تحضير أكسيد السيريوم النانو وتطبيقه في معالجة المياه

الرئيس التنفيذيهو مكون مهم من المواد الأرضية النادرة. العنصر أرض نادر السيريوملديه بنية إلكترونية خارجي فريد - 4F15D16S2. يمكن لطبقة 4F الخاصة الخاصة بها تخزين الإلكترونات وإطلاقها بشكل فعال ، مما يجعل أيونات السيريوم تتصرف في حالة التكافؤ+3 و+4 حالة التكافؤ. لذلك ، فإن المواد CEO2 لديها المزيد من ثقوب الأكسجين ، ولديها قدرة ممتازة على تخزين الأكسجين وإطلاقه. يمنح التحويل المتبادل للمواد CE (III) و CE (IV) مواد الرئيس التنفيذي مع قدرات تحفيزية فريدة من أكسدة. بالمقارنة مع المواد السائبة ، تلقى الرئيس التنفيذي لشركة Nano ، كنوع جديد من المواد غير العضوية ، اهتمامًا واسع النطاق بسبب مساحة سطحه العالية ، وقدرة تخزين الأكسجين الممتازة وقدرتها على الأوكسجين ، وموصلية أيون الأكسجين ، وأداء الأكسدة والاختزال ، وقدرة الانتشار السريع للأكسجين السريع في درجات الحرارة. يوجد حاليًا عدد كبير من التقارير البحثية والتطبيقات ذات الصلة باستخدام Nano CEO2 كمحفزات ، وناقلات محفز أو إضافات ، والمكونات النشطة ، والامتصاصات.

1. طريقة إعداد نانومترأكسيد السيريوم

في الوقت الحاضر ، تشمل طرق التحضير المشتركة لـ Nano Ceria بشكل أساسي الطريقة الكيميائية والطريقة الفيزيائية. وفقًا للطرق الكيميائية المختلفة ، يمكن تقسيم الطرق الكيميائية إلى طريقة هطول الأمطار ، وطريقة الحرارية المائية ، وطريقة solvothermal ، وطريقة هلام SOL ، وطريقة المستحلب الدقيق وطريقة الترميز الكهربائي ؛ الطريقة الفيزيائية هي بشكل أساسي طريقة الطحن.

 
1.1 طريقة الطحن

تستخدم طريقة الطحن لإعداد Nano Ceria عمومًا طحن الرمال ، والتي تتمتع بمزايا التكلفة المنخفضة ، والود البيئي ، وسرعة المعالجة السريعة ، وقدرة المعالجة القوية. إنها حاليًا أهم طريقة معالجة في صناعة نانو سيريا. على سبيل المثال ، يعتمد إعداد مسحوق تلميع أكسيد النانو عمومًا مزيجًا من التكلس وطحن الرمل ، ويتم خلط المواد الخام لمحفزات العزل القائمة على السيريوم أيضًا لعلاج ما قبل المعالجة أو المعالجة بعد التكلس باستخدام طحن الرمل. باستخدام نسب حبة الطحن الرملية ذات حجم الجسيمات المختلفة ، يمكن الحصول على نانو سيريا مع D50 تتراوح من عشرات إلى مئات النانومتر من خلال التعديل.

 
1.2 طريقة هطول الأمطار

تشير طريقة هطول الأمطار إلى طريقة إعداد المسحوق الصلبة عن طريق هطول الأمطار والفصل والغسيل والتجفيف وتكلس المواد الخام المذاب في المذيبات المناسبة. تستخدم طريقة هطول الأمطار على نطاق واسع في إعداد الأرض النادرة والمواد النانوية المخدرة ، مع مزايا مثل عملية التحضير البسيطة ، والكفاءة العالية ، وتكلفة منخفضة. إنها طريقة شائعة الاستخدام لإعداد Nano Ceria وموادها المركبة في الصناعة. يمكن أن تحضير هذه الطريقة السيريا النانوية ذات التشكل المورفولوجيا وحجم الجسيمات المختلفة عن طريق تغيير درجة حرارة هطول الأمطار ، وتركيز المادة ، وقيمة الرقم الهيدروجيني ، وسرعة هطول الأمطار ، وسرعة التحريك ، والقالب ، وما إلى ذلك. تعتمد الطرق الشائعة على هطول أيونات السيريوم من الأمونيا الناتجة عن التحلل اليوريا ، وإعداد مجهرات السيريا النانو. بدلاً من ذلك ، يمكن ترسيب أيونات السيريوم عن طريق OH - تم إنشاؤها من التحلل المائي لسيترات الصوديوم ، ثم يتم تحضينها والكالسيوم لإعداد التقشر مثل المجهرية النانو ceria.

 
1.3 الطرق الحرارية المائية والعارضة الحرارية

تشير هاتان الطريقتان إلى طريقة إعداد المنتجات عن طريق تفاعل درجة الحرارة العالية والضغط العالي في درجة حرارة حرجة في نظام مغلق. عندما يكون مذيب التفاعل ماء ، يسمى الطريقة الحرارية المائية. في المقابل ، عندما يكون مذيب التفاعل مذيبًا عضويًا ، يطلق عليه طريقة solvothermal. تحتوي جزيئات النانو المصنفة على نقاء عالي ، وتشتت جيد وجزيئات موحدة ، وخاصة مساحيق النانو ذات التشكلات المختلفة أو الوجوه البلورية الخاصة المكشوفة. حل كلوريد السيريوم في الماء المقطر ، ويُحرَّك ويضيف محلول هيدروكسيد الصوديوم. رد الفعل الحراري المائي عند 170 ℃ لمدة 12 ساعة لإعداد نانورود أكسيد السيريوم مع الطائرات الكريستالية المكشوفة (111) و (110). عن طريق ضبط ظروف التفاعل ، يمكن زيادة نسبة الطائرات البلورية (110) في الطائرات البلورية المكشوفة ، مما يعزز نشاطها الحفاز. يمكن أن ينتج عن تعديل مذيب التفاعل وروابط السطح أيضًا جزيئات السيريا النانوية ذات الماء الخاص أو الدهون. على سبيل المثال ، يمكن لإضافة أيونات الأسيتات إلى الطور المائي تحضير جسيمات أكسيد السيريوم المحبب أحادي الصبغة في الماء. من خلال اختيار مذيب غير قطبي وإدخال حمض الأوليك كدولة أثناء التفاعل ، يمكن تحضير الجسيمات النانوية الشحمية أحادية الصبفة في المذيبات العضوية غير القطبية. (انظر الشكل 1)

الشكل 1 الشكل 1 أحادي النانو النانو والسيليا على شكل قضيب على شكل قضيب

1.4 طريقة SOL GEL

طريقة SOL GEL هي طريقة تستخدم بعض المركبات أو عدة مركبات كسلائف ، وتدير تفاعلات كيميائية مثل التحلل المائي في المرحلة السائلة لتشكيل SOL ، ثم تشكل هلام بعد الشيخوخة ، وأخيراً تجوّلها والكلس لإعداد مساحيق فائقة. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص لإعداد مواد نانو نانو مركبة من النانو Ceria المتعددة المكونات المشتتة للغاية ، مثل حديد السيريوم ، التيتانيوم السيريوم ، الزركونيوم السيريوم وأكاسيد النانو المركبة الأخرى ، والتي تم الإبلاغ عنها في العديد من التقارير.

 
1.5 طرق أخرى

بالإضافة إلى الطرق المذكورة أعلاه ، هناك أيضًا طريقة غسول صغيرة ، وطريقة توليف الميكروويف ، وطريقة التعبير الكهربائي ، وطريقة احتراق اللهب ، وطريقة التحليل الكهربائي للغشاء الأيوني والعديد من الطرق الأخرى. هذه الطرق لها أهمية كبيرة للبحث وتطبيق نانو سيريا.

 
تطبيق أكسيد السيريوم 2 نانومتر في معالجة الماء

سيريوم هو العنصر الأكثر وفرة بين العناصر الأرضية النادرة ، مع انخفاض الأسعار والتطبيقات الواسعة. اجتذبت نانومتر سيريا ومركباتها الكثير من الاهتمام في مجال معالجة المياه بسبب مساحة سطحها العالية ، ونشاط الحفاز العالي والاستقرار الهيكلي الممتاز.

 
2.1 تطبيقنانو سيريوم أكسيدفي معالجة المياه بواسطة طريقة الامتزاز

في السنوات الأخيرة ، مع تطوير الصناعات مثل صناعة الإلكترونيات ، تم تفريغ كمية كبيرة من مياه الصرف الصحي التي تحتوي على ملوثات مثل أيونات المعادن الثقيلة وأيونات الفلور. حتى في تركيزات التتبع ، يمكن أن يسبب ضررًا كبيرًا للكائنات المائية والبيئة المعيشية البشرية. وتشمل الطرق الشائعة الاستخدام الأكسدة ، والتعويم ، والتناضح العكسي ، والامتصاص ، والترشيح النانوي ، والامتصاص الحيوي ، وما إلى ذلك ، من بينها ، غالبًا ما يتم اعتماد تكنولوجيا الامتزاز بسبب تشغيلها البسيط والتكلفة المنخفضة وكفاءة العلاج المرتفعة. تتمتع مواد Nano CEO2 بمساحة سطح محددة ونشاط سطحي مرتفع كمواد تمتص ، وكانت هناك العديد من التقارير حول توليف الرئيس التنفيذي للنانو المسامي وموادها المركبة مع مورفولوجيا مختلفة إلى adsorb وإزالة الأيونات الضارة من الماء.

أظهرت الأبحاث أن Nano Ceria لديها قدرة امتصاص قوية لـ F - في الماء في ظل الظروف الحمضية الضعيفة. في محلول مع تركيز أولي لـ F - من 100 ملغ/لتر ودرجة الحموضة = 5-6 ، تكون قدرة الامتزاز لـ F - 23mg/g ، ومعدل إزالة F - 85.6 ٪. بعد تحميله على كرة راتنج حمض البولي أكريليك (كمية التحميل: 0.25 جم/غرام) ، يمكن أن تصل قدرة الإزالة لـ F - إلى أكثر من 99 ٪ عند علاج حجم متساوٍ من 100 ملغ/لتر من محلول F - مائي ؛ عند معالجة 120 مرة من الحجم ، يمكن إزالة أكثر من 90 ٪ من F -. عند استخدامها لتصنيف الفوسفات واليود ، يمكن أن تصل قدرة الامتزاز إلى أكثر من 100 ملغ/جم تحت حالة الامتزاز الأمثل المقابلة. يمكن إعادة استخدام المواد المستخدمة بعد امتصاص بسيط ومعالجة التحييد ، والتي لها فوائد اقتصادية عالية.

هناك العديد من الدراسات حول امتزاز وعلاج المعادن الثقيلة السامة مثل الزرنيخ والكروم والكادميوم والرصاص باستخدام نانو سيريا وموادها المركبة. يختلف درجة الحموضة الأمثل للامتصاص عن أيونات المعادن الثقيلة مع حالات التكافؤ المختلفة. على سبيل المثال ، فإن حالة القلوية الضعيفة ذات التحيز المحايد لها أفضل حالة امتزاز لـ AS (III) ، في حين أن حالة الامتزاز المثلى لـ AS (V) تتحقق في ظل الظروف الحمضية الضعيفة ، حيث يمكن أن تصل قدرة الامتزاز إلى أكثر من 110 ملغ/جم في كلا الشرطين. بشكل عام ، يمكن أن يحقق التوليف الأمثل لـ Nano Ceria وموادها المركبة معدلات امتصاص وإزالة عالية للعديد من أيونات المعادن الثقيلة على نطاق درجة الحموضة الواسعة.

من ناحية أخرى ، فإن المواد النانوية المستندة إلى أكسيد السيريوم لها أيضًا أداء رائع في المواد العضوية الممتدة في مياه الصرف الصحي ، مثل البرتقال الحمضي ، والروودامين ب ، والكونغو الأحمر ، وما إلى ذلك ، على سبيل المثال ، في الحالات الحالية المبلغ عنها ، وخاصة النانو السيريا المجالات التي يتم تحضيرها من قبل الأساليب الكهرومائية التي لها قدرة عالية على الامتيازات العضوية. 942.7mg/g في 60 دقيقة.

 
2.2 تطبيق Nano Ceria في عملية الأكسدة المتقدمة

تُقترح عملية الأكسدة المتقدمة (AOPS لفترة قصيرة) لتحسين نظام المعالجة اللامائي الحالي. تتميز عملية الأكسدة المتقدمة ، المعروفة أيضًا باسم تقنية الأكسدة العميقة ، بإنتاج هيدروكسيل جذري (· OH) ، الجذور الفائقة الأكسيد (· O2 -) ، الأكسجين القميص ، وما إلى ذلك مع قدرة أكسدة قوية. في ظل ظروف التفاعل المتمثلة في ارتفاع درجة الحرارة والضغط ، والكهرباء ، والصوت ، وإشعاع الضوء ، والمحفز ، وما إلى ذلك ، وفقًا للطرق المختلفة لتوليد الجذور الحرة وظروف التفاعل ، يمكن تقسيمها إلى أكسدة الكيمياء الضوئية ، الأكسدة الرطبة الحفاز ، أكسدة الكيمياء الحرة ، أكسدة الأوزون ، أكسدة الكهروكيميائية ، أكسدة فينتون ، وما إلى ذلك (انظر الشكل 2).

الشكل 2 تصنيف وتكنولوجيا مزيج من عملية الأكسدة المتقدمة

نانو سيرياهو محفز غير متجانس شائع الاستخدام في عملية الأكسدة المتقدمة. بسبب التحويل السريع بين CE3+و CE4+وتأثير الحد من الأكسدة السريعة الناتجة عن امتصاص الأكسجين وإطلاقه ، يتمتع Nano Ceria بقدرة تحفيزية جيدة. عند استخدامها كمروج محفز ، يمكنه أيضًا تحسين القدرة الحفازة والاستقرار بشكل فعال. عندما يتم استخدام Nano Ceria وموادها المركبة كعوامل الحفازة ، تختلف الخصائص الحفزية اختلافًا كبيرًا مع التشكل وحجم الجسيمات والطائرات البلورية المكشوفة ، وهي عوامل رئيسية تؤثر على أدائها وتطبيقها. يُعتقد عمومًا أنه كلما كانت الجزيئات الأصغر وأكبر مساحة السطح المحددة ، كان الموقع النشط أكثر مقابلة ، وقدر القدرة الحفزية. القدرة الحفزية للسطح البلوري المكشوف ، من القوي إلى الضعيف ، في ترتيب (100) سطح بلوري> سطح بلوري (110) سطح بلوري> (111) سطح بلوري ، والاستقرار المقابل معاكس.

أكسيد السيريوم هو مادة أشباه الموصلات. عندما يتم تشعيع أكسيد السيريوم النانومتر بالفوتونات ذات الطاقة أعلى من فجوة النطاق ، تكون إلكترونات نطاق التكافؤ متحمسًا ، ويحدث سلوك إعادة التركيب الانتقالي. سيعزز هذا السلوك معدل تحويل CE3+و CE4+، مما يؤدي إلى نشاط التحفيز الضوئي القوي لـ Nano Ceria. يمكن أن يحقق التحفيز الضوئي تدهورًا مباشرًا للمواد العضوية دون تلوث ثانوي ، وبالتالي فإن تطبيقه هو التكنولوجيا الأكثر دراسة في مجال Nano Ceria في AOPS. في الوقت الحاضر ، ينصب التركيز الرئيسي على علاج التحلل الحفاز لأصباغ Azo ، والفينول ، والكلوروبينزين ، ومياه الصرف الصحي الأدوية باستخدام المحفزات ذات المورفولوجيا المختلفة والتركيبات المركبة. وفقًا للتقرير ، بموجب طريقة تخليق المحفز المحسّنة وظروف النموذج الحفاز ، يمكن أن تصل قدرة تدهور هذه المواد عمومًا إلى أكثر من 80 ٪ ، ويمكن أن تصل قدرة الإزالة للكربون العضوي الكلي (TOC) إلى أكثر من 40 ٪.

يعد تحفيز أكسيد السيريوم النانو لتدهور الملوثات العضوية مثل الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين تقنية أخرى تمت دراستها على نطاق واسع. على غرار التحفيز الضوئي ، فإنه يركز أيضًا على قدرة السيريا النانوية ذات المورفولوجيا المختلفة أو الطائرات البلورية والأكسدة الحفازة المركبة القائمة على السيريوم المختلفة لتأكسد وتدهور الملوثات العضوية. في مثل هذه التفاعلات ، يمكن للمحفزات أن تحفز توليد عدد كبير من الجذور النشطة من الأوزون أو بيروكسيد الهيدروجين ، والتي تهاجم الملوثات العضوية وتحقيق قدرات تدهور مؤكسدة أكثر كفاءة. بسبب إدخال المواد المؤكسدة في التفاعل ، يتم تعزيز القدرة على إزالة المركبات العضوية بشكل كبير. في معظم ردود الفعل ، يمكن أن يصل معدل الإزالة النهائي للمادة المستهدفة إلى 100 ٪ ، ومعدل إزالة TOC أعلى أيضًا.

في طريقة الأكسدة المتقدمة التحفيزية ، تحدد خصائص مادة الأنود ذات تطور الأكسجين العالي انتقائية طريقة الأكسدة المتقدمة التحفيزية لعلاج الملوثات العضوية. تعد مادة الكاثود عاملاً مهمًا في تحديد إنتاج H2O2 ، ويحدد إنتاج H2O2 كفاءة طريقة الأكسدة المتقدمة التحفيزية لعلاج الملوثات العضوية. تلقت دراسة تعديل مواد الإلكترود باستخدام Nano Ceria اهتمامًا واسع النطاق على الصعيدين المحلي والدولي. يقدم الباحثون بشكل أساسي أكسيد السيريوم النانوي ومواده المركبة من خلال طرق كيميائية مختلفة لتعديل مواد الإلكترود المختلفة ، وتحسين نشاطها الكهروكيميائي ، وبالتالي زيادة النشاط التحفيزي ومعدل الإزالة النهائي.

غالبًا ما تكون الميكروويف والموجات فوق الصوتية تدابير مساعدة مهمة للنماذج الحفزية المذكورة أعلاه. أخذ المساعدة بالموجات فوق الصوتية كمثال ، باستخدام موجات صوت الاهتزاز مع ترددات أعلى من 25 كيلو هرتز في الثانية ، يتم إنشاء الملايين من الفقاعات الصغيرة للغاية في محلول صُنع مع عامل تنظيف مصمم خصيصًا. هذه الفقاعات الصغيرة ، أثناء الضغط السريع والتوسع ، تنتج باستمرار انهيار الفقاعة ، مما يسمح للمواد بتبادل وانتشر بسرعة على سطح المحفز ، وغالبًا ما يحسن بشكل كبير الكفاءة الحفزية.

 
3 خاتمة

يمكن لـ Nano Ceria وموادها المركبة أن تعالج الأيونات والملوثات العضوية في المياه بشكل فعال ، ولديها إمكانات مهمة في تطبيقات معالجة المياه في المستقبل. ومع ذلك ، لا تزال معظم الأبحاث في مرحلة المختبر ، ومن أجل تحقيق تطبيق سريع في معالجة المياه في المستقبل ، لا تزال هناك حاجة إلى معالجة القضايا التالية بشكل عاجل:

(1) تكلفة التحضير المرتفعة نسبيًا للنانوالرئيس التنفيذيتظل المواد القائمة عاملاً مهمًا في الغالبية العظمى من تطبيقاتها في معالجة المياه ، والتي لا تزال في مرحلة البحث المختبري. لا يزال استكشاف أساليب التحضير منخفضة التكلفة والبسيطة والفعالة التي يمكن أن تنظم مورفولوجيا وحجم المواد المستندة إلى نانو 2 من مواد البحث محور البحث.

(2) نظرًا لحجم الجسيمات الصغير للمواد المستندة إلى Nano CEO2 ، فإن مشكلات إعادة التدوير والتجديد بعد الاستخدام هي أيضًا عوامل مهمة تحد من تطبيقها. سيكون المركب منه مع مواد الراتنج أو المواد المغناطيسية اتجاهًا بحثًا رئيسيًا لإعداد المواد وإعادة التدوير.

(3) إن تطوير عملية مشتركة بين تكنولوجيا معالجة المياه المستندة إلى Nano CEO2 وتكنولوجيا معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية سيعزز إلى حد كبير تطبيق تكنولوجيا تحفيز المواد المستندة إلى Nano CEO2 في مجال معالجة المياه.

(4) لا يزال هناك بحث محدود حول سمية المواد المستندة إلى Nano CEO2 ، ولم يتم تحديد سلوكها البيئي وآلية السمية في أنظمة معالجة المياه بعد. غالبًا ما تتضمن عملية معالجة مياه الصرف الصحي الفعلية تعايش الملوثات المتعددة ، وستتفاعل الملوثات المتصلة مع بعضها البعض ، وبالتالي تغيير خصائص السطح والسمية المحتملة للمواد النانوية. لذلك ، هناك حاجة ملحة لتنفيذ المزيد من الأبحاث حول الجوانب ذات الصلة.