CEO2és un component important dels materials de terres rares. ElElement de la Terra Rara ceriumTé una estructura electrònica externa única - 4F15D16S2. La seva capa especial 4F pot emmagatzemar i alliberar els electrons de manera eficaç, fent que els ions de Cerium es comportin en l'estat de valència+3 i 4 de la valència. Per tant, els materials CEO2 tenen més forats d’oxigen i tenen una capacitat excel·lent d’emmagatzemar i alliberar oxigen. La conversió mútua de CE (III) i CE (IV) també dóna a terme materials CEO2 amb capacitats catalítiques de reducció d’oxidació úniques. En comparació amb els materials a granel, Nano CEO2, com a nou tipus de material inorgànic, ha rebut una atenció generalitzada a causa de la seva alta superfície específica, una excel·lent capacitat d’emmagatzematge i alliberament d’oxigen, conductivitat d’ions d’oxigen, rendiment redox i capacitat de difusió d’oxigen d’oxigen ràpid a alta temperatura. Actualment, hi ha un gran nombre d’informes de recerca i aplicacions relacionades que utilitzen Nano CEO2 com a catalitzadors, operadors de catalitzadors o additius, components actius i adsorbents.
1. Mètode de preparació del nanòmetreòxid de cerium
Actualment, els mètodes de preparació comuns per a Nano Ceria inclouen principalment mètodes químics i mètodes físics. Segons diferents mètodes químics, els mètodes químics es poden dividir en mètode de precipitació, mètode hidrotèrmic, mètode solvotèrmic, mètode de gel sol, mètode de microemulsió i mètode d’electrodeposició; El mètode físic és principalment el mètode de mòlta.
1.1 Mètode de trituració
El mètode de mòlta per preparar Nano Ceria generalment utilitza una mòlta de sorra, que té els avantatges de baix cost, amabilitat ambiental, velocitat de processament ràpid i una forta capacitat de processament. Actualment és el mètode de processament més important de la indústria de la cera nano. Per exemple, la preparació de la pols de poliment d’òxid de nano cerium generalment adopta una combinació de calcinació i mòlta de sorra, i les matèries primeres dels catalitzadors de desnitració basats en ceri també es barregen per al pretractament o es tracten després de la calcinació mitjançant la mòlta de sorra. Mitjançant l'ús de diferents proporcions de boles de sorra de mida de partícules, es pot obtenir Nano Ceria amb D50 que va des de desenes fins a centenars de nanòmetres mitjançant l'ajust.
1.2 Mètode de precipitació
El mètode de precipitació fa referència al mètode de preparació de pols sòlida per precipitació, separació, rentat, assecat i calcinació de matèries primeres dissoltes en dissolvents adequats. El mètode de precipitació s’utilitza àmpliament en la preparació de terres rares i nanomaterials dopats, amb avantatges com ara un procés de preparació simple, alta eficiència i baix cost. És un mètode utilitzat habitualment per preparar Nano Ceria i els seus materials compostos a la indústria. Aquest mètode pot preparar nano cera amb morfologia diferent i mida de partícules canviant la temperatura de precipitació, la concentració de material, el valor de pH, la velocitat de precipitació, la velocitat d’agitació, la plantilla, etc. Els mètodes comuns es basen en la precipitació d’ions cerios d’amoníac generats per la descomposició d’urea i la preparació de microsferes nano de cera és controlada per citrates. Alternativament, els ions de ceri es poden precipitar mitjançant OH generat a partir de la hidròlisi del citrat de sodi, i després es van incubar i calcular per preparar el floc com les microsfores de nano ceraia.
1.3 Mètodes hidrotèrmics i solvotèrmics
Aquests dos mètodes fan referència al mètode de preparació de productes mitjançant reacció a alta temperatura i alta pressió a temperatura crítica en un sistema tancat. Quan el dissolvent de reacció és aigua, s’anomena mètode hidrotèrmic. Correspondentment, quan el dissolvent de reacció és un dissolvent orgànic, s’anomena mètode solvotèrmic. Les partícules nano sintetitzades tenen una alta puresa, una bona dispersió i partícules uniformes, especialment les nano pols amb diferents morfologies o cares especials de cristall exposades. Dissoleu el clorur de cerium en aigua destil·lada, remeneu i afegiu la solució d’hidròxid de sodi. React hidrotèrmic a 170 ℃ durant 12 hores per preparar nanorodes d'òxid de ceri amb avions de cristall exposats (111) i (110). En ajustar les condicions de reacció, es pot augmentar la proporció de (110) avions de cristall als avions de cristall exposats, millorant encara més la seva activitat catalítica. Ajustar el dissolvent de reacció i els lligands superficials també pot produir partícules de nano cera amb hidrofilicitat especial o lipofilicitat. Per exemple, afegir ions d’acetat a la fase aquosa pot preparar nanopartícules d’òxid de ceri hidròfil monodisperse en aigua. Seleccionant un dissolvent no polar i introduint l’àcid oleic com a lligand durant la reacció, es poden preparar nanopartícules de cera lipofílica monodisperse en dissolvents orgànics no polars. (Vegeu la figura 1)
Figura 1 Monodispersperse esfèrica nano ceraia i cera nano en forma de vareta
1.4 Sol Gel Mètode
El mètode SOL Gel és un mètode que utilitza alguns o diversos compostos com a precursors, realitza reaccions químiques com la hidròlisi en fase líquida per formar SOL, i després forma gel després de l’envelliment, i finalment Drys i calcines per preparar pols ultrafines. Aquest mètode és particularment adequat per preparar nanomaterials compostos de Nano Ceria de multi-components molt dispersos, com ara ferro de ceri, titani de ceri, zirconi de ceri i altres òxids nano compostos, que s’han informat en molts informes.
1.5 Altres mètodes
A més dels mètodes anteriors, també hi ha un mètode de micro-loció, mètode de síntesi de microones, mètode d’electrodeposició, mètode de combustió de flames plasmàtiques, mètode d’electròlisi de membrana d’ions i molts altres mètodes. Aquests mètodes tenen una gran importància per a la investigació i l’aplicació de Nano Ceria.
Aplicació de 2-nanòmetre òxid de ceri en el tractament de l'aigua
El ceri és l’element més abundant entre els elements de la terra rara, amb preus baixos i aplicacions àmplies. El nanòmetre cera i els seus compostos han cridat molta atenció en el camp del tractament de l’aigua a causa de la seva alta superfície específica, alta activitat catalítica i excel·lent estabilitat estructural.
2.1 Aplicació deÒxid de cerium nanoen el tractament de l’aigua per mètode d’adsorció
En els darrers anys, amb el desenvolupament d’indústries com la indústria de l’electrònica, s’ha descarregat una gran quantitat d’aigües residuals que contenen contaminants com ions de metall pesat i ions fluor. Fins i tot a concentracions de traça, pot causar danys importants als organismes aquàtics i al medi de vida humana. Els mètodes d'ús comú inclouen oxidació, flotació, osmosi inversa, adsorció, nanofiltració, biosorció, etc. Entre ells, la tecnologia d'adsorció sovint s'adopta a causa del seu simple funcionament, baix cost i alta eficiència de tractament. Els materials Nano CEO2 tenen una superfície específica elevada i una alta activitat superficial com a adsorbents, i hi ha hagut molts informes sobre la síntesi de nano CEO2 porós i els seus materials compostos amb diferents morfologies per adsorbir i eliminar ions nocius de l’aigua.
Les investigacions han demostrat que Nano Ceria té una forta capacitat d’adsorció de F - en aigua en condicions àcides febles. En una solució amb una concentració inicial de F - de 100mg/L i pH = 5-6, la capacitat d’adsorció de F - és de 23 mg/g i la taxa d’eliminació de F - és del 85,6%. Després de carregar -lo sobre una bola de resina d’àcid poliacrílic (quantitat de càrrega: 0,25g/g), la capacitat d’eliminació de F - pot arribar a superar el 99% quan es tracta d’un volum igual de 100 mg/L de solució aquosa; Quan es processa 120 vegades el volum, es pot eliminar més del 90% de F -. Quan s’utilitza per adsorbir fosfat i iodat, la capacitat d’adsorció pot arribar a més de 100 mg/g sota l’estat d’adsorció òptim corresponent. El material utilitzat es pot reutilitzar després del simple tractament de desorció i neutralització, que té elevats beneficis econòmics.
Hi ha molts estudis sobre l’adsorció i el tractament de metalls pesants tòxics com l’arsènic, el crom, el cadmi i el plom mitjançant Nano Ceria i els seus materials compostos. El pH d’adsorció òptima varia per a ions de metall pesat amb diferents estats de valència. Per exemple, la condició alcalina feble amb biaix neutre té el millor estat d’adsorció per AS (III), mentre que l’estat d’adsorció òptim per AS (V) s’aconsegueix en condicions àcides dèbils, on la capacitat d’adsorció pot arribar a més de 110mg/g en ambdues condicions. En general, la síntesi optimitzada de nano cera i els seus materials compostos poden aconseguir elevades taxes d’adsorció i eliminació per a diversos ions de metall pesat en un ampli rang de pH.
D'altra banda, els nanomaterials basats en òxids de ceri també tenen un rendiment excel·lent en els orgànics adsorbents en les aigües residuals, com ara la taronja àcida, la rodamina B, el Congo Red, etc. Per exemple, en casos reportats existents, nano ceraus esferes poroses preparades per mètodes electroquímics tenen una capacitat d'adsorció elevada en l'eliminació de dents orgànics, sobretot en la eliminació de Red Red 942,7mg/g en 60 minuts.
2.2 Aplicació de Nano Ceria en procés avançat d’oxidació
Es proposa un procés avançat d’oxidació (AOPS per a curt) per millorar el sistema de tractament anhidre existent. El procés avançat d’oxidació, també conegut com a tecnologia d’oxidació profunda, es caracteritza per la producció de radical hidroxil (· OH), radical superòxid (· O2 -), oxigen de singlet, etc. amb una forta capacitat d’oxidació. En les condicions de reacció d’alta temperatura i pressió, electricitat, so, irradiació lleugera, catalitzador, etc. Segons les diferents maneres de generar radicals lliures i condicions de reacció, es poden dividir en oxidació fotoquímica, oxidació humida catalítica, oxidació de la sonoquímica, oxidació d’ozó, oxidació electroquímica, oxidació de Fenton, etc.
Figura 2 Classificació i combinació de tecnologia del procés d’oxidació avançada
Nano ceraiaés un catalitzador heterogeni que s’utilitza habitualment en el procés d’oxidació avançat. A causa de la ràpida conversió entre CE3+i CE4+i l'efecte de reducció d'oxidació ràpida provocada per l'absorció i l'alliberament d'oxigen, Nano Ceria té una bona capacitat catalítica. Quan s’utilitza com a promotor del catalitzador, també pot millorar eficaçment la capacitat i l’estabilitat catalítiques. Quan Nano Ceria i els seus materials compostos s’utilitzen com a catalitzadors, les propietats catalítiques varien molt amb la morfologia, la mida de les partícules i els avions de cristall exposats, que són factors clau que afecten el seu rendiment i aplicació. Generalment es creu que com més petites siguin les partícules i més gran sigui la superfície específica, el lloc actiu més corresponent i més forta és la capacitat catalítica. La capacitat catalítica de la superfície de cristall exposada, de forta a feble, es troba en l’ordre de (100) superfície de cristall> (110) superfície de cristall> (111) superfície de cristall i l’estabilitat corresponent és oposada.
L’òxid de ceri és un material semiconductor. Quan l’òxid de ceri del nanòmetre és irradiat per fotons amb energia superior a la bretxa de banda, els electrons de la banda de valència s’emocionen i es produeix el comportament de recombinació de transició. Aquest comportament afavorirà la taxa de conversió de Ce3+i Ce4+, donant lloc a una forta activitat fotocatalítica de Nano Ceria. La fotocatalisi pot aconseguir una degradació directa de la matèria orgànica sense contaminació secundària, de manera que la seva aplicació és la tecnologia més estudiada en el camp de Nano Ceria a AOPS. Actualment, l’objectiu principal es centra en el tractament de degradació catalítica dels colorants azo, el fenol, el clorobenzè i les aigües residuals farmacèutiques mitjançant catalitzadors amb diferents morfologies i composites compostes. Segons l’informe, sota el mètode de síntesi de catalitzador optimitzat i les condicions del model catalític, la capacitat de degradació d’aquestes substàncies generalment pot arribar a més del 80%i la capacitat d’eliminació del carboni orgànic total (TOC) pot arribar a més del 40%.
La catàlisi d’òxid de ceri nano per a la degradació de contaminants orgànics com l’ozó i el peròxid d’hidrogen és una altra tecnologia molt estudiada. De forma similar a la fotocatalisi, també se centra en la capacitat de Nano ceraia amb diferents morfologies o avions de cristall i diferents oxidants catalítics compostos basats en ceris per oxidar i degradar contaminants orgànics. En aquestes reaccions, els catalitzadors poden catalitzar la generació d’un gran nombre de radicals actius a partir d’ozó o peròxid d’hidrogen, que ataquen contaminants orgànics i aconsegueixen capacitats de degradació oxidativa més eficients. A causa de la introducció d’oxidants en la reacció, es millora molt la capacitat d’eliminar els compostos orgànics. En la majoria de les reaccions, la taxa d’eliminació final de la substància objectiu pot arribar o apropar -se al 100%, i la taxa d’eliminació de TOC també és més elevada.
En el mètode d’oxidació avançada electrocatalítica, les propietats del material d’ànode amb alta evolució d’oxigen sobrepotencials determinen la selectivitat del mètode d’oxidació avançada electrocatalítica per tractar contaminants orgànics. El material del càtode és un factor important que determina la producció de H2O2 i la producció de H2O2 determina l'eficiència del mètode d'oxidació avançada electrocatalítica per tractar contaminants orgànics. L’estudi de la modificació del material d’elèctrodes mitjançant Nano Ceria ha rebut una atenció generalitzada tant a nivell nacional com internacional. Els investigadors introdueixen principalment òxid de ceri nano i els seus materials compostos mitjançant diferents mètodes químics per modificar diferents materials d’elèctrodes, millorar la seva activitat electroquímica i augmentar així l’activitat electrocatalítica i la taxa d’eliminació final.
El microones i l’ecografia són sovint importants mesures auxiliars per als models catalítics anteriors. Prenent assistència ultrasònica com a exemple, utilitzant ones de so de vibració amb freqüències superiors a 25 kHz per segon, es generen milions de bombolles extremadament petites en una solució formulada amb un agent de neteja especialment dissenyat. Aquestes petites bombolles, durant la compressió i l'expansió ràpides, produeixen constantment una implosió de bombolles, permetent que els materials intercanvien i es difonguin ràpidament a la superfície del catalitzador, sovint millorant exponencialment l'eficiència catalítica.
3 Conclusió
Nano ceraia i els seus materials compostos poden tractar eficaçment els ions i contaminants orgànics en aigua i tenir un potencial d’aplicació important en els futurs camps de tractament de l’aigua. Tanmateix, la majoria de la investigació encara es troba en fase de laboratori i, per aconseguir una aplicació ràpida en el tractament de l’aigua en el futur, encara s’han d’abordar amb urgència els següents problemes:
(1) El cost de preparació relativament elevat de NanoCEO2Els materials basats segueixen sent un factor important en la gran majoria de les seves aplicacions en el tractament de l’aigua, que encara es troben en la fase d’investigació de laboratori. Explorar mètodes de preparació de baix cost, senzill i eficaç que poden regular la morfologia i la mida dels materials basats en Nano CEO2 és encara un focus de recerca.
(2) A causa de la petita mida de partícula dels materials basats en Nano CEO2, els problemes de reciclatge i regeneració després de l'ús són també factors importants que limiten la seva aplicació. El compost de TI amb materials de resina o materials magnètics serà una direcció clau de recerca per a la seva tecnologia de preparació i reciclatge de materials.
(3) El desenvolupament d'un procés conjunt entre la tecnologia de tractament d'aigües materials basada en Nano CEO2 i la tecnologia tradicional de tractament d'aigües residuals afavorirà molt l'aplicació de la tecnologia catalítica de materials basada en Nano CEO2 en el camp del tractament de l'aigua.
(4) Encara hi ha una investigació limitada sobre la toxicitat dels materials basats en Nano CEO2, i encara no s'han determinat el seu comportament ambiental i el seu mecanisme de toxicitat en els sistemes de tractament d'aigües. El procés real de tractament d’aigües residuals implica sovint la convivència de múltiples contaminants, i els contaminants coexistents interactuaran entre ells, canviant així les característiques de la superfície i la toxicitat potencial dels nanomaterials. Per tant, hi ha una necessitat urgent de realitzar més investigacions sobre aspectes relacionats.
Posada Posada: 22 de maig de 2013