CeO2lur arraroen materialen osagai garrantzitsua da. Thelur arraroen elementua zerioakanpoko egitura elektroniko berezia du - 4f15d16s2. Bere 4f geruza bereziak elektroiak modu eraginkorrean gorde eta askatu ditzake, zerio ioiak +3 balentzia egoeran eta +4 balentzia egoeran joka daitezen. Hori dela eta, CeO2 materialek oxigeno-zulo gehiago dituzte, eta oxigenoa gordetzeko eta askatzeko gaitasun bikaina dute. Ce (III) eta Ce (IV) elkarrekiko bihurketak CeO2 materialak oxidazio-erredukzio gaitasun katalitiko bereziak ematen ditu. Solteko materialekin alderatuta, nano CeO2-k, material inorganiko mota berri gisa, arreta zabala jaso du bere azalera espezifiko handiagatik, oxigeno biltegiratze eta askatzeko gaitasun bikainagatik, oxigeno ioien eroankortasunagatik, erredox errendimenduagatik eta tenperatura altuko oxigeno hutsunearen zabalkunde azkarragatik. gaitasuna. Gaur egun, ikerketa-txosten eta erlazionatutako aplikazio ugari daude nano CeO2 katalizatzaile, katalizatzaile-eramaile edo gehigarri, osagai aktibo eta xurgatzaile gisa erabiltzen dutenak.
1. Nanometroa prestatzeko metodoazerio oxidoa
Gaur egun, nano ceria prestatzeko metodo arruntek metodo kimikoa eta metodo fisikoa dituzte batez ere. Metodo kimiko desberdinen arabera, metodo kimikoak prezipitazio metodoa, metodo hidrotermala, metodo solbotermala, sol gel metodoa, mikroemultsio metodoa eta elektrodeposizio metodoa bereiz daitezke; Metodo fisikoa artezketa metodoa da batez ere.
1.1 Artezteko metodoa
Nano ceria prestatzeko artezteko metodoak, oro har, harea artezteko erabiltzen du, eta horrek abantailak ditu kostu baxua, ingurumena errespetatzen duena, prozesatzeko abiadura azkarra eta prozesatzeko gaitasun handia. Gaur egun nano ceriaren industrian prozesatzeko metodo garrantzitsuena da. Esate baterako, nano zerio oxidoa leuntzeko hautsaren prestaketan, oro har, kaltzifikazioa eta harea artezteko konbinazioa hartzen da, eta zerioan oinarritutako denitrazio katalizatzaileen lehengaiak ere nahasten dira aurretratamendurako edo kaltzionatu ondoren harea artezketa erabiliz. Partikulen tamainako harea artezteko aleen proportzio desberdinak erabiliz, doikuntzaren bidez hamarnatik ehunka nanometro bitarteko D50 nano ceria lor daiteke.
1.2 Prezipitazio-metodoa
Prezipitazio-metodoa hauts solidoa prestatzeko metodoari egiten zaio erreferentzia, disolbatzaile egokietan disolbatutako lehengaien prezipitazio, bereizketa, garbiketa, lehorketa eta kaltzifikazioaren bidez. Prezipitazio-metodoa oso erabilia da lur arraroak eta dopatutako nanomaterialak prestatzeko, prestaketa prozesu sinplea, eraginkortasun handia eta kostu baxua bezalako abantailak dituena. Industrian nano ceria eta bere material konposatuak prestatzeko erabili ohi den metodoa da. Metodo honek morfologia eta partikula tamaina ezberdineko nano ceria presta dezake prezipitazio-tenperatura, material-kontzentrazioa, pH-aren balioa, prezipitazio-abiadura, nahaste-abiadura, txantiloia eta abar aldatuz. Metodo arruntek urearen deskonposizioaren ondorioz sortutako amoniakoko cerio ioien prezipitazioan oinarritzen dira, eta nano ceria mikroesferen prestaketa zitrato ioien bidez kontrolatzen da. Bestela, zerio ioiak hauspeatu daitezke OH bidez - sodio zitratoaren hidrolisitik sortutakoa, eta gero inkubatu eta kaltzinatu egin daitezke nano ceria mikroesferak bezalako malutak prestatzeko.
1.3 Metodo hidrotermikoak eta solbotermikoak
Bi metodo hauek sistema itxi batean tenperatura altuko eta presio handiko erreakzioaren bidez produktuak prestatzeko metodoari egiten diote erreferentzia. Erreakzio-disolbatzailea ura denean, metodo hidrotermala deritzo. Era berean, erreakzio-disolbatzailea disolbatzaile organikoa denean, metodo solbotermikoa deritzo. Sintetizatutako nanopartikulek purutasun handia, sakabanaketa ona eta partikula uniformeak dituzte, batez ere morfologia desberdineko edo agerian dauden kristal-aurpegi bereziak dituzten nano-hautsak. Disolbatu zerio kloruroa ur destilatuan, nahastu eta gehitu sodio hidroxidoaren disoluzioa. Erreakzionatu hidrotermala 170 ℃-tan 12 orduz zerio oxidozko nanorodsak ageriko (111) eta (110) kristal-planoekin prestatzeko. Erreakzio-baldintzak egokituz, kristal-planoen (110) kristal-planoen proportzioa handitu daiteke kristal-planoetan, haien jarduera katalitikoa are gehiago hobetuz. Erreakzio-disolbatzailea eta gainazaleko ligandoak doitzeak hidrofilia edo lipofilia bereziko nano ceria-partikulak ere sor ditzake. Esaterako, fase urtsuari azetato ioiak gehitzeak zerio oxido hidrofilo monodispertsatutako nanopartikulak presta ditzake uretan. Disolbatzaile ez-polar bat hautatuz eta erreakzioan zehar azido oleikoa ligando gisa sartuz, zeriako nanopartikula lipofiliko monodispertsatuak disolbatzaile organiko ez-polarretan presta daitezke. (Ikus 1. irudia)
1. irudia Nano ceria esferikoa monodispertsatua eta hagatxo formako nano ceria
1.4 Sol gel metodoa
Sol gel metodoa aitzindari gisa konposatu batzuk edo batzuk erabiltzen dituen metodoa da, fase likidoan hidrolisia bezalako erreakzio kimikoak egiten dituena, sol sortzeko, eta, ondoren, zahartu ondoren gela eratzen du, eta, azkenik, lehortu eta kaltzionatu egiten ditu hauts ultrafinak prestatzeko. Metodo hau bereziki aproposa da oso sakabanatuta dauden osagai anitzeko nanozeriako nanomaterial konposatuak prestatzeko, hala nola zerio-burdina, zerio-titanioa, zerio-zirkonioa eta beste nano-oxido konposatuak, txosten askotan jakinarazi direnak.
1.5 Beste metodo batzuk
Goiko metodoez gain, mikro ukendu metodoa, mikrouhinen sintesia metodoa, elektrodeposizio metodoa, plasma sugarraren errekuntza metodoa, ion-truke mintzaren elektrolisi metodoa eta beste hainbat metodo daude. Metodo hauek garrantzi handia dute nano ceriaren ikerketan eta aplikazioan.
2 nanometroko zerio oxidoaren aplikazioa uraren tratamenduan
Zerioa lur arraroen elementuen artean elementurik ugariena da, prezio baxuekin eta aplikazio zabalekin. Nanometro ceriak eta bere konpositeek arreta handia erakarri dute uren tratamenduaren arloan, azalera espezifiko handiagatik, jarduera katalitiko handiagatik eta egitura-egonkortasun bikainagatik.
2.1-ren aplikazioaNano cerio oxidoaAdsortzio Metodoaren Uraren Tratamenduan
Azken urteotan, industria elektronikoa bezalako industrien garapenarekin, metal astunak eta fluor ioiak bezalako kutsatzaileak dituzten hondakin-ur kopuru handia isuri da. Aztarna-kontzentrazioetan ere, kalte handiak eragin ditzake uretako organismoetan eta gizakion bizi-ingurunean. Gehien erabiltzen diren metodoak honako hauek dira: oxidazioa, flotazioa, alderantzizko osmosia, adsortzioa, nanoiragazkia, biozurgapena, etab. Horien artean, adsortzio-teknologia sarritan hartzen da funtzionamendu sinpleagatik, kostu baxuagatik eta tratamenduaren eraginkortasun handiagatik. Nano CeO2 materialek gainazal espezifiko handia eta gainazal-jarduera handia dute xurgatzaile gisa, eta hainbat txosten egin dira nano CeO2 porotsuen eta bere material konposatuen morfologia ezberdinekin uraren ioi kaltegarriak xurgatzeko eta kentzeko.
Ikerketek frogatu dute nano ceriak adsortzio ahalmen handia duela F - uretan baldintza azido ahuletan. F-ren hasierako kontzentrazioa 100mg/L eta pH=5-6 duen disoluzio batean, F-ren adsortzio-ahalmena 23mg/g-koa da eta F-ren kentze-tasa % 85,6koa da. Azido poliakrilikoko erretxina bola batean kargatu ondoren (karga-kopurua: 0,25 g/g), F - kentzeko gaitasuna % 99tik gora irits daiteke 100 mg/L F - ur-soluzio bolumen berdina tratatzean; Bolumena 120 aldiz prozesatzen denean, F-ren % 90 baino gehiago kendu daiteke. Fosfatoa eta iodatoa xurgatzeko erabiltzen denean, adsortzio-ahalmena 100 mg/g-tik gora irits daiteke dagokion adsortzio-egoera optimoan. Erabilitako materiala desortzio eta neutralizazio tratamendu sinplearen ondoren berrerabili daiteke, eta horrek onura ekonomiko handiak ditu.
Metal astun toxikoen adsortzioari eta tratamenduari buruzko ikerketa asko daude, hala nola, artsenikoa, kromoa, kadmioa eta beruna, nano ceria eta bere material konposatuak erabiliz. Adsortzio pH optimoa balentzia-egoera desberdinak dituzten metal astunen ioientzat aldatzen da. Adibidez, alborapen neutroa duen baldintza alkalino ahulak As (III) adsortzio-egoera onena du, As (V) adsortzio-egoera optimoa baldintza azido ahuletan lortzen den bitartean, non adsortzio-ahalmena 110 mg/g-tik gorakoa izan daitekeen bietan. baldintzak. Orokorrean, nano ceriaren eta bere material konposatuen sintesi optimizatuak adsortzio- eta kentze-tasa handiak lor ditzakete hainbat metal astun ioi pH sorta zabal batean.
Bestalde, zerio oxidoan oinarritutako nanomaterialek ere errendimendu bikaina dute hondakin-uretan organikoak xurgatzeko, hala nola laranja azidoa, B rodamina, Kongo gorria, etab. Esaterako, jakinarazi diren kasuetan, metodo elektrokimikoen bidez prestatutako nanozeriako esfera porotsuek altua dute. koloratzaile organikoak kentzean adsortzio-ahalmena, batez ere Kongoko gorria kentzean, adsortzio-ahalmena duena. 942,7 mg/g 60 minututan.
2.2 Nano ceriaren aplikazioa oxidazio prozesu aurreratuan
Oxidazio prozesu aurreratua (AOPak laburbilduz) dagoen tratamendu sistema anhidroa hobetzeko proposatzen da. Oxidazio-prozesu aurreratua, oxidazio sakoneko teknologia bezala ere ezagutzen dena, hidroxilo erradikal (· OH), superoxido erradikal (· O2 -), oxigeno singlet eta abar ekoizten ditu, oxidazio-gaitasun handiarekin. Tenperatura eta presio handiko erreakzio baldintzetan, elektrizitatea, soinua, argi irradiazioa, katalizatzailea, etab. Erradikal askeak eta erreakzio baldintzen arabera, oxidazio fotokimikoa, oxidazio katalitiko hezea, sonokimika oxidazioa, ozonoa bereiz daitezke. oxidazioa, oxidazio elektrokimikoa, Fenton oxidazioa, etab. (ikus 2. irudia).
2. Irudia Oxidazio-prozesu aurreratuaren sailkapena eta teknologia-konbinazioa
Nano ceriaoxidazio-prozesu aurreratuan erabili ohi den katalizatzaile heterogeneoa da. Ce3+ eta Ce4+-ren arteko bihurketa azkarra eta oxigeno xurgapen eta askapenak eragindako oxidazio-erredukzio efektu azkarra dela eta, nano ceriak gaitasun katalitiko ona du. Katalizatzaile sustatzaile gisa erabiltzen denean, gaitasun katalitikoa eta egonkortasuna modu eraginkorrean hobetu ditzake. Nano ceria eta bere material konposatuak katalizatzaile gisa erabiltzen direnean, propietate katalitikoak asko aldatzen dira morfologiarekin, partikulen tamainarekin eta agerian dauden kristal-planoekin, hauek errendimenduan eta aplikazioan eragiten duten funtsezko faktoreak baitira. Uste da, oro har, zenbat eta txikiagoak izan partikulak eta zenbat eta azalera espezifiko handiagoa izan, orduan eta gune aktiboago dagokio eta orduan eta gaitasun katalitiko indartsuagoa izango da. Agerian dagoen kristalaren gainazalaren gaitasun katalitikoa, sendotik ahulera, (100) kristal-azalera>(110) kristal-azalera>(111) kristal-azalera ordenakoa da, eta dagokion egonkortasuna kontrakoa da.
Zerio oxidoa material erdieroalea da. Nanometroko zerio oxidoa banda-hutsunea baino energia handiagoa duten fotoiek irradiatzen dutenean, balentzia-bandako elektroiak kitzikatu egiten dira eta trantsizio birkonbinazio-portaera gertatzen da. Jokabide honek Ce3+ eta Ce4+-ren bihurketa-tasa sustatuko du, eta, ondorioz, nano ceriaren jarduera fotokatalitiko indartsua izango da. Fotokatalisiak materia organikoaren degradazio zuzena lor dezake bigarren mailako kutsadurarik gabe, beraz, bere aplikazioa AOPetan nanozeriaren alorrean gehien aztertutako teknologia da. Gaur egun, koloratzaile azoikoen, fenolaren, klorobentzenoaren eta hondakin-uren farmazia-uren degradazio katalitikoko tratamendua da ardatz nagusia, morfologia eta konposizio konposatu desberdinak dituzten katalizatzaileak erabiliz. Txostenaren arabera, optimizatutako katalizatzaileen sintesi-metodoaren eta eredu katalitikoen baldintzen arabera, substantzia horien degradazio-ahalmena, oro har, % 80 baino gehiago irits daiteke eta Karbono organiko osoa (TOC) kentzeko ahalmena % 40 baino gehiago irits daiteke.
Ozonoa eta hidrogeno peroxidoa bezalako kutsatzaile organikoak degradatzeko nanozerio oxidoaren katalisia oso aztertutako beste teknologia bat da. Fotokatalisiaren antzera, morfologia edo kristal-plano ezberdinekin eta zerioan oinarritutako oxidatzaile katalitiko konposatu desberdinekin kutsatzaile organikoak oxidatzeko eta degradatzeko gaitasunean zentratzen da. Horrelako erreakzioetan, katalizatzaileek ozonotik edo hidrogeno peroxidotik erradikal aktibo ugari sortzea kataliza dezakete, zeinak kutsatzaile organikoei erasotzen diete eta degradazio oxidatiboko gaitasun eraginkorragoak lortzen dituzte. Erreakzioan oxidatzaileak sartzearen ondorioz, konposatu organikoak kentzeko gaitasuna asko hobetzen da. Erreakzio gehienetan, xede-substantziaren azken kentze-tasa % 100era iritsi edo hurbil daiteke, eta TOC-a kentzeko tasa ere handiagoa da.
Oxidazio aurreratu elektrokatalitikoko metodoan, oxigeno-eboluzio handiko potentzial handiko anodo-materialaren propietateek poluitzaile organikoak tratatzeko oxidazio-metodo aurreratu elektrokatalitikoaren selektibitatea zehazten dute. Katodoaren materiala faktore garrantzitsua da H2O2-ren ekoizpena zehazten duena, eta H2O2-ren ekoizpenak kutsatzaile organikoak tratatzeko oxidazio-metodo aurreratu elektrokatalitikoaren eraginkortasuna zehazten du. Nano ceria erabiliz elektrodoen materialaren aldaketaren azterketak arreta zabala jaso du bai nazioartean bai nazioartean. Ikertzaileek, batez ere, nano cerio oxidoa eta bere material konposatuak metodo kimiko desberdinen bidez sartzen dituzte elektrodoen material desberdinak aldatzeko, haien jarduera elektrokimikoa hobetzeko eta, horrela, jarduera elektrokatalitikoa eta azken kentze-tasa handitzeko.
Mikrouhinak eta ultrasoinuak neurri osagarri garrantzitsuak izan ohi dira goiko eredu katalitikoetarako. Ultrasoinu-laguntza adibide gisa hartuta, segundoko 25 kHz baino maiztasun handiagoa duten bibrazio soinu-uhinak erabiliz, milioika burbuila oso txiki sortzen dira bereziki diseinatutako garbiketa-agente batekin formulatutako soluzio batean. Burbuila txiki hauek, konpresio eta hedapen azkarrean, etengabe burbuilen inplosioa sortzen dute, materialak azkar trukatu eta katalizatzailearen gainazalean hedatzea ahalbidetuz, askotan eraginkortasun katalitikoa esponentzialki hobetuz.
3 Ondorioa
Nano ceriak eta bere material konposatuek modu eraginkorrean trata ditzakete uretako ioiak eta kutsatzaile organikoak, eta aplikazio potentzial garrantzitsua dute etorkizuneko uraren tratamendu-eremuetan. Hala ere, ikerketa gehienak laborategi-fasean daude oraindik, eta etorkizunean ur-tratamenduan aplikazio azkarra lortzeko, honako gai hauek urgentziaz jorratu behar dira:
(1) Nanoaren prestaketa kostu nahiko altuaCeO2Oinarritutako materialek faktore garrantzitsua izaten jarraitzen dute uraren tratamenduan dituzten aplikazio gehienetan, oraindik laborategiko ikerketa fasean daudenak. Nano CeO2 oinarritutako materialen morfologia eta tamaina erregula dezaketen prestaketa-metodo merkeak, errazak eta eraginkorrak aztertzea oraindik ikerketaren ardatza da.
(2) Nano CeO2 oinarritutako materialen partikula tamaina txikia denez, erabili ondoren birziklatzeko eta birsortzeko arazoak ere faktore garrantzitsuak dira haien aplikazioa mugatzen duten. Erretxinazko materialekin edo material magnetikoekin duen konposatua ikerketaren funtsezko norabidea izango da materiala prestatzeko eta birziklatzeko teknologiarako.
(3) Nano CeO2 oinarritutako materialaren urak tratatzeko teknologiaren eta ohiko ur zikinen tratamenduaren teknologiaren arteko prozesu bateratua garatzeak asko sustatuko du nano CeO2 oinarritutako material katalitikoen teknologiaren aplikazioa uraren tratamenduaren arloan.
(4) Oraindik ikerketa mugatua dago nano CeO2 oinarritutako materialen toxikotasunari buruz, eta oraindik ez dira zehaztu urak tratatzeko sistemetan duten ingurumen-portaera eta toxikotasun-mekanismoa. Benetako ur zikinen tratamendu-prozesuak kutsatzaile anitzen elkarbizitza dakar maiz, eta elkarrekin bizi diren kutsatzaileek elkarri eragingo diote, eta horrela nanomaterialen gainazaleko ezaugarriak eta balizko toxikotasuna aldatuko dira. Horregatik, premiazkoa da erlazionatutako alderdiei buruzko ikerketa gehiago egitea.
Argitalpenaren ordua: 2023-05-22