CeO2on haruldaste muldmetallide oluline komponent. Theharuldaste muldmetallide element tseeriumon ainulaadne välimine elektrooniline struktuur - 4f15d16s2. Selle spetsiaalne 4f kiht suudab tõhusalt salvestada ja vabastada elektrone, pannes tseeriumioonid käituma +3 valentsusolekus ja +4 valentsusolekus. Seetõttu on CeO2 materjalidel rohkem hapnikuauke ning neil on suurepärane võime hapnikku säilitada ja vabastada. Ce (III) ja Ce (IV) vastastikune muundamine annab ka CeO2 materjalidele ainulaadse oksüdatsiooni-redutseerimise katalüütilise võime. Võrreldes puistematerjalidega on nano-CeO2 kui uut tüüpi anorgaaniline materjal pälvinud laialdast tähelepanu tänu oma suurele eripinnale, suurepärasele hapniku säilitamise ja vabastamise võimele, hapnikuioonide juhtivusele, redoks-jõudlusele ja kõrgel temperatuuril hapnikuvakutsemise kiirele difusioonile. võime. Praegu on olemas suur hulk uurimisaruandeid ja nendega seotud rakendusi, mis kasutavad nano-CeO2 katalüsaatorite, katalüsaatorikandjate või lisaainetena, aktiivsete komponentide ja adsorbentidena.
1. Nanomeetri valmistamise meetodtseeriumoksiid
Praegu hõlmavad nanotseeria tavalised valmistamismeetodid peamiselt keemilist ja füüsikalist meetodit. Erinevate keemiliste meetodite järgi saab keemilised meetodid jagada sadestamismeetodiks, hüdrotermiliseks meetodiks, solvotermiliseks meetodiks, soolgeelimeetodiks, mikroemulsioonimeetodiks ja elektrosadestusmeetodiks; Füüsikaline meetod on peamiselt lihvimismeetod.
1.1 Lihvimismeetod
Nano tseeria valmistamise lihvimismeetodis kasutatakse tavaliselt liiva jahvatamist, mille eelisteks on madal hind, keskkonnasõbralikkus, kiire töötlemiskiirus ja tugev töötlemisvõime. See on praegu nanotseeriatööstuses kõige olulisem töötlemismeetod. Näiteks nano-tseeriumoksiidi poleerimispulbri valmistamisel kasutatakse tavaliselt kaltsineerimise ja liiva jahvatamise kombinatsiooni ning tseeriumipõhiste denitreerimiskatalüsaatorite toorained segatakse ka eeltöötluseks või töödeldakse pärast kaltsineerimist liiva jahvatamise teel. Erinevate osakeste suurusega liiva jahvatushelmeste suhteid kasutades saab reguleerimise teel saada nanotseeria, mille D50 on kümnetest kuni sadade nanomeetriteni.
1.2 Sadestamismeetod
Sadestamismeetod viitab tahke pulbri valmistamise meetodile sobivates lahustites lahustatud toorainete sadestamise, eraldamise, pesemise, kuivatamise ja kaltsineerimise teel. Sadestamismeetodit kasutatakse laialdaselt haruldaste muldmetallide ja legeeritud nanomaterjalide valmistamisel, millel on sellised eelised nagu lihtne ettevalmistusprotsess, kõrge efektiivsus ja madal hind. See on tavaliselt kasutatav meetod nanotseeria ja selle komposiitmaterjalide valmistamiseks tööstuses. Selle meetodi abil saab valmistada erineva morfoloogia ja osakeste suurusega nanotseeriat, muutes sademe temperatuuri, materjali kontsentratsiooni, pH väärtust, sadestamise kiirust, segamiskiirust, malli jne. Levinud meetodid põhinevad tseeriumioonide sadestamisel karbamiidi lagunemisel tekkivast ammoniaagist, ja nanotseeria mikrosfääride valmistamist kontrollivad tsitraadiioonid. Alternatiivina saab tseeriumioone sadestada naatriumtsitraadi hüdrolüüsil tekkinud OH-ga ning seejärel inkubeerida ja kaltsineerida, et valmistada helveste moodi nanotseeria mikrosfäärid.
1.3 Hüdrotermilised ja solvotermilised meetodid
Need kaks meetodit viitavad toodete valmistamise meetodile kõrgel temperatuuril ja kõrgsurve reaktsioonil kriitilisel temperatuuril suletud süsteemis. Kui reaktsiooni lahustiks on vesi, nimetatakse seda hüdrotermiliseks meetodiks. Vastavalt sellele, kui reaktsioonilahustiks on orgaaniline lahusti, nimetatakse seda solvotermiliseks meetodiks. Sünteesitud nanoosakestel on kõrge puhtusaste, hea dispersioon ja ühtlased osakesed, eriti erineva morfoloogiaga nanopulbrid või spetsiaalsed kristallpinnad. Lahustage tseeriumkloriid destilleeritud vees, segage ja lisage naatriumhüdroksiidi lahus. Reageerige hüdrotermiliselt temperatuuril 170 ℃ 12 tundi, et valmistada avatud (111) ja (110) kristalltasanditega tseeriumoksiidi nanovardad. Reaktsioonitingimuste reguleerimisega saab suurendada (110) kristallitasandite osakaalu avatud kristallitasandites, suurendades veelgi nende katalüütilist aktiivsust. Reaktsioonilahusti ja pinna ligandide reguleerimine võib samuti tekitada nanotseeriaosakesi, millel on eriline hüdrofiilsus või lipofiilsus. Näiteks atsetaadioonide lisamine vesifaasile võib valmistada vees monodispersseid hüdrofiilseid tseeriumoksiidi nanoosakesi. Valides mittepolaarse lahusti ja lisades reaktsiooni käigus ligandina oleiinhapet, saab mittepolaarsetes orgaanilistes lahustites valmistada monodispersseid lipofiilseid tseeria nanoosakesi. (Vt joonist 1)
Joonis 1 Monodispersne sfääriline nanotseeria ja vardakujuline nanotseerium
1.4 Soolgeeli meetod
Soolgeeli meetod on meetod, mis kasutab mõnda või mitut ühendit lähteainetena, viib läbi keemilisi reaktsioone, nagu hüdrolüüs vedelas faasis, moodustades sooli, ja moodustab pärast vananemist geeli ning lõpuks kuivatab ja kaltsineerib ülipeente pulbrite valmistamiseks. See meetod sobib eriti hästi hajutatud mitmekomponendiliste nanotseeria komposiitnanomaterjalide, nagu tseeriumraud, tseeriumtitaan, tseeriumtsirkoonium ja muud komposiitnanooksiidid, millest on teatatud paljudes aruannetes.
1.5 Muud meetodid
Lisaks ülaltoodud meetoditele on olemas ka mikrovedeliku meetod, mikrolaine sünteesi meetod, elektrosadestamise meetod, plasma leegi põlemismeetod, ioonvahetusmembraani elektrolüüsi meetod ja paljud teised meetodid. Nendel meetoditel on suur tähtsus nanotseeria uurimisel ja rakendamisel.
2 nanomeetrise tseeriumoksiidi kasutamine veetöötluses
Tseerium on haruldaste muldmetallide elementide hulgas kõige levinum element, millel on madal hind ja lai kasutusala. Nanomeetriline tseeria ja selle komposiidid on veetöötluse valdkonnas äratanud suurt tähelepanu tänu oma suurele eripinnale, kõrgele katalüütilisele aktiivsusele ja suurepärasele struktuurilisele stabiilsusele.
2.1 RakendamineNano tseeriumoksiidveetöötluses adsorptsioonimeetodil
Viimastel aastatel on selliste tööstusharude nagu elektroonikatööstus arenedes välja lastud suur hulk reovett, mis sisaldab saasteaineid nagu raskmetalliioonid ja fluorioonid. Isegi väikestes kontsentratsioonides võib see põhjustada olulist kahju veeorganismidele ja inimeste elukeskkonnale. Tavaliselt kasutatavad meetodid hõlmavad oksüdatsiooni, flotatsiooni, pöördosmoosi, adsorptsiooni, nanofiltratsiooni, biosorptsiooni jne. Nende hulgas kasutatakse adsorptsioonitehnoloogiat sageli selle lihtsa toimimise, madala hinna ja kõrge töötlemise efektiivsuse tõttu. Nano CeO2 materjalidel on adsorbentidena suur eripind ja kõrge pinnaaktiivsus ning on palju teateid poorse nano CeO2 ja selle erineva morfoloogiaga komposiitmaterjalide sünteesi kohta, et adsorbeerida ja eemaldada veest kahjulikke ioone.
Uuringud on näidanud, et nanotseeria omab nõrkade happelistes tingimustes vees tugevat F-adsorptsioonivõimet. Lahuses, mille F - algkontsentratsioon on 100 mg/L ja pH = 5-6, on F - adsorptsioonivõime 23 mg/g ja F - eemaldamise kiirus 85,6%. Pärast selle laadimist polüakrüülhappe vaigukuulile (laadimiskogus: 0,25 g/g) võib F - eemaldamisvõime ulatuda üle 99%, kui töödeldakse võrdses mahus 100 mg/l F - vesilahust; 120-kordse mahu töötlemisel saab eemaldada üle 90% F-st. Kui seda kasutatakse fosfaadi ja jodaadi adsorbeerimiseks, võib adsorptsioonivõime ulatuda üle 100 mg/g vastava optimaalse adsorptsioonioleku korral. Kasutatud materjali saab pärast lihtsat desorptsiooni- ja neutraliseerimistöötlust uuesti kasutada, millel on suur majanduslik kasu.
Toksiliste raskmetallide, nagu arseen, kroom, kaadmium ja plii, adsorptsiooni ja töötlemise kohta on tehtud palju uuringuid nanotseeria ja selle komposiitmaterjalide abil. Optimaalne adsorptsiooni pH on erineva valentsusolekuga raskmetalliioonide puhul erinev. Näiteks neutraalse nihkega nõrga leeliselise seisundi korral on As (III) jaoks parim adsorptsiooni olek, samas kui As (V) optimaalne adsorptsiooni olek saavutatakse nõrkades happelistes tingimustes, kus adsorptsioonivõime võib mõlema korral ulatuda üle 110 mg/g. tingimused. Üldiselt võib nanotseeria ja selle komposiitmaterjalide optimeeritud süntees saavutada erinevate raskmetallide ioonide kõrge adsorptsiooni ja eemaldamise kiiruse laias pH vahemikus.
Teisest küljest on tseeriumoksiidil põhinevatel nanomaterjalidel ka suurepärane võime adsorbeerida reovees orgaanilisi aineid, nagu happeoranž, rodamiin B, Kongo punane jne. Näiteks on teadaolevatel juhtudel elektrokeemiliste meetoditega valmistatud nanotseeria poorsed kerad kõrged. adsorptsioonivõime orgaaniliste värvainete eemaldamisel, eriti Kongo punase eemaldamisel, adsorptsioonivõimega 942,7 mg/g in 60 minutit.
2.2 Nanotseeria kasutamine täiustatud oksüdatsiooniprotsessis
Olemasoleva veevaba puhastussüsteemi täiustamiseks pakutakse välja täiustatud oksüdatsiooniprotsess (lühidalt AOP). Täiustatud oksüdatsiooniprotsessi, tuntud ka kui süvaoksüdatsioonitehnoloogiat, iseloomustab tugeva oksüdatsioonivõimega hüdroksüülradikaali (· OH), superoksiidradikaali (· O2 -), singlethapniku jne tootmine. Kõrge temperatuuri ja rõhu, elektri, heli, valguskiirguse, katalüsaatori jne reaktsioonitingimustes. Vastavalt erinevatele vabade radikaalide tekitamise viisidele ja reaktsioonitingimustele võib need jagada fotokeemiliseks oksüdatsiooniks, katalüütiliseks märgoksüdatsiooniks, sonokeemiliseks oksüdatsiooniks ja osooniks. oksüdatsioon, elektrokeemiline oksüdatsioon, Fentoni oksüdatsioon jne (vt joonis 2).
Joonis 2 Täiustatud oksüdatsiooniprotsessi klassifikatsioon ja tehnoloogia kombinatsioon
Nano tseeriaon heterogeenne katalüsaator, mida tavaliselt kasutatakse täiustatud oksüdatsiooniprotsessis. Tänu kiirele konversioonile Ce3+ ja Ce4+ vahel ning kiirele oksüdatsiooni-redutseerimise efektile, mille põhjustab hapniku neeldumine ja vabanemine, on nanotseerial hea katalüütiline võime. Katalüsaatori promootorina kasutamisel võib see ka tõhusalt parandada katalüütilist võimet ja stabiilsust. Kui nanotseeria ja selle komposiitmaterjale kasutatakse katalüsaatoritena, varieeruvad katalüütilised omadused suuresti sõltuvalt morfoloogiast, osakeste suurusest ja avatud kristallitasanditest, mis on nende jõudlust ja rakendust mõjutavad peamised tegurid. Üldiselt arvatakse, et mida väiksemad on osakesed ja mida suurem on eripind, seda rohkem on vastavat aktiivsaiti ja seda tugevam on katalüütiline võime. Avatud kristallipinna katalüütiline võime tugevast nõrgani on suurusjärgus (100) kristalli pind> (110) kristalli pind> (111) kristalli pind ja vastav stabiilsus on vastupidine.
Tseeriumoksiid on pooljuhtmaterjal. Kui nanomeetrilist tseeriumoksiidi kiiritatakse fotonitega, mille energia on suurem kui ribalaius, ergastuvad valentsriba elektronid ja toimub ülemineku rekombinatsiooni käitumine. Selline käitumine soodustab Ce3+ ja Ce4+ konversioonimäära, mille tulemuseks on nanotseeria tugev fotokatalüütiline aktiivsus. Fotokatalüüs võib saavutada orgaanilise aine otsese lagunemise ilma sekundaarse reostuseta, seega on selle rakendamine enim uuritud tehnoloogia nanotseeria valdkonnas AOP-des. Praegu keskendutakse peamiselt asovärvide, fenooli, klorobenseeni ja farmaatsiareovee katalüütilisele lagunemistöötlusele, kasutades erineva morfoloogia ja komposiitkoostistega katalüsaatoreid. Aruande kohaselt võib optimeeritud katalüsaatori sünteesimeetodi ja katalüütilise mudeli tingimustes nende ainete lagunemisvõime ulatuda üldiselt üle 80% ja kogu orgaanilise süsiniku (TOC) eemaldamisvõime ulatuda üle 40%.
Nanotseeriumoksiidi katalüüs orgaaniliste saasteainete, nagu osoon ja vesinikperoksiid, lagundamiseks on veel üks laialdaselt uuritud tehnoloogia. Sarnaselt fotokatalüüsiga keskendub see ka erineva morfoloogia või kristallitasandiga nanotseeria ja erinevate tseeriumipõhiste komposiitkatalüütiliste oksüdeerijate võimele oksüdeerida ja lagundada orgaanilisi saasteaineid. Sellistes reaktsioonides võivad katalüsaatorid katalüüsida osoonist või vesinikperoksiidist suure hulga aktiivsete radikaalide teket, mis ründavad orgaanilisi saasteaineid ja saavutavad tõhusama oksüdatiivse lagunemisvõime. Tänu oksüdeerijate lisamisele reaktsioonis suureneb oluliselt orgaaniliste ühendite eemaldamise võime. Enamikes reaktsioonides võib sihtaine lõplik eemaldamise määr ulatuda 100% või sellele läheneda ning TOC eemaldamise määr on samuti kõrgem.
Elektrokatalüütilise täiustatud oksüdatsioonimeetodi puhul määravad suure hapnikueralduse ülepotentsiaaliga anoodimaterjali omadused elektrokatalüütilise täiustatud oksüdatsioonimeetodi selektiivsuse orgaaniliste saasteainete töötlemisel. Katoodimaterjal on oluline tegur, mis määrab H2O2 tootmist ja H2O2 tootmine määrab elektrokatalüütilise täiustatud oksüdatsioonimeetodi efektiivsuse orgaaniliste saasteainete töötlemisel. Elektroodide materjali modifitseerimise uurimine nanotseeria abil on pälvinud laialdast tähelepanu nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt. Teadlased tutvustavad nano-tseeriumoksiidi ja selle komposiitmaterjale peamiselt erinevate keemiliste meetodite abil, et modifitseerida erinevaid elektroodide materjale, parandada nende elektrokeemilist aktiivsust ja seeläbi suurendada elektrokatalüütilist aktiivsust ja lõplikku eemaldamise kiirust.
Mikrolaineahi ja ultraheli on ülaltoodud katalüütiliste mudelite jaoks sageli olulised abimeetmed. Võttes näiteks ultraheli abi, kasutades vibratsioonihelilaineid, mille sagedus on üle 25 kHz sekundis, tekitatakse spetsiaalselt loodud puhastusvahendiga koostatud lahuses miljoneid äärmiselt väikeseid mullikesi. Need väikesed mullid tekitavad kiire kokkusurumise ja paisumise ajal pidevalt mullide lõhkemist, võimaldades materjalidel kiiresti katalüsaatori pinnale vahetada ja hajuda, parandades sageli katalüütilist efektiivsust eksponentsiaalselt.
3 Järeldus
Nanotseeria ja selle komposiitmaterjalid võivad tõhusalt töödelda vees olevaid ioone ja orgaanilisi saasteaineid ning neil on oluline kasutuspotentsiaal tulevastes veepuhastusvaldkondades. Enamik uuringuid on siiski veel laboratoorses staadiumis ja selleks, et tulevikus veepuhastuses kiiret rakendamist saavutada, tuleb kiiresti lahendada järgmised probleemid:
(1) Nano suhteliselt kõrge ettevalmistuskuluCeO2põhinevad materjalid jäävad oluliseks teguriks enamikus nende veepuhastusrakendustes, mis on veel laboriuuringute etapis. Odavate, lihtsate ja tõhusate valmistamismeetodite uurimine, mis võivad reguleerida nano-CeO2-põhiste materjalide morfoloogiat ja suurust, on endiselt uurimistöö keskmes.
(2) Kuna nano-CeO2-põhiste materjalide osakeste suurus on väike, on nende kasutamist piiravad olulised tegurid ka ringlussevõtu ja regenereerimise probleemid pärast kasutamist. Selle komposiit vaikmaterjalidega või magnetmaterjalidega on selle materjalide ettevalmistamise ja ringlussevõtu tehnoloogia peamine uurimissuund.
(3) Nano-CeO2-l põhineva materjali veepuhastustehnoloogia ja traditsioonilise reoveepuhastustehnoloogia ühisprotsessi väljatöötamine soodustab oluliselt nano-CeO2-põhise materjali katalüütilise tehnoloogia rakendamist veepuhastuse valdkonnas.
(4) Nano-CeO2-põhiste materjalide toksilisuse uuringuid on veel vähe ning nende keskkonnakäitumist ja toksilisuse mehhanismi veepuhastussüsteemides ei ole veel kindlaks tehtud. Tegelik reoveepuhastusprotsess hõlmab sageli mitme saasteaine kooseksisteerimist ja samaaegselt eksisteerivad saasteained interakteeruvad üksteisega, muutes seeläbi nanomaterjalide pinnaomadusi ja potentsiaalset toksilisust. Seetõttu on vaja kiiresti läbi viia rohkem uuringuid seotud aspektide kohta.
Postitusaeg: 22. mai-2023