CEO2es un componente importante de los materiales de tierras raras. Elelemento de tierra rara cerioTiene una estructura electrónica externa única: 4F15D16S2. Su capa 4F especial puede almacenar y liberar electrones de manera efectiva, lo que hace que los iones de cerio se comporten en el estado de valencia+3 y el estado de+4 de valencia. Por lo tanto, los materiales de CEO2 tienen más agujeros de oxígeno y tienen una excelente capacidad para almacenar y liberar oxígeno. La conversión mutua de CE (III) y Ce (IV) también dotan los materiales de CEO2 con capacidades catalíticas únicas de reducción de oxidación. En comparación con los materiales a granel, Nano CEO2, como un nuevo tipo de material inorgánico, ha recibido una atención generalizada debido a su alta superficie específica, excelente capacidad de almacenamiento y liberación de oxígeno, conductividad de iones de oxígeno, rendimiento redox y capacidad de difusión de vacante de oxígeno rápido de alta temperatura. Actualmente hay una gran cantidad de informes de investigación y aplicaciones relacionadas que utilizan Nano CEO2 como catalizadores, portadores de catalizador o aditivos, componentes activos y adsorbentes.
1. Método de preparación del nanómetroóxido de cerio
En la actualidad, los métodos de preparación comunes para Nano Ceria incluyen principalmente método químico y método físico. Según diferentes métodos químicos, los métodos químicos se pueden dividir en el método de precipitación, el método hidrotérmico, el método solvotérmico, el método de gel sol, el método de microemulsión y el método de electrodeposición; El método físico es principalmente el método de molienda.
1.1 Método de molienda
El método de molienda para preparar Nano Ceria generalmente utiliza la molienda de arena, que tiene las ventajas de bajo costo, amabilidad ambiental, velocidad de procesamiento rápido y una fuerte capacidad de procesamiento. Actualmente es el método de procesamiento más importante en la industria de Nano Ceria. Por ejemplo, la preparación de polvo de pulido de óxido de nano cerio generalmente adopta una combinación de calcinación y molienda de arena, y las materias primas de los catalizadores de denitación a base de cerio también se mezclan para el pretratamiento o se tratan después de la calcinación usando molienda de arena. Mediante el uso de diferentes relaciones con cuentas de molienda de arena, se puede obtener nano ceria con D50 desde decenas hasta cientos de nanómetros a través del ajuste.
1.2 Método de precipitación
El método de precipitación se refiere al método de preparación de polvo sólido mediante precipitación, separación, lavado, secado y calcinación de materias primas disueltas en solventes apropiados. El método de precipitación se usa ampliamente en la preparación de tierras raras y nanomateriales dopados, con ventajas como proceso de preparación simple, alta eficiencia y bajo costo. Es un método de uso común para preparar Nano Ceria y sus materiales compuestos en la industria. Este método puede preparar nano ceria con diferentes morfología y tamaño de partícula cambiando la temperatura de precipitación, la concentración del material, el valor del pH, la velocidad de precipitación, la velocidad de agitación, la plantilla, etc. Los métodos comunes se basan en la precipitación de iones de cerio a partir de amoníaco generados por la descomposición de la urea y la preparación de las microesferas de nano ceria se controla con citrato. Alternativamente, los iones de cerio se pueden precipitar por OH, generados a partir de la hidrólisis del citrato de sodio, y luego incubados y calcinados para preparar escamas como microesferas nano ceria.
1.3 Métodos hidrotérmicos y solvotérmicos
Estos dos métodos se refieren al método para preparar productos mediante reacción de alta temperatura y alta presión a temperatura crítica en un sistema cerrado. Cuando el disolvente de reacción es agua, se llama método hidrotérmico. En consecuencia, cuando el disolvente de reacción es un disolvente orgánico, se llama método solvotérmico. Las nano partículas sintetizadas tienen alta pureza, buena dispersión y partículas uniformes, especialmente los nano polvos con diferentes morfologías o caras de cristal especiales expuestas. Disuelva el cloruro de cerio en agua destilada, revuelva y agregue la solución de hidróxido de sodio. Reaccione hidrotérmico a 170 ℃ durante 12 horas para preparar nanorods de óxido de cerio con planos de cristal expuestos (111) y (110). Al ajustar las condiciones de reacción, se puede aumentar la proporción de (110) planos de cristal en los planos de cristal expuestos, mejorando aún más su actividad catalítica. Ajustar el disolvente de reacción y los ligandos superficiales también pueden producir partículas de nano ceria con hidrofilia o lipofilia especial. Por ejemplo, agregar iones de acetato a la fase acuosa puede preparar nanopartículas de óxido de cerio hidrófilo monodisperso en agua. Al seleccionar un disolvente no polar e introducir el ácido oleico como ligando durante la reacción, se pueden preparar nanopartículas de ceria lipofílica monodispersa en solventes orgánicos no polares. (Ver Figura 1)
Figura 1 Monodisperse Nano ceria esférica y nano ceria en forma de vara
1.4 Método SOL Gel
El método SOL gel es un método que utiliza algunos o varios compuestos como precursores, realiza reacciones químicas como la hidrólisis en la fase líquida para formar sol, y luego forma gel después del envejecimiento, y finalmente se seca y calcula para preparar polvos ultrafinos. Este método es particularmente adecuado para preparar nanomateriales compuestos de nano ceria múltiples altamente dispersos, como hierro de cerio, titanio de cerio, circonio de cerio y otros nano óxidos compuestos, que se han informado en muchos informes.
1.5 Otros métodos
Además de los métodos anteriores, también hay método de micro loción, método de síntesis de microondas, método de electrodeposición, método de combustión de llama de plasma, método de electrólisis de membrana de intercambio iónico y muchos otros métodos. Estos métodos tienen una gran importancia para la investigación y la aplicación de Nano Ceria.
Aplicación de óxido de cerio 2 nanométrico en el tratamiento de agua
El cerio es el elemento más abundante entre los elementos de tierras raras, con precios bajos y amplias aplicaciones. La ceria nanométrica y sus compuestos han atraído mucha atención en el campo del tratamiento de agua debido a su área de superficie específica, alta actividad catalítica y excelente estabilidad estructural.
2.1 Aplicación deÓxido de nano cerioen tratamiento de agua por método de adsorción
En los últimos años, con el desarrollo de industrias como la industria electrónica, se ha descargado una gran cantidad de aguas residuales que contienen contaminantes como iones de metales pesados e iones de fluorina. Incluso a las concentraciones de trazas, puede causar un daño significativo a los organismos acuáticos y al entorno de vida humana. Los métodos de uso común incluyen oxidación, flotación, ósmosis inversa, adsorción, nanofiltración, biosorción, etc. Entre ellos, la tecnología de adsorción a menudo se adopta debido a su operación simple, bajo costo y alta eficiencia de tratamiento. Los materiales de Nano CEO2 tienen una alta superficie específica y alta actividad de la superficie como adsorbentes, y ha habido muchos informes sobre la síntesis de Nano CEO2 poroso y sus materiales compuestos con diferentes morfologías para adsorbe y eliminan los iones nocivos del agua.
La investigación ha demostrado que Nano ceria tiene una fuerte capacidad de adsorción para F - en agua en condiciones ácidas débiles. En una solución con una concentración inicial de F - de 100 mg/L y pH = 5-6, la capacidad de adsorción para F - es 23 mg/g, y la tasa de eliminación de F - es 85.6%. Después de cargarla en una bola de resina de ácido poliacrílico (cantidad de carga: 0.25 g/g), la capacidad de eliminación de F - puede alcanzar más del 99% al tratar un volumen igual de 100 mg/L de solución f - acuosa; Al procesar 120 veces el volumen, se puede eliminar más del 90% de F -. Cuando se usa para adsorb fosfato y yodato, la capacidad de adsorción puede alcanzar más de 100 mg/g bajo el estado de adsorción óptimo correspondiente. El material usado se puede reutilizar después del simple tratamiento de desorción y neutralización, que tiene altos beneficios económicos.
Hay muchos estudios sobre la adsorción y el tratamiento de metales pesados tóxicos como el arsénico, el cromo, el cadmio y el plomo con Nano ceria y sus materiales compuestos. El pH de adsorción óptima varía para iones de metales pesados con diferentes estados de valencia. Por ejemplo, la condición alcalina débil con sesgo neutral tiene el mejor estado de adsorción para AS (III), mientras que el estado de adsorción óptimo para AS (v) se logra en condiciones ácidas débiles, donde la capacidad de adsorción puede alcanzar más de 110 mg/g en ambas condiciones. En general, la síntesis optimizada de Nano Ceria y sus materiales compuestos puede lograr altas tasas de adsorción y eliminación para varios iones de metales pesados en un amplio rango de pH.
Por otro lado, los nanomateriales a base de óxido de cerio también tienen un rendimiento sobresaliente en la adsorción de los orgánicos en aguas residuales, como la naranja ácida, la rodamina B, el rojo del Congo, etc. Por ejemplo, en los casos reportados existentes, las esferas porosas nano ceria preparadas por métodos electroquímicos tienen una alta capacidad de adsorción en la eliminación de las dyes orgánicas, especialmente en la remoción de la eliminación de un rojo de congo, con una capacidad de adsorción de 944. en 60 minutos.
2.2 Aplicación de Nano Ceria en el proceso de oxidación avanzada
Se propone un proceso de oxidación avanzado (AOPS para abreviar) para mejorar el sistema de tratamiento anhidro existente. El proceso avanzado de oxidación, también conocido como tecnología de oxidación profunda, se caracteriza por la producción de radicales hidroxilo (· OH), radical superóxido (· O2 -), oxígeno singlete, etc. con una fuerte capacidad de oxidación. Bajo las condiciones de reacción de alta temperatura y presión, electricidad, sonido, irradiación de la luz, catalizador, etc., de acuerdo con las diferentes formas de generar radicales libres y condiciones de reacción, pueden dividirse en oxidación fotoquímica, oxidación húmeda catalítica, oxidación sonóquemia, oxidación ozona, oxidación electroquímica, óxidación fentonada, etc. (ver Figura 2).
Figura 2 Clasificación y combinación de tecnología del proceso de oxidación avanzado
Nano ceriaes un catalizador heterogéneo comúnmente utilizado en el proceso de oxidación avanzado. Debido a la rápida conversión entre Ce3+y Ce4+y el rápido efecto de reducción de oxidación provocado por la absorción y liberación de oxígeno, la nano ceria tiene una buena capacidad catalítica. Cuando se usa como promotor de catalizador, también puede mejorar efectivamente la capacidad y la estabilidad catalítica. Cuando Nano ceria y sus materiales compuestos se utilizan como catalizadores, las propiedades catalíticas varían mucho con la morfología, el tamaño de la partícula y los planos de cristal expuestos, que son factores clave que afectan su rendimiento y aplicación. En general, se cree que cuanto más pequeñas son las partículas y cuanto más grandes son la superficie específica, más correspondiente sitio activo y más fuerte es la capacidad catalítica. La capacidad catalítica de la superficie cristalina expuesta, de fuerte a débil, es del orden de (100) superficie de cristal> (110) superficie cristalina> (111) de la superficie del cristal, y la estabilidad correspondiente es opuesta.
El óxido de cerio es un material semiconductor. Cuando el óxido de cerio nanómetro se irradia por fotones con energía más alta que la brecha de banda, los electrones de la banda de valencia se excitan y se produce el comportamiento de recombinación de transición. Este comportamiento promoverá la tasa de conversión de Ce3+y Ce4+, lo que resulta en una fuerte actividad fotocatalítica de Nano Ceria. La fotocatálisis puede lograr la degradación directa de la materia orgánica sin contaminación secundaria, por lo que su aplicación es la tecnología más estudiada en el campo de Nano Ceria en AOPS. En la actualidad, el enfoque principal está en el tratamiento de degradación catalítica de los tintes de azo, fenol, clorobenceno y aguas residuales farmacéuticas utilizando catalizadores con diferentes morfologías y composiciones compuestas. Según el informe, bajo el método de síntesis de catalizador optimizado y las condiciones del modelo catalítico, la capacidad de degradación de estas sustancias generalmente puede alcanzar más del 80%, y la capacidad de eliminación del carbono orgánico total (TOC) puede alcanzar más del 40%.
La catálisis de óxido de nano cerio para la degradación de contaminantes orgánicos como el ozono y el peróxido de hidrógeno es otra tecnología ampliamente estudiada. Similar a la fotocatálisis, también se centra en la capacidad de la nano ceria con diferentes morfologías o planos de cristal y diferentes oxidantes catalíticos compuestos a base de cerio para oxidar y degradar contaminantes orgánicos. En tales reacciones, los catalizadores pueden catalizar la generación de una gran cantidad de radicales activos a partir de ozono o peróxido de hidrógeno, que atacan contaminantes orgánicos y logran capacidades de degradación oxidativa más eficientes. Debido a la introducción de oxidantes en la reacción, la capacidad de eliminar los compuestos orgánicos se mejora enormemente. En la mayoría de las reacciones, la tasa de eliminación final de la sustancia objetivo puede alcanzar o acercarse al 100%, y la tasa de eliminación de TOC también es mayor.
En el método de oxidación avanzada electrocatalítica, las propiedades del material anódico con alta evolución de oxígeno sobrepotencial determinan la selectividad del método de oxidación avanzada electrocatalítica para tratar contaminantes orgánicos. El material del cátodo es un factor importante que determina la producción de H2O2, y la producción de H2O2 determina la eficiencia del método de oxidación avanzada electrocatalítica para tratar contaminantes orgánicos. El estudio de la modificación del material del electrodo utilizando Nano Ceria ha recibido atención generalizada tanto a nivel nacional como internacional. Los investigadores introducen principalmente óxido de nano cerio y sus materiales compuestos a través de diferentes métodos químicos para modificar diferentes materiales de electrodos, mejorar su actividad electroquímica y, por lo tanto, aumentar la actividad electrocatalítica y la tasa de eliminación final.
El microondas y el ultrasonido a menudo son medidas auxiliares importantes para los modelos catalíticos anteriores. Tomando la asistencia ultrasónica como ejemplo, utilizando ondas de sonido de vibración con frecuencias superiores a 25 kHz por segundo, se generan millones de burbujas extremadamente pequeñas en una solución formulada con un agente de limpieza especialmente diseñado. Estas pequeñas burbujas, durante la compresión y la expansión rápidas, producen constantemente implosión de burbujas, permitiendo que los materiales intercambien rápidamente y se difundan en la superficie del catalizador, a menudo mejorando exponencialmente la eficiencia catalítica.
3 conclusión
Nano ceria y sus materiales compuestos pueden tratar de manera efectiva los iones y contaminantes orgánicos en el agua, y tener un potencial de aplicación importante en futuros campos de tratamiento de agua. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones aún se encuentran en la etapa de laboratorio, y para lograr una aplicación rápida en el tratamiento del agua en el futuro, los siguientes problemas aún deben abordarse con urgencia:
(1) El costo de preparación relativamente alto de NanoCEO2Los materiales basados siguen siendo un factor importante en la gran mayoría de sus aplicaciones en el tratamiento del agua, que aún se encuentran en la etapa de investigación de laboratorio. La exploración de métodos de preparación de bajo costo, simples y efectivos que pueden regular la morfología y el tamaño de los materiales basados en Nano CEO2 sigue siendo un foco de investigación.
(2) Debido al pequeño tamaño de partícula de los materiales basados en Nano CEO2, los problemas de reciclaje y regeneración después del uso también son factores importantes que limitan su aplicación. El compuesto de TI con materiales de resina o materiales magnéticos será una dirección de investigación clave para su preparación de material y tecnología de reciclaje.
(3) El desarrollo de un proceso conjunto entre la tecnología de tratamiento de agua de material de material de Nano CEO2 y la tecnología tradicional de tratamiento de aguas residuales promoverá en gran medida la aplicación de tecnología catalítica de material basada en Nano CEO2 en el campo del tratamiento de agua.
(4) Todavía existe una investigación limitada sobre la toxicidad de los materiales basados en Nano CEO2, y su comportamiento ambiental y mecanismo de toxicidad en los sistemas de tratamiento de agua aún no se han determinado. El proceso real de tratamiento de aguas residuales a menudo implica la coexistencia de múltiples contaminantes, y los contaminantes coexistentes interactuarán entre sí, cambiando así las características de la superficie y la toxicidad potencial de los nanomateriales. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de llevar a cabo más investigación sobre aspectos relacionados.
Tiempo de publicación: mayo-22-2023