专利名称：铁基合金复合材料、其制备方法和处理石油钻井废水的方法
技术领域：
本发明涉及一种处理石油钻井废水的铁基金属复合材料、其制备方法，及其处理石油钻井废水的方法，属于水处理及金属材料制备技术领域。
背景技术：
随着工业的发展，水的污染程度日趋严重。作为废水的一类，石油钻井废水是废水处理领域一类较难处理的废水，此类废水污染高，粘度大，成分复杂，是石油钻井行业和环保行业面临的一个亟待决绝的难题。石油钻井废水处理的成本较高，处理难度大，传统的方法很难将其处理到回注标准，或处理成本很高。但如果不进行处理直接排放，废水则不仅会污染油田附近的土壤，而且会加大油田回注水使用量而加大成本。伴随着国家对环保监控力度的加大和企业对环保意识的提高，对石油钻井废水的处理要求也随之增大。目前石油 钻井废水的方法主要以自然沉降和混凝沉降为主，并伴随着物理法、化学法、生物法等。铁碳微电解方法是以一种应用较为广泛的方法，传统方法是将铁碳按照一定比例加入到废水中，利用铁碳之间的电位差，形成微小的原电池，将水中的污染物分解。但铁碳微电解方法有一定的局限性，比如含铁量较低，反应时水中溶解铁离子含量较低，处理效果差；易板结，材料需经常更换；填料容易堵塞，不易疏通，材料稳定性不好，后期维护不方便。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种处理石油钻井废水的铁基金属电解材料及处理工艺。该材料将铁基金属非晶材料与铁屑进行耦合，利用双方的特点，使处理效果得到增强，弥补现有的铁碳微电解材料的不足，并有效避免在工程应用中的一系列难题。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种铁基合金复合材料，由重量百分比为90%_65%的铁屑及重量百分比为109Γ35%的铁基非晶合金碎屑混合均匀而成，所述铁屑的含碳量为1°/Γ3%，所述铁基非晶合金包括按原子百分比计的下列组分60°/Γ82%的铁、7°/Γ 2%的Si和11°/Γ13%的B。该技术方案中，加入Si、B等元素，使其更易加工为非晶态金属材料。所述铁屑中还包括O <重量百分比< O. 1%的稀土镁。重量百分比为占其所制成的铁屑的百分比。所述稀土镁是指含有稀土元素的镁合金，加入的目的是提高后续的催化效果。所述铁屑为直径O. 5-1. 5cm的螺旋状金属碎屑。优选为Icm的螺旋状金属碎屑。所述铁基非晶合金碎屑为直径O. 5-1. 5cm的非晶金属碎屑，优选Icm的非晶金属碎屑。所述非晶金属碎屑为厚度为2(Γ 00μπι的片状碎片。宽度为5 10mm。该铁基非晶合金碎屑可通过以下方式制备通过快速凝固设备将铁基合金处理为厚度为2(Γ100 μ m,宽度为5 10mm，然后通过粉碎设备处理为直径Icm的非晶金属碎屑。优选的，所述铁屑与铁基非晶合金碎屑的重量比为4:1，所述铁基非晶合金碎屑中按原子百分比计铁78%、硅9%、硼13%。或者所述铁屑与铁基非晶合金碎屑的重量比为5 :1，所述铁基非晶合金碎屑中按原子百分比计铁77%、硅11%、硼12%。本发明还提供上述铁基合金复合材料的制备方法，包括以下步骤(I)铁屑的制备选取铁锭，与碳粉配制为含碳量1%_3%的铁锭，并制成铁屑；(I)铁基非晶合金的制备(a)根据所选的合金成分，进行称量配比，在惰性气体的保护下炼制选定成分的合金；(b)利用快速凝固设备，将炼制的合金在惰性气体的保护下进行重熔，当成分融化均匀时，利用瞬时压差将金属液喷溅到辊轮上进行快速凝固处理得到非晶条带；(c)利用粉碎设备将非晶条带粉碎为直径小于Icm的非晶金属碎片；
(3)将铁屑合金与非晶态金属合金按照比例混合均匀即得。步骤(I)中在铁锭的制备中还加入O <重量百分比< O. 1%的稀土镁。将铁锭、碳粉和稀土镁它们高温熔化，混合均匀，并浇铸为铁锭。铁屑为加工成直径为O. 5-1. 5cm的螺旋屑状金属碎屑。优选为1cm。本发明提供该铁基合金复合材料的处理石油钻井废水的方法，包括以下步骤将铁基合金复合材料填充在容器中，将石油钻井废水注入到罐体中，通过鼓风机向罐体内充气进行曝气处理。该方法中，为了提高处理效果和速度，可以将pH值调整为:Te再进行曝气处理。也可以按照双氧水比废水体积l:100(Tl:200的量加入双氧水以提高处理效果。本发明的工作原理是铁基非晶合金由于其原子排列处于高度的配位不饱和状态，使其有更多的催化活性中心，而且铁基非晶合金的其活性高于普通的铁基晶体材料，这使其催化能力大大加强。铁基非晶合金与铁屑合金有效耦合，使材料本身具有很强的催化能力，处理过程中产生更多浓度更高的活性基团，同时电解材料中的铁含量较高，两者相互作用大大提高了降解效果。在本发明的描述中，铁基金属电解材料、铁基金属复合材料均代表本发明所制备的铁基合金复合材料。本发明的有益效果是，本发明克服了传统高效处理方法工艺复杂，运行成本高，普通电解材料易板结、效果差等缺点，是一种具有制备工艺简单、无污染、不易堵塞、运行成本低、活性高、处理效果好，维护简单的石油废水电解材料及处理工艺。本发明可用于石油废水处理领域及其他难降解废水的处理。
具体实施例方式下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。实施例I :一.铁基非晶材料的制备(I)首先按铁78%、硅9%、硼13%的原子百分比称取原料；(2)取一支一端密封的玻璃管，其底部和侧面分别开有一个通气孔；把称量好的原料均匀的放入玻璃管底部，然后用带有保护气体管路的橡皮塞把玻璃管管口塞紧，以进行气体保护熔炼并且防止气体从上端逸出；把玻璃管放在熔炼炉的玻璃管架上，使玻璃管中的原料正好处于熔炼炉的感应圈处，并且把橡皮塞的保护气体管路连接在氩气源上；(3)打开保护气体，并调节气流至O. Γ0. 15MPa，使玻璃管内部处于氩气保护氛围中，玻璃管底部和侧面孔处有轻微气流流出；(4)打开熔炼炉的加热开关，在100(Γ1200 使其充分均匀的反应3飞分钟，然后停止加热，使其在气体保护状态下自然降温，得到合金锭；打磨合金锭表面后，将其切割成甩带用的样品；(5)进行甩带采用高频重熔甩带样品，熔体的喷射压力为O. Γ0. 2MPa，熔体的喷射温度为95(T110(TC ;甩带在氩气保护下进行；(6)进行材料处理，通过粉碎机将铁基非晶材料粉碎为直径Icm的片状碎片。
二.铁基金属合金材料的制备首先选取铁锭，与适量的碳粉和O. 05% (占所制备的铁锭的重量百分比)稀土镁配制为含碳量为2%的铁锭，通过车床将其车成直径Icm左右的螺旋屑状物。三.复合材料的装填将铁屑合金与非晶态金属合金按照4:1 (重量比)的比例进行混合，注意在混合过程中，铁屑与非晶金属合金进行混合装填，使各层金属材料均匀分布在容器里。四.处理工艺将铁屑与非晶材料按照上述指定方法进行装填，随后将废水注入反应器中，调节pH值为3 5，通过鼓风机进行曝气处理2 3小时。五·处理效果通过工程中试验，按照上述方法处理石油钻井废水，处理前测试石油钻井废水的COD为43500mg/l。测试时将该石油钻井废水稀释50倍之后按标准《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法HJ/T 399-2007》(2007-12-07发布)记载的方法进行处理。经测试，其处理效果可去除COD达37%，而加入总量相等的铁屑在相同条件下处理同样成分的废水，去除效果为26%。实施例2:一.铁基非晶材料的制备(I)首先按铁77%、硅11%、硼12%的原子百分比称取原料；(2)取一支一端密封的玻璃管，其底部和侧面分别开有一个通气孔；把称量好的原料均匀的放入玻璃管底部，然后用带有保护气体管路的橡皮塞把玻璃管管口塞紧，以进行气体保护熔炼并且防止气体从上端逸出；把玻璃管放在熔炼炉的玻璃管架上，使玻璃管中的原料正好处于熔炼炉的感应圈处，并且把橡皮塞的保护气体管路连接在氩气源上；(3)打开保护气体，并调节气流至O. Γ0. 15MPa，使玻璃管内部处于氩气保护氛围中，玻璃管底部和侧面孔处有轻微气流流出；(4)打开熔炼炉的加热开关，在100(Γ1200 使其充分均匀的反应3飞分钟，然后停止加热，使其在气体保护状态下自然降温，得到合金锭；打磨合金锭表面后，将其切割成甩带用的样品；(5)进行甩带采用高频重熔甩带样品，熔体的喷射压力为O. Γ0. 2MPa，熔体的喷射温度为95(T110(TC ;甩带在氩气保护下进行；
(6)进行材料处理，通过粉碎机将铁基非晶材料粉碎为直径Icm的片状碎片。二.铁基金属合金材料的制备首先选取铁锭，与适量的碳粉和O. 08% (占所制备的铁锭的重量百分比)稀土镁配制为含碳量3%的铁锭，通过车床将其车成直径Icm左右的螺旋屑状物。三.复合材料的装填将铁屑合金与非晶态金属合金按照5:1 (重量比)的比例进行混合，注意在混合过程中，铁屑与非晶金属合金进行混合装填，使各层金属材料均匀分布在容器里。四.处理工艺
将铁屑与非晶材料按照上述指定方法进行装填，随后将废水注入反应器中，调节pH值为3 5，并按照废水与双氧水1000:1的量加入双氧水，通过鼓风机进行曝气处理2 3小时。五.处理效果通过工程中试验，按照上述方法处理实施例I中的石油钻井废水,采用实施例I中测试方法，其处理效果可去除COD达48%，而加入总量相等的铁屑在相同条件下处理同样成分的废水，去除效果为32%。
权利要求
1.一种铁基合金复合材料，其特征在于，由重量百分比为90%-65%的铁屑及重量百分比为109Γ35%的铁基非晶合金碎屑混合均匀而成，所述铁屑的含碳量为19Γ3%，所述铁基非晶合金包括按原子百分比计的下列组分609Γ90%的铁、79Γ12%的硅和11°/Γ 3%的硼。
2.如权利要求I所述的铁基合金复合材料，其特征在于，所述铁屑中还包括O<重量百分比< O. 1%的稀土镁。
3.如权利要求I所述的铁基合金复合材料，其特征在于，所述铁屑为直径O.5-1. 5cm的螺旋状金属碎屑。
4.如权利要求I所述的铁基合金复合材料，其特征在于，所述铁基非晶合金碎屑为直径O. 5-1. 5cm的非晶金属碎屑。
5.权利要求I所述的铁基合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)铁屑的制备选取铁锭，与碳粉配制为含碳量1%_3%的铁锭,并制成铁屑； (2)铁基非晶合金的制备(a)根据所选的合金成分，进行称量配比，在惰性气体的保护下炼制选定成分的合金；(b)利用快速凝固设备，将炼制的合金在惰性气体的保护下进行重熔，当成分融化均匀时，利用瞬时压差将金属液喷溅到辊轮上进行快速凝固处理得到非晶条带；(c)利用粉碎设备将非晶条带粉碎为直径小于Icm的非晶金属碎片； (3)将铁屑合金与非晶态金属合金按照比例混合均匀即得。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(I)中在铁锭的制备中还加入O<重量百分比< O. 1%的稀土镁。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(I)中铁屑为加工成直径为O.5-1. 5cm的螺旋屑状金属碎屑。
8.权利要求1-4任一项所述的铁基合金复合材料的处理石油钻井废水的方法，其特征在于，包括以下步骤将铁基合金复合材料填充在容器中，将石油钻井废水注入到罐体中，通过鼓风机向罐体内充气进行曝气处理。
9.如权利要求8所述的处理石油钻井废水的方法，其特征在于，曝气处理前将石油钻井废水的PH值调整为3飞。
10.如权利要求8所述的处理石油钻井废水的方法，其特征在于，曝气处理前按照双氧水比废水体积1:1000^1:200的量加入双氧水。
全文摘要
本发明公开了一种铁基合金复合材料，由重量百分比为90%-65%的铁屑及重量百分比为10%~35%的铁基非晶合金碎屑混合均匀而成，所述铁屑的含碳量为1%~3%，所述铁基非晶合金包括按原子百分比计的下列组分60%~82%的铁、7%~12%的Si和11%~13%的B。本发明还提供上述铁基合金复合材料的制备方法，包括(1)铁屑的制备；(2)铁基非晶合金的制备(3)将铁屑合金与非晶态金属合金按照比例混合均匀即得。本发明提供该铁基合金复合材料的处理石油钻井废水的方法，将铁基合金复合材料填充在容器中，将石油钻井废水注入到罐体中，通过鼓风机向罐体内充气进行曝气处理。本发明工艺简单，可循环利用，无污染，处理效果好，操作方便。
文档编号B22F9/04GK102909363SQ20121039784
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日
发明者边秀房, 杨建飞, 罗观平, 杨春成, 白延文, 樊军鹏 申请人:山东大学