CeO2er en vigtig bestanddel af sjældne jordarters materialer. Desjældne jordarters element ceriumhar en unik ydre elektronisk struktur - 4f15d16s2. Dets specielle 4f-lag kan effektivt lagre og frigive elektroner, hvilket får ceriumioner til at opføre sig i +3 valenstilstand og +4 valenstilstand. Derfor har CeO2-materialer flere ilthuller og har fremragende evne til at lagre og frigive ilt. Den gensidige omdannelse af Ce (III) og Ce (IV) giver også CeO2-materialer unikke oxidations-reduktionskatalytiske egenskaber. Sammenlignet med bulkmaterialer har nano CeO2, som en ny type uorganisk materiale, fået udbredt opmærksomhed på grund af dets høje specifikke overfladeareal, fremragende iltopbevarings- og frigivelsesevne, oxygenionledningsevne, redoxydelse og hurtige ilttomgangsdiffusion ved høje temperaturer evne. Der er i øjeblikket et stort antal forskningsrapporter og relaterede applikationer, der bruger nano CeO2 som katalysatorer, katalysatorbærere eller additiver, aktive komponenter og adsorbenter.
1. Fremstillingsmetode af nanometerceriumoxid
På nuværende tidspunkt omfatter de almindelige fremstillingsmetoder for nanocerium hovedsagelig kemisk metode og fysisk metode. Ifølge forskellige kemiske metoder kan kemiske metoder opdeles i udfældningsmetode, hydrotermisk metode, solvotermisk metode, solgelmetode, mikroemulsionsmetode og elektroaflejringsmetode; Den fysiske metode er hovedsageligt slibemetoden.
1.1 Slibemetode
Slibemetoden til fremstilling af nanoceria bruger generelt sandslibning, som har fordelene ved lave omkostninger, miljøvenlighed, hurtig forarbejdningshastighed og stærk forarbejdningsevne. Det er i øjeblikket den vigtigste forarbejdningsmetode i nanocerieindustrien. For eksempel anvender fremstillingen af nano-ceriumoxid-poleringspulver generelt en kombination af kalcinering og sandslibning, og råmaterialerne i ceriumbaserede denitreringskatalysatorer blandes også til forbehandling eller behandles efter kalcinering ved brug af sandslibning. Ved at bruge forskellige partikelstørrelsesforhold for sandslibningsperler kan nanoceriumoxid med D50 fra tiere til hundredvis af nanometer opnås gennem justering.
1.2 Nedbørsmetode
Udfældningsmetoden refererer til metoden til fremstilling af fast pulver ved udfældning, separation, vask, tørring og kalcinering af råmaterialer opløst i passende opløsningsmidler. Udfældningsmetoden anvendes i vid udstrækning til fremstilling af sjældne jordarter og dopede nanomaterialer, med fordele såsom enkel forberedelsesproces, høj effektivitet og lave omkostninger. Det er en almindeligt anvendt metode til fremstilling af nanocerium og dets kompositmaterialer i industrien. Denne metode kan fremstille nanocerium med forskellig morfologi og partikelstørrelse ved at ændre udfældningstemperaturen, materialekoncentrationen, pH-værdien, udfældningshastigheden, omrøringshastigheden, skabelonen osv. Almindelige metoder er afhængige af udfældningen af ceriumioner fra ammoniak genereret ved nedbrydning af urinstof, og fremstillingen af nano ceria mikrosfærer styres af citrationer. Alternativt kan ceriumioner udfældes af OH - genereret fra hydrolysen af natriumcitrat og derefter inkuberes og kalcineres for at fremstille flager som nano-cerium-mikrosfærer.
1.3 Hydrotermiske og solvotermiske metoder
Disse to metoder refererer til fremgangsmåden til fremstilling af produkter ved højtemperatur- og højtryksreaktion ved kritisk temperatur i et lukket system. Når reaktionsopløsningsmidlet er vand, kaldes det hydrotermisk metode. Tilsvarende, når reaktionsopløsningsmidlet er et organisk opløsningsmiddel, kaldes det solvotermisk metode. De syntetiserede nanopartikler har høj renhed, god spredning og ensartede partikler, især nanopulverne med forskellige morfologier eller eksponerede specielle krystalflader. Opløs ceriumchlorid i destilleret vand, omrør og tilsæt natriumhydroxidopløsning. Reager hydrotermisk ved 170 ℃ i 12 timer for at fremstille ceriumoxid nanorods med blotlagte (111) og (110) krystalplaner. Ved at justere reaktionsbetingelserne kan andelen af (110) krystalplaner i de eksponerede krystalplaner øges, hvilket yderligere øger deres katalytiske aktivitet. Justering af reaktionsopløsningsmidlet og overfladeligander kan også producere nanoceriumoxidpartikler med særlig hydrofilicitet eller lipofilicitet. For eksempel kan tilsætning af acetationer til den vandige fase fremstille monodisperse hydrofile ceriumoxidnanopartikler i vand. Ved at vælge et ikke-polært opløsningsmiddel og introducere oliesyre som en ligand under reaktionen kan monodisperse lipofile ceria-nanopartikler fremstilles i ikke-polære organiske opløsningsmidler. (Se figur 1)
Figur 1 Monodisperse sfæriske nanocerium og stavformet nanocerium
1.4 Sol gel metode
Sol-gelmetoden er en metode, der bruger nogle eller flere forbindelser som forstadier, udfører kemiske reaktioner såsom hydrolyse i væskefasen for at danne sol, og derefter danner gel efter ældning og til sidst tørrer og kalcinerer for at fremstille ultrafine pulvere. Denne metode er særligt velegnet til fremstilling af stærkt dispergerede multikomponent nanoceriumoxid-komposit nanomaterialer, såsom ceriumjern, ceriumtitanium, ceriumzirconium og andre sammensatte nanooxider, som er blevet rapporteret i mange rapporter.
1.5 Andre metoder
Ud over de ovennævnte metoder er der også mikrolotionmetode, mikrobølgesyntesemetode, elektroaflejringsmetode, plasmaflammeforbrændingsmetode, ionbytningsmembranelektrolysemetode og mange andre metoder. Disse metoder har stor betydning for forskning og anvendelse af nanocerium.
Anvendelse af 2-nanometer ceriumoxid i vandbehandling
Cerium er det mest udbredte element blandt sjældne jordarters grundstoffer, med lave priser og brede anvendelser. Nanometer ceria og dets kompositter har tiltrukket sig stor opmærksomhed inden for vandbehandling på grund af deres høje specifikke overfladeareal, høje katalytiske aktivitet og fremragende strukturelle stabilitet.
2.1 Anvendelse afNano ceriumoxidi vandbehandling ved adsorptionsmetode
I de senere år er der med udviklingen af industrier som elektronikindustrien blevet udledt en stor mængde spildevand indeholdende forurenende stoffer som tungmetalioner og fluorioner. Selv i sporkoncentrationer kan det forårsage betydelig skade på vandlevende organismer og det menneskelige livsmiljø. Almindeligt anvendte metoder omfatter oxidation, flotation, omvendt osmose, adsorption, nanofiltrering, biosorption osv. Blandt dem er adsorptionsteknologi ofte vedtaget på grund af dens enkle betjening, lave omkostninger og høje behandlingseffektivitet. Nano CeO2-materialer har et højt specifikt overfladeareal og høj overfladeaktivitet som adsorbenter, og der har været mange rapporter om syntesen af porøs nano CeO2 og dets kompositmaterialer med forskellige morfologier til at adsorbere og fjerne skadelige ioner fra vand.
Forskning har vist, at nanoceriumoxid har en stærk adsorptionskapacitet for F - i vand under svage sure forhold. I en opløsning med en startkoncentration på F - på 100 mg/L og pH=5-6 er adsorptionskapaciteten for F - 23 mg/g, og fjernelseshastigheden af F - er 85,6%. Efter påfyldning af den på en polyacrylsyreharpikskugle (påfyldningsmængde: 0,25g/g), kan fjernelsesevnen af F - nå over 99% ved behandling af et lige så stort volumen på 100mg/L F - vandig opløsning; Ved behandling af 120 gange volumen kan mere end 90 % af F - fjernes. Når det bruges til at adsorbere fosfat og iod, kan adsorptionskapaciteten nå over 100mg/g under den tilsvarende optimale adsorptionstilstand. Det brugte materiale kan genbruges efter simpel desorptions- og neutraliseringsbehandling, hvilket har store økonomiske fordele.
Der er mange undersøgelser af adsorption og behandling af giftige tungmetaller som arsen, krom, cadmium og bly ved hjælp af nanoceriumoxid og dets kompositmaterialer. Den optimale adsorptions-pH varierer for tungmetalioner med forskellige valenstilstande. For eksempel har den svage alkaliske tilstand med neutral bias den bedste adsorptionstilstand for As (III), mens den optimale adsorptionstilstand for As (V) opnås under svage sure forhold, hvor adsorptionskapaciteten kan nå over 110mg/g under både forhold. Samlet set kan den optimerede syntese af nanoceriumoxid og dets kompositmaterialer opnå høje adsorptions- og fjernelseshastigheder for forskellige tungmetalioner over et bredt pH-område.
På den anden side har ceriumoxidbaserede nanomaterialer også enestående ydeevne til at adsorbere organiske stoffer i spildevand, såsom sur orange, rhodamin B, Congo-rød osv. For eksempel, i eksisterende rapporterede tilfælde, har porøse nanocerium-sfærer fremstillet ved elektrokemiske metoder høje adsorptionskapacitet ved fjernelse af organiske farvestoffer, især ved fjernelse af Congo rødt, med en adsorptionskapacitet på 942,7 mg/g på 60 minutter.
2.2 Anvendelse af nanoceriumoxid i avanceret oxidationsproces
Avanceret oxidationsproces (forkortet AOP'er) foreslås for at forbedre det eksisterende vandfri behandlingssystem. Avanceret oxidationsproces, også kendt som dyb oxidationsteknologi, er kendetegnet ved produktion af hydroxylradikal (· OH), superoxidradikal (· O2 -), singlet-ilt osv. med stærk oxidationsevne. Under reaktionsbetingelserne høj temperatur og tryk, elektricitet, lyd, lysbestråling, katalysator osv. Ifølge de forskellige måder at generere frie radikaler og reaktionsbetingelser på, kan de opdeles i fotokemisk oxidation, katalytisk våd oxidation, sonochemistry oxidation, ozon oxidation, elektrokemisk oxidation, Fenton-oxidation osv. (se figur 2).
Figur 2 Klassificering og teknologi Kombination af avanceret oxidationsproces
Nano ceriaer en heterogen katalysator, der almindeligvis anvendes i avanceret oxidationsproces. På grund af den hurtige omdannelse mellem Ce3+ og Ce4+ og den hurtige oxidationsreduktionseffekt, der er forårsaget af iltabsorption og frigivelse, har nanoceriumoxid en god katalytisk evne. Når det bruges som katalysatorpromotor, kan det også effektivt forbedre den katalytiske evne og stabilitet. Når nanoceriumoxid og dets kompositmaterialer bruges som katalysatorer, varierer de katalytiske egenskaber meget med morfologien, partikelstørrelsen og eksponerede krystalplaner, som er nøglefaktorer, der påvirker deres ydeevne og anvendelse. Det antages generelt, at jo mindre partiklerne er og jo større det specifikke overfladeareal, jo mere tilsvarende aktivt sted, og jo stærkere er den katalytiske evne. Den katalytiske evne af den eksponerede krystaloverflade, fra stærk til svag, er i størrelsesordenen (100) krystaloverflade>(110) krystaloverflade>(111) krystaloverflade, og den tilsvarende stabilitet er modsat.
Ceriumoxid er et halvledermateriale. Når nanometer ceriumoxid bestråles af fotoner med energi højere end båndgabet, exciteres valensbåndets elektroner, og overgangsrekombinationsadfærden opstår. Denne adfærd vil fremme konverteringsraten for Ce3+ og Ce4+, hvilket resulterer i stærk fotokatalytisk aktivitet af nanoceriumoxid. Fotokatalyse kan opnå direkte nedbrydning af organisk stof uden sekundær forurening, så dens anvendelse er den mest undersøgte teknologi inden for nanoceriumoxid i AOP'er. På nuværende tidspunkt er hovedfokus på den katalytiske nedbrydningsbehandling af azofarvestoffer, phenol, chlorbenzen og farmaceutisk spildevand ved hjælp af katalysatorer med forskellige morfologier og sammensatte sammensætninger. Ifølge rapporten kan nedbrydningskapaciteten af disse stoffer under den optimerede katalysatorsyntesemetode og katalytiske modelbetingelser generelt nå mere end 80%, og fjernelseskapaciteten for Total Organic carbon (TOC) kan nå mere end 40%.
Nanoceriumoxidkatalyse til nedbrydning af organiske forurenende stoffer såsom ozon og hydrogenperoxid er en anden vidt undersøgt teknologi. I lighed med fotokatalyse fokuserer den også på evnen af nanoceriumoxid med forskellige morfologier eller krystalplaner og forskellige ceriumbaserede sammensatte katalytiske oxidanter til at oxidere og nedbryde organiske forurenende stoffer. I sådanne reaktioner kan katalysatorer katalysere dannelsen af et stort antal aktive radikaler fra ozon eller hydrogenperoxid, som angriber organiske forurenende stoffer og opnår mere effektive oxidative nedbrydningsevner. På grund af indførelsen af oxidanter i reaktionen er evnen til at fjerne organiske forbindelser stærkt forbedret. I de fleste reaktioner kan den endelige fjernelseshastighed af målstoffet nå eller nærme sig 100 %, og TOC-fjernelseshastigheden er også højere.
I den elektrokatalytiske avancerede oxidationsmetode bestemmer egenskaberne af anodematerialet med højt oxygenudviklingsoverpotentiale selektiviteten af den elektrokatalytiske avancerede oxidationsmetode til behandling af organiske forurenende stoffer. Katodematerialet er en vigtig faktor, der bestemmer produktionen af H2O2, og produktionen af H2O2 bestemmer effektiviteten af den elektrokatalytiske avancerede oxidationsmetode til behandling af organiske forurenende stoffer. Undersøgelsen af elektrodematerialemodifikation ved hjælp af nanoceriumoxid har fået bred opmærksomhed både nationalt og internationalt. Forskere introducerer hovedsageligt nanoceriumoxid og dets kompositmaterialer gennem forskellige kemiske metoder for at modificere forskellige elektrodematerialer, forbedre deres elektrokemiske aktivitet og derved øge den elektrokatalytiske aktivitet og den endelige fjernelseshastighed.
Mikrobølgeovn og ultralyd er ofte vigtige hjælpeforanstaltninger for ovennævnte katalytiske modeller. Ved at tage ultralydsassistance som et eksempel, ved at bruge vibrationslydbølger med frekvenser højere end 25kHz pr. sekund, genereres millioner af ekstremt små bobler i en opløsning formuleret med et specielt designet rengøringsmiddel. Disse små bobler producerer under hurtig kompression og ekspansion konstant bobleimplosion, hvilket tillader materialer hurtigt at udveksle og diffundere på katalysatoroverfladen, hvilket ofte eksponentielt forbedrer den katalytiske effektivitet.
3 Konklusion
Nano ceria og dets kompositmaterialer kan effektivt behandle ioner og organiske forurenende stoffer i vand og har et vigtigt anvendelsespotentiale i fremtidige vandbehandlingsområder. Det meste af forskningen er dog stadig på laboratoriestadiet, og for at opnå hurtig anvendelse i vandbehandling i fremtiden skal følgende spørgsmål stadig løses hurtigst muligt:
(1) De relativt høje forberedelsesomkostninger ved nanoCeO2Baserede materialer er fortsat en vigtig faktor i langt de fleste af deres anvendelser til vandbehandling, som stadig er i laboratorieforskningsstadiet. Udforskning af billige, enkle og effektive forberedelsesmetoder, der kan regulere morfologien og størrelsen af nano CeO2-baserede materialer, er stadig et fokus for forskning.
(2) På grund af den lille partikelstørrelse af nano CeO2-baserede materialer er genanvendelse og regenerering efter brug også vigtige faktorer, der begrænser deres anvendelse. Sammensætningen af det med harpiksmaterialer eller magnetiske materialer vil være en vigtig forskningsretning for dets materialeforberedelse og genbrugsteknologi.
(3) Udviklingen af en fælles proces mellem nano-CeO2-baseret materialevandbehandlingsteknologi og traditionel spildevandsbehandlingsteknologi vil i høj grad fremme anvendelsen af nano-CeO2-baseret materialekatalytisk teknologi inden for vandbehandling.
(4) Der er stadig begrænset forskning i toksiciteten af nano CeO2-baserede materialer, og deres miljøadfærd og toksicitetsmekanisme i vandbehandlingssystemer er endnu ikke fastlagt. Selve spildevandsbehandlingsprocessen involverer ofte sameksistens af flere forurenende stoffer, og de sameksisterende forurenende stoffer vil interagere med hinanden og derved ændre overfladekarakteristika og potentielle toksicitet af nanomaterialer. Derfor er der et presserende behov for at udføre mere forskning i relaterede aspekter.
Indlægstid: 22. maj 2023