CEO2est un élément important des matériaux de terres rares. Leélément de terre rare cériumA une structure électronique externe unique - 4F15D16S2. Sa couche 4F spéciale peut stocker et libérer efficacement les électrons, ce qui rend les ions de cérium se comporter dans l'état de valence + 3 et le + 4 état de valence. Par conséquent, les matériaux CEO2 ont plus de trous d'oxygène et ont une excellente capacité de stocker et de libérer de l'oxygène. La conversion mutuelle des CE (III) et CE (IV) associe également des matériaux CEO2 avec des capacités catalytiques uniques d'oxydation-réduction. Par rapport aux matériaux en vrac, Nano CEO2, en tant que nouveau type de matériau inorganique, a reçu une attention généralisée en raison de sa surface spécifique élevée, de sa surface et de sa capacité de libération d'oxygène, de la conductivité des ions d'oxygène, de ses performances redox et de sa capacité de diffusion rapide d'oxygène à haute température. Il existe actuellement un grand nombre de rapports de recherche et d'applications connexes utilisant Nano CEO2 comme catalyseurs, opérateurs de catalyseurs ou additifs, composants actifs et adsorbants.
1. Méthode de préparation du nanomètreoxyde de cérium
À l'heure actuelle, les méthodes de préparation courantes pour Nano Ceria incluent principalement la méthode chimique et la méthode physique. Selon différentes méthodes chimiques, les méthodes chimiques peuvent être divisées en méthode de précipitation, méthode hydrothermale, méthode solvothermale, méthode Sol Gel, méthode de microémulsion et méthode d'électrodéposition; La méthode physique est principalement la méthode de broyage.
1.1 Méthode de broyage
La méthode de broyage pour préparer Nano Ceria utilise généralement du broyage de sable, qui présente les avantages du faible coût, de la convivialité environnementale, de la vitesse de traitement rapide et de la forte capacité de traitement. Il s'agit actuellement de la méthode de traitement la plus importante de l'industrie Nano Ceria. Par exemple, la préparation de la poudre de polissage à l'oxyde de cérium nano adopte généralement une combinaison de calcination et de broyage de sable, et les matières premières des catalyseurs de dénitration à base de cérium sont également mélangées pour le prétraitement ou traitées après calcination à l'aide de broyage de sable. En utilisant différents rapports de meulage de sable de taille de particules, Nano Ceria avec D50 allant de dizaines à des centaines de nanomètres peut être obtenu par ajustement.
1.2 Méthode des précipitations
La méthode des précipitations fait référence à la méthode de préparation de la poudre solide par précipitation, séparation, lavage, séchage et calcination des matières premières dissous dans des solvants appropriés. La méthode des précipitations est largement utilisée dans la préparation des terres rares et des nanomatériaux dopés, avec des avantages tels que le processus de préparation simple, une efficacité élevée et un faible coût. Il s'agit d'une méthode couramment utilisée pour préparer Nano Ceria et ses matériaux composites dans l'industrie. Cette méthode peut préparer Nano Ceria avec une morphologie et une taille de particules différentes en modifiant la température des précipitations, la concentration de matériau, la valeur du pH, la vitesse de précipitation, la vitesse d'agitation, le modèle, etc. Les méthodes courantes reposent sur la précipitation des ions de cérium à partir de l'ammoniac généré par la décomposition d'urée, et la préparation des microsphères Nano Ceria est contrôlée par les ions citrate. Alternativement, les ions de cérium peuvent être précipités par l'OH - généré par l'hydrolyse du citrate de sodium, puis incubé et calciné pour préparer le flocon comme les microsphères Nano Ceria.
1.3 Méthodes hydrothermales et solvothermales
Ces deux méthodes se réfèrent à la méthode de préparation des produits par réaction à haute température et à haute pression à température critique dans un système fermé. Lorsque le solvant de réaction est de l'eau, il est appelé méthode hydrothermale. De même, lorsque le solvant de réaction est un solvant organique, il est appelé méthode solvothermale. Les nano particules synthétisées ont une pureté élevée, une bonne dispersion et des particules uniformes, en particulier les nano poudres avec différentes morphologies ou des faces cristallines spéciales exposées. Dissoudre le chlorure de cérium dans de l'eau distillée, remuer et ajouter une solution d'hydroxyde de sodium. Réagir hydrothermal à 170 ℃ pendant 12 heures pour préparer des nanorodes d'oxyde de cérium avec des plans cristallins exposés (111) et (110). En ajustant les conditions de réaction, la proportion de (110) plans cristallins dans les plans cristallins exposés peut être augmenté, améliorant davantage leur activité catalytique. L'ajustement du solvant de réaction et des ligands de surface peut également produire des particules de nano céria avec une hydrophilicité spéciale ou une lipophilicité. Par exemple, l'ajout d'ions acétate à la phase aqueuse peut préparer des nanoparticules d'oxyde de cérium hydrophile monodisperse dans l'eau. En sélectionnant un solvant non polaire et en introduisant l'acide oléique comme ligand pendant la réaction, les nanoparticules de céria lipophiles monodisperse peuvent être préparées dans des solvants organiques non polaires. (Voir figure 1)
Figure 1 Nano Ceria sphérique monodispersée et nano-céria en forme de tige
1.4 Méthode Sol Gel
La méthode Sol Gel est une méthode qui utilise certains ou plusieurs composés comme précurseurs, mène des réactions chimiques telles que l'hydrolyse dans la phase liquide pour former SOL, puis forme du gel après vieillissement, et enfin des Drys et des calcines pour préparer des poudres ultrafines. Cette méthode est particulièrement adaptée pour préparer des nanomatériaux composites multi-composants très dispersés, tels que le fer de cérium, le titane de cérium, le zirconium de cérium et d'autres nano-oxydes composites, qui ont été rapportés dans de nombreux rapports.
1.5 Autres méthodes
En plus des méthodes ci-dessus, il existe également une méthode de micro-lotion, une méthode de synthèse de micro-ondes, une méthode d'électrodéposition, une méthode de combustion de flammes de plasma, une méthode d'électrolyse de la membrane d'échange d'ions et de nombreuses autres méthodes. Ces méthodes ont une grande importance pour la recherche et l'application de Nano Ceria.
Application de l'oxyde de cérium à 2 nanomètres dans le traitement de l'eau
Le cérium est l'élément le plus abondant parmi les éléments des terres rares, avec des prix bas et des applications larges. Le nanomètre Ceria et ses composites ont attiré beaucoup d'attention dans le domaine du traitement de l'eau en raison de leur surface spécifique élevée, de leur grande activité catalytique et de leur excellente stabilité structurelle.
2.1 Application deNano-oxyde de cériumdans le traitement de l'eau par méthode d'adsorption
Ces dernières années, avec le développement d'industries telles que l'industrie de l'électronique, une grande quantité d'eaux usées contenant des polluants telles que les ions de métaux lourds et les ions fluors a été libérée. Même aux concentrations de traces, cela peut nuire significatif aux organismes aquatiques et à l'environnement de vie humain. Les méthodes couramment utilisées comprennent l'oxydation, la flottation, l'osmose inverse, l'adsorption, la nanofiltration, la biosorption, etc. Parmi lesquelles, la technologie d'adsorption est souvent adoptée en raison de son fonctionnement simple, de son faible coût et de son efficacité de traitement élevée. Les matériaux Nano CEO2 ont une surface spécifique élevée et une activité de surface élevée en tant qu'adsorbants, et il y a eu de nombreux rapports sur la synthèse de Nano CEO2 poreux et de ses matériaux composites avec différentes morphologies pour adsorber et éliminer les ions nocifs de l'eau.
La recherche a montré que Nano Ceria a une forte capacité d'adsorption de F - dans l'eau dans des conditions acides faibles. Dans une solution avec une concentration initiale de F - de 100 mg / L et pH = 5-6, la capacité d'adsorption pour F - est de 23 mg / g, et le taux d'élimination de F - est de 85,6%. Après l'avoir chargé sur une boule de résine à acide polyacrylique (quantité de chargement: 0,25 g / g), la capacité d'élimination de F - peut atteindre plus de 99% lors du traitement d'un volume égal de 100 mg / L de solution f-aqueuse; Lors du traitement de 120 fois le volume, plus de 90% de F - peut être supprimé. Lorsqu'il est utilisé pour adsorber le phosphate et l'iodate, la capacité d'adsorption peut atteindre plus de 100 mg / g sous l'état d'adsorption optimal correspondant. Le matériel utilisé peut être réutilisé après un simple traitement de désorption et de neutralisation, qui présente des avantages économiques élevés.
Il existe de nombreuses études sur l'adsorption et le traitement des métaux lourds toxiques tels que l'arsenic, le chrome, le cadmium et le plomb à l'aide de Nano Ceria et de ses matériaux composites. Le pH d'adsorption optimal varie pour les ions métalliques lourds avec différents états de valence. Par exemple, la faible condition alcaline avec biais neutre a le meilleur état d'adsorption pour AS (iii), tandis que l'état d'adsorption optimal pour AS (v) est obtenu dans des conditions acides faibles, où la capacité d'adsorption peut atteindre plus de 110 mg / g dans les deux conditions. Dans l'ensemble, la synthèse optimisée de Nano Ceria et de ses matériaux composites peut atteindre des taux d'adsorption et d'élimination élevés pour divers ions de métaux lourds sur une large gamme de pH.
En revanche, les nanomatériaux à base d'oxyde de cérium ont également des performances exceptionnelles dans les produits biologiques adsorbants dans les eaux usées, comme l'orange acide, la rhodamine B, le rouge du Congo, etc. 942,7 mg / g en 60 minutes.
2.2 Application de Nano Ceria dans un processus d'oxydation avancé
Un processus d'oxydation avancé (AOPS pour faire court) est proposé pour améliorer le système de traitement anhydre existant. Le processus d'oxydation avancé, également connu sous le nom de technologie d'oxydation profonde, est caractérisé par la production de radicaux hydroxyle (· OH), de radical superoxyde (· O2 -), d'oxygène singulet, etc. avec une forte capacité d'oxydation. Dans les conditions de réaction de température et de pression élevées, d'électricité, de son, d'irradiation légère, de catalyseur, etc. Selon les différentes façons de générer des radicaux libres et des conditions de réaction, ils peuvent être divisés en oxydation photochimique, oxydation catalytique humide, oxydation de sonochimie, figure 2).
Figure 2 Classification et combinaison de technologie du processus d'oxydation avancé
Nano cèrieest un catalyseur hétérogène couramment utilisé dans le processus d'oxydation avancé. En raison de la conversion rapide entre CE3 + et CE4 + et l'effet rapide d'oxydation-réduction provoquée par l'absorption et la libération d'oxygène, Nano Ceria a une bonne capacité catalytique. Lorsqu'il est utilisé comme promoteur de catalyseur, il peut également améliorer efficacement la capacité catalytique et la stabilité. Lorsque Nano Ceria et ses matériaux composites sont utilisés comme catalyseurs, les propriétés catalytiques varient considérablement avec la morphologie, la taille des particules et les plans cristallins exposés, qui sont des facteurs clés affectant leurs performances et leur application. On pense généralement que plus les particules sont petites et plus la surface spécifique est grande, plus le site actif correspondant et plus la capacité catalytique est forte. La capacité catalytique de la surface cristalline exposée, de forte à faible, est de l'ordre de (100) surface cristalline> (110) surface cristalline> (111) surface cristalline, et la stabilité correspondante est opposée.
L'oxyde de cérium est un matériau semi-conducteur. Lorsque l'oxyde de cérium nanométrique est irradié par des photons avec de l'énergie plus élevés que la bande interdite, les électrons de la bande de valence sont excités et le comportement de recombinaison de transition se produit. Ce comportement favorisera le taux de conversion de CE3 + et CE4 +, entraînant une forte activité photocatalytique de Nano Ceria. La photocatalyse peut réaliser une dégradation directe de la matière organique sans pollution secondaire, donc son application est la technologie la plus étudiée dans le domaine de la nano-céria dans AOPS. À l'heure actuelle, l'accent est mis sur le traitement catalytique de dégradation des colorants azoïques, du phénol, du chlorobenzène et des eaux usées pharmaceutiques en utilisant des catalyseurs avec différentes morphologies et compositions composites. Selon le rapport, dans la méthode optimisée de synthèse du catalyseur et les conditions du modèle catalytique, la capacité de dégradation de ces substances peut généralement atteindre plus de 80%, et la capacité d'élimination du carbone organique total (COT) peut atteindre plus de 40%.
La catalyse de l'oxyde de cari pour la dégradation des polluants organiques tels que l'ozone et le peroxyde d'hydrogène est une autre technologie largement étudiée. Semblable à la photocatalyse, il se concentre également sur la capacité de Nano Ceria avec différentes morphologies ou plans cristallins et différents oxydants catalytiques composites à base de cérium pour oxyder et dégrader les polluants organiques. Dans de telles réactions, les catalyseurs peuvent catalyser la génération d'un grand nombre de radicaux actifs à partir d'ozone ou de peroxyde d'hydrogène, qui attaquent les polluants organiques et atteignent des capacités de dégradation oxydative plus efficaces. En raison de l'introduction d'oxydants dans la réaction, la capacité d'éliminer les composés organiques est considérablement améliorée. Dans la plupart des réactions, le taux d'élimination final de la substance cible peut atteindre ou s'approcher de 100%, et le taux d'élimination du TOC est également plus élevé.
Dans la méthode d'oxydation avancée électrocatalytique, les propriétés du matériau de l'anode avec une surexploitation excessive d'évolution de l'oxygène déterminent la sélectivité de la méthode d'oxydation avancée électrocatalytique pour traiter les polluants organiques. Le matériau de la cathode est un facteur important déterminant la production de H2O2, et la production de H2O2 détermine l'efficacité de la méthode d'oxydation avancée électrocatalytique pour le traitement des polluants organiques. L'étude de la modification des matériaux d'électrode à l'aide de Nano Ceria a reçu une attention généralisée à la fois au niveau national et international. Les chercheurs introduisent principalement l'oxyde de nano-cérium et ses matériaux composites à travers différentes méthodes chimiques pour modifier différents matériaux d'électrodes, améliorer leur activité électrochimique et augmenter ainsi l'activité électrocatalytique et le taux d'élimination final.
Les micro-ondes et les échographies sont souvent des mesures auxiliaires importantes pour les modèles catalytiques ci-dessus. Prenant l'exemple d'assistance à ultrasons, en utilisant des ondes sonores de vibration avec des fréquences supérieures à 25 kHz par seconde, des millions de bulles extrêmement petites sont générées dans une solution formulée avec un agent de nettoyage spécialement conçu. Ces petites bulles, pendant la compression et l'expansion rapides, produisent constamment l'implosion de bulles, permettant aux matériaux d'échanger rapidement et de se diffuser sur la surface du catalyseur, améliorant souvent de façon exponentielle l'efficacité catalytique.
3 Conclusion
Nano Ceria et ses matériaux composites peuvent traiter efficacement les ions et les polluants organiques dans l'eau, et avoir un potentiel d'application important dans les futurs champs de traitement de l'eau. Cependant, la plupart des recherches sont toujours en phase de laboratoire, et afin d'obtenir une application rapide dans le traitement de l'eau à l'avenir, les problèmes suivants doivent encore être traités de toute urgence:
(1) le coût de préparation relativement élevé de NanoCEO2Les matériaux basés restent un facteur important dans la grande majorité de leurs applications dans le traitement de l'eau, qui sont toujours au stade de recherche en laboratoire. L'exploration de méthodes de préparation à faible coût, simple et efficace qui peuvent réguler la morphologie et la taille des matériaux basés sur Nano CEO2 sont toujours au centre de la recherche.
(2) En raison de la petite taille des particules des matériaux à base de Nano CEO2, les problèmes de recyclage et de régénération après utilisation sont également des facteurs importants limitant leur application. Le composite de celui-ci avec des matériaux de résine ou des matériaux magnétiques sera une direction de recherche clé pour sa technologie de préparation et de recyclage des matériaux.
(3) Le développement d'un processus conjoint entre la technologie de traitement de l'eau des matériaux basés sur Nano CEO2 et la technologie traditionnelle de traitement des eaux usées favorisera considérablement l'application de la technologie catalytique des matériaux basée sur Nano CEO2 dans le domaine du traitement de l'eau.
(4) Il y a encore des recherches limitées sur la toxicité des matériaux basés sur Nano CEO2, et leur mécanisme de comportement et de toxicité environnemental dans les systèmes de traitement de l'eau n'a pas encore été déterminé. Le processus réel de traitement des eaux usées implique souvent la coexistence de multiples polluants, et les polluants coexistants interagiront les uns avec les autres, modifiant ainsi les caractéristiques de surface et la toxicité potentielle des nanomatériaux. Par conséquent, il est urgent d'effectuer davantage de recherches sur les aspects connexes.
Heure du poste: mai 22-2023