CeO2huwa komponent importanti ta 'materjali rari tad-dinja. Il-element tad-dinja rari ċerjugħandha struttura elettronika ta 'barra unika - 4f15d16s2. Is-saff 4f speċjali tiegħu jista 'jaħżen u jirrilaxxa elettroni b'mod effettiv, u jagħmel il-joni taċ-ċerju jġib ruħu fl-istat ta' valenza + 3 u stat ta 'valenza + 4. Għalhekk, il-materjali CeO2 għandhom aktar toqob tal-ossiġnu, u għandhom kapaċità eċċellenti biex jaħżnu u jirrilaxxaw l-ossiġnu. Il-konverżjoni reċiproka ta 'Ce (III) u Ce (IV) tagħti wkoll materjali CeO2 b'kapaċitajiet katalitiċi uniċi ta' tnaqqis ta 'ossidazzjoni. Meta mqabbel ma 'materjali bl-ingrossa, nano CeO2, bħala tip ġdid ta' materjal inorganiku, irċieva attenzjoni mifruxa minħabba l-erja tal-wiċċ speċifika għolja tiegħu, ħila eċċellenti ta 'ħażna u rilaxx ta' ossiġnu, konduttività tal-jone tal-ossiġnu, prestazzjoni redox, u diffużjoni rapida ta 'vakanza ta' ossiġnu f'temperatura għolja ħila. Bħalissa hemm numru kbir ta 'rapporti ta' riċerka u applikazzjonijiet relatati li jużaw nano CeO2 bħala katalisti, trasportaturi tal-katalizzaturi jew addittivi, komponenti attivi, u adsorbenti.
1. Metodu ta 'preparazzjoni tan-nanometruossidu taċ-ċerju
Fil-preżent, il-metodi ta 'preparazzjoni komuni għan-nano ceria jinkludu prinċipalment metodu kimiku u metodu fiżiku. Skont metodi kimiċi differenti, metodi kimiċi jistgħu jinqasmu f'metodu ta 'preċipitazzjoni, metodu idrotermali, metodu solvotermali, metodu sol gel, metodu ta' mikroemulsjoni u metodu ta 'elettrodepożizzjoni; Il-metodu fiżiku huwa prinċipalment il-metodu tat-tħin.
1.1 Metodu tat-tħin
Il-metodu tat-tħin għall-preparazzjoni tan-nano ceria ġeneralment juża tħin tar-ramel, li għandu l-vantaġġi ta 'spiża baxxa, ħbiberija ambjentali, veloċità ta' proċessar veloċi, u kapaċità qawwija ta 'proċessar. Bħalissa huwa l-aktar metodu ta 'proċessar importanti fl-industrija tan-nano ceria. Pereżempju, il-preparazzjoni ta 'trab tal-illustrar tal-ossidu tan-nano taċ-ċerju ġeneralment tadotta taħlita ta' kalċinazzjoni u tħin tar-ramel, u l-materja prima ta 'katalisti ta' denitrazzjoni bbażati fuq iċ-ċerju huma mħallta wkoll għal trattament minn qabel jew ittrattati wara l-kalċinazzjoni bl-użu tat-tħin tar-ramel. Bl-użu ta 'proporzjonijiet ta' żibeġ tat-tħin tar-ramel tad-daqs tal-partiċelli differenti, nano ceria b'D50 li jvarja minn għexieren sa mijiet ta 'nanometri jistgħu jinkisbu permezz ta' aġġustament.
1.2 Metodu ta 'preċipitazzjoni
Il-metodu ta 'preċipitazzjoni jirreferi għall-metodu ta' tħejjija ta 'trab solidu permezz ta' preċipitazzjoni, separazzjoni, ħasil, tnixxif u kalċinazzjoni ta 'materja prima maħlula f'solventi xierqa. Il-metodu ta 'preċipitazzjoni huwa użat ħafna fil-preparazzjoni ta' nanomaterjali rari u drogati, b'vantaġġi bħal proċess ta 'preparazzjoni sempliċi, effiċjenza għolja u spiża baxxa. Huwa metodu użat komunement għall-preparazzjoni tan-nano ceria u l-materjali komposti tagħha fl-industrija. Dan il-metodu jista 'jħejji nano ceria b'morfoloġija u daqs tal-partiċelli differenti billi jbiddel it-temperatura tal-preċipitazzjoni, il-konċentrazzjoni tal-materjal, il-valur tal-pH, il-veloċità tal-preċipitazzjoni, il-veloċità tat-taħwid, il-mudell, eċċ. Metodi komuni jiddependu fuq il-preċipitazzjoni tal-joni taċ-ċerju mill-ammonja ġġenerata mid-dekompożizzjoni tal-urea, u l-preparazzjoni ta 'mikrosferi nano ceria hija kkontrollata minn joni taċ-ċitrat. Alternattivament, joni taċ-ċerju jistgħu jiġu preċipitati minn OH - iġġenerat mill-idroliżi taċ-ċitrat tas-sodju, u mbagħad inkubati u kalċinati biex jippreparaw saffi saffi bħal mikrosferi nano ceria.
1.3 Metodi idrotermali u solvotermali
Dawn iż-żewġ metodi jirreferu għall-metodu ta 'preparazzjoni ta' prodotti b'reazzjoni ta 'temperatura għolja u pressjoni għolja f'temperatura kritika f'sistema magħluqa. Meta s-solvent tar-reazzjoni huwa l-ilma, jissejjaħ metodu idrotermali. B'mod korrispondenti, meta s-solvent tar-reazzjoni huwa solvent organiku, jissejjaħ metodu solvotermali. In-nano partiċelli sintetizzati għandhom purità għolja, tixrid tajjeb u partiċelli uniformi, speċjalment in-nano trabijiet b'morfoloġiji differenti jew uċuħ tal-kristall speċjali esposti. Dewweb il-klorur taċ-ċerju f'ilma distillat, ħawwad u żid soluzzjoni ta' idrossidu tas-sodju. Irreaġixxi idrotermali f'170 ℃ għal 12-il siegħa biex tipprepara nanorods tal-ossidu taċ-ċerju bi pjani tal-kristall esposti (111) u (110). Billi jiġu aġġustati l-kundizzjonijiet ta 'reazzjoni, il-proporzjon ta' (110) pjani tal-kristall fil-pjani tal-kristall esposti jista 'jiżdied, u jkompli jtejjeb l-attività katalitika tagħhom. L-aġġustament tas-solvent tar-reazzjoni u l-ligands tal-wiċċ jistgħu jipproduċu wkoll partiċelli nano ceria b'idrofiliċità jew lipofiliċità speċjali. Pereżempju, iż-żieda ta 'joni tal-aċetat mal-fażi milwiema tista' tipprepara nanopartiċelli tal-ossidu taċ-ċerju idrofiliku monodispers fl-ilma. Bl-għażla ta 'solvent mhux polari u l-introduzzjoni ta' aċidu olejku bħala ligand matul ir-reazzjoni, in-nanopartiċelli taċ-ċera lipofiliċi monodispersi jistgħu jiġu ppreparati f'solventi organiċi mhux polari. (Ara l-Figura 1)
Figura 1 Nano ceria sferika monodispersa u nano ceria f'forma ta 'virga
1.4 Metodu Sol gel
Il-metodu tal-ġel tas-sol huwa metodu li juża xi komposti jew diversi komposti bħala prekursuri, iwettaq reazzjonijiet kimiċi bħall-idroliżi fil-fażi likwida biex jiffurmaw sol, u mbagħad jifforma ġel wara t-tixjiħ, u finalment jinxef u calcines biex jipprepara trabijiet ultrafini. Dan il-metodu huwa partikolarment adattat għall-preparazzjoni ta 'nanomaterjali komposti tan-nano ceria b'ħafna komponenti mxerrda ħafna, bħal ħadid taċ-ċerju, titanju taċ-ċerju, żirkonju taċ-ċerju u nano ossidi komposti oħra, li ġew irrappurtati f'ħafna rapporti.
1.5 Metodi oħra
Minbarra l-metodi ta 'hawn fuq, hemm ukoll metodu ta' lotion mikro, metodu ta 'sinteżi microwave, metodu ta' elettrodepożizzjoni, metodu ta 'kombustjoni tal-fjamma tal-plażma, metodu ta' elettroliżi tal-membrana ta 'skambju ta' joni u ħafna metodi oħra. Dawn il-metodi għandhom sinifikat kbir għar-riċerka u l-applikazzjoni tan-nano ceria.
Applikazzjoni ta 'ossidu taċ-ċerju ta' 2 nanometri fit-trattament tal-ilma
Iċ-ċerju huwa l-aktar element abbundanti fost l-elementi tad-dinja rari, bi prezzijiet baxxi u applikazzjonijiet wiesgħa. In-nanometru ceria u l-komposti tiegħu ġibdu ħafna attenzjoni fil-qasam tat-trattament tal-ilma minħabba l-erja tal-wiċċ speċifika għolja tagħhom, attività katalitika għolja u stabbiltà strutturali eċċellenti.
2.1 Applikazzjoni ta'Nano Ċerju Ossidufit-Trattament tal-Ilma bil-Metodu ta' Adsorbiment
F'dawn l-aħħar snin, bl-iżvilupp ta 'industriji bħall-industrija tal-elettronika, ġie skarikat ammont kbir ta' ilma mormi li fih sustanzi li jniġġsu bħal joni tal-metall tqil u joni tal-fluworin. Anke f'konċentrazzjonijiet ta 'traċċa, jista' jikkawża ħsara sinifikanti lill-organiżmi akkwatiċi u lill-ambjent tal-għajxien tal-bniedem. Metodi użati komunement jinkludu ossidazzjoni, flotazzjoni, reverse osmosis, adsorbiment, nanofiltrazzjoni, bijosorbiment, eċċ Fost dawn, it-teknoloġija ta 'adsorbiment spiss tiġi adottata minħabba l-operat sempliċi tagħha, spiża baxxa, u effiċjenza għolja fit-trattament. Materjali Nano CeO2 għandhom erja tal-wiċċ speċifika għolja u attività għolja tal-wiċċ bħala assorbenti, u kien hemm ħafna rapporti dwar is-sinteżi tan-nano CeO2 poruż u l-materjali komposti tiegħu b'morfoloġiji differenti biex jassorbu u jneħħu joni ta 'ħsara mill-ilma.
Ir-riċerka wriet li n-nano ceria għandha kapaċità qawwija ta 'assorbiment għal F - fl-ilma taħt kundizzjonijiet aċidużi dgħajfa. F'soluzzjoni b'konċentrazzjoni inizjali ta 'F - ta' 100mg/L u pH=5-6, il-kapaċità ta 'adsorbiment għal F - hija 23mg/g, u r-rata ta' tneħħija ta 'F - hija 85.6%. Wara li tgħabbiha fuq ballun tar-reżina tal-aċidu poliakriliku (ammont ta 'tagħbija: 0.25g/g), l-abbiltà tat-tneħħija ta' F - tista 'tilħaq aktar minn 99% meta tittratta volum ugwali ta' 100mg/L ta 'F - soluzzjoni milwiema; Meta tipproċessa 120 darba l-volum, aktar minn 90% ta 'F - jistgħu jitneħħew. Meta jintuża biex jassorbi fosfat u jodat, il-kapaċità ta 'assorbiment tista' tilħaq aktar minn 100mg/g taħt l-istat ta 'adsorbiment ottimali korrispondenti. Il-materjal użat jista 'jerġa' jintuża wara trattament sempliċi ta 'desorbiment u newtralizzazzjoni, li għandu benefiċċji ekonomiċi għoljin.
Hemm ħafna studji dwar l-assorbiment u t-trattament ta 'metalli tqal tossiċi bħal arseniku, kromju, kadmju, u ċomb bl-użu ta' nano ceria u l-materjali komposti tagħha. Il-pH ta 'adsorbiment ottimali jvarja għal joni tal-metall tqil bi stati ta' valenza differenti. Pereżempju, il-kundizzjoni alkalina dgħajfa bi preġudizzju newtrali għandha l-aħjar stat ta 'assorbiment għal As (III), filwaqt li l-istat ta' adsorbiment ottimali għal As (V) jinkiseb taħt kundizzjonijiet aċidużi dgħajfa, fejn il-kapaċità ta 'assorbiment tista' tilħaq aktar minn 110mg / g taħt it-tnejn. kundizzjonijiet. B'mod ġenerali, is-sinteżi ottimizzata tan-nano ceria u l-materjali komposti tagħha tista 'tikseb rati għoljin ta' adsorbiment u tneħħija għal diversi joni tal-metall tqil fuq firxa wiesgħa ta 'pH.
Min-naħa l-oħra, in-nanomaterjali bbażati fuq l-ossidu taċ-ċerju għandhom ukoll prestazzjoni eċċellenti fl-adsorbiment ta' organiċi fl-ilma mormi, bħal oranġjo aċiduż, rhodamine B, aħmar tal-Kongo, eċċ. Per eżempju, f'każijiet irrappurtati eżistenti, sferi porużi nano ceria ppreparati b'metodi elettrokimiċi għandhom għoli kapaċità ta 'assorbiment fit-tneħħija ta' żebgħa organika, speċjalment fit-tneħħija ta 'aħmar tal-Kongo, b'kapaċità ta' assorbiment ta ' 942.7mg/g f'60 minuta.
2.2 Applikazzjoni ta 'nano ceria fi proċess ta' ossidazzjoni Avvanzata
Proċess ta 'ossidazzjoni avvanzat (AOPs fil-qosor) huwa propost biex itejjeb is-sistema eżistenti ta' trattament anidruż. Proċess ta 'ossidazzjoni avvanzat, magħruf ukoll bħala teknoloġija ta' ossidazzjoni profonda, huwa kkaratterizzat mill-produzzjoni ta 'hydroxyl radical (· OH), superoxide radical (· O2 -), ossiġnu singlet, eċċ b'kapaċità qawwija ta' ossidazzjoni. Taħt il-kundizzjonijiet ta 'reazzjoni ta' temperatura għolja u pressjoni, elettriku, ħoss, irradjazzjoni ħafifa, katalizzatur, eċċ Skond il-modi differenti ta 'ġenerazzjoni ta' radikali ħielsa u kundizzjonijiet ta 'reazzjoni, jistgħu jinqasmu f'ossidazzjoni fotokimika, ossidazzjoni mxarrba katalitika, ossidazzjoni sonochemistry, ożonu ossidazzjoni, ossidazzjoni elettrokimika, ossidazzjoni Fenton, eċċ (ara l-Figura 2).
Figura 2 Klassifikazzjoni u Kombinazzjoni tat-Teknoloġija ta 'proċess ta' ossidazzjoni Avvanzata
Nano ceriahuwa katalist eteroġenu użat komunement fil-proċess ta 'ossidazzjoni Avvanzata. Minħabba l-konverżjoni mgħaġġla bejn Ce3 + u Ce4 + u l-effett rapidu ta 'ossidazzjoni-tnaqqis miġjub mill-assorbiment u r-rilaxx tal-ossiġnu, nano ceria għandha kapaċità katalitika tajba. Meta jintuża bħala promotur tal-katalizzatur, jista 'wkoll itejjeb b'mod effettiv il-kapaċità u l-istabbiltà katalitika. Meta n-nano ceria u l-materjali komposti tagħha jintużaw bħala katalisti, il-proprjetajiet katalitiċi jvarjaw ħafna mal-morfoloġija, id-daqs tal-partiċelli u l-pjani tal-kristall esposti, li huma fatturi ewlenin li jaffettwaw il-prestazzjoni u l-applikazzjoni tagħhom. Huwa ġeneralment maħsub li l-iżgħar il-partiċelli u l-akbar l-erja tal-wiċċ speċifika, l-aktar sit attiv korrispondenti, u l-abbiltà katalitika aktar b'saħħitha. L-abbiltà katalitika tal-wiċċ tal-kristall espost, minn qawwi għal dgħajjef, huwa fl-ordni ta '(100) wiċċ tal-kristall>(110) wiċċ tal-kristall>(111) wiċċ tal-kristall, u l-istabbiltà korrispondenti hija opposta.
L-ossidu taċ-ċerju huwa materjal semikonduttur. Meta l-ossidu taċ-ċerju tan-nanometru jiġi irradjat minn fotoni b'enerġija ogħla mid-distakk tal-medda, l-elettroni tal-faxxa tal-valenza huma eċċitati, u sseħħ l-imġieba tar-rikombinazzjoni tat-tranżizzjoni. Din l-imġieba se tippromwovi r-rata ta 'konverżjoni ta' Ce3 + u Ce4 +, li tirriżulta f'attività fotokatalitika qawwija ta 'nano ceria. Il-fotokataliżi tista 'tikseb degradazzjoni diretta tal-materja organika mingħajr tniġġis sekondarju, għalhekk l-applikazzjoni tagħha hija l-aktar teknoloġija studjata fil-qasam tan-nano ceria fl-AOPs. Fil-preżent, l-enfasi ewlenija hija fuq it-trattament ta 'degradazzjoni katalitika ta' żebgħa azo, fenol, chlorobenzene, u drenaġġ farmaċewtiku bl-użu ta 'katalisti b'morfoloġiji differenti u kompożizzjonijiet komposti. Skont ir-rapport, taħt il-metodu ottimizzat ta 'sintesi tal-katalizzatur u l-kundizzjonijiet tal-mudell katalitiku, il-kapaċità ta' degradazzjoni ta 'dawn is-sustanzi ġeneralment tista' tilħaq aktar minn 80%, u l-kapaċità ta 'tneħħija tal-karbonju organiku totali (TOC) tista' tilħaq aktar minn 40%.
Il-katalisi tal-ossidu tan-nano taċ-ċerju għad-degradazzjoni ta 'inkwinanti organiċi bħall-ożonu u l-perossidu tal-idroġenu hija teknoloġija oħra studjata ħafna. Simili għall-fotokatalisi, tiffoka wkoll fuq il-kapaċità tan-nano ceria b'morfoloġiji jew pjani tal-kristall differenti u ossidanti katalitiċi komposti bbażati fuq iċ-ċerju differenti biex jossidaw u jiddegradaw inkwinanti organiċi. F'reazzjonijiet bħal dawn, il-katalizzaturi jistgħu jikkatalizzaw il-ġenerazzjoni ta 'numru kbir ta' radikali attivi mill-ożonu jew mill-perossidu tal-idroġenu, li jattakkaw pollutanti organiċi u jiksbu kapaċitajiet ta 'degradazzjoni ossidattiva aktar effiċjenti. Minħabba l-introduzzjoni ta 'ossidanti fir-reazzjoni, il-kapaċità li jitneħħew il-komposti organiċi hija msaħħa ħafna. Fil-biċċa l-kbira tar-reazzjonijiet, ir-rata ta 'tneħħija finali tas-sustanza fil-mira tista' tilħaq jew toqrob 100%, u r-rata ta 'tneħħija ta' TOC hija wkoll ogħla.
Fil-metodu ta 'ossidazzjoni avvanzata elettrokatalitika, il-proprjetajiet tal-materjal ta' l-anodu b'potenzal żejjed ta 'evoluzzjoni ta' ossiġnu għolja jiddeterminaw is-selettività tal-metodu ta 'ossidazzjoni avvanzata elettrokatalitika għat-trattament ta' pollutanti organiċi. Il-materjal tal-katodu huwa fattur importanti li jiddetermina l-produzzjoni ta 'H2O2, u l-produzzjoni ta' H2O2 tiddetermina l-effiċjenza tal-metodu ta 'ossidazzjoni avvanzat elettrokatalitiku għat-trattament ta' pollutanti organiċi. L-istudju tal-modifika tal-materjal tal-elettrodu bl-użu ta 'nano ceria irċieva attenzjoni mifruxa kemm domestikament kif ukoll internazzjonalment. Ir-riċerkaturi prinċipalment jintroduċu l-ossidu tan-nano-ċerju u l-materjali komposti tiegħu permezz ta 'metodi kimiċi differenti biex jimmodifikaw materjali ta' elettrodi differenti, itejbu l-attività elettrokimika tagħhom, u b'hekk iżidu l-attività elettrokatalitika u r-rata ta 'tneħħija finali.
Microwave u ultrasound huma ta 'spiss miżuri awżiljarji importanti għall-mudelli katalitiċi ta' hawn fuq. Meta tieħu l-assistenza ultrasonika bħala eżempju, bl-użu ta 'mewġ tal-ħoss ta' vibrazzjoni bi frekwenzi ogħla minn 25kHz kull sekonda, miljuni ta 'bżieżaq estremament żgħar huma ġġenerati f'soluzzjoni fformulata b'aġent tat-tindif iddisinjat apposta. Dawn il-bżieżaq żgħar, waqt kompressjoni u espansjoni mgħaġġla, jipproduċu kontinwament implożjoni tal-bużżieqa, li jippermettu li l-materjali jiskambjaw u jxerrdu malajr fuq il-wiċċ tal-katalizzatur, ħafna drabi jtejbu l-effiċjenza katalitika b'mod esponenzjali.
3 Konklużjoni
Nano ceria u l-materjali komposti tagħha jistgħu jittrattaw b'mod effettiv joni u sustanzi li jniġġsu organiċi fl-ilma, u għandhom potenzjal ta 'applikazzjoni importanti fl-oqsma futuri tat-trattament tal-ilma. Madankollu, il-biċċa l-kbira tar-riċerka għadha fl-istadju tal-laboratorju, u sabiex tinkiseb applikazzjoni rapida fit-trattament tal-ilma fil-futur, il-kwistjonijiet li ġejjin għad iridu jiġu indirizzati b'mod urġenti:
(1) L-ispiża tal-preparazzjoni relattivament għolja tan-nanoCeO2materjali bbażati jibqgħu fattur importanti fil-maġġoranza l-kbira tal-applikazzjonijiet tagħhom fit-trattament tal-ilma, li għadhom fl-istadju tar-riċerka tal-laboratorju. L-esplorazzjoni ta 'metodi ta' preparazzjoni bi prezz baxx, sempliċi u effettivi li jistgħu jirregolaw il-morfoloġija u d-daqs ta 'materjali bbażati fuq in-nano CeO2 għadu fokus tar-riċerka.
(2) Minħabba d-daqs żgħir tal-partiċelli ta 'materjali bbażati fuq in-nano CeO2, il-kwistjonijiet ta' riċiklaġġ u riġenerazzjoni wara l-użu huma wkoll fatturi importanti li jillimitaw l-applikazzjoni tagħhom. Il-kompost tiegħu b'materjali tar-reżina jew materjali manjetiċi se jkun direzzjoni ewlenija tar-riċerka għat-teknoloġija tal-preparazzjoni u r-riċiklaġġ tal-materjal tiegħu.
(3) L-iżvilupp ta 'proċess konġunt bejn it-teknoloġija tat-trattament tal-ilma tal-materjal ibbażat fuq in-nano CeO2 u t-teknoloġija tradizzjonali tat-trattament tad-drenaġġ se jippromwovi ħafna l-applikazzjoni tat-teknoloġija katalitika tal-materjal ibbażat fuq in-nano CeO2 fil-qasam tat-trattament tal-ilma.
(4) Għad hemm riċerka limitata dwar it-tossiċità ta 'materjali bbażati fuq in-nano CeO2, u l-imġiba ambjentali tagħhom u l-mekkaniżmu ta' tossiċità fis-sistemi tat-trattament tal-ilma għadhom ma ġewx determinati. Il-proċess attwali tat-trattament tad-drenaġġ spiss jinvolvi l-koeżistenza ta 'inkwinanti multipli, u l-inkwinanti koeżistenti jinteraġixxu ma' xulxin, u b'hekk ibiddlu l-karatteristiċi tal-wiċċ u t-tossiċità potenzjali tan-nanomaterjali. Għalhekk, hemm bżonn urġenti li ssir aktar riċerka dwar aspetti relatati.
Ħin tal-post: Mejju-22-2023