ЦеО2је важна компонента ретких земних материјала. Тхеелемент ретке земље церијумима јединствену спољашњу електронску структуру - 4ф15д16с2. Његов специјални 4ф слој може ефикасно да складишти и ослобађа електроне, чинећи да се јони церијума понашају у +3 валентном стању и +4 валентном стању. Стога, ЦеО2 материјали имају више рупа за кисеоник и имају одличну способност складиштења и ослобађања кисеоника. Међусобна конверзија Це (ИИИ) и Це (ИВ) такође даје ЦеО2 материјале јединственим оксидационо-редукционим каталитичким способностима. У поређењу са расутим материјалима, нано ЦеО2, као нови тип неорганског материјала, добио је широку пажњу због своје високе специфичне површине, одличне способности складиштења и ослобађања кисеоника, проводљивости јона кисеоника, редокс перформанси и брзе дифузије кисеоника на високој температури способност. Тренутно постоји велики број истраживачких извештаја и сродних апликација које користе нано ЦеО2 као катализаторе, носаче катализатора или адитиве, активне компоненте и адсорбенте.
1. Метода припреме нанометрацеријум оксид
Тренутно, уобичајене методе припреме за нано церију углавном укључују хемијску методу и физичку методу. Према различитим хемијским методама, хемијске методе се могу поделити на метод преципитације, хидротермални метод, солвотермални метод, метод сол гела, метод микроемулзије и метод електродепозиције; Физичка метода је углавном метода млевења.
1.1 Метода млевења
Метода млевења за припрему нано церије углавном користи млевење песка, које има предности ниске цене, еколошке прихватљивости, велике брзине обраде и јаке способности обраде. То је тренутно најважнија метода обраде у индустрији нано церије. На пример, припрема праха за полирање нано церијум оксида генерално усваја комбинацију калцинације и млевења песка, а сировине катализатора за денитрацију на бази церијума се такође мешају за претходну обраду или третирају након калцинације коришћењем песка за млевење. Коришћењем различитих односа величине честица песка за млевење, нано церијум са Д50 у распону од десетина до стотина нанометара може се добити подешавањем.
1.2 Метода падавина
Метода преципитације се односи на методу припреме чврстог праха таложењем, сепарацијом, прањем, сушењем и калцинацијом сировина растворених у одговарајућим растварачима. Метода преципитације се широко користи у припреми ретких земаља и допираних наноматеријала, са предностима као што су једноставан процес припреме, висока ефикасност и ниска цена. То је уобичајена метода за припрему нано церије и њених композитних материјала у индустрији. Ова метода може припремити нано церију са различитом морфологијом и величином честица променом температуре таложења, концентрације материјала, пХ вредности, брзине таложења, брзине мешања, шаблона, итд. Уобичајене методе се ослањају на таложење јона церијума из амонијака који настаје разградњом урее, а припрема микросфера нано церије контролише цитратни јони. Алтернативно, јони церијума могу бити исталожени помоћу ОХ - добијених хидролизом натријум цитрата, а затим инкубирани и калцинисани да би се припремиле микросфере попут нано церије.
1.3 Хидротермалне и солвотермалне методе
Ове две методе се односе на начин припреме производа високотемпературном и високопритисном реакцијом на критичној температури у затвореном систему. Када је реакциони растварач вода, то се назива хидротермална метода. Сходно томе, када је реакциони растварач органски растварач, то се назива солвотермална метода. Синтетизоване нано честице имају високу чистоћу, добру дисперзију и уједначене честице, посебно нано прахови различите морфологије или изложене посебне кристалне површине. Растворити церијум хлорид у дестилованој води, промешати и додати раствор натријум хидроксида. Реагујте хидротермално на 170 ℃ током 12 сати да бисте припремили наношипке церијум оксида са изложеним (111) и (110) кристалним равнима. Подешавањем реакционих услова, удео (110) кристалних равни у изложеним кристалним равнима може се повећати, додатно појачавајући њихову каталитичку активност. Подешавање реакционог растварача и површинских лиганда такође може да произведе честице нано церије са посебном хидрофилношћу или липофилношћу. На пример, додавање ацетатних јона у водену фазу може да припреми монодисперзне хидрофилне наночестице церијум оксида у води. Одабиром неполарног растварача и увођењем олеинске киселине као лиганда током реакције, могу се припремити монодисперзне липофилне наночестице церије у неполарним органским растварачима. (Погледајте слику 1)
Слика 1 Монодисперзни сферични нано церијум и наноцеријум у облику штапа
1.4 Сол гел метода
Метода сол гела је метода која користи нека или неколико једињења као прекурсоре, спроводи хемијске реакције као што је хидролиза у течној фази да би се формирао сол, а затим формира гел након старења и на крају се суши и калцинише да би се припремили ултрафини прахови. Ова метода је посебно погодна за припрему високо диспергованих вишекомпонентних нано церије композитних наноматеријала, као што су церијум гвожђе, церијум титанијум, церијум цирконијум и други композитни нано оксиди, који су пријављени у многим извештајима.
1.5 Друге методе
Поред наведених метода, постоје и метода микро лосиона, метода микроталасне синтезе, метода електродепозиције, метода сагоревања плазма пламеном, метода електролизе мембранске јоноизмењивачке и многе друге методе. Ове методе имају велики значај за истраживање и примену нано церије.
Примена 2-нанометарског церијум оксида у третману воде
Церијум је најзаступљенији елемент међу елементима ретких земаља, са ниским ценама и широком применом. Нанометарски церијум и његови композити привукли су велику пажњу у области третмана воде због своје велике специфичне површине, високе каталитичке активности и одличне структурне стабилности.
2.1 Примена одНано церијум оксиду Третман воде адсорпционом методом
Последњих година, развојем индустрија као што је електронска индустрија, испуштена је велика количина отпадних вода које садрже загађиваче као што су јони тешких метала и јони флуора. Чак иу концентрацијама у траговима, може проузроковати значајну штету воденим организмима и животној средини људи. Најчешће коришћене методе укључују оксидацију, флотацију, реверзну осмозу, адсорпцију, нанофилтрацију, биосорпцију, итд. Међу њима, технологија адсорпције се често усваја због једноставног рада, ниске цене и високе ефикасности третмана. Нано ЦеО2 материјали имају велику специфичну површину и високу површинску активност као адсорбенти, а било је много извештаја о синтези порозног нано ЦеО2 и његових композитних материјала са различитим морфологијама за адсорбовање и уклањање штетних јона из воде.
Истраживања су показала да наноцерија има јак адсорпциони капацитет за Ф - у води под слабо киселим условима. У раствору са почетном концентрацијом Ф - од 100 мг/Л и пХ=5-6, капацитет адсорпције за Ф - је 23 мг/г, а брзина уклањања Ф - је 85,6%. Након стављања на смолу од полиакрилне киселине (количина пуњења: 0,25 г/г), способност уклањања Ф - може достићи преко 99% када се третира једнака запремина од 100 мг/Л Ф - воденог раствора; Приликом обраде 120 пута веће запремине, више од 90% Ф - може се уклонити. Када се користи за адсорпцију фосфата и јодата, капацитет адсорпције може да достигне преко 100 мг/г под одговарајућим оптималним стањем адсорпције. Коришћени материјал се може поново користити након једноставне десорпције и третмана неутрализације, што има високе економске користи.
Постоје многе студије о адсорпцији и третману токсичних тешких метала као што су арсен, хром, кадмијум и олово користећи нано церију и њене композитне материјале. Оптимални пХ адсорпције варира за јоне тешких метала са различитим валентним стањима. На пример, слабо алкално стање са неутралним пристрасношћу има најбоље стање адсорпције за Ас (ИИИ), док се оптимално стање адсорпције за Ас (В) постиже под слабо киселим условима, где капацитет адсорпције може достићи преко 110 мг/г под оба условима. Све у свему, оптимизована синтеза нано церије и његових композитних материјала може постићи високе стопе адсорпције и уклањања за различите јоне тешких метала у широком пХ опсегу.
С друге стране, наноматеријали на бази церијум оксида такође имају изванредне перформансе у адсорбовању органских материја у отпадној води, као што су кисела наранџаста, родамин Б, Конго црвена, итд. На пример, у постојећим пријављеним случајевима, наноцерије порозне сфере припремљене електрохемијским методама имају високе адсорпциони капацитет у уклањању органских боја, посебно у уклањању конго црвене, са капацитетом адсорпције од 942,7 мг/г за 60 минута.
2.2 Примена нано церије у напредном процесу оксидације
Предлаже се напредни процес оксидације (скраћено АОП) да би се побољшао постојећи систем за пречишћавање безводних материја. Напредни процес оксидације, познат и као технологија дубоке оксидације, карактерише производња хидроксил радикала (· ОХ), супероксид радикала (· О2 -), синглетног кисеоника, итд. са јаком способношћу оксидације. У реакционим условима високе температуре и притиска, струје, звука, светлосног зрачења, катализатора итд. Према различитим начинима стварања слободних радикала и реакционим условима, могу се поделити на фотохемијску оксидацију, каталитичку влажну оксидацију, сонохемијску оксидацију, озон оксидација, електрохемијска оксидација, Фентонова оксидација итд. (види слику 2).
Слика 2 Класификација и технолошка комбинација напредног процеса оксидације
Нано цериаје хетерогени катализатор који се обично користи у напредном процесу оксидације. Због брзе конверзије између Це3+ и Це4+ и брзог ефекта оксидације-редукције изазваног апсорпцијом и ослобађањем кисеоника, нано церија има добру каталитичку способност. Када се користи као промотер катализатора, такође може ефикасно побољшати каталитичку способност и стабилност. Када се нано церијум и његови композитни материјали користе као катализатори, каталитичка својства у великој мери варирају у зависности од морфологије, величине честица и изложених кристалних равни, што су кључни фактори који утичу на њихов учинак и примену. Генерално се верује да што су честице мање и што је већа специфична површина, то је више одговарајуће активно место и јача каталитичка способност. Каталитичка способност изложене кристалне површине, од јаке до слабе, је реда (100) површина кристала> (110) површина кристала> (111) површина кристала, а одговарајућа стабилност је супротна.
Церијум оксид је полупроводнички материјал. Када се нанометарски церијум оксид озрачи фотонима са енергијом већом од појасног појаса, побуђују се електрони валентног појаса и јавља се понашање рекомбинације транзиције. Ово понашање ће промовисати стопу конверзије Це3+ и Це4+, што ће резултирати снажном фотокаталитичком активношћу нано церије. Фотокатализом се може постићи директна деградација органске материје без секундарног загађења, па је њена примена најпроучаванија технологија у области наноцерије у АОП. Тренутно је главни фокус на третману каталитичке деградације азо-боја, фенола, хлоробензена и фармацеутских отпадних вода коришћењем катализатора различите морфологије и композитног састава. Према извештају, под оптимизованом методом синтезе катализатора и условима каталитичког модела, капацитет деградације ових супстанци генерално може достићи више од 80%, а капацитет уклањања укупног органског угљеника (ТОЦ) може достићи више од 40%.
Катализа нано церијум оксида за деградацију органских загађивача као што су озон и водоник пероксид је још једна широко проучавана технологија. Слично фотокатализи, она се такође фокусира на способност нано церије са различитим морфологијама или кристалним равнима и различитим композитним каталитичким оксидантима на бази церијума да оксидирају и разграђују органске загађиваче. У таквим реакцијама, катализатори могу катализовати стварање великог броја активних радикала из озона или водоник пероксида, који нападају органске загађиваче и постижу ефикаснију способност оксидативне деградације. Због увођења оксиданата у реакцију, способност уклањања органских једињења је знатно побољшана. У већини реакција, коначна брзина уклањања циљне супстанце може достићи или се приближити 100%, а стопа уклањања ТОЦ-а је такође већа.
У електрокаталитичкој напредној оксидационој методи, својства анодног материјала са високим потенцијалом еволуције кисеоника одређују селективност електрокаталитичке напредне оксидационе методе за третман органских загађивача. Материјал катоде је важан фактор који одређује производњу Х2О2, а производња Х2О2 одређује ефикасност електрокаталитичке напредне оксидационе методе за третман органских загађивача. Проучавање модификације материјала електрода коришћењем нано церије је добило широку пажњу како у земљи тако и у иностранству. Истраживачи углавном уводе нано церијум оксид и његове композитне материјале кроз различите хемијске методе како би модификовали различите материјале електрода, побољшали њихову електрохемијску активност и на тај начин повећали електрокаталитичку активност и коначну брзину уклањања.
Микроталасна пећница и ултразвук су често важне помоћне мере за горе наведене каталитичке моделе. Узимајући ултразвучну помоћ као пример, коришћењем вибрационих звучних таласа са фреквенцијама већим од 25 кХз у секунди, милиони изузетно малих мехурића се стварају у раствору формулисаном са специјално дизајнираним средством за чишћење. Ови мали мехурићи, током брзе компресије и експанзије, константно производе имплозију мехурића, омогућавајући материјалима да се брзо размене и дифундују на површини катализатора, често експоненцијално побољшавајући каталитичку ефикасност.
3 Закључак
Нано церија и њени композитни материјали могу ефикасно да третирају јоне и органске загађиваче у води, и имају значајан потенцијал примене у будућим областима пречишћавања воде. Међутим, већина истраживања је још увек у лабораторијској фази, а да би се постигла брза примена у третману воде у будућности, још увек треба хитно решити следећа питања:
(1) Релативно висока цена припреме наноЦеО2материјали на бази остају важан фактор у великој већини њихових примена у третману воде, који су још увек у фази лабораторијског истраживања. Истраживање јефтиних, једноставних и ефикасних метода припреме које могу регулисати морфологију и величину материјала на бази нано ЦеО2 и даље је у фокусу истраживања.
(2) Због мале величине честица материјала на бази нано ЦеО2, проблеми рециклирања и регенерације након употребе су такође важни фактори који ограничавају њихову примену. Композит са смолним материјалима или магнетним материјалима биће кључни истраживачки правац за његову припрему материјала и технологију рециклирања.
(3) Развој заједничког процеса између технологије за пречишћавање воде заснованог на нано ЦеО2 материјала и традиционалне технологије за пречишћавање отпадних вода ће у великој мери промовисати примену каталитичке технологије материјала засноване на нано ЦеО2 у области третмана воде.
(4) Још увек постоје ограничена истраживања о токсичности материјала на бази нано ЦеО2, а њихово понашање у животној средини и механизам токсичности у системима за пречишћавање воде још нису утврђени. Стварни процес пречишћавања отпадних вода често укључује коегзистенцију више загађивача, а коегзистирајуће загађиваче ће међусобно деловати, мењајући на тај начин карактеристике површине и потенцијалну токсичност наноматеријала. Стога постоји хитна потреба да се спроведу додатна истраживања о сродним аспектима.
Време поста: 22.05.2023