CeO2merupakan komponen penting bahan nadir bumi. Theunsur nadir bumi ceriummempunyai struktur elektronik luar yang unik - 4f15d16s2. Lapisan 4f khasnya boleh menyimpan dan membebaskan elektron dengan berkesan, menjadikan ion serium berkelakuan dalam keadaan valens+3 dan keadaan valens+4. Oleh itu, bahan CeO2 mempunyai lebih banyak lubang oksigen, dan mempunyai keupayaan yang sangat baik untuk menyimpan dan membebaskan oksigen. Penukaran bersama Ce (III) dan Ce (IV) juga memberikan bahan CeO2 dengan keupayaan pemangkin pengurangan pengoksidaan yang unik. Berbanding dengan bahan pukal, nano CeO2, sebagai jenis bahan tak organik baharu, telah mendapat perhatian meluas kerana luas permukaan spesifiknya yang tinggi, keupayaan penyimpanan dan pelepasan oksigen yang sangat baik, kekonduksian ion oksigen, prestasi redoks, dan resapan kekosongan oksigen pantas suhu tinggi. kebolehan. Pada masa ini terdapat sejumlah besar laporan penyelidikan dan aplikasi berkaitan menggunakan nano CeO2 sebagai pemangkin, pembawa pemangkin atau bahan tambahan, komponen aktif dan penjerap.
1. Kaedah penyediaan nanometerserium oksida
Pada masa ini, kaedah penyediaan biasa untuk nano ceria terutamanya termasuk kaedah kimia dan kaedah fizikal. Mengikut kaedah kimia yang berbeza, kaedah kimia boleh dibahagikan kepada kaedah pemendakan, kaedah hidroterma, kaedah solvoterma, kaedah sol gel, kaedah mikroemulsi dan kaedah elektrodeposisi; Kaedah fizikal terutamanya kaedah pengisaran.
1.1 Kaedah mengisar
Kaedah pengisaran untuk menyediakan nano ceria umumnya menggunakan pengisaran pasir, yang mempunyai kelebihan kos rendah, mesra alam, kelajuan pemprosesan yang cepat, dan keupayaan pemprosesan yang kuat. Ia kini merupakan kaedah pemprosesan yang paling penting dalam industri nano ceria. Sebagai contoh, penyediaan serbuk penggilap nano cerium oksida secara amnya menggunakan gabungan pengkalsinan dan pengisaran pasir, dan bahan mentah pemangkin denitrasi berasaskan serium juga dicampur untuk pra-rawatan atau dirawat selepas pengkalsinan menggunakan pengisaran pasir. Dengan menggunakan nisbah manik pengisar pasir saiz zarah yang berbeza, nano ceria dengan D50 antara puluhan hingga ratusan nanometer boleh diperoleh melalui pelarasan.
1.2 Kaedah kerpasan
Kaedah pemendakan merujuk kepada kaedah penyediaan serbuk pepejal melalui pemendakan, pengasingan, pencucian, pengeringan, dan pengkalsinan bahan mentah yang dilarutkan dalam pelarut yang sesuai. Kaedah pemendakan digunakan secara meluas dalam penyediaan nadir bumi dan bahan nano doped, dengan kelebihan seperti proses penyediaan yang mudah, kecekapan tinggi, dan kos rendah. Ia adalah kaedah yang biasa digunakan untuk menyediakan nano ceria dan bahan kompositnya dalam industri. Kaedah ini boleh menyediakan nano ceria dengan morfologi dan saiz zarah yang berbeza dengan menukar suhu pemendakan, kepekatan bahan, nilai pH, kelajuan pemendakan, kelajuan kacau, templat, dll. Kaedah biasa bergantung pada pemendakan ion serium daripada ammonia yang dihasilkan oleh penguraian urea, dan penyediaan mikrosfera nano ceria dikawal oleh ion sitrat. Sebagai alternatif, ion serium boleh dimendakkan oleh OH - dihasilkan daripada hidrolisis natrium sitrat, dan kemudian diinkubasi dan dikalsinkan untuk menyediakan kepingan seperti mikrosfera nano ceria.
1.3 Kaedah hidroterma dan solvoterma
Kedua-dua kaedah ini merujuk kepada kaedah penyediaan produk dengan tindak balas suhu tinggi dan tekanan tinggi pada suhu kritikal dalam sistem tertutup. Apabila pelarut tindak balas adalah air, ia dipanggil kaedah hidroterma. Sejajar dengan itu, apabila pelarut tindak balas adalah pelarut organik, ia dipanggil kaedah solvoterma. Zarah nano yang disintesis mempunyai ketulenan yang tinggi, penyebaran yang baik dan zarah seragam, terutamanya serbuk nano dengan morfologi yang berbeza atau muka kristal khas yang terdedah. Larutkan serium klorida dalam air suling, kacau dan tambah larutan natrium hidroksida. Tindak balas hidroterma pada 170 ℃ selama 12 jam untuk menyediakan nanorod serium oksida dengan satah kristal (111) dan (110) terdedah. Dengan melaraskan keadaan tindak balas, bahagian (110) satah kristal dalam satah kristal terdedah boleh ditingkatkan, meningkatkan lagi aktiviti pemangkinnya. Melaraskan pelarut tindak balas dan ligan permukaan juga boleh menghasilkan zarah nano ceria dengan hidrofilik atau lipofilis khas. Sebagai contoh, menambah ion asetat kepada fasa akueus boleh menyediakan nanopartikel serium oksida hidrofilik monodisperse dalam air. Dengan memilih pelarut bukan polar dan memperkenalkan asid oleik sebagai ligan semasa tindak balas, nanopartikel ceria lipofilik monodisperse boleh disediakan dalam pelarut organik bukan polar. (Lihat Rajah 1)
Rajah 1 Monodisperse nano ceria sfera dan nano ceria berbentuk batang
1.4 Kaedah sol gel
Kaedah sol gel ialah kaedah yang menggunakan beberapa atau beberapa sebatian sebagai prekursor, menjalankan tindak balas kimia seperti hidrolisis dalam fasa cecair untuk membentuk sol, dan kemudian membentuk gel selepas penuaan, dan akhirnya mengeringkan dan mengkalsin untuk menyediakan serbuk ultrafine. Kaedah ini amat sesuai untuk menyediakan bahan nano komposit berbilang komponen nano ceria yang sangat tersebar, seperti besi serium, serium titanium, serium zirkonium dan nano oksida komposit lain, yang telah dilaporkan dalam banyak laporan.
1.5 Kaedah lain
Sebagai tambahan kepada kaedah di atas, terdapat juga kaedah losyen mikro, kaedah sintesis gelombang mikro, kaedah elektrodeposisi, kaedah pembakaran api plasma, kaedah elektrolisis membran pertukaran ion dan banyak kaedah lain. Kaedah ini mempunyai kepentingan yang besar untuk penyelidikan dan aplikasi nano ceria.
Penggunaan 2-nanometer serium oksida dalam rawatan air
Cerium adalah unsur yang paling banyak di antara unsur nadir bumi, dengan harga yang rendah dan aplikasi yang luas. Nanometer ceria dan kompositnya telah menarik banyak perhatian dalam bidang rawatan air kerana luas permukaan spesifiknya yang tinggi, aktiviti pemangkin yang tinggi dan kestabilan struktur yang sangat baik.
2.1 PemakaianNano Cerium Oksidadalam Rawatan Air dengan Kaedah Penjerapan
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan industri seperti industri elektronik, sejumlah besar air sisa yang mengandungi bahan pencemar seperti ion logam berat dan ion fluorin telah dilepaskan. Walaupun pada kepekatan surih, ia boleh menyebabkan kemudaratan yang ketara kepada organisma akuatik dan persekitaran hidup manusia. Kaedah yang biasa digunakan termasuk pengoksidaan, pengapungan, osmosis terbalik, penjerapan, penapisan nano, biosorpsi, dll. Antaranya, teknologi penjerapan sering diterima pakai kerana operasinya yang mudah, kos rendah, dan kecekapan rawatan yang tinggi. Bahan Nano CeO2 mempunyai luas permukaan spesifik yang tinggi dan aktiviti permukaan yang tinggi sebagai penjerap, dan terdapat banyak laporan mengenai sintesis nano CeO2 berliang dan bahan kompositnya dengan morfologi yang berbeza untuk menjerap dan mengeluarkan ion berbahaya daripada air.
Penyelidikan telah menunjukkan bahawa nano ceria mempunyai kapasiti penjerapan yang kuat untuk F - dalam air dalam keadaan berasid yang lemah. Dalam larutan dengan kepekatan awal F - 100mg/L dan pH=5-6, kapasiti penjerapan untuk F - ialah 23mg/g, dan kadar penyingkiran F - ialah 85.6%. Selepas memuatkannya pada bebola resin asid poliakrilik (jumlah pemuatan: 0.25g/g), keupayaan penyingkiran F - boleh mencapai lebih 99% apabila merawat isipadu 100mg/L larutan akueus F yang sama; Apabila memproses 120 kali volum, lebih daripada 90% F - boleh dialih keluar. Apabila digunakan untuk menjerap fosfat dan iodat, kapasiti penjerapan boleh mencapai lebih 100mg/g di bawah keadaan penjerapan optimum yang sepadan. Bahan terpakai boleh digunakan semula selepas desorpsi mudah dan rawatan peneutralan, yang mempunyai faedah ekonomi yang tinggi.
Terdapat banyak kajian mengenai penjerapan dan rawatan logam berat toksik seperti arsenik, kromium, kadmium, dan plumbum menggunakan nano ceria dan bahan kompositnya. pH penjerapan optimum berbeza-beza untuk ion logam berat dengan keadaan valens yang berbeza. Sebagai contoh, keadaan alkali lemah dengan pincang neutral mempunyai keadaan penjerapan terbaik untuk As (III), manakala keadaan penjerapan optimum untuk As (V) dicapai dalam keadaan berasid yang lemah, di mana kapasiti penjerapan boleh mencapai lebih 110mg/g di bawah kedua-duanya. syarat. Secara keseluruhannya, sintesis nano ceria yang dioptimumkan dan bahan kompositnya boleh mencapai kadar penjerapan dan penyingkiran yang tinggi untuk pelbagai ion logam berat pada julat pH yang luas.
Sebaliknya, bahan nano berasaskan serium oksida juga mempunyai prestasi cemerlang dalam menjerap organik dalam air sisa, seperti oren asid, rhodamine B, merah Congo, dll. Contohnya, dalam kes yang dilaporkan sedia ada, sfera berliang nano ceria yang disediakan melalui kaedah elektrokimia mempunyai nilai yang tinggi. kapasiti penjerapan dalam penyingkiran pewarna organik, terutamanya dalam penyingkiran merah Congo, dengan kapasiti penjerapan 942.7mg/g dalam 60 minit.
2.2 Penggunaan nano ceria dalam proses pengoksidaan lanjutan
Proses pengoksidaan lanjutan (pendek kata AOP) dicadangkan untuk menambah baik sistem rawatan kontang yang sedia ada. Proses pengoksidaan lanjutan, juga dikenali sebagai teknologi pengoksidaan dalam, dicirikan oleh penghasilan radikal hidroksil (· OH), radikal superoksida (· O2 -), oksigen singlet, dsb. dengan keupayaan pengoksidaan yang kuat. Di bawah keadaan tindak balas suhu dan tekanan tinggi, elektrik, bunyi, penyinaran cahaya, pemangkin, dll. Mengikut cara yang berbeza untuk menghasilkan radikal bebas dan keadaan tindak balas, ia boleh dibahagikan kepada pengoksidaan fotokimia, pengoksidaan basah pemangkin, pengoksidaan sonokimia, ozon pengoksidaan, pengoksidaan elektrokimia, pengoksidaan Fenton, dsb. (lihat Rajah 2).
Rajah 2 Klasifikasi dan Gabungan Teknologi bagi proses pengoksidaan Lanjutan
Nano ceriaialah mangkin heterogen yang biasa digunakan dalam proses pengoksidaan Lanjutan. Disebabkan oleh penukaran pantas antara Ce3+dan Ce4+ dan kesan pengurangan pengoksidaan yang cepat yang dibawa oleh penyerapan dan pembebasan oksigen, nano ceria mempunyai keupayaan pemangkin yang baik. Apabila digunakan sebagai penggalak pemangkin, ia juga boleh meningkatkan keupayaan dan kestabilan pemangkin dengan berkesan. Apabila nano ceria dan bahan kompositnya digunakan sebagai pemangkin, sifat pemangkin sangat berbeza dengan morfologi, saiz zarah dan satah kristal terdedah, yang merupakan faktor utama yang mempengaruhi prestasi dan penggunaannya. Secara amnya dipercayai bahawa semakin kecil zarah dan semakin besar luas permukaan tertentu, tapak aktif yang lebih sepadan, dan semakin kuat keupayaan pemangkin. Keupayaan pemangkin permukaan kristal terdedah, dari kuat kepada lemah, adalah dalam susunan (100) permukaan kristal> (110) permukaan kristal> (111) permukaan kristal, dan kestabilan yang sepadan adalah bertentangan.
Cerium oksida ialah bahan semikonduktor. Apabila nanometer cerium oksida disinari oleh foton dengan tenaga yang lebih tinggi daripada jurang jalur, elektron jalur valens teruja, dan tingkah laku penggabungan semula peralihan berlaku. Tingkah laku ini akan menggalakkan kadar penukaran Ce3+ dan Ce4+, menghasilkan aktiviti fotomangkin nano ceria yang kuat. Photocatalysis boleh mencapai degradasi langsung bahan organik tanpa pencemaran sekunder, jadi aplikasinya adalah teknologi yang paling dikaji dalam bidang nano ceria dalam AOPs. Pada masa ini, tumpuan utama adalah pada rawatan degradasi pemangkin pewarna azo, fenol, klorobenzena, dan air sisa farmaseutikal menggunakan pemangkin dengan morfologi dan komposisi komposit yang berbeza. Menurut laporan itu, di bawah kaedah sintesis pemangkin yang dioptimumkan dan keadaan model pemangkin, kapasiti degradasi bahan-bahan ini secara amnya boleh mencapai lebih daripada 80%, dan kapasiti penyingkiran Jumlah karbon organik (TOC) boleh mencapai lebih daripada 40%.
Pemangkinan serium oksida nano untuk penguraian bahan pencemar organik seperti ozon dan hidrogen peroksida adalah satu lagi teknologi yang dikaji secara meluas. Sama seperti fotocatalysis, ia juga memberi tumpuan kepada keupayaan nano ceria dengan morfologi atau satah kristal yang berbeza dan pengoksida pemangkin komposit berasaskan cerium yang berbeza untuk mengoksida dan merendahkan bahan pencemar organik. Dalam tindak balas sedemikian, pemangkin boleh memangkinkan penjanaan sejumlah besar radikal aktif daripada ozon atau hidrogen peroksida, yang menyerang bahan pencemar organik dan mencapai keupayaan degradasi oksidatif yang lebih cekap. Oleh kerana pengenalan oksidan dalam tindak balas, keupayaan untuk membuang sebatian organik sangat dipertingkatkan. Dalam kebanyakan tindak balas, kadar penyingkiran akhir bahan sasaran boleh mencapai atau menghampiri 100%, dan kadar penyingkiran TOC juga lebih tinggi.
Dalam kaedah pengoksidaan lanjutan elektrokatalitik, sifat bahan anod dengan potensi berlebihan evolusi oksigen tinggi menentukan selektiviti kaedah pengoksidaan lanjutan elektrokatalitik untuk merawat bahan pencemar organik. Bahan katod adalah faktor penting yang menentukan pengeluaran H2O2, dan pengeluaran H2O2 menentukan kecekapan kaedah pengoksidaan lanjutan elektrokatalitik untuk merawat bahan pencemar organik. Kajian pengubahsuaian bahan elektrod menggunakan nano ceria telah mendapat perhatian meluas sama ada di dalam dan di luar negara. Penyelidik terutamanya memperkenalkan nano cerium oksida dan bahan kompositnya melalui kaedah kimia yang berbeza untuk mengubah suai bahan elektrod yang berbeza, meningkatkan aktiviti elektrokimia mereka, dan dengan itu meningkatkan aktiviti elektrokatalitik dan kadar penyingkiran akhir.
Gelombang mikro dan ultrasound selalunya merupakan langkah tambahan yang penting untuk model pemangkin di atas. Mengambil bantuan ultrasonik sebagai contoh, menggunakan gelombang bunyi getaran dengan frekuensi lebih tinggi daripada 25kHz sesaat, berjuta-juta buih yang sangat kecil dijana dalam larutan yang dirumus dengan agen pembersih yang direka khas. Buih-buih kecil ini, semasa pemampatan dan pengembangan pesat, sentiasa menghasilkan letupan gelembung, membolehkan bahan bertukar dan meresap dengan cepat pada permukaan pemangkin, selalunya meningkatkan kecekapan pemangkin secara eksponen.
3 Kesimpulan
Nano ceria dan bahan kompositnya boleh merawat ion dan bahan pencemar organik dalam air dengan berkesan, dan mempunyai potensi aplikasi penting dalam bidang rawatan air masa hadapan. Walau bagaimanapun, kebanyakan penyelidikan masih dalam peringkat makmal, dan untuk mencapai aplikasi pantas dalam rawatan air pada masa hadapan, isu-isu berikut masih perlu ditangani segera:
(1) Kos penyediaan nano yang agak tinggiCeO2bahan berasaskan kekal sebagai faktor penting dalam sebahagian besar aplikasinya dalam rawatan air, yang masih dalam peringkat penyelidikan makmal. Meneroka kaedah penyediaan kos rendah, mudah dan berkesan yang boleh mengawal morfologi dan saiz bahan berasaskan nano CeO2 masih menjadi tumpuan penyelidikan.
(2) Oleh kerana saiz zarah kecil bahan berasaskan nano CeO2, isu kitar semula dan penjanaan semula selepas digunakan juga merupakan faktor penting yang mengehadkan penggunaannya. Komposisinya dengan bahan resin atau bahan magnet akan menjadi hala tuju penyelidikan utama untuk teknologi penyediaan dan kitar semula bahannya.
(3) Pembangunan proses bersama antara teknologi rawatan air bahan berasaskan nano CeO2 dan teknologi rawatan kumbahan tradisional akan sangat menggalakkan penggunaan teknologi pemangkin bahan berasaskan nano CeO2 dalam bidang rawatan air.
(4) Masih terdapat kajian terhad mengenai ketoksikan bahan berasaskan nano CeO2, dan tingkah laku alam sekitar serta mekanisme ketoksikan dalam sistem rawatan air masih belum ditentukan. Proses rawatan kumbahan sebenar selalunya melibatkan kewujudan bersama pelbagai bahan pencemar, dan bahan pencemar yang wujud bersama akan berinteraksi antara satu sama lain, dengan itu mengubah ciri permukaan dan potensi ketoksikan bahan nano. Oleh itu, terdapat keperluan mendesak untuk menjalankan lebih banyak kajian mengenai aspek yang berkaitan.
Masa siaran: Mei-22-2023