CeO2je važna komponenta rijetkih zemnih materijala.Theelement rijetke zemlje cerijumima jedinstvenu vanjsku elektronsku strukturu - 4f15d16s2.Njegov specijalni 4f sloj može efikasno skladištiti i oslobađati elektrone, čineći da se joni cerijuma ponašaju u +3 valentnom stanju i +4 valentnom stanju.Stoga, CeO2 materijali imaju više rupa za kisik i imaju odličnu sposobnost skladištenja i oslobađanja kisika.Međusobna konverzija Ce (III) i Ce (IV) takođe daje CeO2 materijale jedinstvenim oksidaciono-redukcionim katalitičkim sposobnostima.U poređenju sa rasutim materijalima, nano CeO2, kao nova vrsta anorganskog materijala, dobio je široku pažnju zbog svoje visoke specifične površine, odlične sposobnosti skladištenja i oslobađanja kiseonika, provodljivosti iona kiseonika, redoks performansi i brze difuzije kiseonika na visokoj temperaturi. sposobnost.Trenutno postoji veliki broj istraživačkih izvještaja i srodnih aplikacija koje koriste nano CeO2 kao katalizatore, nosače katalizatora ili aditive, aktivne komponente i adsorbente.
1. Metoda pripreme nanometracerij oksid
Trenutno, uobičajene metode pripreme za nanoceriju uglavnom uključuju hemijske metode i fizičke metode.Prema različitim hemijskim metodama, hemijske metode se mogu podeliti na metodu precipitacije, hidrotermalnu metodu, solvotermalnu metodu, metodu sol gela, metodu mikroemulzije i metodu elektrodepozicije;Fizička metoda je uglavnom metoda mljevenja.
1.1 Metoda mljevenja
Metoda mljevenja za pripremu nano cerije općenito koristi mljevenje pijeska, koje ima prednosti niske cijene, ekološke prihvatljivosti, velike brzine obrade i jake sposobnosti obrade.To je trenutno najvažnija metoda obrade u industriji nano cerije.Na primjer, priprema praha za poliranje nano cerijevog oksida općenito usvaja kombinaciju kalcinacije i mljevenja pijeska, a sirovine katalizatora na bazi cerijuma također se miješaju za prethodnu obradu ili se tretiraju nakon kalcinacije korištenjem pijeska za mljevenje.Korištenjem različitih omjera pješčanih zrnaca za mljevenje pijeska, nano cerije sa D50 u rasponu od desetina do stotina nanometara može se dobiti podešavanjem.
1.2 Metoda precipitacije
Metoda precipitacije se odnosi na metodu pripreme čvrstog praha taloženjem, separacijom, pranjem, sušenjem i kalcinacijom sirovina rastvorenih u odgovarajućim rastvaračima.Metoda precipitacije se široko koristi u pripremi rijetkih zemalja i dopiranih nanomaterijala, s prednostima kao što su jednostavan proces pripreme, visoka efikasnost i niska cijena.To je uobičajena metoda za pripremu nano cerije i njegovih kompozitnih materijala u industriji.Ova metoda može pripremiti nanoceriju različite morfologije i veličine čestica promjenom temperature taloženja, koncentracije materijala, pH vrijednosti, brzine taloženja, brzine miješanja, šablona, itd. Uobičajene metode se oslanjaju na taloženje cerijevih jona iz amonijaka koji nastaje razgradnjom uree, a priprema mikrosfera nano cerije je kontrolisana citratnim jonima.Alternativno, joni cerijuma mogu biti istaloženi OH - generiranim hidrolizom natrijum citrata, a zatim inkubirani i kalcinirani da bi se pripremile mikrosfere poput nanocerije.
1.3 Hidrotermalne i solvotermalne metode
Ove dvije metode odnose se na metodu pripreme proizvoda visokotemperaturnom i visokotlačnom reakcijom na kritičnoj temperaturi u zatvorenom sistemu.Kada je otapalo u reakciji voda, to se naziva hidrotermalna metoda.Shodno tome, kada je reakcijski rastvarač organski rastvarač, to se naziva solvotermalna metoda.Sintetizirane nano čestice imaju visoku čistoću, dobru disperziju i ujednačene čestice, posebno nano prahovi različite morfologije ili izložene posebne kristalne površine.Otopiti cerijum hlorid u destilovanoj vodi, promešati i dodati rastvor natrijum hidroksida.Reagirajte hidrotermalno na 170 ℃ tokom 12 sati da biste pripremili nanošipke od cerij oksida s izloženim (111) i (110) kristalnim ravnima.Podešavanjem reakcionih uslova, udio (110) kristalnih ravnina u izloženim kristalnim ravnima može se povećati, dodatno pojačavajući njihovu katalitičku aktivnost.Podešavanjem reakcionog rastvarača i površinskih liganada takođe se mogu proizvesti nanocerije čestice sa posebnom hidrofilnošću ili lipofilnošću.Na primjer, dodavanje acetatnih jona u vodenu fazu može pripremiti monodisperzne hidrofilne nanočestice cerijevog oksida u vodi.Odabirom nepolarnog rastvarača i uvođenjem oleinske kiseline kao liganda tokom reakcije, monodisperzne lipofilne nanočestice cerije mogu se pripremiti u nepolarnim organskim rastvaračima.(Vidi sliku 1)
Slika 1 Monodisperzni sferični nanocerijum i nanocerije u obliku štapa
1.4 Sol gel metoda
Sol gel metoda je metoda koja koristi neke ili više spojeva kao prekursore, provodi kemijske reakcije kao što je hidroliza u tečnoj fazi da bi se formirao sol, a zatim formira gel nakon starenja i na kraju suši i kalcinira za pripremu ultrafinih prahova.Ova metoda je posebno prikladna za pripremu visoko dispergiranih višekomponentnih nanocerijevih kompozitnih nanomaterijala, kao što su cerijum gvožđe, cerij titanijum, cerijum cirkonijum i drugi kompozitni nanooksidi, koji su prijavljeni u mnogim izveštajima.
1.5 Druge metode
Pored navedenih metoda, postoje i mikro losion metoda, metoda mikrovalne sinteze, metoda elektrodepozicije, metoda sagorijevanja plazma plamenom, metoda elektrolize membranske ionske izmjene i mnoge druge metode.Ove metode imaju veliki značaj za istraživanje i primjenu nano cerije.
Primjena 2-nanometarskog cerijevog oksida u tretmanu vode
Cerijum je najzastupljeniji element među elementima rijetkih zemalja, s niskim cijenama i širokom primjenom.Nanometarska cerija i njeni kompoziti privukli su veliku pažnju u oblasti tretmana vode zbog svoje visoke specifične površine, visoke katalitičke aktivnosti i odlične strukturne stabilnosti.
2.1 Primjena odNano cerij oksidu tretmanu vode adsorpcionom metodom
Posljednjih godina, razvojem industrije poput elektronske industrije, ispuštena je velika količina otpadnih voda koje sadrže zagađivače kao što su joni teških metala i joni fluora.Čak i pri koncentracijama u tragovima, može uzrokovati značajnu štetu vodenim organizmima i životnoj sredini ljudi.Najčešće korištene metode uključuju oksidaciju, flotaciju, reverznu osmozu, adsorpciju, nanofiltraciju, biosorpciju, itd. Među njima, tehnologija adsorpcije se često usvaja zbog jednostavnog rada, niske cijene i visoke efikasnosti tretmana.Nano CeO2 materijali imaju veliku specifičnu površinu i visoku površinsku aktivnost kao adsorbensi, a bilo je mnogo izvještaja o sintezi poroznog nano CeO2 i njegovih kompozitnih materijala s različitim morfologijama za adsorbiranje i uklanjanje štetnih jona iz vode.
Istraživanja su pokazala da nanocerija ima jaku sposobnost adsorpcije za F - u vodi pod slabo kiselim uslovima.U rastvoru sa početnom koncentracijom F - od 100mg/L i pH=5-6, kapacitet adsorpcije za F - je 23mg/g, a brzina uklanjanja F - je 85,6%.Nakon stavljanja na smolu od poliakrilne kiseline (količina punjenja: 0,25 g/g), sposobnost uklanjanja F - može dostići preko 99% kada se tretira jednaka zapremina od 100 mg/L F - vodenog rastvora;Prilikom obrade 120 puta veće količine, više od 90% F - može se ukloniti.Kada se koristi za adsorpciju fosfata i jodata, kapacitet adsorpcije može doseći preko 100 mg/g u odgovarajućem optimalnom stanju adsorpcije.Korišteni materijal može se ponovno koristiti nakon jednostavne desorpcije i tretmana neutralizacije, što ima visoke ekonomske koristi.
Postoje mnoge studije o adsorpciji i tretmanu toksičnih teških metala kao što su arsen, krom, kadmij i olovo korištenjem nano cerije i njegovih kompozitnih materijala.Optimalni pH adsorpcije varira za jone teških metala sa različitim valentnim stanjima.Na primjer, slabo alkalno stanje s neutralnim odstupanjem ima najbolje stanje adsorpcije za As (III), dok se optimalno stanje adsorpcije za As (V) postiže u slabo kiselim uvjetima, gdje kapacitet adsorpcije može doseći preko 110 mg/g pod oba uslovima.Sve u svemu, optimizirana sinteza nanocerije i njegovih kompozitnih materijala može postići visoke stope adsorpcije i uklanjanja za različite ione teških metala u širokom rasponu pH.
S druge strane, nanomaterijali na bazi cerijum oksida takođe imaju izvanredne performanse u adsorbovanju organskih materija u otpadnoj vodi, kao što su kisela narandžasta, rodamin B, Kongo crvena, itd. Na primer, u postojećim prijavljenim slučajevima, nanocerijeve porozne sfere pripremljene elektrohemijskim metodama imaju visoke adsorpcioni kapacitet u uklanjanju organskih boja, posebno u uklanjanju kongo crvene, sa kapacitetom adsorpcije od 942,7 mg/g za 60 minuta.
2.2 Primjena nano cerije u naprednom procesu oksidacije
Predlaže se napredni proces oksidacije (skraćeno AOPs) za poboljšanje postojećeg bezvodnog sistema tretmana.Napredni proces oksidacije, poznat i kao tehnologija duboke oksidacije, karakteriše proizvodnja hidroksil radikala (· OH), superoksid radikala (· O2 -), singletnog kiseonika, itd. sa jakom oksidacionom sposobnošću.U reakcionim uslovima visoke temperature i pritiska, struje, zvuka, svetlosnog zračenja, katalizatora itd. Prema različitim načinima stvaranja slobodnih radikala i reakcionim uslovima, mogu se podeliti na fotohemijsku oksidaciju, katalitičku vlažnu oksidaciju, sonohemijsku oksidaciju, ozon oksidacija, elektrohemijska oksidacija, Fentonova oksidacija, itd. (vidi sliku 2).
Slika 2 Klasifikacija i tehnološka kombinacija naprednog procesa oksidacije
Nano ceriaje heterogeni katalizator koji se obično koristi u naprednom procesu oksidacije.Zbog brze konverzije između Ce3+ i Ce4+ i brzog efekta oksidacije-redukcije uzrokovanog apsorpcijom i oslobađanjem kisika, nanocerija ima dobru katalitičku sposobnost.Kada se koristi kao promotor katalizatora, takođe može efikasno poboljšati katalitičku sposobnost i stabilnost.Kada se nanocerija i njeni kompozitni materijali koriste kao katalizatori, katalitička svojstva uvelike variraju u zavisnosti od morfologije, veličine čestica i izloženih kristalnih ravnina, što su ključni faktori koji utiču na njihov učinak i primenu.Općenito se vjeruje da što su čestice manje i što je veća specifična površina, to je više odgovarajuće aktivno mjesto i jača katalitička sposobnost.Katalitička sposobnost izložene kristalne površine, od jake do slabe, je reda (100) površina kristala>(110) površina kristala>(111) površina kristala, a odgovarajuća stabilnost je suprotna.
Cerijev oksid je poluvodički materijal.Kada se nanometarski cerijum oksid ozrači fotonima sa energijom većom od pojasa, elektroni valentnog pojasa se pobuđuju i javlja se tranzicijsko rekombinaciono ponašanje.Ovo ponašanje će promovirati stopu konverzije Ce3+ i Ce4+, što će rezultirati snažnom fotokatalitičkom aktivnošću nanocerije.Fotokatalizom se može postići direktna degradacija organske materije bez sekundarnog zagađenja, pa je njena primjena najproučavanija tehnologija u području nanocerije u AOP-ima.Trenutno je glavni fokus na tretmanu katalitičke degradacije azo-boja, fenola, klorobenzena i farmaceutskih otpadnih voda korištenjem katalizatora različite morfologije i kompozitnog sastava.Prema izveštaju, pod optimizovanom metodom sinteze katalizatora i uslovima katalitičkog modela, kapacitet razgradnje ovih supstanci generalno može dostići više od 80%, a kapacitet uklanjanja ukupnog organskog ugljenika (TOC) može dostići više od 40%.
Kataliza nano cerijum oksida za razgradnju organskih zagađivača kao što su ozon i vodikov peroksid je još jedna široko proučavana tehnologija.Slično fotokatalizi, ona se također fokusira na sposobnost nanocerije s različitim morfologijama ili kristalnim ravnima i različitih kompozitnih katalitičkih oksidansa na bazi cerijuma da oksidiraju i razgrađuju organske zagađivače.U takvim reakcijama, katalizatori mogu katalizirati stvaranje velikog broja aktivnih radikala iz ozona ili vodikovog peroksida, koji napadaju organske zagađivače i postižu efikasniju sposobnost oksidativne degradacije.Zbog uvođenja oksidansa u reakciju, sposobnost uklanjanja organskih spojeva je znatno poboljšana.U većini reakcija, konačna brzina uklanjanja ciljne supstance može doseći ili se približiti 100%, a stopa uklanjanja TOC-a je također veća.
U elektrokatalitičkoj naprednoj oksidacionoj metodi, svojstva materijala anode sa visokim potencijalom evolucije kiseonika određuju selektivnost elektrokatalitičke napredne oksidacione metode za tretman organskih zagađivača.Materijal katode je važan faktor koji određuje proizvodnju H2O2, a proizvodnja H2O2 određuje efikasnost elektrokatalitičke napredne oksidacijske metode za tretiranje organskih zagađivača.Proučavanje modifikacije materijala elektroda korištenjem nano cerije privuklo je široku pažnju kako u zemlji tako i u inostranstvu.Istraživači uglavnom uvode nanocerijum oksid i njegove kompozitne materijale kroz različite hemijske metode kako bi modifikovali različite materijale elektroda, poboljšali njihovu elektrohemijsku aktivnost i na taj način povećali elektrokatalitičku aktivnost i konačnu brzinu uklanjanja.
Mikrotalasna pećnica i ultrazvuk su često važne pomoćne mjere za gore navedene katalitičke modele.Uzimajući ultrazvučnu pomoć kao primjer, koristeći vibracije zvučnih valova sa frekvencijama većim od 25 kHz u sekundi, milioni izuzetno malih mjehurića se stvaraju u otopini formuliranom sa posebno dizajniranim sredstvom za čišćenje.Ovi mali mjehurići, tokom brzog kompresije i ekspanzije, konstantno proizvode imploziju mjehurića, omogućavajući materijalima da se brzo razmjenjuju i difundiraju na površini katalizatora, često eksponencijalno poboljšavajući katalitičku efikasnost.
3 Zaključak
Nanocerija i njeni kompozitni materijali mogu efikasno tretirati jone i organske zagađivače u vodi, i imaju važan potencijal primene u budućim oblastima prečišćavanja vode.Međutim, većina istraživanja je još uvijek u laboratorijskoj fazi, a kako bi se postigla brza primjena u tretmanu vode u budućnosti, još uvijek je potrebno hitno riješiti sljedeća pitanja:
(1) Relativno visoka cijena pripreme nanoCeO2materijali na bazi i dalje su važan faktor u velikoj većini njihovih primjena u tretmanu vode, koji su još uvijek u fazi laboratorijskog istraživanja.Istraživanje jeftinih, jednostavnih i efikasnih metoda pripreme koje mogu regulisati morfologiju i veličinu materijala na bazi nano CeO2 i dalje je u fokusu istraživanja.
(2) Zbog male veličine čestica materijala na bazi nano CeO2, problemi recikliranja i regeneracije nakon upotrebe također su važni faktori koji ograničavaju njihovu primjenu.Njegov kompozit sa smolastim materijalima ili magnetnim materijalima bit će ključni istraživački pravac za njegovu tehnologiju pripreme materijala i recikliranja.
(3) Razvoj zajedničkog procesa između tehnologije obrade vode na bazi nano CeO2 i tradicionalne tehnologije obrade otpadnih voda uvelike će promovirati primjenu katalitičke tehnologije nano CeO2 materijala u području tretmana vode.
(4) Još uvijek postoje ograničena istraživanja toksičnosti materijala na bazi nano CeO2, a njihovo ponašanje u okolišu i mehanizam toksičnosti u sistemima za prečišćavanje vode još uvijek nisu utvrđeni.Stvarni proces prečišćavanja otpadnih voda često uključuje koegzistenciju više zagađivača, a koegzistirajući zagađivači će međusobno komunicirati, mijenjajući na taj način karakteristike površine i potencijalnu toksičnost nanomaterijala.Stoga postoji hitna potreba da se sprovedu više istraživanja o srodnim aspektima.
Vrijeme objave: 22.05.2023