Herstellung von Nano-Ceroxid und seine Anwendung in der Wasseraufbereitung

CeO2ist ein wichtiger Bestandteil von Seltenerdmaterialien. DerSeltenerdelement Cerhat eine einzigartige äußere elektronische Struktur – 4f15d16s2. Seine spezielle 4f-Schicht kann Elektronen effektiv speichern und abgeben, wodurch sich Cerionen im +3-Valenzzustand und im +4-Valenzzustand verhalten. Daher haben CeO2-Materialien mehr Sauerstofflöcher und eine hervorragende Fähigkeit, Sauerstoff zu speichern und abzugeben. Die gegenseitige Umwandlung von Ce (III) und Ce (IV) verleiht CeO2-Materialien auch einzigartige katalytische Oxidations-Reduktionsfähigkeiten. Im Vergleich zu Massenmaterialien hat Nano-CeO2 als neuartiges anorganisches Material aufgrund seiner hohen spezifischen Oberfläche, seiner hervorragenden Fähigkeit zur Sauerstoffspeicherung und -abgabe, der Sauerstoffionenleitfähigkeit, der Redoxleistung und der schnellen Diffusion von Sauerstoffleerstellen bei hohen Temperaturen große Aufmerksamkeit erhalten Fähigkeit. Derzeit gibt es eine Vielzahl von Forschungsberichten und verwandten Anwendungen, in denen Nano-CeO2 als Katalysatoren, Katalysatorträger oder -additive, aktive Komponenten und Adsorptionsmittel eingesetzt wird.

1. Herstellungsmethode des NanometersCeroxid

Derzeit umfassen die gängigen Herstellungsmethoden für Nano-Ceroxid hauptsächlich chemische Methoden und physikalische Methoden. Nach verschiedenen chemischen Methoden können chemische Methoden in Fällungsmethode, hydrothermale Methode, solvothermale Methode, Sol-Gel-Methode, Mikroemulsionsmethode und Elektroabscheidungsmethode unterteilt werden; Die physikalische Methode ist hauptsächlich die Schleifmethode.

 
1.1 Schleifmethode

Das Mahlverfahren zur Herstellung von Nano-Ceroxid verwendet im Allgemeinen Sandmahlen, was die Vorteile niedriger Kosten, Umweltfreundlichkeit, schneller Verarbeitungsgeschwindigkeit und starker Verarbeitungsfähigkeit bietet. Es ist derzeit die wichtigste Verarbeitungsmethode in der Nano-Ceroxid-Industrie. Beispielsweise erfolgt bei der Herstellung von Nano-Ceroxid-Polierpulver im Allgemeinen eine Kombination aus Kalzinierung und Sandmahlen, und die Rohstoffe von Denitrierungskatalysatoren auf Cerbasis werden ebenfalls zur Vorbehandlung gemischt oder nach der Kalzinierung durch Sandmahlen behandelt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Sand-Mahlperlenverhältnisse der Partikelgröße kann durch Anpassung Nano-Ceroxid mit einem D50-Wert im Bereich von mehreren zehn bis Hunderten von Nanometern erhalten werden.

 
1.2 Niederschlagsmethode

Die Fällungsmethode bezieht sich auf die Methode zur Herstellung fester Pulver durch Fällung, Trennung, Waschen, Trocknen und Kalzinieren von in geeigneten Lösungsmitteln gelösten Rohstoffen. Die Fällungsmethode wird häufig bei der Herstellung von seltenen Erden und dotierten Nanomaterialien eingesetzt und bietet Vorteile wie einen einfachen Herstellungsprozess, eine hohe Effizienz und niedrige Kosten. Es handelt sich um eine in der Industrie häufig verwendete Methode zur Herstellung von Nano-Ceroxid und seinen Verbundmaterialien. Mit dieser Methode kann Nano-Ceroxid mit unterschiedlicher Morphologie und Partikelgröße hergestellt werden, indem die Fällungstemperatur, die Materialkonzentration, der pH-Wert, die Fällungsgeschwindigkeit, die Rührgeschwindigkeit, das Templat usw. geändert werden. Gängige Methoden basieren auf der Fällung von Cerionen aus Ammoniak, das durch Harnstoffzersetzung entsteht. und die Herstellung von Nano-Ceroxid-Mikrokügelchen wird durch Citrationen gesteuert. Alternativ können Cerionen durch OH ausgefällt werden, das bei der Hydrolyse von Natriumcitrat entsteht, und dann inkubiert und kalziniert werden, um flockenartige Nano-Ceroxid-Mikrokügelchen herzustellen.

 
1.3 Hydrothermale und solvothermale Methoden

Diese beiden Methoden beziehen sich auf die Methode zur Herstellung von Produkten durch Hochtemperatur- und Hochdruckreaktion bei kritischer Temperatur in einem geschlossenen System. Wenn das Reaktionslösungsmittel Wasser ist, spricht man von einer hydrothermischen Methode. Wenn das Reaktionslösungsmittel ein organisches Lösungsmittel ist, spricht man entsprechend von einer Solvothermalmethode. Die synthetisierten Nanopartikel weisen eine hohe Reinheit, gute Dispersion und gleichmäßige Partikel auf, insbesondere die Nanopulver mit unterschiedlichen Morphologien oder freiliegenden speziellen Kristallflächen. Cerchlorid in destilliertem Wasser auflösen, umrühren und Natriumhydroxidlösung hinzufügen. Hydrothermale Reaktion bei 170 °C für 12 Stunden, um Ceroxid-Nanostäbe mit freiliegenden (111)- und (110)-Kristallebenen herzustellen. Durch Anpassung der Reaktionsbedingungen kann der Anteil der (110)-Kristallebenen an den freigelegten Kristallebenen erhöht werden, was deren katalytische Aktivität weiter steigert. Durch die Anpassung des Reaktionslösungsmittels und der Oberflächenliganden können auch Nano-Ceroxid-Partikel mit besonderer Hydrophilie oder Lipophilie erzeugt werden. Beispielsweise können durch Zugabe von Acetationen zur wässrigen Phase monodisperse hydrophile Ceroxid-Nanopartikel in Wasser hergestellt werden. Durch die Auswahl eines unpolaren Lösungsmittels und die Einführung von Ölsäure als Ligand während der Reaktion können monodisperse lipophile Ceroxid-Nanopartikel in unpolaren organischen Lösungsmitteln hergestellt werden. (Siehe Abbildung 1)

Abbildung 1 Monodisperses kugelförmiges Nano-Ceroxid und stäbchenförmiges Nano-Ceroxid

1.4 Sol-Gel-Methode

Bei der Sol-Gel-Methode handelt es sich um eine Methode, die einige oder mehrere Verbindungen als Vorläufer verwendet, chemische Reaktionen wie Hydrolyse in der flüssigen Phase durchführt, um Sol zu bilden, und dann nach der Alterung ein Gel bildet und schließlich trocknet und kalziniert, um ultrafeine Pulver herzustellen. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung hochdisperser Mehrkomponenten-Nano-Ceroxid-Verbundnanomaterialien wie Cereisen, Certitan, Cerzirkonium und anderen Verbundnanooxiden, über die in vielen Berichten berichtet wurde.

 
1.5 Andere Methoden

Zusätzlich zu den oben genannten Verfahren gibt es auch Mikrolotionsverfahren, Mikrowellensyntheseverfahren, Elektroabscheidungsverfahren, Plasmaflammenverbrennungsverfahren, Ionenaustauschmembran-Elektrolyseverfahren und viele andere Verfahren. Diese Methoden haben große Bedeutung für die Erforschung und Anwendung von Nano-Ceroxid.

 
Anwendung von 2-Nanometer-Ceroxid in der Wasseraufbereitung

Cer ist das am häufigsten vorkommende Element unter den Seltenerdelementen, mit niedrigen Preisen und breiten Anwendungsmöglichkeiten. Nanometer-Ceroxid und seine Verbundstoffe haben aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche, hohen katalytischen Aktivität und hervorragenden strukturellen Stabilität große Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung erregt.

 
2.1 Anwendung vonNano-Ceroxidin der Wasseraufbereitung durch Adsorptionsmethode

In den letzten Jahren wurden mit der Entwicklung von Industrien wie der Elektronikindustrie große Mengen an Abwasser eingeleitet, das Schadstoffe wie Schwermetallionen und Fluorionen enthielt. Selbst in Spurenkonzentrationen kann es Wasserorganismen und der menschlichen Lebensumgebung erheblichen Schaden zufügen. Zu den häufig verwendeten Methoden gehören Oxidation, Flotation, Umkehrosmose, Adsorption, Nanofiltration, Biosorption usw. Unter diesen wird die Adsorptionstechnologie aufgrund ihrer einfachen Bedienung, niedrigen Kosten und hohen Behandlungseffizienz häufig eingesetzt. Nano-CeO2-Materialien haben eine hohe spezifische Oberfläche und eine hohe Oberflächenaktivität als Adsorptionsmittel, und es gibt viele Berichte über die Synthese von porösem Nano-CeO2 und seinen Verbundmaterialien mit unterschiedlichen Morphologien, um schädliche Ionen aus Wasser zu adsorbieren und zu entfernen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Nano-Ceroxid unter schwach sauren Bedingungen eine starke Adsorptionskapazität für F in Wasser aufweist. In einer Lösung mit einer Anfangskonzentration von F – von 100 mg/L und einem pH-Wert von 5–6 beträgt die Adsorptionskapazität für F – 23 mg/g und die Entfernungsrate von F – beträgt 85,6 %. Nach dem Auftragen auf eine Polyacrylsäureharzkugel (Beladungsmenge: 0,25 g/g) kann die Fähigkeit zur Entfernung von F – über 99 % erreichen, wenn ein gleiches Volumen von 100 mg/l einer wässrigen F – Lösung behandelt wird; Bei der Verarbeitung des 120-fachen Volumens können mehr als 90 % F – entfernt werden. Bei der Adsorption von Phosphat und Jodat kann die Adsorptionskapazität im entsprechenden optimalen Adsorptionszustand über 100 mg/g erreichen. Das verwendete Material kann nach einer einfachen Desorptions- und Neutralisationsbehandlung wiederverwendet werden, was große wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.

Es gibt viele Studien zur Adsorption und Behandlung giftiger Schwermetalle wie Arsen, Chrom, Cadmium und Blei mithilfe von Nano-Ceroxid und seinen Verbundmaterialien. Der optimale Adsorptions-pH-Wert variiert für Schwermetallionen mit unterschiedlichen Wertigkeitszuständen. Beispielsweise weist der schwach alkalische Zustand mit neutraler Ausrichtung den besten Adsorptionszustand für As (III) auf, während der optimale Adsorptionszustand für As (V) unter schwach sauren Bedingungen erreicht wird, wo die Adsorptionskapazität unter beiden Bedingungen über 110 mg/g erreichen kann Bedingungen. Insgesamt können durch die optimierte Synthese von Nano-Ceroxid und seinen Verbundmaterialien hohe Adsorptions- und Entfernungsraten für verschiedene Schwermetallionen über einen weiten pH-Bereich erreicht werden.

Andererseits weisen Nanomaterialien auf Ceroxidbasis auch eine hervorragende Leistung bei der Adsorption organischer Stoffe im Abwasser auf, wie z. B. saures Orange, Rhodamin B, Kongorot usw. Beispielsweise weisen in bestehenden gemeldeten Fällen poröse Nano-Ceroxid-Kugeln, die durch elektrochemische Methoden hergestellt wurden, eine hohe Leistung auf Adsorptionskapazität bei der Entfernung organischer Farbstoffe, insbesondere bei der Entfernung von Kongorot, mit einer Adsorptionskapazität von 942,7 mg/g in 60 Minuten.

 
2.2 Anwendung von Nano-Ceroxid im fortgeschrittenen Oxidationsprozess

Zur Verbesserung des bestehenden wasserfreien Behandlungssystems wird ein fortschrittlicher Oxidationsprozess (kurz AOPs) vorgeschlagen. Der fortschrittliche Oxidationsprozess, auch Tiefenoxidationstechnologie genannt, zeichnet sich durch die Produktion von Hydroxylradikalen (· OH), Superoxidradikalen (· O2 -), Singulettsauerstoff usw. mit starker Oxidationsfähigkeit aus. Unter den Reaktionsbedingungen hoher Temperatur und hohem Druck, Elektrizität, Schall, Lichtbestrahlung, Katalysator usw. können sie je nach den verschiedenen Arten der Erzeugung freier Radikale und Reaktionsbedingungen in photochemische Oxidation, katalytische Nassoxidation, sonochemische Oxidation und Ozon unterteilt werden Oxidation, elektrochemische Oxidation, Fenton-Oxidation usw. (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Klassifizierung und Technologiekombination eines fortschrittlichen Oxidationsprozesses

Nano-Ceroxidist ein heterogener Katalysator, der häufig in fortgeschrittenen Oxidationsprozessen verwendet wird. Aufgrund der schnellen Umwandlung zwischen Ce3+ und Ce4+ und des schnellen Oxidations-Reduktions-Effekts durch Sauerstoffabsorption und -abgabe weist Nano-Ceroxid eine gute katalytische Fähigkeit auf. Wenn es als Katalysatorbeschleuniger verwendet wird, kann es auch die katalytische Fähigkeit und Stabilität effektiv verbessern. Wenn Nano-Ceroxid und seine Verbundmaterialien als Katalysatoren verwendet werden, variieren die katalytischen Eigenschaften stark je nach Morphologie, Partikelgröße und freiliegenden Kristallebenen, die Schlüsselfaktoren für ihre Leistung und Anwendung sind. Es wird allgemein angenommen, dass je kleiner die Partikel und je größer die spezifische Oberfläche sind, desto mehr entsprechende aktive Zentren sind vorhanden und die katalytische Fähigkeit ist umso stärker. Die katalytische Fähigkeit der freigelegten Kristalloberfläche liegt von stark bis schwach in der Größenordnung von (100) Kristalloberfläche > (110) Kristalloberfläche > (111) Kristalloberfläche, und die entsprechende Stabilität ist umgekehrt.

Ceroxid ist ein Halbleitermaterial. Wenn Nanometer-Ceroxid mit Photonen bestrahlt wird, deren Energie höher als die Bandlücke ist, werden die Valenzbandelektronen angeregt und es kommt zum Übergangsrekombinationsverhalten. Dieses Verhalten fördert die Umwandlungsrate von Ce3+ und Ce4+, was zu einer starken photokatalytischen Aktivität von Nano-Ceroxid führt. Durch die Photokatalyse kann ein direkter Abbau organischer Stoffe ohne Sekundärverschmutzung erreicht werden, daher ist ihre Anwendung die am besten untersuchte Technologie im Bereich Nano-Ceroxid in AOPs. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf der katalytischen Abbaubehandlung von Azofarbstoffen, Phenol, Chlorbenzol und pharmazeutischen Abwässern unter Verwendung von Katalysatoren mit unterschiedlichen Morphologien und Kompositzusammensetzungen. Dem Bericht zufolge kann unter der optimierten Katalysatorsynthesemethode und den katalytischen Modellbedingungen die Abbaukapazität dieser Substanzen im Allgemeinen mehr als 80 % erreichen, und die Entfernungskapazität des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) kann mehr als 40 % erreichen.

Die Nano-Ceroxid-Katalyse zum Abbau organischer Schadstoffe wie Ozon und Wasserstoffperoxid ist eine weitere umfassend untersuchte Technologie. Ähnlich wie bei der Photokatalyse konzentriert es sich auch auf die Fähigkeit von Nano-Ceroxid mit unterschiedlichen Morphologien oder Kristallebenen und verschiedenen zusammengesetzten katalytischen Oxidationsmitteln auf Cerbasis, organische Schadstoffe zu oxidieren und abzubauen. Bei solchen Reaktionen können Katalysatoren die Erzeugung einer großen Anzahl aktiver Radikale aus Ozon oder Wasserstoffperoxid katalysieren, die organische Schadstoffe angreifen und effizientere oxidative Abbaumöglichkeiten erreichen. Durch die Einführung von Oxidationsmitteln in die Reaktion wird die Fähigkeit zur Entfernung organischer Verbindungen erheblich verbessert. Bei den meisten Reaktionen kann die endgültige Entfernungsrate der Zielsubstanz 100 % erreichen oder annähern, und die TOC-Entfernungsrate ist ebenfalls höher.

Bei der elektrokatalytischen fortgeschrittenen Oxidationsmethode bestimmen die Eigenschaften des Anodenmaterials mit hohem Überpotential für die Sauerstoffentwicklung die Selektivität der elektrokatalytischen fortgeschrittenen Oxidationsmethode zur Behandlung organischer Schadstoffe. Das Kathodenmaterial ist ein wichtiger Faktor für die Produktion von H2O2, und die Produktion von H2O2 bestimmt die Effizienz der elektrokatalytischen fortgeschrittenen Oxidationsmethode zur Behandlung organischer Schadstoffe. Die Untersuchung der Modifikation von Elektrodenmaterial mithilfe von Nano-Ceroxid hat im In- und Ausland große Aufmerksamkeit erregt. Forscher führen Nano-Ceroxid und seine Verbundmaterialien hauptsächlich durch verschiedene chemische Methoden ein, um verschiedene Elektrodenmaterialien zu modifizieren, ihre elektrochemische Aktivität zu verbessern und dadurch die elektrokatalytische Aktivität und die endgültige Entfernungsrate zu erhöhen.

Mikrowelle und Ultraschall sind häufig wichtige Hilfsmaßnahmen für die oben genannten Katalysemodelle. Am Beispiel der Ultraschallunterstützung werden durch Vibrationsschallwellen mit Frequenzen über 25 kHz pro Sekunde Millionen extrem kleiner Bläschen in einer Lösung erzeugt, die mit einem speziell entwickelten Reinigungsmittel formuliert ist. Diese kleinen Blasen erzeugen während der schnellen Kompression und Expansion ständig eine Blasenimplosion, wodurch Materialien schnell ausgetauscht und auf der Katalysatoroberfläche diffundiert werden können, wodurch die katalytische Effizienz oft exponentiell verbessert wird.

 
3 Fazit

Nano-Ceroxid und seine Verbundmaterialien können Ionen und organische Schadstoffe im Wasser wirksam behandeln und haben ein wichtiges Anwendungspotenzial in zukünftigen Bereichen der Wasseraufbereitung. Die meisten Forschungsarbeiten befinden sich jedoch noch im Laborstadium, und um in Zukunft eine schnelle Anwendung in der Wasseraufbereitung zu erreichen, müssen folgende Probleme noch dringend angegangen werden:

(1) Die relativ hohen Herstellungskosten von NanoCeO2Bei der überwiegenden Mehrheit ihrer Anwendungen in der Wasseraufbereitung, die sich noch im Laborforschungsstadium befinden, bleiben Materialien auf Basis von Kohlenstoff ein wichtiger Faktor. Die Erforschung kostengünstiger, einfacher und effektiver Herstellungsmethoden, mit denen sich die Morphologie und Größe von Nano-CeO2-basierten Materialien regulieren lässt, steht nach wie vor im Mittelpunkt der Forschung.

(2) Aufgrund der geringen Partikelgröße von Nano-CeO2-basierten Materialien sind auch die Recycling- und Regenerationsprobleme nach der Verwendung wichtige Faktoren, die ihre Anwendung einschränken. Der Verbund mit Harzmaterialien oder magnetischen Materialien wird eine wichtige Forschungsrichtung für die Materialaufbereitungs- und Recyclingtechnologie sein.

(3) Die Entwicklung eines gemeinsamen Prozesses zwischen der Wasseraufbereitungstechnologie für Nano-CeO2-Materialien und der traditionellen Abwasserbehandlungstechnologie wird die Anwendung der katalytischen Technologie für Nano-CeO2-Materialien im Bereich der Wasseraufbereitung erheblich fördern.

(4) Die Forschung zur Toxizität von Nano-CeO2-basierten Materialien ist noch begrenzt, und ihr Umweltverhalten und ihr Toxizitätsmechanismus in Wasseraufbereitungssystemen sind noch nicht geklärt. Der eigentliche Abwasserbehandlungsprozess beinhaltet oft die Koexistenz mehrerer Schadstoffe, und die gleichzeitig vorhandenen Schadstoffe interagieren miteinander, wodurch sich die Oberflächeneigenschaften und die potenzielle Toxizität von Nanomaterialien verändern. Daher ist es dringend erforderlich, mehr Forschung zu verwandten Aspekten durchzuführen.