要包括以下几 个方面：1、高弹性极限，高强度，高硬度，自锐性，耐磨;2、优良的软磁性 能;3、耐腐蚀性能;4、优良的热加工性能。由于上述的优异性能，使得金属 玻璃成为材料与物理学家及工业部门非常感兴趣的研究开发对象，并且在功能 材料方面具有广泛的应用前景。
因此，鉴于金属玻璃的众多优异性能，利用高混合熵效应制备的高熵金属 玻璃为人们开发设计新型金属玻璃功能材料提供了新思路。高熵金属玻璃的特 征是主元数大于5，各主元的原子百分比不超过35%。高熵金属玻璃具有鸡尾 酒效应，其性能是各主元性能的混合叠加，在很宽的成分范围内具有良好的玻 璃形成能力，方便人们设计制备具有特定性能金属玻璃。但是，目前还鲜有高 熵金属玻璃的实际应用，关于高熵金属玻璃的研究也主要集中在力学性能等方 面。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种用于污水处理的材料、制备方法及其应用，该 污水处理材料具有较高的化学活性，污水处理效率高。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于污水处理的材料，其由高熵金属 玻璃制成，其中，高熵金属玻璃含有至少一种碱土金属元素。
进一步地，高熵金属玻璃中含有至少两种碱土金属元素。
进一步地，任一碱土金属元素选自Sr、Ca和Mg。
进一步地，高熵金属玻璃含有至少一种非碱土金属元素;可选地，高熵金 属玻璃含有至少两种非碱土金属元素。
进一步地，任一非碱土金属元素选自Zn、Cu和Al。
进一步地，高熵金属玻璃的化学式为：SraCabMgcZndCueAlf;其中，0≤a≤35， 0≤b≤35，0≤c≤35，0≤d≤35，0≤e≤10，0≤f≤5且a+b+c+d+e+f=100。
进一步地，高熵金属玻璃中至少包含四种元素。
进一步地，材料成型为粉末状颗粒;可选地，粉末状颗粒的粒径为10～30μm。
根据本发明的另一方面，提供了上述任一种的材料在污水处理中的应用。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于污水处理的材料的制备方法，包 括如下步骤：步骤S1、按照上述任一种材料中的高熵金属玻璃的组分进行配料， 得到混合物料;步骤S2、熔炼混合物料，得到母合金;步骤S3、冷却母合金 并制备成高熵金属玻璃条带;以及步骤S4、粉碎高熵金属玻璃条带，得到高熵 金属玻璃粉末。
进一步地，在步骤S2中，采用感应炉熔炼混合物料;优选地，熔炼的温 度为450～550℃，熔炼的时间为10～30秒。
进一步地，在步骤S3中，采用感应炉的甩带装置将母合金的熔体喷至以 20～30米/秒旋转的铜辊表面冷却，得到高熵金属玻璃条带;在步骤S4中，采 用高能球磨法粉碎高熵金属玻璃条带，以制备高熵金属玻璃粉。
应用本发明的技术方案，由于高熵金属玻璃中含有较高化学反应活性的碱 土金属，该碱土金属能够与偶氮染料中的N=N双键发生氧化还原反应，进而 破坏对生物体具有毒害作用的N=N基团。通过将高熵金属玻璃应用在污水处 理中，尤其是含有偶氮染料的工业废水中，具有较高的降解速率，起到了更好 的污水处理功能。此外，由于该高熵金属玻璃在很宽的成分范围内具有良好的 玻璃形成能力，更易于通过调控原料成分比例来调控高熵金属玻璃在实际应用 中的降解速率。用于合成本发明的高熵金属玻璃的原材料价格低廉且熔点较低， 大大节省了熔炼能耗。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会 更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。