CEO2este o componentă importantă a materialelor de pământ rare.element de pământ rar CeriuAre o structură electronică exterioară unică - 4F15D16S2. Stratul său special 4F poate stoca și elibera în mod eficient electronii, ceea ce face ca ionii de cerium să se comporte în starea de valență+3 și în stare de valență+4. Prin urmare, materialele CEO2 au mai multe găuri de oxigen și au o capacitate excelentă de a stoca și elibera oxigen. Conversia reciprocă a CE (III) și CE (IV) este de asemenea înzestrată materiale CEO2 cu capacități catalitice unice de reducere a oxidării. În comparație cu materialele în vrac, Nano CEO2, ca un nou tip de material anorganic, a primit o atenție răspândită datorită suprafeței sale specifice ridicate, a capacității excelente de depozitare și eliberare a oxigenului, a conductivității ionice de oxigen, a performanței redox și a capacității de difuzare a vacantului vacant de oxigen rapid la temperatură ridicată. În prezent, există un număr mare de rapoarte de cercetare și aplicații conexe folosind Nano CEO2 ca catalizatori, transportatori de catalizatori sau aditivi, componente active și adsorbanți.
1. Metoda de pregătire a nanometruluiOxid de ceriu
În prezent, metodele comune de preparare pentru nano ceria includ în principal metoda chimică și metoda fizică. Conform diferitelor metode chimice, metodele chimice pot fi împărțite în metoda precipitațiilor, metoda hidrotermică, metoda solvotermică, metoda gelului sol, metoda de microemulsie și metoda electrodepunerii; Metoda fizică este în principal metoda de măcinare.
1.1 Metoda de măcinare
Metoda de măcinare pentru pregătirea Nano Ceria folosește, în general, măcinarea de nisip, care are avantajele costurilor reduse, prietenia mediului, viteza de procesare rapidă și o capacitate puternică de procesare. În prezent este cea mai importantă metodă de procesare din industria Nano Ceria. De exemplu, prepararea pulberii de lustruire a oxidului de ceriu nano adoptă, în general, o combinație de calcinare și măcinare de nisip, iar materiile prime ale catalizatorilor de denitrare pe bază de ceriu sunt, de asemenea, amestecate pentru pre-tratament sau tratate după calcinare folosind șlefuirea nisipului. Prin utilizarea diferitelor raporturi de mărgele de măcinare a nisipului de dimensiuni de particule, Nano Ceria cu D50 variind de la zeci până la sute de nanometri pot fi obținute prin reglare.
1.2 Metoda precipitațiilor
Metoda precipitațiilor se referă la metoda de preparare a pulberii solide prin precipitații, separare, spălare, uscare și calcinare a materiilor prime dizolvate în solvenți adecvați. Metoda precipitațiilor este utilizată pe scară largă la prepararea nanomaterialelor rare și a nanomaterialelor dopate, cu avantaje precum un proces de pregătire simplă, eficiență ridicată și costuri reduse. Este o metodă utilizată frecvent pentru pregătirea nano cerii și a materialelor sale compozite în industrie. Această metodă poate prepara nano ceria cu morfologie diferită și dimensiunea particulelor prin modificarea temperaturii precipitațiilor, a concentrației materiale, a valorii pH -ului, a vitezei precipitațiilor, a vitezei de agitare, a șablonului, etc. Metode comune se bazează pe precipitațiile ionilor de ceriu din amoniac generate de descompunerea ureei, iar prepararea microfelelor nano ceia este controlată de ioni de citrat. În mod alternativ, ionii de ceriu pot fi precipitați de OH - generați din hidroliza citratului de sodiu, apoi incubate și calcine pentru a prepara fulg ca nano ceria microsfere.
1,3 Metode hidrotermale și solvotermale
Aceste două metode se referă la metoda de preparare a produselor prin reacție de temperatură ridicată și de înaltă presiune la temperatura critică într-un sistem închis. Când solventul de reacție este apă, se numește metodă hidrotermică. În mod corespunzător, când solventul de reacție este un solvent organic, se numește metodă solvotermică. Particulele nano sintetizate au puritate ridicată, o dispersie bună și particule uniforme, în special pulberi nano cu morfologii diferite sau fețe speciale de cristal expuse. Dizolvați clorura de cerium în apă distilată, amestecați și adăugați soluție de hidroxid de sodiu. Reacționați hidrotermal la 170 ℃ timp de 12 ore pentru a pregăti nanorodele de oxid de ceriu cu planuri de cristal expuse (111) și (110). Prin ajustarea condițiilor de reacție, proporția de (110) planuri de cristal din planurile de cristal expuse poate fi crescută, sporind în continuare activitatea lor catalitică. Reglarea solventului de reacție și a liganzilor de suprafață pot produce, de asemenea, particule nano ceia cu hidrofilicitate specială sau lipofilicitate. De exemplu, adăugarea de ioni de acetat în faza apoasă poate prepara nanoparticule de oxid de ceriu hidrofil monodisperse în apă. Prin selectarea unui solvent non-polar și introducerea acidului oleic ca ligand în timpul reacției, nanoparticulele de ceria lipofilă monodispersă pot fi preparate în solvenți organici non-polari. (Vezi figura 1)
Figura 1 Ceria sferică monodispersică și nano ceria în formă de tijă
1,4 Metoda Gel Sol
Metoda Sol Gel este o metodă care folosește unii sau mai mulți compuși ca precursori, efectuează reacții chimice, cum ar fi hidroliza în faza lichidă pentru a forma sol, apoi formează gel după îmbătrânire și, în final, se usucă și calcină pentru a pregăti pulberi ultrafine. Această metodă este potrivită în special pentru prepararea nanomaterialelor compozite Nano Ceria Ceria, cu mai multe componente, cu mai multe componente, cum ar fi fierul de ceriu, titanul cerium, zirium zirconiu și alte oxizi nano compuși, care au fost raportate în multe rapoarte.
1.5 Alte metode
În plus față de metodele de mai sus, există și metoda micro loțiune, metoda de sinteză a microundelor, metoda electrodepunerii, metoda de ardere a flăcării plasmatice, metoda de electroliză cu membrană cu schimb de ioni și multe alte metode. Aceste metode au o importanță mare pentru cercetarea și aplicarea nano ceria.
Aplicarea oxidului de ceriu cu 2 nanometri în tratarea apei
Cerium este cel mai abundent element dintre elementele rare ale Pământului, cu prețuri mici și aplicații largi. Nanometrul ceria și compozitele sale au atras multă atenție în domeniul tratării apei datorită suprafeței lor specifice ridicate, activității catalitice ridicate și stabilității structurale excelente.
2.1 AplicareaOxid de ceriu nanoîn tratarea apei prin metoda de adsorbție
În ultimii ani, odată cu dezvoltarea de industrii precum industria electronică, au fost descărcate o mare cantitate de ape uzate care conțin poluanți, cum ar fi ioni de metale grele și ioni de fluor. Chiar și la concentrații de urme, poate provoca daune semnificative organismelor acvatice și mediului de viață umană. Metodele utilizate frecvent includ oxidarea, flotarea, osmoza inversă, adsorbția, nanofiltrarea, biosorbția, etc. Printre acestea, tehnologia de adsorbție este adesea adoptată datorită funcționării simple, a costurilor reduse și a eficienței ridicate a tratamentului. Materialele CEO2 NANO au o suprafață specifică ridicată și o activitate de suprafață ridicată ca adsorbanți și au existat numeroase rapoarte despre sinteza porosului Nano CEO2 și a materialelor sale compuse cu morfologii diferite pentru a adsorbi și a elimina ionii dăunători din apă.
Cercetările au arătat că Nano Ceria are o capacitate puternică de adsorbție pentru F - în apă în condiții acide slabe. Într -o soluție cu o concentrație inițială de F - de 100mg/L și pH = 5-6, capacitatea de adsorbție pentru F - este de 23mg/g, iar rata de îndepărtare a F - este de 85,6%. După încărcarea acesteia pe o bilă de rășină de acid poliacrilic (cantitate de încărcare: 0,25g/g), capacitatea de îndepărtare a F - poate atinge peste 99% atunci când se tratează un volum egal de 100 mg/L de soluție apoasă; La procesarea de 120 de ori volumul, mai mult de 90% din F - pot fi eliminate. Când este folosit pentru a adsorb fosfat și iodat, capacitatea de adsorbție poate atinge peste 100 mg/g sub starea de adsorbție optimă corespunzătoare. Materialul folosit poate fi reutilizat după un simplu tratament de desorbție și neutralizare, care are beneficii economice ridicate.
Există multe studii privind adsorbția și tratamentul metalelor grele toxice, cum ar fi arsenic, crom, cadmiu și plumb folosind nano ceria și materialele sale compuse. PH -ul optim de adsorbție variază pentru ioni de metale grele cu diferite stări de valență. De exemplu, starea alcalină slabă cu prejudecată neutră are cea mai bună stare de adsorbție pentru AS (III), în timp ce starea de adsorbție optimă pentru AS (V) este obținută în condiții acide slabe, unde capacitatea de adsorbție poate atinge peste 110 mg/g în ambele condiții. În general, sinteza optimizată a nano ceria și materialele sale compozite pot obține rate ridicate de adsorbție și îndepărtare pentru diverși ioni de metale grele pe o gamă largă de pH.
On the other hand, cerium oxide based nanomaterials also have outstanding performance in adsorbing organics in wastewater, such as acid orange, rhodamine B, Congo red, etc. For example, in existing reported cases, nano ceria porous spheres prepared by electrochemical methods have high adsorption capacity in the removal of organic dyes, especially in the removal of Congo red, with an adsorption capacity of 942,7 mg/g în 60 de minute.
2.2 Aplicarea nano ceria în procesul avansat de oxidare
Procesul avansat de oxidare (AOP pentru scurt) este propus pentru a îmbunătăți sistemul de tratament anhidru existent. Procesul avansat de oxidare, cunoscut și sub denumirea de tehnologie de oxidare profundă, se caracterizează prin producerea de radicali hidroxil (· OH), radical superoxid (· O2 -), oxigen singlet etc. În condițiile de reacție de temperatură și presiune ridicată, electricitate, sunet, iradiere ușoară, catalizator, etc. În funcție de diferitele moduri de a genera radicali liberi și condiții de reacție, acestea pot fi împărțite în oxidare fotochimică, oxidare umedă catalitică, oxidare de sonochimie, oxidare ozonă, oxidare electrochimică, oxidare de fenton, etc. (a se vedea figura 2).
Figura 2 Clasificare și tehnologie Combinație de proces avansat de oxidare
Nano Ceriaeste un catalizator eterogen utilizat frecvent în procesul avansat de oxidare. Datorită conversiei rapide între CE3+și CE4+și efectul de reducere a oxidării rapide adus de absorbția și eliberarea oxigenului, Nano Ceria are o bună capacitate catalitică. Atunci când este utilizat ca promotor de catalizator, acesta poate îmbunătăți eficient capacitatea și stabilitatea catalitică. Când nano ceria și materialele sale compozite sunt utilizate ca catalizatori, proprietățile catalitice variază foarte mult cu morfologia, dimensiunea particulelor și planurile de cristal expuse, care sunt factori cheie care afectează performanța și aplicarea lor. În general, se crede că cu cât particulele sunt mai mici și cu cât este mai mare suprafața specifică, cu atât situsul activ mai corespunzător și cu atât este mai puternică capacitatea catalitică. Abilitatea catalitică a suprafeței cristalului expus, de la puternic la slab, este de ordinul (100) suprafeței cristalului> (110) suprafața cristalului> (111) suprafața cristalului, iar stabilitatea corespunzătoare este opusă.
Oxidul de ceriu este un material semiconductor. Când oxidul de ceriu nanometru este iradiat de fotoni cu energie mai mare decât decalajul de bandă, electronii cu bandă de valență sunt excitați și apare comportamentul de recombinare a tranziției. Acest comportament va promova rata de conversie a CE3+și CE4+, ceea ce duce la o activitate fotocatalitică puternică a nano ceria. Fotocataliza poate obține degradarea directă a materiei organice fără poluare secundară, astfel încât aplicarea sa este cea mai studiată tehnologie în domeniul Nano Ceria din AOPS. În prezent, principalul obiectiv este pe tratamentul de degradare catalitică a coloranților azo, fenol, clorobenzen și apelor uzate farmaceutice folosind catalizatori cu morfologii diferite și compoziții compuse. Conform raportului, în conformitate cu metoda de sinteză a catalizatorului optimizată și condițiile modelului catalitic, capacitatea de degradare a acestor substanțe poate atinge în general mai mult de 80%, iar capacitatea de îndepărtare a carbonului organic total (TOC) poate ajunge la mai mult de 40%.
Cataliza de oxid de ceriu nano pentru degradarea poluanților organici, cum ar fi ozonul și peroxidul de hidrogen este o altă tehnologie studiată pe scară largă. Similar cu fotocataliza, se concentrează și pe capacitatea nano ceia cu diferite morfologii sau planuri de cristal și diferiți oxidanți catalitici compoziți pe bază de ceriu pentru a oxida și degrada poluanții organici. În astfel de reacții, catalizatorii pot cataliza generarea unui număr mare de radicali activi din ozon sau peroxid de hidrogen, care atacă poluanții organici și obțin capacități de degradare oxidativă mai eficiente. Datorită introducerii oxidanților în reacție, capacitatea de a elimina compușii organici este mult îmbunătățită. În majoritatea reacțiilor, rata de îndepărtare finală a substanței țintă poate ajunge sau aborda 100%, iar rata de îndepărtare a TOC este, de asemenea, mai mare.
În metoda de oxidare avansată electrocatalitică, proprietățile materialului anod cu o evoluție ridicată a oxigenului determină selectivitatea metodei electrocatalitice de oxidare avansată pentru tratarea poluanților organici. Materialul catod este un factor important care determină producția de H2O2, iar producerea de H2O2 determină eficiența metodei electrocatalitice de oxidare avansată pentru tratarea poluanților organici. Studiul modificării materialului electrodului folosind Nano Ceria a primit o atenție largă atât pe plan intern, cât și internațional. Cercetătorii introduc în principal oxidul de ceriu nano și materialele sale compozite prin diferite metode chimice pentru a modifica diferite materiale cu electrozi, pentru a -și îmbunătăți activitatea electrochimică și, prin urmare, pentru a crește activitatea electrocatalitică și rata de îndepărtare finală.
Cuptorul cu microunde și ecografia sunt adesea măsuri auxiliare importante pentru modelele catalitice de mai sus. Luând ca exemplu asistență cu ultrasunete, folosind unde sonore de vibrații cu frecvențe mai mari de 25 kHz pe secundă, milioane de bule extrem de mici sunt generate într -o soluție formulată cu un agent de curățare special conceput. Aceste bule mici, în timpul compresiei și expansiunii rapide, produc constant implozarea cu bule, permițând materialelor să facă schimb și difuz rapid pe suprafața catalizatorului, adesea îmbunătățind exponențial eficiența catalitică.
3 Concluzie
Nano Ceria și materialele sale compuse pot trata eficient ionii și poluanții organici în apă și au un potențial important de aplicare în viitoarele câmpuri de tratare a apei. Cu toate acestea, majoritatea cercetărilor sunt încă în stadiul de laborator, iar pentru a obține o aplicare rapidă în tratarea apei în viitor, următoarele probleme trebuie să fie abordate de urgență:
(1) Costul de pregătire relativ ridicat al NanoCEO2Materialele bazate rămân un factor important în marea majoritate a aplicațiilor lor în tratarea apei, care sunt încă în stadiul de cercetare de laborator. Explorarea metodelor de pregătire cu costuri reduse, simple și eficiente, care pot regla morfologia și dimensiunea materialelor bazate pe CEO2 NANO este încă un obiectiv al cercetării.
(2) Datorită dimensiunii mici ale particulelor de materiale pe bază de CEO2 NANO, problemele de reciclare și regenerare după utilizare sunt, de asemenea, factori importanți care limitează aplicarea lor. Compozitul IT cu materiale de rășină sau materiale magnetice va fi o direcție cheie de cercetare pentru tehnologia sa de pregătire și reciclare a materialelor.
(3) Dezvoltarea unui proces comun între tehnologia de tratare a apei din CEO2 CEO2 și tehnologia tradițională de tratare a apelor reziduale va promova foarte mult aplicarea tehnologiei catalitice a materialului CEO2 CEO2 în domeniul tratării apei.
(4) Există încă o cercetare limitată cu privire la toxicitatea materialelor pe bază de CEO2 NANO, iar comportamentul lor de mediu și mecanismul de toxicitate în sistemele de tratare a apei nu au fost încă determinate. Procesul real de tratare a apelor reziduale implică adesea coexistența mai multor poluanți, iar poluanții coexistenți vor interacționa între ei, schimbând astfel caracteristicile suprafeței și toxicitatea potențială a nanomaterialelor. Prin urmare, există o nevoie urgentă de a efectua mai multe cercetări asupra aspectelor conexe.
Timp post: 22-2023 mai