CEO2е важен компонент на редките земни материали. TheРядки земни елементи ЦерийИма уникална външна електронна структура - 4F15D16S2. Специалният му 4F слой може ефективно да съхранява и освобождава електрони, което прави цериумните йони да се държат в състояние+3 валентно състояние и+4 валентно състояние. Следователно материалите на CEO2 имат повече кислородни дупки и имат отлична способност да съхраняват и пускат кислород. Взаимното преобразуване на CE (III) и CE (IV) също дава материали на CEO2 с уникални каталитични възможности за намаляване на окисляването. В сравнение с насипни материали, Nano CEO2, като нов тип неорганичен материал, получи широко внимание поради високата си специфична повърхност, отлична способност за съхранение и освобождаване на кислород, проводимост на кислородна йонна проводимост, редокс производителност и високотемпературна способност за бързо разпространение на кислород. Понастоящем има голям брой изследователски доклади и свързани приложения, използващи NANO CEO2 като катализатори, катализаторни носители или добавки, активни компоненти и адсорбенти.
1. Метод на подготовка на нанометърЦерий оксид
Понастоящем общите методи за подготовка за Nano Ceria включват основно химичен метод и физически метод. Според различни химични методи, химичните методи могат да бъдат разделени на метод на валежи, хидротермален метод, солвотермичен метод, метод на SOL гел, метод на микроемулсия и метод на електрооцеждане; Физическият метод е главно методът на смилане.
1.1 Метод на смилане
Методът на смилане за приготвяне на Nano Ceria обикновено използва пясъчно смилане, което има предимствата на ниската цена, дружелюбността на околната среда, бързата скорост на обработка и силната способност за обработка. В момента той е най -важният метод за обработка в индустрията на Nano Ceria. Например, приготвянето на прах за полиране на нано церий оксид обикновено приема комбинация от калциниране и шлифоване на пясък, а суровините на катализаторите на денитрация на основата на церий също се смесват за предварително обработка или третират след калциниране с помощта на пясъчно смилане. Използвайки различни съотношения с пясък с размер на частици, Nano Ceria с D50, вариращи от десетки до стотици нанометри, могат да бъдат получени чрез регулиране.
1.2 Метод на валежи
Методът на валежи се отнася до метода за приготвяне на твърд прах чрез утаяване, разделяне, измиване, изсушаване и калциниране на суровини, разтворени в подходящи разтворители. Методът на валежи се използва широко при получаването на редки земни и легирани наноматериали, с предимства като прост процес на подготовка, висока ефективност и ниска цена. Той е често използван метод за приготвяне на Nano Ceria и неговите съставни материали в индустрията. Този метод може да приготви Nano Ceria с различна морфология и размер на частиците чрез промяна на температурата на утаяване, концентрация на материали, стойност на pH, скорост на утаяване, скорост на разбъркване, шаблон и др. Общите методи разчитат на утаяването на цереиеви йони от амоняк, генерирани от разлагане на урея, и приготвянето на нано цереии микросфери се контролира от цитратни йони. Алтернативно, цериумните йони могат да бъдат утаени чрез OH - генерирани от хидролизата на натриев цитрат и след това се инкубират и калцинират, за да приготвят люспи като микросфери на Nano Ceria.
1.3 Хидротермални и солвотермични методи
Тези два метода се отнасят до метода за приготвяне на продукти чрез реакция с висока температура и високо налягане при критична температура в затворена система. Когато реакционният разтворител е вода, той се нарича хидротермален метод. Съответно, когато реакционният разтворител е органичен разтворител, той се нарича солвотермичен метод. Синтезираните нано частици имат висока чистота, добра дисперсия и равномерни частици, особено нано праховете с различни морфологии или изложени специални кристални лица. Разтворете церий хлорид в дестилирана вода, разбъркайте и добавете разтвор на натриев хидроксид. Реагирайте хидротермално при 170 ℃ в продължение на 12 часа, за да приготвят нанороди на церий оксид с изложени (111) и (110) кристални равнини. Чрез регулиране на реакционните условия съотношението на (110) кристални равнини в откритите кристални равнини може да се увеличи, като допълнително се подобрява тяхната каталитична активност. Регулирането на реакционния разтворител и повърхностните лиганди също може да произведе частици на нано церия със специална хидрофилност или липофилност. Например, добавянето на ацетатни йони към водната фаза може да приготви монодисперсни хидрофилни наночастици от церий оксид във вода. Чрез избора на неполярен разтворител и въвеждане на олеинова киселина като лиганд по време на реакцията, монодисперсните липофилни наночастици от церия могат да бъдат приготвени в неполярни органични разтворители. (Виж фигура 1)
Фигура 1 Монодисперсен сферичен нано церия и пръчка нано церия
1.4 Метод на сол гел
Методът на SOL гел е метод, който използва някои или няколко съединения като прекурсори, провежда химични реакции като хидролиза в течната фаза, за да образува SOL, и след това образува гел след стареене и накрая изсушава и калцини за приготвяне на ултрафинови прахове. Този метод е особено подходящ за приготвяне на силно разпръснати многокомпонентни наноматериали на наноматериали на Nano Ceria, като Cerium Iron, Cerium Titanium, Cerium Zirconium и други композитни нано оксиди, които са докладвани в много доклади.
1.5 Други методи
В допълнение към горните методи, има и метод на микро лосион, метод за синтез на микровълнова печка, метод на електродепозиция, метод за изгаряне на плазмен пламък, метод на електролиза на йонообменната мембрана и много други методи. Тези методи имат голямо значение за изследването и прилагането на Nano Ceria.
Прилагане на 2-нанометров церий оксид при пречистване на водата
Cerium е най -изобилният елемент сред редките земни елементи, с ниски цени и широки приложения. Нанометърът Ceria и неговите композити привличат много внимание в областта на обработката на водата поради високата им специфична повърхност, висока каталитична активност и отлична структурна стабилност.
2.1 Приложение наНано церий оксидПри пречистване на вода чрез метод на адсорбция
През последните години с развитието на индустрии като индустрията на електрониката се изписва голямо количество отпадни води, съдържащи замърсители като йони на тежки метали и флуорни йони. Дори при концентрации на следи може да причини значителна вреда на водните организми и човешката среда на живот. Често използваните методи включват окисляване, флотация, обратна осмоза, адсорбция, нанофилтрация, биосорбция и др. Сред тях, адсорбционната технология често се приема поради простата му работа, ниска цена и висока ефективност на лечението. Материалите на NANO CEO2 имат висока специфична повърхностна площ и висока повърхностна активност като адсорбенти и има много съобщения за синтеза на пореста Nano CEO2 и неговите композитни материали с различни морфологии за адсорбиране и премахване на вредни йони от водата.
Изследванията показват, че Nano Ceria има силен адсорбционен капацитет за F - във вода при слаби киселинни условия. В разтвор с начална концентрация на F - от 100 mg/L и рН = 5-6, капацитетът на адсорбцията за F - е 23 mg/g, а скоростта на отстраняване на F - е 85,6%. След зареждането му върху топка с полиакрилова киселина (количество за натоварване: 0,25 g/g), способността за отстраняване на F - може да достигне над 99% при третиране на равен обем от 100 mg/L от воден разтвор; При обработката на 120 пъти повече от обема, повече от 90% от F - могат да бъдат премахнати. Когато се използва за адсорбиране на фосфат и йодат, капацитетът на адсорбцията може да достигне над 100 mg/g при съответното оптимално адсорбционно състояние. Използваният материал може да се използва повторно след просто лечение с десорбция и неутрализация, което има големи икономически ползи.
Има много проучвания за адсорбцията и лечението на токсични тежки метали като арсен, хром, кадмий и олово с помощта на Nano Ceria и неговите композитни материали. Оптималният адсорбционен рН варира за йони на тежки метали с различни валентни състояния. Например, слабото алкално състояние с неутрално отклонение има най -доброто състоянието на адсорбция за AS (III), докато оптималното адсорбционно състояние за AS (V) се постига при слаби киселинни условия, където адсорбционният капацитет може да достигне над 110 mg/g при двете условия. Като цяло оптимизираният синтез на Nano Ceria и неговите композитни материали може да постигне висока скорост на адсорбция и отстраняване на различни йони на тежки метали в широк диапазон на pH.
От друга страна, наноматериалите на основата на церий оксид също имат изключителни показатели в адсорбиращите органични вещества в отпадъчните води, като киселинни оранжеви, родамин В, Конго червено и др. 942.7mg/g за 60 минути.
2.2 Прилагане на Nano Ceria в процеса на напреднал окисляване
Предлага се усъвършенстван процес на окисляване (AOP за кратко) за подобряване на съществуващата безводна система за пречистване. Процесът на напреднал окисляване, известен още като технология за дълбоко окисляване, се характеризира с производството на хидроксилен радикал (· OH), супероксид радикал (· O2 -), синглетен кислород и др. Със силна способност за окисляване. При реакционните условия на висока температура и налягане, електричество, звук, светлинно облъчване, катализатор и др. Според различните начини за генериране на свободни радикали и реакционни условия, те могат да бъдат разделени на фотохимично окисляване, каталитично мокро окисляване, окисляване на сонохимията, озоново окисляване, електрохимично окисляване, окисление на фентон, оксидация и т.н. (виж фигура 2).
Фигура 2 Класификация и технологична комбинация от усъвършенстван процес на окисляване
Nano Ceriaе хетерогенен катализатор, често използван в напредналия процес на окисляване. Поради бързото преобразуване между CE3+и CE4+и бързия ефект на намаляване на окисляването, породен от усвояването и освобождаването на кислород, Nano Ceria има добра каталитична способност. Когато се използва като промотор на катализатор, той също може ефективно да подобри каталитичната способност и стабилност. Когато Nano Ceria и неговите композитни материали се използват като катализатори, каталитичните свойства варират значително в зависимост от морфологията, размера на частиците и изложените кристални равнини, които са ключови фактори, влияещи върху тяхната работа и приложение. Обикновено се смята, че колкото по -малки са частиците и по -големите, специфичната повърхностна площ, толкова по -съответното активно място и по -силната каталитична способност. Каталитичната способност на откритата кристална повърхност, от силна до слаба, е в порядъка на кристалната повърхност (100) кристална повърхност> (111) кристална повърхност и съответната стабилност е противоположна.
Церийният оксид е полупроводников материал. Когато нанометровият церий оксид се облъчва от фотони с енергия, по -висока от пропастта на лентата, електроните на валентната лента се вълнуват и се случва поведението на рекомбинация на прехода. Това поведение ще насърчи степента на конверсия на CE3+и CE4+, което води до силна фотокаталитична активност на Nano Ceria. Фотокатализата може да постигне директно разграждане на органичната материя без вторично замърсяване, така че приложението му е най -проучената технология в областта на Nano Ceria в AOP. Понастоящем основният акцент е върху обработката на каталитичното разграждане на азо багрила, фенол, хлоробензен и фармацевтични отпадни води, използвайки катализатори с различни морфологии и композитни състави. Според доклада, при оптимизирания метод за синтез на катализатор и условията на каталитичен модел, капацитетът на разграждане на тези вещества обикновено може да достигне повече от 80%, а капацитетът за отстраняване на общия органичен въглерод (TOC) може да достигне повече от 40%.
Катализата на Nano Cerium Oxide за разграждане на органични замърсители като озон и водороден пероксид е друга широко проучена технология. Подобно на фотокатализата, той също се фокусира върху способността на Nano Ceria с различни морфологии или кристални равнини и различни композитни каталитични окислители на основата на церий за окисляване и разграждане на органични замърсители. При такива реакции катализаторите могат да катализират генерирането на голям брой активни радикали от озонов или водороден пероксид, които атакуват органичните замърсители и постигат по -ефективни възможности за окислително разграждане. Поради въвеждането на окислители в реакцията, способността за отстраняване на органични съединения е значително засилена. В повечето реакции крайната степен на отстраняване на целевото вещество може да достигне или приближи 100%, а скоростта на отстраняване на TOC също е по -висока.
В метода на електрокаталитично усъвършенствано окисляване свойствата на анодния материал с висока еволюция на кислорода надвишават селективността на метода на електрокаталитично напреднало окисляване за лечение на органични замърсители. Катодният материал е важен фактор, определящ производството на H2O2, а производството на H2O2 определя ефективността на метода на електрокаталитично напреднало окисляване за лечение на органични замърсители. Проучването на модификацията на електродното материали с помощта на Nano Ceria получи широко внимание както в страната, така и в международен план. Изследователите въвеждат главно нано церий оксид и неговите композитни материали чрез различни химични методи за промяна на различни електродни материали, подобряване на тяхната електрохимична активност и по този начин увеличават електрокаталитичната активност и крайната скорост на отстраняване.
Микровълновата и ултразвукът често са важни спомагателни мерки за горните каталитични модели. Пример за пример за ултразвукова помощ, използвайки вибрационни звукови вълни с честоти, по -високи от 25kHz в секунда, милиони изключително малки мехурчета се генерират в разтвор, формулиран със специално проектиран почистващ агент. Тези малки мехурчета, по време на бързо компресия и разширяване, постоянно произвеждат имплозия на мехурчета, което позволява на материалите бързо да се обменят и дифундират върху повърхността на катализатора, често експоненциално подобряващи каталитичната ефективност.
3 Заключение
Nano Ceria и неговите композитни материали могат ефективно да лекуват йони и органични замърсители във водата и имат важен потенциал за приложение в бъдещите полета за пречистване на водата. Въпреки това, повечето изследвания все още са в лабораторния етап и за да се постигне бързо приложение при пречистване на водата в бъдеще, следните проблеми все още трябва да бъдат разгледани спешно:
(1) Сравнително високите разходи за подготовка на наноCEO2Базираните материали остават важен фактор за по -голямата част от техните приложения при обработка на водата, които все още са в етапа на лабораторни изследвания. Проучването на нискотарифни, прости и ефективни методи за подготовка, които могат да регулират морфологията и размера на материалите, базирани на Nano CEO2, все още е фокус на изследването.
(2) Поради малкия размер на частиците на материалите на базата на CEO2 на Nano, проблемите с рециклирането и регенерацията след употреба също са важни фактори, ограничаващи приложението им. Съставът от ИТ със смола или магнитни материали ще бъде ключова посока на изследване за неговата технология за подготовка и рециклиране на материали.
(3) Разработването на съвместен процес между технологията за обработка на вода на Nano CEO2 и традиционната технология за обработка на канализацията ще насърчи значително прилагането на материална каталитична технология, базирана на Nano CEO2 в областта на обработката на водата.
(4) Все още има ограничени изследвания за токсичността на материалите, базирани на NANO CEO2, и тяхното екологично поведение и механизъм за токсичност в системите за пречистване на водата все още не са определени. Действителният процес на пречистване на канализацията често включва съвместното съществуване на множество замърсители, а съвместните замърсители ще си взаимодействат помежду си, като по този начин ще променят характеристиките на повърхността и потенциалната токсичност на наноматериалите. Следователно, има спешна необходимост от провеждане на повече изследвания на свързани аспекти.
Време за публикация: май-22-2023