CeO2a ritkaföldfémek fontos alkotóeleme. Aritkaföldfém elem cériumegyedi külső elektronikus szerkezettel rendelkezik - 4f15d16s2. Speciális 4f rétege hatékonyan képes elektronokat tárolni és felszabadítani, így a cériumionok +3 és +4 vegyértékű állapotban viselkednek. Ezért a CeO2 anyagoknak több oxigénnyílása van, és kiváló oxigén tárolási és leadási képességük van. A Ce (III) és Ce (IV) kölcsönös átalakítása a CeO2 anyagokat is egyedülálló oxidációs-redukciós katalitikus képességekkel ruházza fel. Az ömlesztett anyagokhoz képest a nano CeO2, mint új típusú szervetlen anyag, nagy figyelmet kapott nagy fajlagos felülete, kiváló oxigéntároló és -leadó képessége, oxigénion vezetőképessége, redox teljesítménye, valamint magas hőmérsékletű gyors oxigén-vakancediffúziója miatt. képesség. Jelenleg számos kutatási jelentés és kapcsolódó alkalmazás létezik, amelyek nano-CeO2-t használnak katalizátorként, katalizátorhordozóként vagy adalékanyagként, aktív komponensként és adszorbensként.
1. A nanométer elkészítési módjacérium-oxid
Jelenleg a nanocérium-oxidok általános előállítási módszerei elsősorban a kémiai és a fizikai módszereket foglalják magukban. A különböző kémiai módszerek szerint a kémiai módszerek kicsapási módszerre, hidrotermikus módszerre, szolvotermikus módszerre, szolgél módszerre, mikroemulziós módszerre és elektrodepozíciós módszerre oszthatók; A fizikai módszer elsősorban az őrlési módszer.
1.1 Köszörülési módszer
A nano-ceria előállítására szolgáló őrlési módszer általában homokőrlést használ, amelynek előnyei az alacsony költség, a környezetbarátság, a gyors feldolgozási sebesség és az erős feldolgozási képesség. Jelenleg ez a legfontosabb feldolgozási módszer a nano-cériumiparban. Például a nano cérium-oxid polírozópor előállítása általában a kalcinálás és a homokőrlés kombinációját alkalmazza, és a cérium alapú denitráló katalizátorok nyersanyagait szintén összekeverik előkezeléshez vagy kalcinálás után homokőrléssel. Különböző szemcseméretű homokcsiszoló gyöngyarányok használatával több tíz és több száz nanométer közötti D50-es nanocérium nyerhető beállítással.
1.2 Kicsapási módszer
A kicsapásos módszer a szilárd por előállításának módszerét jelenti a nyersanyagok megfelelő oldószerekben oldott kicsapásával, elválasztásával, mosásával, szárításával és kalcinálásával. A kicsapásos módszert széles körben használják ritkaföldfémek és adalékolt nanoanyagok előállításában, olyan előnyökkel, mint az egyszerű előkészítési eljárás, a nagy hatékonyság és az alacsony költség. Ez egy általánosan használt módszer a nanocérium-oxid és kompozit anyagai előállítására az iparban. Ezzel a módszerrel különböző morfológiájú és részecskeméretű nanocériumokat lehet előállítani a kicsapás hőmérsékletének, anyagkoncentrációjának, pH-értékének, kicsapódási sebességének, keverési sebességének, sablonjának, stb. változtatásával. Az elterjedt módszerek a karbamid lebomlása során keletkező ammóniából a cériumionok kicsapásán alapulnak, a nano-cérium mikrogömbök előállítását pedig citrát ionok szabályozzák. Alternatív megoldásként a cérium-ionok kicsaphatók a nátrium-citrát hidrolíziséből származó OH-val, majd inkubálhatók és kalcinálhatók pehelyszerű nanocérium-mikrogömbök előállítására.
1.3 Hidrotermikus és szolvotermikus módszerek
Ez a két módszer a termékek magas hőmérsékletű és nagynyomású reakcióval, kritikus hőmérsékleten, zárt rendszerben történő előállítására vonatkozik. Ha a reakció oldószere víz, ezt hidrotermális módszernek nevezik. Ennek megfelelően, ha a reakció oldószere szerves oldószer, akkor ezt szolvotermikus módszernek nevezzük. A szintetizált nanorészecskék nagy tisztaságúak, jó diszperzióval és egyenletes részecskékkel rendelkeznek, különösen a nanoporok eltérő morfológiájúak vagy speciális kristályfelülettel rendelkeznek. Oldjuk fel a cérium-kloridot desztillált vízben, keverjük össze és adjunk hozzá nátrium-hidroxid-oldatot. Reagáljon hidrotermálisan 170 ℃-on 12 órán át, hogy cérium-oxid nanorudakat állítson elő szabad (111) és (110) kristálysíkkal. A reakciókörülmények beállításával növelhető a (110) kristálysíkok aránya a szabaddá vált kristálysíkban, tovább fokozva katalitikus aktivitásukat. A reakció oldószerének és a felületi ligandumok beállításával különleges hidrofil vagy lipofilitású cérium-oxid részecskék is előállíthatók. Például, ha acetát ionokat adunk a vizes fázishoz, monodiszperz hidrofil cérium-oxid nanorészecskéket állíthatunk elő vízben. Nem poláros oldószer kiválasztásával és a reakció során ligandumként olajsavat vezetve monodiszperz lipofil cérium-oxid nanorészecskéket lehet előállítani nem poláros szerves oldószerekben. (Lásd 1. ábra)
1. ábra Monodiszperz gömb alakú nanocérium és rúd alakú nanocérium
1.4 Szol gél módszer
A szolgél módszer egy olyan módszer, amely néhány vagy több vegyületet használ prekurzorként, kémiai reakciókat, például hidrolízist hajt végre a folyékony fázisban, hogy szolt képezzen, majd az öregedés után gélt képez, végül szárítással és kalcinálással ultrafinom porokat állítanak elő. Ez a módszer különösen alkalmas nagy diszperzitású többkomponensű nano-cérium kompozit nanoanyagok, például cériumvas, cérium-titán, cérium-cirkónium és más kompozit nano-oxidok előállítására, amelyekről számos jelentésben beszámoltak.
1.5 Egyéb módszerek
A fenti módszereken kívül létezik még mikroápoló módszer, mikrohullámú szintézis módszer, elektrodepozíciós módszer, plazma láng égetési módszer, ioncserélő membrán elektrolízis módszer és sok más módszer is. Ezek a módszerek nagy jelentőséggel bírnak a nanocérium-oxid kutatása és alkalmazása szempontjából.
2 nanométeres cérium-oxid alkalmazása vízkezelésben
A cérium a ritkaföldfémek közül a legelterjedtebb elem, alacsony áron és széles körben alkalmazható. A nanométeres cérium-oxid és kompozitjai nagy fajlagos felületük, nagy katalitikus aktivitásuk és kiváló szerkezeti stabilitásuk miatt nagy figyelmet keltettek a vízkezelés területén.
2.1 AlkalmazásaNano cérium-oxida Vízkezelés adszorpciós módszerrel
Az elmúlt években az olyan iparágak fejlődésével, mint az elektronikai ipar, nagy mennyiségű szennyezőanyagot, például nehézfém- és fluorionokat tartalmazó szennyvizet bocsátottak ki. Nyomnyi koncentrációban is jelentős károkat okozhat a vízi szervezetekben és az emberi életkörnyezetben. Az általánosan használt módszerek közé tartozik az oxidáció, a flotáció, a fordított ozmózis, az adszorpció, a nanoszűrés, a bioszorpció stb. Ezek közül az adszorpciós technológiát gyakran alkalmazzák egyszerű működése, alacsony költsége és magas kezelési hatékonysága miatt. A nano-CeO2 anyagok nagy fajlagos felülettel és nagy felületi aktivitással rendelkeznek adszorbensként, és számos jelentés született porózus nano CeO2 és kompozit anyagainak szintéziséről, amelyek különböző morfológiájúak, hogy adszorbeálják és eltávolítsák a káros ionokat a vízből.
A kutatások kimutatták, hogy a nano-cérium erős adszorpciós kapacitással rendelkezik az F-hez vízben gyenge savas körülmények között. Egy 100 mg/l F - kezdeti koncentrációjú és 5-6 pH-értékű oldatban az F - adszorpciós kapacitása 23 mg/g, az F - eltávolítási sebessége 85,6%. Poliakrilsavgyanta golyóra való feltöltés után (töltési mennyiség: 0,25 g/g) az F - eltávolítási képessége elérheti a 99%-ot is, ha azonos térfogatú 100 mg/l F - vizes oldatot kezelünk; A térfogat 120-szorosának feldolgozásakor az F - több mint 90%-a eltávolítható. Ha foszfát és jodát adszorbeálására használják, az adszorpciós kapacitás elérheti a 100 mg/g-ot is a megfelelő optimális adszorpciós állapot mellett. A felhasznált anyag egyszerű deszorpciós és semlegesítő kezelés után újrafelhasználható, ami nagy gazdasági előnyökkel jár.
Számos tanulmány készült a mérgező nehézfémek, például az arzén, a króm, a kadmium és az ólom adszorpciójáról és kezeléséről nanocérium-oxid és annak kompozit anyagai felhasználásával. Az optimális adszorpciós pH változó a különböző vegyértékállapotú nehézfém-ionok esetében. Például a semleges torzítású, gyenge lúgos állapotnak van a legjobb adszorpciós állapota az As (III) esetében, míg az As (V) optimális adszorpciós állapota gyenge savas körülmények között érhető el, ahol az adszorpciós kapacitás mindkét esetben elérheti a 110 mg/g-ot. körülmények. Összességében a nanocérium-oxid és kompozit anyagai optimalizált szintézise nagy adszorpciós és eltávolítási sebességet érhet el a különféle nehézfém-ionok esetében széles pH-tartományban.
Másrészt a cérium-oxid alapú nanoanyagok kiemelkedő teljesítményt nyújtanak a szennyvízben lévő szerves anyagok adszorbeálásában is, mint például a savas narancs, a rodamin B, a kongói vörös stb. A meglévő esetekben például az elektrokémiai módszerekkel előállított nano-cérium porózus gömbök magasak. adszorpciós kapacitás a szerves színezékek eltávolításában, különösen a kongóvörös eltávolításában, 942,7 mg/g adszorpciós kapacitással 60 perc.
2.2 Nano cérium-oxid alkalmazása fejlett oxidációs folyamatban
Fejlett oxidációs eljárást (röviden AOP-k) javasolnak a meglévő vízmentes kezelési rendszer javítására. A fejlett oxidációs folyamatot, más néven mélyoxidációs technológiát az erős oxidációs képességgel rendelkező hidroxilgyök (· OH), szuperoxid gyök (· O2 -), szingulett oxigén stb. Magas hőmérséklet és nyomás, elektromosság, hang, fénybesugárzás, katalizátor stb. reakciókörülményei között. A szabad gyökök keletkezésének különböző módjai és a reakciókörülmények szerint ezek fotokémiai oxidációra, katalitikus nedves oxidációra, szonokémiai oxidációra, ózonra oszthatók. oxidáció, elektrokémiai oxidáció, Fenton oxidáció stb. (lásd 2. ábra).
2. ábra A fejlett oxidációs folyamat osztályozása és technológiai kombinációja
Nano ceriaegy heterogén katalizátor, amelyet általánosan használnak a fejlett oxidációs folyamatokban. A Ce3+ és Ce4+ közötti gyors konverziónak, valamint az oxigénfelvétel és -leadás által kiváltott gyors oxidációs-redukciós hatásnak köszönhetően a nanocérium jó katalitikus képességgel rendelkezik. Katalizátor-promoterként alkalmazva hatékonyan javíthatja a katalitikus képességet és a stabilitást is. Ha a nano-cérium-oxidot és kompozit anyagait katalizátorként használják, a katalitikus tulajdonságok nagymértékben változnak a morfológiától, a részecskemérettől és a szabaddá tett kristálysíkoktól függően, amelyek kulcsfontosságú tényezők, amelyek befolyásolják a teljesítményüket és az alkalmazásukat. Általában úgy gondolják, hogy minél kisebbek a részecskék és minél nagyobb a fajlagos felület, annál több a megfelelő aktív hely, és annál erősebb a katalitikus képesség. A szabaddá vált kristályfelület katalitikus képessége az erőstől a gyengeig a (100) kristályfelület>(110) kristályfelület>(111) kristályfelület nagyságrendű, és a megfelelő stabilitás ellentétes.
A cérium-oxid egy félvezető anyag. Amikor a nanométeres cérium-oxidot a sávköznél nagyobb energiájú fotonok sugározzák be, a vegyértéksáv elektronjai gerjesztődnek, és az átmeneti rekombinációs viselkedés megtörténik. Ez a viselkedés elősegíti a Ce3+ és Ce4+ konverziós arányát, ami a nanocérium-oxid erős fotokatalitikus aktivitását eredményezi. A fotokatalízissel másodlagos szennyezés nélkül lehet közvetlen szervesanyag-lebontást elérni, így alkalmazása a legtöbbet tanulmányozott technológia a nanocériumok területén AOP-kban. Jelenleg a fő hangsúly az azofestékek, fenol, klórbenzol és gyógyszeripari szennyvizek katalitikus lebontásos kezelésén van, különböző morfológiájú és kompozit összetételű katalizátorokkal. A jelentés szerint az optimalizált katalizátorszintézis módszer és katalitikus modellkörülmények mellett ezen anyagok lebontóképessége általában meghaladja a 80%-ot, a teljes szerves szén (TOC) eltávolítási kapacitása pedig a 40%-ot is elérheti.
A nanocérium-oxid katalízis szerves szennyező anyagok, például ózon és hidrogén-peroxid lebontására egy másik széles körben tanulmányozott technológia. A fotokatalízishez hasonlóan a különböző morfológiájú vagy kristálysíkú nanocérium-oxidok és a különböző cérium alapú kompozit katalitikus oxidálószerek szerves szennyező anyagok oxidáló és lebontó képességére is összpontosít. Az ilyen reakciókban a katalizátorok nagyszámú aktív gyök kialakulását képesek katalizálni az ózonból vagy hidrogén-peroxidból, amelyek megtámadják a szerves szennyező anyagokat és hatékonyabb oxidatív lebontási képességet érnek el. A reakcióba oxidáló szerek bevezetése miatt a szerves vegyületek eltávolításának képessége jelentősen megnő. A legtöbb reakcióban a célanyag végső eltávolítási sebessége elérheti vagy megközelítheti a 100%-ot, és a TOC eltávolítási sebesség is magasabb.
Az elektrokatalitikus fejlett oxidációs módszerben a nagy oxigénfejlődési túlpotenciállal rendelkező anódanyag tulajdonságai határozzák meg az elektrokatalitikus fejlett oxidációs módszer szelektivitását szerves szennyező anyagok kezelésére. A katód anyaga a H2O2 képződését meghatározó fontos tényező, a H2O2 termelése pedig meghatározza a szerves szennyező anyagok kezelésére szolgáló elektrokatalitikus fejlett oxidációs módszer hatékonyságát. Az elektródaanyag nano-cériummal történő módosításának vizsgálata hazai és nemzetközi szinten egyaránt széles körű figyelmet kapott. A kutatók elsősorban a nano cérium-oxidot és kompozit anyagait vezetik be különböző kémiai módszerekkel, hogy módosítsák a különböző elektródákat, javítsák elektrokémiai aktivitásukat, ezáltal növeljék az elektrokatalitikus aktivitást és a végső eltávolítási sebességet.
A mikrohullámú és az ultrahang gyakran fontos segédintézkedések a fenti katalitikus modelleknél. Példaként az ultrahangos rásegítést, a 25 kHz/másodpercnél magasabb frekvenciájú vibrációs hanghullámokat használva milliónyi rendkívül kis buborék keletkezik egy speciálisan kialakított tisztítószerrel összeállított oldatban. Ezek a kis buborékok a gyors összenyomódás és tágulás során folyamatosan buborékok összeomlását idézik elő, lehetővé téve az anyagok gyors cseréjét és diffúzióját a katalizátor felületén, ami gyakran exponenciálisan javítja a katalitikus hatékonyságot.
3 Következtetés
A nanocérium és kompozit anyagai hatékonyan tudják kezelni a vízben lévő ionokat és szerves szennyező anyagokat, és fontos alkalmazási potenciállal rendelkeznek a jövőbeni vízkezelési területeken. A legtöbb kutatás azonban még laboratóriumi stádiumban van, és a vízkezelésben való gyors alkalmazás érdekében a jövőben még sürgősen foglalkozni kell a következő kérdésekkel:
(1) A nano viszonylag magas előkészítési költségeCeO2Az alapú anyagok továbbra is fontos tényezőt jelentenek vízkezelési alkalmazásaik túlnyomó többségében, amelyek még mindig a laboratóriumi kutatási szakaszban vannak. A nano-CeO2 alapú anyagok morfológiáját és méretét szabályozni képes alacsony költségű, egyszerű és hatékony előállítási módszerek feltárása továbbra is a kutatások középpontjában áll.
(2) A nano-CeO2-alapú anyagok kis részecskemérete miatt a használat utáni újrahasznosítási és regenerálási problémák szintén fontos tényezők, amelyek korlátozzák alkalmazásukat. A gyanta anyagokkal vagy mágneses anyagokkal való összeállítása kulcsfontosságú kutatási irány lesz az anyag-előkészítési és újrahasznosítási technológiájában.
(3) A nano CeO2 alapú anyagvízkezelési technológia és a hagyományos szennyvízkezelési technológia közötti közös eljárás kidolgozása nagymértékben elősegíti a nano CeO2 alapú anyagkatalitikus technológia alkalmazását a vízkezelés területén.
(4) A nano-CeO2 alapú anyagok toxicitásával kapcsolatos kutatások még mindig korlátozottak, környezeti viselkedésüket és toxicitási mechanizmusukat a vízkezelő rendszerekben még nem határozták meg. A tényleges szennyvízkezelési folyamat gyakran több szennyező anyag együttélésével jár, és az együtt létező szennyező anyagok kölcsönhatásba lépnek egymással, ezáltal megváltoznak a nanoanyagok felületi jellemzői és potenciális toxicitása. Ezért sürgősen több kutatást kell végezni a kapcsolódó szempontokat illetően.
Feladás időpontja: 2023. május 22