CeO2este o componentă importantă a materialelor pământurilor rare. Theelement pământ rar ceriuare o structură electronică exterioară unică - 4f15d16s2. Stratul său special 4f poate stoca și elibera electroni în mod eficient, făcând ionii de ceriu să se comporte în starea de valență +3 și starea 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) conferă materialelor CeO2 capacități catalitice unice de oxidare-reducere. În comparație cu materialele în vrac, nano CeO2, ca un nou tip de material anorganic, a primit o atenție larg răspândită datorită suprafeței sale specifice ridicate, capacității excelente de stocare și eliberare a oxigenului, conductivitate ionilor de oxigen, performanță redox și difuzie rapidă a oxigenului la temperatură înaltă. abilitate. În prezent, există un număr mare de rapoarte de cercetare și aplicații conexe care utilizează nano CeO2 ca catalizatori, purtători de catalizatori sau aditivi, componente active și adsorbanți.
1. Metoda de preparare a nanometruluioxid de ceriu
În prezent, metodele comune de preparare pentru nanoceria includ în principal metoda chimică și metoda fizică. Conform diferitelor metode chimice, metodele chimice pot fi împărțite în metoda de precipitare, metoda hidrotermală, metoda solvotermală, metoda gel sol, metoda microemulsie și metoda electrodepunere; Metoda fizică este în principal metoda de măcinare.
1.1 Metoda de măcinare
Metoda de măcinare pentru prepararea nanocerii utilizează în general măcinarea cu nisip, care are avantajele unui cost scăzut, prietenos cu mediul, viteză rapidă de procesare și capacitate puternică de procesare. În prezent, este cea mai importantă metodă de procesare din industria nanocerii. De exemplu, prepararea pulberii de lustruire cu nano oxid de ceriu adoptă în general o combinație de calcinare și măcinare a nisipului, iar materiile prime ale catalizatorilor de denitrare pe bază de ceriu sunt, de asemenea, amestecate pentru pretratare sau tratate după calcinare folosind măcinarea nisipului. Prin utilizarea diferitelor rapoarte de măcinare a granulelor de nisip de dimensiunea particulelor, prin ajustare se poate obține nanoceria cu D50 care variază de la zeci la sute de nanometri.
1.2 Metoda precipitațiilor
Metoda de precipitare se referă la metoda de preparare a pulberii solide prin precipitarea, separarea, spălarea, uscarea și calcinarea materiilor prime dizolvate în solvenți corespunzători. Metoda de precipitare este utilizată pe scară largă în prepararea pământurilor rare și a nanomaterialelor dopate, cu avantaje precum proces simplu de preparare, eficiență ridicată și cost redus. Este o metodă frecvent utilizată pentru prepararea nanoceriei și a materialelor sale compozite în industrie. Această metodă poate prepara nanoceria cu morfologie și dimensiunea particulelor diferite prin modificarea temperaturii de precipitare, concentrația materialului, valoarea pH-ului, viteza de precipitare, viteza de agitare, șablonul etc. Metodele obișnuite se bazează pe precipitarea ionilor de ceriu din amoniacul generat de descompunerea ureei, iar prepararea microsferelor de nano ceria este controlată de ioni de citrat. Alternativ, ionii de ceriu pot fi precipitați de OH - generat din hidroliza citratului de sodiu și apoi incubați și calcinati pentru a prepara microsfere de fulgi ca nano ceria.
1.3 Metode hidrotermale și solvotermale
Aceste două metode se referă la metoda de preparare a produselor prin reacție la temperatură înaltă și la presiune înaltă la temperatură critică într-un sistem închis. Când solventul de reacție este apă, se numește metodă hidrotermală. În mod corespunzător, atunci când solventul de reacție este un solvent organic, se numește metodă solvotermă. Nanoparticulele sintetizate au particule de puritate ridicată, dispersie bună și uniforme, în special pulberile nano cu diferite morfologii sau fețe speciale expuse de cristal. Se dizolvă clorura de ceriu în apă distilată, se amestecă și se adaugă soluție de hidroxid de sodiu. Reacționați hidrotermal la 170 ℃ timp de 12 ore pentru a pregăti nanorodul de oxid de ceriu cu planurile cristaline expuse (111) și (110). Prin ajustarea condițiilor de reacție, proporția de (110) planuri de cristal în planurile de cristal expuse poate fi crescută, sporind și mai mult activitatea lor catalitică. Ajustarea solventului de reacție și a liganzilor de suprafață poate produce, de asemenea, particule de nano ceria cu hidrofilitate sau lipofilitate specială. De exemplu, adăugarea de ioni de acetat la faza apoasă poate prepara nanoparticule de oxid de ceriu hidrofile monodisperse în apă. Prin selectarea unui solvent nepolar și introducerea acidului oleic ca ligand în timpul reacției, nanoparticulele de ceria lipofile monodisperse pot fi preparate în solvenți organici nepolari. (A se vedea figura 1)
Figura 1 Nano ceria sferică monodispersă și nano ceria în formă de tijă
1.4 Metoda sol gel
Metoda sol gel este o metodă care utilizează unii sau mai mulți compuși ca precursori, desfășoară reacții chimice precum hidroliza în fază lichidă pentru a forma sol, apoi formează gel după îmbătrânire, iar în final se usucă și se calcinează pentru a prepara pulberi ultrafine. Această metodă este adecvată în special pentru prepararea nanomaterialelor compozite cu nano cerie multicomponente foarte dispersate, cum ar fi ceriu fier, ceriu titan, ceriu zirconiu și alți nanoxizi compoziți, care au fost raportați în multe rapoarte.
1.5 Alte metode
În plus față de metodele de mai sus, există și metoda micro-loțiunii, metoda de sinteză cu microunde, metoda de electrodepunere, metoda de ardere cu flacără cu plasmă, metoda de electroliză cu membrană schimbătoare de ioni și multe alte metode. Aceste metode au o mare importanță pentru cercetarea și aplicarea nanoceriei.
Aplicarea oxidului de ceriu de 2 nanometri în tratarea apei
Ceriul este cel mai abundent element dintre elementele pământurilor rare, cu prețuri mici și aplicații largi. Nanometer 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 AplicareaNano oxid de ceriuîn Tratarea apei prin metoda de adsorbție
În ultimii ani, odată cu dezvoltarea unor industrii precum industria electronică, a fost evacuată o mare cantitate de ape uzate care conțin poluanți precum ioni de metale grele și ionii de fluor. Chiar și la urme de concentrație, poate provoca daune semnificative organismelor acvatice și mediului de viață uman. Metodele utilizate în mod obișnuit includ oxidarea, flotarea, osmoza inversă, adsorbția, nanofiltrarea, biosorbția, etc. Printre acestea, tehnologia de adsorbție este adesea adoptată datorită funcționării sale simple, costurilor reduse și eficienței ridicate a tratamentului. Materialele Nano CeO2 au o suprafață specifică mare și o activitate de suprafață ridicată ca adsorbanți și au existat multe rapoarte privind sinteza nano CeO2 poroasă și materialele sale compozite cu morfologii diferite pentru adsorbția și îndepărtarea ionilor dăunători din apă.
Cercetările au arătat că nanoceria are o capacitate puternică de adsorbție pentru F - în apă în condiții de aciditate slabă. 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 acestuia pe o minge de rășină de acid poliacrilic (cantitate de încărcare: 0,25g/g), capacitatea de îndepărtare a F - poate ajunge la peste 99% la tratarea unui volum egal de 100mg/L de F - soluție apoasă; Când se procesează de 120 de ori volumul, mai mult de 90% din F - poate fi eliminat. Când este utilizat pentru adsorbția de fosfat și iodat, capacitatea de adsorbție poate ajunge la peste 100 mg/g în starea optimă de adsorbție corespunzătoare. Materialul folosit poate fi refolosit după un simplu tratament de desorbție și neutralizare, care are beneficii economice mari.
Există multe studii privind adsorbția și tratarea metalelor grele toxice, cum ar fi arsenul, cromul, cadmiul și plumbul, folosind nanoceria și materialele sale compozite. pH-ul optim de adsorbție variază pentru ionii de metale grele cu diferite stări de valență. De exemplu, starea slabă alcalină cu părtinire neutră are cea mai bună stare de adsorbție pentru As (III), în timp ce starea optimă de adsorbție pentru As (V) este atinsă în condiții acide slabe, unde capacitatea de adsorbție poate atinge peste 110 mg/g în ambele conditii. În general, sinteza optimizată a nanocerii și a materialelor sale compozite poate atinge rate ridicate de adsorbție și îndepărtare pentru diverși ioni de metale grele într-un interval larg de pH.
Pe de altă parte, nanomaterialele pe bază de oxid de ceriu au, de asemenea, performanțe remarcabile în absorbția substanțelor organice în apele uzate, cum ar fi portocaliu acid, rodamină B, roșu Congo etc. capacitatea de adsorbție în îndepărtarea coloranților organici, în special în îndepărtarea roșului Congo, cu o capacitate de adsorbție de 942,7 mg/g în 60 de minute.
2.2 Aplicarea nanoceriei în procesul de oxidare avansat
Procesul avansat de oxidare (AOPs pe scurt) este propus pentru a îmbunătăți sistemul de tratare anhidru existent. Procesul avansat de oxidare, cunoscut și sub denumirea de tehnologie de oxidare profundă, este caracterizat prin producerea de radical hidroxil (· OH), radical superoxid (· O2 -), oxigen singlet etc. cu o puternică capacitate de oxidare. În condiții de reacție de temperatură și presiune ridicată, electricitate, sunet, iradiere luminoasă, catalizator etc. În funcție de diferitele moduri de generare a radicalilor liberi și condiții de reacție, aceștia pot fi împărțiți în oxidare fotochimică, oxidare umedă catalitică, oxidare sonochimică, ozon. oxidare, oxidare electrochimică, oxidare Fenton etc. (vezi Figura 2).
Figura 2 Clasificare și combinație de tehnologie a procesului de oxidare avansat
Nano ceriaeste un catalizator heterogen utilizat în mod obișnuit în procesul de oxidare avansată. Datorită conversiei rapide dintre Ce3+ și Ce4+ și a efectului rapid de oxidare-reducere provocat de absorbția și eliberarea oxigenului, nanoceria are o bună capacitate catalitică. Atunci când este utilizat ca promotor de catalizator, poate, de asemenea, îmbunătăți eficient capacitatea și stabilitatea catalitică. Atunci când nanoceria și materialele sale compozite sunt utilizate ca catalizatori, proprietățile catalitice variază foarte mult în funcție de morfologia, dimensiunea particulelor și planurile de cristal expuse, care sunt factori cheie care afectează performanța și aplicarea acestora. În general, se crede că cu cât particulele sunt mai mici și cu cât suprafața specifică este mai mare, cu atât mai mult locul activ corespunzător și cu atât capacitatea catalitică este mai puternică. Capacitatea catalitică a suprafeței cristalului expus, de la puternic la slab, este de ordinul (100) suprafață de cristal>(110) suprafață de cristal>(111) suprafață de cristal, 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 banda interzisă, electronii benzii de valență sunt excitați și are loc comportamentul de recombinare de tranziție. Acest comportament va promova rata de conversie a Ce3+ și Ce4+, rezultând o activitate fotocatalitică puternică a nanoceriei. Fotocataliza poate realiza degradarea directă a materiei organice fără poluare secundară, astfel încât aplicarea sa este cea mai studiată tehnologie în domeniul nanocerii în AOP. În prezent, accentul principal este pus pe tratarea de degradare catalitică a coloranților azoici, fenolului, clorbenzenului și apelor uzate farmaceutice folosind catalizatori cu morfologii diferite și compoziții compozite. Potrivit raportului, în condițiile metodei optimizate de sinteză a catalizatorului și a condițiilor 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 oxidului de nano ceriu pentru degradarea poluanților organici precum ozonul și peroxidul de hidrogen este o altă tehnologie studiată pe scară largă. Similar fotocatalizei, se concentrează, de asemenea, pe capacitatea nanoceriei cu diferite morfologii sau planuri de cristal și diferiți oxidanți catalitici compoziți pe bază de ceriu de 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 realizează capacități mai eficiente de degradare oxidativă. Datorită introducerii de oxidanți în reacție, capacitatea de a elimina compușii organici este mult îmbunătățită. În majoritatea reacțiilor, rata finală de îndepărtare a substanței țintă poate atinge sau se poate apropia de 100%, iar rata de eliminare a COT este, de asemenea, mai mare.
În metoda de oxidare avansată electrocatalitică, proprietăţile materialului anodic cu suprapotenţial mare de degajare de oxigen determină selectivitatea metodei de oxidare avansată electrocatalitică pentru tratarea poluanţilor organici. Materialul catodic este un factor important care determină producția de H2O2, iar producția de H2O2 determină eficiența metodei electrocatalitice avansate de oxidare pentru tratarea poluanților organici. Studiul modificării materialului electrodului folosind nano ceria a primit o atenție larg răspândită atât pe plan intern, cât și internațional. Cercetătorii introduc în principal oxidul de nano ceriu și materialele sale compozite prin diferite metode chimice pentru a modifica diferite materiale ale electrozilor, pentru a le îmbunătăți activitatea electrochimică și, prin urmare, a crește activitatea electrocatalitică și rata finală de îndepărtare.
Microundele și ultrasunetele sunt adesea măsuri auxiliare importante pentru modelele catalitice de mai sus. Luând ca exemplu asistența ultrasonică, folosind unde sonore de vibrație 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 în mod constant implozie cu bule, permițând materialelor să se schimbe și să difuzeze rapid pe suprafața catalizatorului, îmbunătățind adesea exponențial eficiența catalitică.
3 Concluzie
Nano ceria și materialele sale compozite pot trata eficient ionii și poluanții organici din apă și au un potențial important de aplicare în domeniile viitoare de tratare a apei. Cu toate acestea, majoritatea cercetărilor se află încă în stadiul de laborator și, pentru a obține o aplicare rapidă în tratarea apei în viitor, următoarele probleme trebuie încă abordate urgent:
(1) Costul relativ ridicat de preparare al nanoCeO2materialele pe bază rămân un factor important în marea majoritate a aplicațiilor lor în tratarea apei, aflate încă în stadiul de cercetare de laborator. Explorarea metodelor de preparare ieftine, simple și eficiente care pot regla morfologia și dimensiunea materialelor pe bază de nano CeO2 este încă un punct central al cercetării.
(2) Datorită dimensiunii mici a particulelor materialelor pe bază de nano CeO2, problemele de reciclare și regenerare după utilizare sunt, de asemenea, factori importanți care limitează aplicarea acestora. Compozitul acestuia cu materiale rășinoase sau materiale magnetice va fi o direcție cheie de cercetare pentru tehnologia de pregătire și reciclare a materialelor.
(3) Dezvoltarea unui proces comun între tehnologia de tratare a apei cu materiale pe bază de nano CeO2 și tehnologia tradițională de tratare a apelor uzate va promova foarte mult aplicarea tehnologiei catalitice a materialelor pe bază de nano CeO2 în domeniul tratării apei.
(4) Există încă cercetări limitate privind toxicitatea materialelor pe bază de nano CeO2, iar comportamentul lor asupra mediului și mecanismul de toxicitate în sistemele de tratare a apei nu au fost încă determinate. Procesul propriu-zis de tratare a apelor uzate implică adesea coexistența mai multor poluanți, iar poluanții coexistenți vor interacționa între ei, modificând astfel caracteristicile suprafeței și potențiala toxicitate a nanomaterialelor. Prin urmare, este nevoie urgentă de a efectua mai multe cercetări asupra aspectelor conexe.
Ora postării: 22-mai-2023