CeO2és un component important dels materials de terres rares. Elelement de terres rares cerité una estructura electrònica exterior única: 4f15d16s2. La seva capa especial 4f pot emmagatzemar i alliberar electrons amb eficàcia, fent que els ions de ceri es comportin en estat de valència +3 i estat de valència +4. Per tant, els materials CeO2 tenen més forats d'oxigen i tenen una excel·lent capacitat per emmagatzemar i alliberar oxigen. La conversió mútua de Ce (III) i Ce (IV) també dota els materials de CeO2 amb capacitats catalitzadores d'oxidació-reducció úniques. En comparació amb els materials a granel, el nano CeO2, com a nou tipus de material inorgànic, ha rebut una atenció generalitzada a causa de la seva gran superfície específica, excel·lent capacitat d'emmagatzematge i alliberament d'oxigen, conductivitat dels ions d'oxigen, rendiment redox i difusió ràpida de la vacant d'oxigen a alta temperatura. capacitat. Actualment hi ha un gran nombre d'informes de recerca i aplicacions relacionades que utilitzen nano CeO2 com a catalitzadors, portadors o additius de catalitzadors, components actius i adsorbents.
1. Mètode de preparació del nanòmetreòxid de ceri
Actualment, els mètodes de preparació comuns per a nanoceria inclouen principalment el mètode químic i el mètode físic. Segons diferents mètodes químics, els mètodes químics es poden dividir en mètode de precipitació, mètode hidrotèrmic, mètode solvotèrmic, mètode sol gel, mètode de microemulsió i mètode d'electrodeposició; El mètode físic és principalment el mètode de mòlta.
1.1 Mètode de mòlta
El mètode de mòlta per preparar la nanoceria utilitza generalment la mòlta de sorra, que té els avantatges de baix cost, respectuós amb el medi ambient, velocitat de processament ràpida i una gran capacitat de processament. Actualment és el mètode de processament més important de la indústria de la nanoceria. Per exemple, la preparació de pols de poliment d'òxid de ceri nano adopta generalment una combinació de calcinació i mòlta de sorra, i les matèries primeres dels catalitzadors de desnitració a base de ceri també es barregen per al tractament previ o es tracten després de la calcinació mitjançant la mòlta de sorra. Mitjançant l'ús de diferents proporcions de perles de mòlta de sorra de mida de partícula, es pot obtenir nanoceria amb D50 que oscil·la entre desenes i centenars de nanòmetres mitjançant l'ajust.
1.2 Mètode de precipitació
El mètode de precipitació es refereix al mètode de preparació de pols sòlid mitjançant precipitació, separació, rentat, assecat i calcinació de matèries primeres dissoltes en dissolvents adequats. El mètode de precipitació s'utilitza àmpliament en la preparació de terres rares i nanomaterials dopats, amb avantatges com un procés de preparació senzill, alta eficiència i baix cost. És un mètode d'ús comú per preparar nanoceria i els seus materials compostos a la indústria. Aquest mètode pot preparar nanoceria amb diferents morfologia i mida de partícula canviant la temperatura de precipitació, la concentració del material, el valor del pH, la velocitat de precipitació, la velocitat d'agitació, la plantilla, etc. Els mètodes comuns es basen en la precipitació d'ions ceri a partir de l'amoníac generat per la descomposició de la urea, i la preparació de microesferes de nanoceria està controlada per ions de citrat. Alternativament, els ions de ceri es poden precipitar per OH generat a partir de la hidròlisi del citrat de sodi, i després incubar i calcinar per preparar escates com microesferes de nanoceria.
1.3 Mètodes hidrotèrmics i solvotèrmics
Aquests dos mètodes fan referència al mètode de preparació de productes per reacció a alta temperatura i alta pressió a temperatura crítica en un sistema tancat. Quan el dissolvent de reacció és aigua, s'anomena mètode hidrotermal. En conseqüència, quan el dissolvent de reacció és un dissolvent orgànic, s'anomena mètode solvotèrmic. Les nanopartícules sintetitzades tenen partícules d'alta puresa, bona dispersió i uniformes, especialment les nanopols amb diferents morfologies o cares de cristall especials exposades. Dissoldre el clorur de ceri en aigua destil·lada, remenar i afegir una solució d'hidròxid de sodi. Reaccioneu hidrotermal a 170 ℃ durant 12 hores per preparar nanorodes d'òxid de ceri amb plans de cristall exposats (111) i (110). Ajustant les condicions de reacció, es pot augmentar la proporció de (110) plans de cristall en els plans de cristall exposats, millorant encara més la seva activitat catalítica. L'ajust del dissolvent de la reacció i dels lligands superficials també pot produir partícules de nanoceria amb hidrofilicitat o lipofilia especial. Per exemple, afegir ions acetat a la fase aquosa pot preparar nanopartícules d'òxid de ceri hidrofílic monodispers a l'aigua. Seleccionant un dissolvent no polar i introduint àcid oleic com a lligand durant la reacció, es poden preparar nanopartícules de ceria lipòfiles monodisperses en dissolvents orgànics no polars. (Vegeu la figura 1)
Figura 1 Nanoceria esfèrica monodispersa i nanoceria en forma de vareta
1.4 Mètode sol gel
El mètode sol gel és un mètode que utilitza alguns o diversos compostos com a precursors, realitza reaccions químiques com la hidròlisi en fase líquida per formar sol, i després forma gel després de l'envelliment, i finalment s'asseca i calcina per preparar pols ultrafines. Aquest mètode és especialment adequat per preparar nanomaterials compostos de nanoceria multicomponent altament dispersos, com ara ceri ferro, ceri titani, ceri zirconi i altres nanoòxids compostos, que s'han informat en molts informes.
1.5 Altres mètodes
A més dels mètodes anteriors, també hi ha mètode de micro loció, mètode de síntesi de microones, mètode d'electrodeposició, mètode de combustió de flama de plasma, mètode d'electròlisi de membrana d'intercanvi iònic i molts altres mètodes. Aquests mètodes tenen una gran importància per a la investigació i aplicació de la nanoceria.
Aplicació d'òxid de ceri de 2 nanòmetres en el tractament d'aigües
El ceri és l'element més abundant entre els elements de terres rares, amb preus baixos i àmplies aplicacions. La ceria nanomètrica i els seus compostos han cridat molt l'atenció en el camp del tractament d'aigües per la seva gran superfície específica, l'alta activitat catalítica i l'excel·lent estabilitat estructural.
2.1 Aplicació deNano òxid de cerien Tractament d'Aigües per Mètode d'Adsorció
En els darrers anys, amb el desenvolupament d'indústries com la indústria electrònica, s'ha abocat una gran quantitat d'aigües residuals que contenen contaminants com ara ions de metalls pesants i ions de fluor. Fins i tot a concentracions de traça, pot causar danys importants als organismes aquàtics i al medi de vida humà. Els mètodes més utilitzats inclouen l'oxidació, la flotació, l'osmosi inversa, l'adsorció, la nanofiltració, la biosorció, etc. Entre ells, la tecnologia d'adsorció s'adopta sovint a causa del seu funcionament senzill, baix cost i alta eficiència de tractament. Els materials nano CeO2 tenen una gran superfície específica i una gran activitat superficial com a adsorbents, i hi ha hagut molts informes sobre la síntesi de nano CeO2 porós i els seus materials compostos amb diferents morfologies per adsorbir i eliminar ions nocius de l'aigua.
La investigació ha demostrat que la nanoceria té una forta capacitat d'adsorció de F - a l'aigua en condicions àcides febles. En una solució amb una concentració inicial de F - de 100 mg/L i pH=5-6, la capacitat d'adsorció de F - és de 23 mg/g, i la taxa d'eliminació de F - és del 85,6%. Després de carregar-lo en una bola de resina d'àcid poliacrílic (quantitat de càrrega: 0,25 g/g), la capacitat d'eliminació de F - pot arribar a superar el 99% quan es tracta un volum igual de 100 mg/L de solució aquosa F; Quan es processa 120 vegades el volum, es pot eliminar més del 90% de F -. Quan s'utilitza per adsorbir fosfat i iodat, la capacitat d'adsorció pot arribar a superar els 100 mg/g en l'estat d'adsorció òptim corresponent. El material utilitzat es pot reutilitzar després d'un simple tractament de desorció i neutralització, que té grans beneficis econòmics.
Hi ha molts estudis sobre l'adsorció i el tractament de metalls pesants tòxics com l'arsènic, el crom, el cadmi i el plom utilitzant nanoceria i els seus materials compostos. El pH òptim d'adsorció varia per als ions de metalls pesants amb diferents estats de valència. Per exemple, la condició alcalina feble amb biaix neutre té el millor estat d'adsorció per a As (III), mentre que l'estat d'adsorció òptim per a As (V) s'aconsegueix en condicions àcides febles, on la capacitat d'adsorció pot arribar a superar els 110 mg/g en ambdós. condicions. En general, la síntesi optimitzada de nanoceria i els seus materials compostos pot aconseguir altes taxes d'adsorció i eliminació de diversos ions de metalls pesants en un ampli rang de pH.
D'altra banda, els nanomaterials basats en òxid de ceri també tenen un rendiment excel·lent en l'adsorció de substàncies orgàniques a les aigües residuals, com ara taronja àcida, rodamina B, vermell del Congo, etc. capacitat d'adsorció en l'eliminació de colorants orgànics, especialment en l'eliminació del vermell del Congo, amb una capacitat d'adsorció de 942,7 mg/g en 60 minuts.
2.2 Aplicació de la nanoceria en el procés d'oxidació avançat
Es proposa un procés d'oxidació avançat (AOPs) per millorar el sistema de tractament anhidre existent. El procés d'oxidació avançat, també conegut com a tecnologia d'oxidació profunda, es caracteritza per la producció de radical hidroxil (· OH), radical superòxid (· O2 -), oxigen singlet, etc. amb una forta capacitat d'oxidació. En condicions de reacció d'alta temperatura i pressió, electricitat, so, irradiació de llum, catalitzador, etc. Segons les diferents maneres de generar radicals lliures i condicions de reacció, es poden dividir en oxidació fotoquímica, oxidació humida catalítica, oxidació sonoquímica, ozó. oxidació, oxidació electroquímica, oxidació Fenton, etc. (vegeu la figura 2).
Figura 2 Classificació i combinació tecnològica del procés d'oxidació avançat
Nano ceriaés un catalitzador heterogeni que s'utilitza habitualment en processos d'oxidació avançada. A causa de la ràpida conversió entre Ce3 + i Ce4 + i el ràpid efecte d'oxidació-reducció provocat per l'absorció i l'alliberament d'oxigen, la nanoceria té una bona capacitat catalítica. Quan s'utilitza com a promotor de catalitzador, també pot millorar eficaçment la capacitat i l'estabilitat catalítica. Quan la nanoceria i els seus materials compostos s'utilitzen com a catalitzadors, les propietats catalítiques varien molt segons la morfologia, la mida de les partícules i els plans de cristall exposats, que són factors clau que afecten el seu rendiment i aplicació. En general, es creu que com més petites siguin les partícules i més gran sigui la superfície específica, més lloc actiu corresponent i més forta serà la capacitat catalítica. La capacitat catalítica de la superfície de cristall exposada, de forta a feble, és de l'ordre de (100) superfície de cristall>(110) superfície de cristall>(111) superfície de cristall, i l'estabilitat corresponent és oposada.
L'òxid de ceri és un material semiconductor. Quan l'òxid de ceri nanòmetre és irradiat per fotons amb una energia superior a la banda buida, els electrons de la banda de valència s'exciten i es produeix el comportament de recombinació de transició. Aquest comportament promourà la taxa de conversió de Ce3+ i Ce4+, donant lloc a una forta activitat fotocatalítica de la nanoceria. La fotocatàlisi pot aconseguir la degradació directa de la matèria orgànica sense contaminació secundària, per la qual cosa la seva aplicació és la tecnologia més estudiada en el camp de la nanoceria en AOP. En l'actualitat, l'enfocament principal se centra en el tractament de degradació catalítica de colorants azoïcs, fenol, clorobenzè i aigües residuals farmacèutiques mitjançant catalitzadors amb diferents morfologies i composicions compostes. Segons l'informe, sota el mètode de síntesi de catalitzador optimitzat i les condicions del model catalític, la capacitat de degradació d'aquestes substàncies pot arribar generalment a més del 80% i la capacitat d'eliminació del carboni orgànic total (TOC) pot arribar a més del 40%.
La catàlisi de nanoòxid de ceri per a la degradació de contaminants orgànics com l'ozó i el peròxid d'hidrogen és una altra tecnologia àmpliament estudiada. De manera similar a la fotocatàlisi, també se centra en la capacitat de la nanoceria amb diferents morfologies o plans de cristall i diferents oxidants catalítics compostos a base de ceri per oxidar i degradar contaminants orgànics. En aquestes reaccions, els catalitzadors poden catalitzar la generació d'un gran nombre de radicals actius a partir d'ozó o peròxid d'hidrogen, que ataquen els contaminants orgànics i aconsegueixen capacitats de degradació oxidativa més eficients. A causa de la introducció d'oxidants en la reacció, la capacitat d'eliminar els compostos orgànics es millora molt. En la majoria de reaccions, la taxa d'eliminació final de la substància objectiu pot arribar o aproximar-se al 100%, i la taxa d'eliminació de TOC també és més alta.
En el mètode d'oxidació avançada electrocatalítica, les propietats del material de l'ànode amb un sobrepotencial d'evolució d'oxigen alta determinen la selectivitat del mètode d'oxidació avançada electrocatalítica per tractar contaminants orgànics. El material del càtode és un factor important que determina la producció d'H2O2, i la producció d'H2O2 determina l'eficiència del mètode d'oxidació avançada electrocatalítica per al tractament de contaminants orgànics. L'estudi de la modificació del material dels elèctrodes mitjançant nanoceria ha rebut una atenció àmplia tant a nivell nacional com internacional. Els investigadors introdueixen principalment l'òxid de ceri nano i els seus materials compostos mitjançant diferents mètodes químics per modificar diferents materials d'elèctrode, millorar la seva activitat electroquímica i, per tant, augmentar l'activitat electrocatalítica i la taxa d'eliminació final.
El microones i els ultrasons són sovint mesures auxiliars importants per als models catalítics anteriors. Prenent com a exemple l'assistència ultrasònica, utilitzant ones sonores de vibració amb freqüències superiors a 25 kHz per segon, es generen milions de bombolles extremadament petites en una solució formulada amb un agent de neteja especialment dissenyat. Aquestes petites bombolles, durant la ràpida compressió i expansió, produeixen constantment una implosió de bombolles, permetent que els materials s'intercanviïn i difonguin ràpidament a la superfície del catalitzador, millorant sovint de manera exponencial l'eficiència catalítica.
3 Conclusió
La nanoceria i els seus materials compostos poden tractar eficaçment ions i contaminants orgànics a l'aigua, i tenen un potencial d'aplicació important en futurs camps de tractament d'aigua. No obstant això, la majoria de la investigació encara es troba en fase de laboratori i, per tal d'aconseguir una aplicació ràpida en el tractament de l'aigua en el futur, encara cal abordar amb urgència els problemes següents:
(1) El cost de preparació relativament elevat de nanoCeO2Els materials basats segueixen sent un factor important en la gran majoria de les seves aplicacions en el tractament d'aigües, que encara es troben en fase d'investigació de laboratori. L'exploració de mètodes de preparació de baix cost, senzills i efectius que puguin regular la morfologia i la mida dels materials basats en nano CeO2 encara és un focus de recerca.
(2) A causa de la petita mida de partícules dels materials basats en nano CeO2, els problemes de reciclatge i regeneració després de l'ús també són factors importants que limiten la seva aplicació. El seu compost amb materials de resina o materials magnètics serà una adreça de recerca clau per a la seva tecnologia de preparació i reciclatge de materials.
(3) El desenvolupament d'un procés conjunt entre la tecnologia de tractament d'aigua de materials basats en nano CeO2 i la tecnologia tradicional de tractament d'aigües residuals promourà en gran mesura l'aplicació de la tecnologia catalítica de materials basats en nano CeO2 en el camp del tractament d'aigües.
(4) Encara hi ha una investigació limitada sobre la toxicitat dels materials basats en nano CeO2, i encara no s'han determinat el seu comportament ambiental i el seu mecanisme de toxicitat en els sistemes de tractament d'aigua. El procés real de tractament d'aigües residuals sovint implica la coexistència de múltiples contaminants, i els contaminants coexistents interactuaran entre ells, canviant així les característiques superficials i la toxicitat potencial dels nanomaterials. Per tant, hi ha una necessitat urgent de dur a terme més investigacions sobre aspectes relacionats.
Hora de publicació: 22-maig-2023