CeO2nadir toprak malzemelerinin önemli bir bileşenidir.nadir toprak elementi seryumbenzersiz bir dış elektronik yapıya sahiptir - 4f15d16s2. Özel 4f katmanı, elektronları etkili bir şekilde depolayabilir ve serbest bırakabilir, böylece seryum iyonlarının +3 değerlik durumunda ve +4 değerlik durumunda davranmasını sağlar. Bu nedenle CeO2 malzemeleri daha fazla oksijen deliğine sahiptir ve mükemmel oksijen depolama ve salma yeteneğine sahiptir. Ce (III) ve Ce (IV)'ün karşılıklı dönüşümü, CeO2 malzemelerine benzersiz oksidasyon-indirgeme katalitik yetenekleri de kazandırır. Dökme malzemelerle karşılaştırıldığında, nano CeO2, yeni bir inorganik malzeme türü olarak, yüksek spesifik yüzey alanı, mükemmel oksijen depolama ve serbest bırakma yeteneği, oksijen iyon iletkenliği, redoks performansı ve yüksek sıcaklıkta hızlı oksijen boşluğu difüzyonu nedeniyle yaygın ilgi görmüştür. yetenek. Halihazırda nano CeO2'yi katalizör, katalizör taşıyıcı veya katkı maddesi, aktif bileşen ve adsorban olarak kullanan çok sayıda araştırma raporu ve ilgili uygulama bulunmaktadır.
1. Nanometre hazırlama yöntemiseryum oksit
Şu anda nano ceria için yaygın olarak kullanılan hazırlama yöntemleri esas olarak kimyasal yöntemi ve fiziksel yöntemi içermektedir. Farklı kimyasal yöntemlere göre, kimyasal yöntemler çökeltme yöntemi, hidrotermal yöntem, solvotermal yöntem, sol jel yöntemi, mikroemülsiyon yöntemi ve elektrodepozisyon yöntemine ayrılabilir; Fiziksel yöntem esas olarak öğütme yöntemidir.
1.1 Taşlama yöntemi
Nano seryumun hazırlanmasına yönelik öğütme yöntemi genellikle düşük maliyet, çevre dostu olma, hızlı işlem hızı ve güçlü işleme yeteneği gibi avantajlara sahip olan kum öğütmeyi kullanır. Şu anda nano serya endüstrisindeki en önemli işleme yöntemidir. Örneğin, nano seryum oksit parlatma tozunun hazırlanmasında genellikle kalsinasyon ve kum öğütme kombinasyonu benimsenir ve seryum bazlı nitrit giderme katalizörlerinin ham maddeleri de ön işlem için karıştırılır veya kum öğütme kullanılarak kalsinasyondan sonra işlenir. Farklı parçacık boyutundaki kum öğütme boncuk oranları kullanılarak, onlarca ila yüzlerce nanometre arasında değişen D50'li nano ceria, ayarlama yapılarak elde edilebilir.
1.2 Yağış yöntemi
Çökeltme yöntemi, uygun çözücüler içinde çözünmüş hammaddelerin çökeltilmesi, ayrılması, yıkanması, kurutulması ve kalsinasyonu yoluyla katı tozun hazırlanması yöntemini ifade eder. Çökeltme yöntemi, basit hazırlama süreci, yüksek verim ve düşük maliyet gibi avantajlarıyla nadir toprak ve katkılı nanomateryallerin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Endüstride nano seryum ve kompozit malzemelerinin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, çökeltme sıcaklığını, malzeme konsantrasyonunu, pH değerini, çökeltme hızını, karıştırma hızını, şablonu vb. değiştirerek farklı morfoloji ve parçacık boyutuna sahip nano seryum hazırlayabilir. Yaygın yöntemler, üre ayrışması tarafından üretilen amonyaktan seryum iyonlarının çökeltilmesine dayanır. ve nano ceria mikrokürelerinin hazırlanması sitrat iyonları tarafından kontrol edilir. Alternatif olarak, seryum iyonları, sodyum sitratın hidrolizinden üretilen OH ile çökeltilebilir ve daha sonra nano seryum mikroküreleri gibi pul hazırlamak için inkübe edilebilir ve kalsine edilebilir.
1.3 Hidrotermal ve solvotermal yöntemler
Bu iki yöntem, kapalı bir sistem içerisinde kritik sıcaklıkta yüksek sıcaklık ve yüksek basınç reaksiyonu ile ürünlerin hazırlanması yöntemini ifade etmektedir. Reaksiyon çözücüsü su olduğunda buna hidrotermal yöntem denir. Buna uygun olarak reaksiyon çözücüsü organik bir çözücü olduğunda buna solvotermal yöntem adı verilir. Sentezlenen nano parçacıklar, özellikle farklı morfolojilere veya açıkta kalan özel kristal yüzeylere sahip nano tozlar, yüksek saflığa, iyi dağılıma ve tek biçimli parçacıklara sahiptir. Seryum klorürü damıtılmış suda çözün, karıştırın ve sodyum hidroksit çözeltisi ekleyin. Açıkta kalan (111) ve (110) kristal düzlemlere sahip seryum oksit nanoçubuklarını hazırlamak için 170°C'de 12 saat boyunca hidrotermal reaksiyona sokun. Reaksiyon koşullarının ayarlanmasıyla, açığa çıkan kristal düzlemlerdeki (110) kristal düzlemlerinin oranı arttırılabilir, böylece katalitik aktiviteleri daha da arttırılabilir. Reaksiyon solventinin ve yüzey ligandlarının ayarlanması, özel hidrofilik veya lipofilikliğe sahip nano seryum parçacıkları da üretebilir. Örneğin, sulu faza asetat iyonlarının eklenmesi, su içinde monodispers hidrofilik seryum oksit nanopartiküllerinin hazırlanmasını sağlayabilir. Polar olmayan bir çözücünün seçilmesi ve reaksiyon sırasında ligand olarak oleik asidin eklenmesiyle, polar olmayan organik çözücülerde monodispers lipofilik serya nanopartikülleri hazırlanabilir. (Bkz. Şekil 1)
Şekil 1 Monodispers küresel nano seriler ve çubuk şeklindeki nano seriler
1.4 Sol jel yöntemi
Sol jel yöntemi, bazı veya birkaç bileşiği öncül olarak kullanan, sol oluşturmak için sıvı fazda hidroliz gibi kimyasal reaksiyonları gerçekleştiren, daha sonra yaşlandırmadan sonra jel oluşturan ve son olarak ultra ince tozlar hazırlamak için kurutup kalsine eden bir yöntemdir. Bu yöntem, birçok raporda rapor edilen seryum demir, seryum titanyum, seryum zirkonyum ve diğer kompozit nano oksitler gibi oldukça dağılmış çok bileşenli nano seryum kompozit nanomateryallerin hazırlanması için özellikle uygundur.
1.5 Diğer yöntemler
Yukarıdaki yöntemlere ek olarak, mikro losyon yöntemi, mikrodalga sentez yöntemi, elektrokaplama yöntemi, plazma alevli yanma yöntemi, iyon değişim membranı elektroliz yöntemi ve diğer birçok yöntem de vardır. Bu yöntemlerin nano serilerin araştırılması ve uygulanması açısından büyük önemi vardır.
Su arıtımında 2 nanometre seryum oksit uygulaması
Seryum, düşük fiyatı ve geniş uygulama alanıyla nadir toprak elementleri arasında en bol bulunan elementtir. Nanometre ceria ve kompozitleri, yüksek spesifik yüzey alanı, yüksek katalitik aktivitesi ve mükemmel yapısal stabilitesi nedeniyle su arıtma alanında büyük ilgi görmüştür.
2.1 UygulamaNano Seryum OksitAdsorpsiyon Yöntemi ile Su Arıtmada
Son yıllarda elektronik endüstrisi gibi endüstrilerin gelişmesiyle birlikte ağır metal iyonları ve flor iyonları gibi kirleticiler içeren büyük miktarda atık su deşarj edilmektedir. Eser konsantrasyonlarda bile suda yaşayan organizmalara ve insanların yaşam ortamına önemli zararlar verebilir. Yaygın olarak kullanılan yöntemler arasında oksidasyon, yüzdürme, ters ozmoz, adsorpsiyon, nanofiltrasyon, biyosorpsiyon vb. yer alır. Bunlar arasında, basit çalışması, düşük maliyeti ve yüksek arıtma verimliliği nedeniyle adsorpsiyon teknolojisi sıklıkla benimsenir. Nano CeO2 malzemeleri adsorban olarak yüksek spesifik yüzey alanına ve yüksek yüzey aktivitesine sahiptir ve sudaki zararlı iyonları adsorbe etmek ve uzaklaştırmak için gözenekli nano CeO2 ve onun farklı morfolojilere sahip kompozit malzemelerinin sentezi hakkında birçok rapor bulunmaktadır.
Araştırmalar, nano ceria'nın zayıf asidik koşullar altında sudaki F - için güçlü adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir. Başlangıç F- konsantrasyonu 100mg/L ve pH=5-6 olan bir çözeltide, F-'ye yönelik adsorpsiyon kapasitesi 23 mg/g'dir ve F-'nin giderilme oranı %85,6'dır. Bir poliakrilik asit reçine topuna yüklendikten sonra (yükleme miktarı: 0,25g/g), F-'nin uzaklaştırma kabiliyeti, 100mg/L'lik eşit hacimde F-sulu solüsyonu işlendiğinde %99'un üzerine ulaşabilir; Hacmin 120 katı işlenirken F'nin %90'ından fazlası giderilebilir. Fosfat ve iyodatı adsorbe etmek için kullanıldığında adsorpsiyon kapasitesi, karşılık gelen optimal adsorpsiyon durumunda 100 mg/g'nin üzerine çıkabilir. Kullanılan malzeme, yüksek ekonomik faydalara sahip olan basit desorpsiyon ve nötralizasyon işleminden sonra yeniden kullanılabilir.
Arsenik, krom, kadmiyum ve kurşun gibi toksik ağır metallerin nano seryum ve kompozit malzemeleri kullanılarak adsorpsiyonu ve arıtımı konusunda birçok çalışma bulunmaktadır. Optimum adsorpsiyon pH'ı, farklı değerlik durumlarına sahip ağır metal iyonları için değişiklik gösterir. Örneğin, nötr önyargılı zayıf alkalin koşulu, As (III) için en iyi adsorpsiyon durumuna sahipken, As (V) için optimal adsorpsiyon durumu, adsorpsiyon kapasitesinin her iki durumda da 110 mg/g'nin üzerine çıkabildiği zayıf asidik koşullar altında elde edilir. koşullar. Genel olarak, nano seryumun ve onun kompozit malzemelerinin optimize edilmiş sentezi, geniş bir pH aralığında çeşitli ağır metal iyonları için yüksek adsorpsiyon ve uzaklaştırma oranlarına ulaşabilir.
Öte yandan, seryum oksit bazlı nanomalzemeler ayrıca asit turuncusu, rodamin B, Kongo kırmızısı vb. gibi atık sudaki organiklerin adsorbe edilmesinde de olağanüstü performansa sahiptir. Örneğin, rapor edilen mevcut vakalarda, elektrokimyasal yöntemlerle hazırlanan nano seryum gözenekli küreler yüksek performansa sahiptir. 60 dakikada 942,7 mg/g adsorpsiyon kapasitesiyle, özellikle Kongo kırmızısı giderimi olmak üzere organik boyaların giderilmesinde adsorpsiyon kapasitesi.
2.2 Nano seryumun ileri oksidasyon prosesinde uygulanması
Mevcut susuz arıtma sistemini iyileştirmek için ileri oksidasyon işlemi (kısaca AOP) önerilmektedir. Derin oksidasyon teknolojisi olarak da bilinen ileri oksidasyon prosesi, güçlü oksidasyon kabiliyetine sahip hidroksil radikali (·OH), süperoksit radikali (·O2-), singlet oksijen vb. üretimi ile karakterize edilir. Yüksek sıcaklık ve basınç, elektrik, ses, ışık ışınlaması, katalizör vb. reaksiyon koşulları altında. Serbest radikal üretmenin farklı yollarına ve reaksiyon koşullarına göre bunlar fotokimyasal oksidasyon, katalitik ıslak oksidasyon, sonokimya oksidasyonu, ozon olarak ayrılabilirler. oksidasyon, elektrokimyasal oksidasyon, Fenton oksidasyonu vb. (bkz. Şekil 2).
Şekil 2 İleri Oksidasyon Prosesinin Sınıflandırılması ve Teknoloji Kombinasyonu
Nano seriGelişmiş oksidasyon işleminde yaygın olarak kullanılan heterojen bir katalizördür. Ce3+ ve Ce4+ arasındaki hızlı dönüşüm ve oksijen emilimi ve salınımının getirdiği hızlı oksidasyon-redüksiyon etkisi nedeniyle nano serya iyi bir katalitik yeteneğe sahiptir. Katalizör destekleyicisi olarak kullanıldığında katalitik yeteneği ve stabiliteyi de etkili bir şekilde geliştirebilir. Nano seryum ve kompozit malzemeleri katalizör olarak kullanıldığında, katalitik özellikler, performanslarını ve uygulamalarını etkileyen temel faktörler olan morfolojiye, parçacık boyutuna ve açıkta kalan kristal düzlemlerine göre büyük ölçüde değişir. Genel olarak, parçacıklar ne kadar küçükse ve spesifik yüzey alanı ne kadar büyük olursa, aktif bölgenin o kadar karşılık geldiğine ve katalitik yeteneğin o kadar güçlü olduğuna inanılır. Açığa çıkan kristal yüzeyinin katalitik yeteneği, güçlüden zayıfa doğru (100) kristal yüzeyi>(110) kristal yüzeyi>(111) kristal yüzeyi sırasındadır ve karşılık gelen stabilite bunun tersidir.
Seryum oksit yarı iletken bir malzemedir. Nanometrelik seryum oksit, bant aralığından daha yüksek enerjiye sahip fotonlar tarafından ışınlandığında, değerlik bandı elektronları uyarılır ve geçiş rekombinasyon davranışı meydana gelir. Bu davranış, Ce3+ ve Ce4+'nın dönüşüm oranını artıracak ve nano serinin güçlü fotokatalitik aktivitesine yol açacaktır. Fotokataliz, ikincil kirlilik olmadan organik maddenin doğrudan bozunmasını sağlayabilir, dolayısıyla uygulaması AOP'lerdeki nano seryum alanında en çok çalışılan teknolojidir. Şu anda ana odak noktası, farklı morfolojilere ve kompozit bileşimlere sahip katalizörler kullanılarak azo boyaların, fenolün, klorobenzenin ve farmasötik atık suyun katalitik bozunma arıtımına odaklanmaktadır. Rapora göre, optimize edilmiş katalizör sentez yöntemi ve katalitik model koşulları altında, bu maddelerin bozunma kapasitesi genel olarak %80'in üzerine çıkabiliyor ve Toplam organik karbonun (TOC) giderme kapasitesi %40'ın üzerine çıkabiliyor.
Ozon ve hidrojen peroksit gibi organik kirleticilerin bozunmasına yönelik nano seryum oksit katalizi, yaygın olarak araştırılan bir başka teknolojidir. Fotokatalize benzer şekilde, farklı morfolojilere veya kristal düzlemlere sahip nano serilerin ve farklı seryum bazlı kompozit katalitik oksidanların organik kirleticileri oksitleme ve parçalama yeteneğine de odaklanır. Bu tür reaksiyonlarda, katalizörler, organik kirleticilere saldıran ve daha verimli oksidatif bozunma yetenekleri sağlayan ozon veya hidrojen peroksitten çok sayıda aktif radikalin oluşumunu katalize edebilir. Reaksiyona oksidanların katılması nedeniyle, organik bileşiklerin uzaklaştırılma yeteneği büyük ölçüde arttırılmıştır. Çoğu reaksiyonda, hedef maddenin nihai uzaklaştırma oranı %100'e ulaşabilir veya yaklaşabilir ve TOC uzaklaştırma oranı da daha yüksektir.
Elektrokatalitik ileri oksidasyon yönteminde, yüksek oksijen oluşumu aşırı potansiyeline sahip anot malzemesinin özellikleri, organik kirleticilerin arıtımı için elektrokatalitik ileri oksidasyon yönteminin seçiciliğini belirler. Katot malzemesi, H2O2 üretimini belirleyen önemli bir faktördür ve H2O2 üretimi, organik kirleticilerin arıtılmasına yönelik elektrokatalitik ileri oksidasyon yönteminin verimliliğini belirler. Nano seryum kullanılarak elektrot malzemesi modifikasyonu çalışması hem yurt içinde hem de uluslararası alanda yaygın ilgi görmüştür. Araştırmacılar, farklı elektrot malzemelerini değiştirmek, elektrokimyasal aktivitelerini geliştirmek ve böylece elektrokatalitik aktiviteyi ve nihai uzaklaştırma oranını arttırmak için esas olarak nano seryum oksit ve onun kompozit malzemelerini farklı kimyasal yöntemlerle tanıtıyorlar.
Mikrodalga ve ultrason genellikle yukarıdaki katalitik modeller için önemli yardımcı önlemlerdir. Örnek olarak ultrasonik yardımı alırsak, saniyede 25kHz'den daha yüksek frekanslara sahip titreşimli ses dalgaları kullanılarak, özel olarak tasarlanmış bir temizleme maddesiyle formüle edilmiş bir çözelti içinde milyonlarca son derece küçük kabarcıklar üretilir. Bu küçük kabarcıklar, hızlı sıkıştırma ve genleşme sırasında sürekli olarak kabarcık patlaması üreterek malzemelerin katalizör yüzeyinde hızlı bir şekilde değişip dağılmasına olanak tanır ve genellikle katalitik verimliliği katlanarak artırır.
3 Sonuç
Nano ceria ve kompozit malzemeleri sudaki iyonları ve organik kirleticileri etkili bir şekilde arıtabilir ve gelecekteki su arıtma alanlarında önemli uygulama potansiyeline sahiptir. Ancak araştırmaların çoğu hâlâ laboratuvar aşamasındadır ve gelecekte su arıtımında hızlı bir uygulama sağlamak için aşağıdaki konuların hâlâ acilen ele alınması gerekmektedir:
(1) Nano'nun nispeten yüksek hazırlama maliyetiCeO2bazlı malzemeler, halen laboratuvar araştırma aşamasında olan su arıtma uygulamalarının büyük çoğunluğunda önemli bir faktör olmaya devam etmektedir. Nano CeO2 bazlı malzemelerin morfolojisini ve boyutunu düzenleyebilecek düşük maliyetli, basit ve etkili hazırlama yöntemlerinin araştırılması halen araştırmaların odak noktasıdır.
(2) Nano CeO2 bazlı malzemelerin parçacık boyutunun küçük olması nedeniyle, kullanım sonrası geri dönüşüm ve rejenerasyon sorunları da bunların uygulanmasını sınırlayan önemli faktörlerdir. Reçine malzemeleri veya manyetik malzemelerle kompoziti, malzeme hazırlama ve geri dönüşüm teknolojisi için önemli bir araştırma yönü olacaktır.
(3) Nano CeO2 bazlı malzeme su arıtma teknolojisi ile geleneksel kanalizasyon arıtma teknolojisi arasında ortak bir prosesin geliştirilmesi, su arıtma alanında nano CeO2 bazlı malzeme katalitik teknolojisinin uygulanmasını büyük ölçüde teşvik edecektir.
(4) Nano CeO2 bazlı malzemelerin toksisitesi konusunda halen sınırlı araştırma mevcut olup, bunların çevresel davranışları ve su arıtma sistemlerindeki toksisite mekanizmaları henüz belirlenmemiştir. Gerçek kanalizasyon arıtma prosesi genellikle birden fazla kirleticinin bir arada bulunmasını içerir ve bir arada bulunan kirleticiler birbirleriyle etkileşime girerek nanomateryallerin yüzey özelliklerini ve potansiyel toksisitesini değiştirir. Bu nedenle ilgili konularda daha fazla araştırma yapılmasına acil ihtiyaç vardır.
Gönderim zamanı: Mayıs-22-2023