تهیه اکسید نانو سریم و کاربرد آن در تصفیه آب

مدیرعامل 2یک مؤلفه مهم مواد نادر زمین است. درعنصر زمین نادر سریمدارای یک ساختار الکترونیکی بیرونی منحصر به فرد - 4F15D16S2. لایه خاص 4F آن می تواند به طور موثری الکترون ها را ذخیره و آزاد کند ، و باعث می شود یونهای Cerium در حالت+3 Valence و+4 Valence رفتار کنند. بنابراین ، مواد CeO2 دارای سوراخ های اکسیژن بیشتری هستند و توانایی بسیار خوبی در ذخیره و آزاد سازی اکسیژن دارند. تبدیل متقابل CE (III) و CE (IV) همچنین مواد CeO2 را با قابلیت های کاتالیزوری کاهش اکسیداسیون منحصر به فرد در معرض خطر قرار می دهد. در مقایسه با مواد فله ، NANO CEO2 ، به عنوان نوع جدیدی از مواد معدنی ، به دلیل مساحت سطح خاص ، ذخیره سازی اکسیژن عالی و توانایی آزاد شدن ، هدایت یون اکسیژن ، عملکرد ردوکس و قابلیت انتشار سریع اکسیژن با درجه حرارت بالا ، مورد توجه گسترده ای قرار گرفته است. در حال حاضر تعداد زیادی گزارش تحقیقاتی و برنامه های مرتبط با استفاده از Nano CeO2 به عنوان کاتالیزور ، حامل های کاتالیزور یا مواد افزودنی ، مؤلفه های فعال و جاذب وجود دارد.

1 روش آماده سازی نانومتراکسید

در حال حاضر ، روش های آماده سازی متداول برای Nano Ceria عمدتا شامل روش شیمیایی و روش فیزیکی است. با توجه به روشهای شیمیایی مختلف ، روشهای شیمیایی را می توان به روش بارش ، روش هیدروترمال ، روش حل گرمایشی ، روش ژل SOL ، روش میکرویمولسیون و روش الکترودزنی تقسیم کرد. روش فیزیکی عمدتا روش سنگ زنی است.

 
1.1 روش سنگ زنی

روش سنگ زنی برای تهیه Nano Ceria به طور کلی از سنگ زنی ماسه استفاده می کند ، که مزایای کم هزینه ، دوستی محیطی ، سرعت پردازش سریع و توانایی پردازش قوی را دارد. در حال حاضر این مهمترین روش پردازش در صنعت Nano Ceria است. به عنوان مثال ، تهیه پودر جلا دادن اکسید نانو سریم به طور کلی ترکیبی از کلسیوناسیون و سنگ زنی ماسه را اتخاذ می کند ، و مواد اولیه کاتالیزورهای دنیتراسیون مبتنی بر سریم نیز برای پیش درمانی مخلوط می شوند یا پس از محاسبه با استفاده از سنگ زنی ماسه ای درمان می شوند. با استفاده از نسبت های مهره سنگ فرش ماسه ای با اندازه ذرات مختلف ، نانو Ceria با D50 از ده ها تا صدها نانومتر از طریق تنظیم می توان دریافت کرد.

 
1.2 روش بارش

روش بارش به روش تهیه پودر جامد با بارش ، جداسازی ، شستشو ، خشک کردن و محاسبه مواد اولیه حل شده در حلال های مناسب اشاره دارد. روش بارش به طور گسترده ای در تهیه نانومواد نادر زمین و دوپ شده مورد استفاده قرار می گیرد ، با مزایایی مانند فرآیند آماده سازی ساده ، راندمان بالا و کم هزینه. این یک روش متداول برای تهیه Nano Ceria و مواد کامپوزیت آن در صنعت است. این روش می تواند با تغییر دمای بارش ، غلظت مواد ، مقدار pH ، سرعت بارش ، سرعت همزن ، الگوی و غیره ، نانو سریا را با مورفولوژی مختلف و اندازه ذرات تهیه کند. از طرف دیگر ، یونهای سریم را می توان با استفاده از هیدرولیز سدیم سدیم تولید کرد و سپس انکوبه و محاسبه شد تا پوسته مانند میکروسفرهای نانو سریا تهیه شود.

 
1.3 روشهای هیدروترمال و حلال

این دو روش به روش تهیه محصولات با واکنش درجه حرارت بالا و فشار بالا در دمای بحرانی در یک سیستم بسته اشاره دارد. هنگامی که حلال واکنش آب است ، به آن روش هیدروترمال گفته می شود. به همین ترتیب ، هنگامی که حلال واکنش یک حلال آلی است ، به آن روش Solvothermal گفته می شود. ذرات نانو سنتز شده دارای خلوص بالا ، پراکندگی خوب و ذرات یکنواخت ، به ویژه پودرهای نانو با مورفولوژی های مختلف یا چهره های کریستالی خاص در معرض آن هستند. کلرید سریم را در آب مقطر حل کنید ، محلول هیدروکسید سدیم را هم بزنید و اضافه کنید. هیدروترمال در 170 ℃ به مدت 12 ساعت واکنش نشان می دهد تا نانورودهای اکسید سریم را با هواپیماهای کریستالی در معرض (111) و (110) تهیه کنید. با تنظیم شرایط واکنش ، نسبت (110) هواپیماهای کریستالی در هواپیماهای کریستالی در معرض افزایش می یابد و باعث افزایش بیشتر فعالیت کاتالیزوری آنها می شود. تنظیم حلال واکنش و لیگاند های سطحی همچنین می تواند ذرات نانو Ceria را با آبگریز خاص یا لیپوفیلی خاص تولید کند. به عنوان مثال ، اضافه کردن یون های استات به فاز آبی می تواند نانوذرات اکسید سریال آبگریز را در آب تهیه کند. با انتخاب یک حلال غیر قطبی و معرفی اسید اولئیک به عنوان لیگاند در طول واکنش ، نانوذرات Ceria Lipophilic Monodisperse را می توان در حلال های آلی غیر قطبی تهیه کرد. (شکل 1 را ببینید)

شکل 1 Monodisperse کروی نانو سریا و میله شکل Nano Ceria

1.4 روش ژل سول

روش Sol Gel روشی است که از برخی یا چندین ترکیب به عنوان پیش ساز استفاده می کند ، واکنش های شیمیایی مانند هیدرولیز در فاز مایع را انجام می دهد تا SOL را تشکیل دهد و سپس پس از پیری ، ژل را تشکیل می دهد و در نهایت خشک می شود و برای تهیه پودرهای فوق العاده. این روش به ویژه برای تهیه نانومواد کامپوزیت چند مؤلفه بسیار پراکنده نانو Ceria ، مانند آهن سریم ، تیتانیوم سریم ، زیرکونیوم سریم و سایر اکسیدهای کامپوزیت ، که در بسیاری از گزارش ها گزارش شده است ، مناسب است.

 
1.5 روش دیگر

علاوه بر روشهای فوق ، روش میکرو لوتیون ، روش سنتز مایکروویو ، روش الکترودزایی ، روش احتراق شعله پلاسما ، روش الکترولیز غشای تبادل یون و بسیاری از روشهای دیگر نیز وجود دارد. این روشها برای تحقیق و کاربرد Nano Ceria از اهمیت زیادی برخوردار هستند.

 
استفاده از اکسید سریم 2 نانومتر در تصفیه آب

Cerium فراوان ترین عنصر در بین عناصر نادر زمین ، با قیمت های پایین و کاربردهای گسترده است. نانومتر Ceria و کامپوزیت های آن به دلیل مساحت سطح خاص ، فعالیت کاتالیزوری بالا و پایداری ساختاری عالی ، در زمینه تصفیه آب توجه زیادی را به خود جلب کرده اند.

 
2.1 کاربرد ازاکسید ننودر تصفیه آب با روش جذب

در سالهای اخیر ، با توسعه صنایعی مانند صنعت الکترونیک ، مقدار زیادی فاضلاب حاوی آلاینده هایی مانند یون های فلزی سنگین و یون های فلوئور تخلیه شده است. حتی در غلظت های کمیاب ، می تواند به موجودات آبزی و محیط زندگی انسان آسیب قابل توجهی وارد کند. روشهای متداول شامل اکسیداسیون ، شناور ، اسمز معکوس ، جذب ، نانوالتر شدن ، جذب و غیره است. در بین آنها ، فناوری جذب اغلب به دلیل عملکرد ساده ، کم هزینه و راندمان درمانی بالا اتخاذ می شود. مواد Nano CeO2 دارای سطح خاص و فعالیت سطح بالایی به عنوان جاذب هستند ، و گزارش های بسیاری در مورد سنتز نانو مدیرعامل متخلخل و مواد کامپوزیت آن با مورفولوژی های مختلف برای جذب و حذف یون های مضر از آب منتشر شده است.

تحقیقات نشان داده است که Nano Ceria از ظرفیت جذب قوی برای F - در آب در شرایط اسیدی ضعیف برخوردار است. در محلول با غلظت اولیه F - از 100mg/l و pH = 5-6 ، ظرفیت جذب برای F - 23mg/g و میزان حذف F - 85.6 ٪ است. پس از بارگذاری آن بر روی یک توپ رزین اسید پلی آکریلیک (مقدار بارگذاری: 0.25 گرم در گرم) ، توانایی حذف F - می تواند هنگام درمان حجم مساوی 100mg/L از محلول آبی به 99 ٪ برسد. هنگام پردازش 120 برابر حجم ، بیش از 90 ٪ F - قابل حذف است. هنگامی که برای جذب فسفات و یدتات استفاده می شود ، ظرفیت جذب می تواند تحت حالت جذب بهینه به بیش از 100mg/گرم برسد. از مواد استفاده شده می توان پس از دفع ساده و درمان خنثی سازی ، که دارای مزایای اقتصادی بالایی است ، مورد استفاده مجدد قرار گرفت.

مطالعات زیادی در مورد جذب و درمان فلزات سنگین سمی مانند آرسنیک ، کروم ، کادمیوم و سرب با استفاده از Nano Ceria و مواد کامپوزیت آن وجود دارد. pH جذب بهینه برای یونهای فلزی سنگین با حالتهای مختلف ظرفیت متفاوت است. به عنوان مثال ، وضعیت قلیایی ضعیف با تعصب خنثی بهترین حالت جذب را برای AS (III) دارد ، در حالی که حالت جذب بهینه برای AS (V) در شرایط اسیدی ضعیف حاصل می شود ، جایی که ظرفیت جذب می تواند در هر دو شرایط به بیش از 110mg/گرم برسد. به طور کلی ، سنتز بهینه شده Nano Ceria و مواد کامپوزیت آن می تواند به میزان جذب و حذف زیاد برای یون های مختلف فلزی سنگین در محدوده pH گسترده دست یابد.

On the other hand, cerium oxide based nanomaterials also have outstanding performance in adsorbing organics in wastewater, such as acid orange, rhodamine B, Congo red, etc. For example, in existing reported cases, nano ceria porous spheres prepared by electrochemical methods have high adsorption capacity in the removal of organic dyes, especially in the removal of Congo red, with an adsorption capacity of 942.7mg/g در 60 دقیقه.

 
2.2 استفاده از Nano Ceria در فرآیند اکسیداسیون پیشرفته

فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOPS برای کوتاه) برای بهبود سیستم درمانی بی آب موجود پیشنهاد شده است. فرآیند اکسیداسیون پیشرفته ، همچنین به عنوان فناوری اکسیداسیون عمیق شناخته می شود ، با تولید رادیکال هیدروکسیل (· OH) ، رادیکال سوپراکسید (· O2 -) ، اکسیژن تک و غیره با توانایی اکسیداسیون قوی مشخص می شود. در شرایط واکنش درجه حرارت و فشار بالا ، برق ، صدا ، تابش نور ، کاتالیزور و غیره. با توجه به روشهای مختلف تولید رادیکال های آزاد و شرایط واکنش ، می توان آنها را به اکسیداسیون فتوشیمیایی ، اکسیداسیون مرطوب کاتالیزوری ، اکسیداسیون سونوشیمی ، اکسیداسیون ازن ، اکسیداسیون الکتروشیمیایی ، اکسیداسیون الکتروشیمیایی ، اکسید شدن فنتون و غیره تقسیم کرد.

شکل 2 طبقه بندی و ترکیبی از فناوری فرآیند اکسیداسیون پیشرفته

نانو سریایک کاتالیزور ناهمگن است که معمولاً در فرآیند اکسیداسیون پیشرفته مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به تبدیل سریع بین CE3+و CE4+و اثر کاهش سریع اکسیداسیون ناشی از جذب و انتشار اکسیژن ، Nano Ceria از توانایی کاتالیزوری خوبی برخوردار است. هنگامی که به عنوان یک پروموتر کاتالیزور استفاده می شود ، همچنین می تواند توانایی و ثبات کاتالیزوری را بهبود بخشد. هنگامی که Nano Ceria و مواد کامپوزیت آن به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند ، خصوصیات کاتالیزوری با مورفولوژی ، اندازه ذرات و هواپیماهای کریستالی در معرض ، که عوامل اصلی مؤثر بر عملکرد و کاربرد آنها هستند ، بسیار متفاوت است. به طور کلی اعتقاد بر این است که هرچه ذرات کوچکتر و سطح خاص آن بزرگتر باشد ، محل فعال تر و توانایی کاتالیزوری قوی تر است. توانایی کاتالیزوری سطح کریستال در معرض ، از قوی تا ضعیف ، به ترتیب (100) سطح کریستال> (110) سطح کریستال> (111) سطح کریستال ، و ثبات مربوطه برعکس است.

اکسید سریم یک ماده نیمه هادی است. هنگامی که اکسید سریم نانومتر توسط فوتون هایی با انرژی بالاتر از شکاف باند تابش می شود ، الکترونهای باند Valence هیجان زده می شوند و رفتار نوترکیبی انتقال رخ می دهد. این رفتار باعث افزایش میزان تبدیل CE3+و CE4+می شود و در نتیجه فعالیت فتوکاتالیستی قوی Nano Ceria ایجاد می شود. فتوکاتالیز می تواند به تخریب مستقیم مواد آلی بدون آلودگی ثانویه دست یابد ، بنابراین کاربرد آن بیشترین مطالعه مورد مطالعه در زمینه Nano Ceria در AOPS است. در حال حاضر ، تمرکز اصلی بر درمان تخریب کاتالیزوری رنگهای آزو ، فنل ، کلروبنزن و فاضلاب دارویی با استفاده از کاتالیزورها با مورفولوژی های مختلف و ترکیبات کامپوزیت است. براساس این گزارش ، طبق روش سنتز کاتالیزور بهینه شده و شرایط مدل کاتالیزوری ، ظرفیت تخریب این مواد به طور کلی می تواند به بیش از 80 ٪ برسد و ظرفیت حذف کربن آلی کل (TOC) می تواند به بیش از 40 ٪ برسد.

کاتالیز اکسید نانو سریم برای تخریب آلاینده های آلی مانند ازن و پراکسید هیدروژن یکی دیگر از فناوری های مورد مطالعه است. مشابه فوتوکاتالیز ، همچنین بر توانایی نانو Ceria با مورفولوژی های مختلف یا هواپیماهای کریستالی و اکسیدان های کاتالیزوری کامپوزیت مبتنی بر سریم مختلف برای اکسیداسیون و تخریب آلاینده های آلی تمرکز دارد. در چنین واکنشی ، کاتالیزورها می توانند تولید تعداد زیادی از رادیکال های فعال از ازن یا پراکسید هیدروژن را که به آلاینده های آلی حمله می کنند ، کاتالیز کنند و به قابلیت های تخریب اکسیداتیو کارآمدتر دست یابند. با توجه به معرفی اکسیدان ها در واکنش ، توانایی حذف ترکیبات آلی بسیار افزایش می یابد. در بیشتر واکنش ها ، میزان حذف نهایی ماده هدف می تواند به 100 ٪ برسد یا به آن نزدیک شود ، و میزان حذف TOC نیز بیشتر است.

در روش اکسیداسیون پیشرفته الکتروکاتالیستی ، خواص ماده آند با بیش از حد تکامل اکسیژن بالا ، انتخاب روش اکسیداسیون پیشرفته الکتروکاتالیستی برای درمان آلاینده های آلی را تعیین می کند. ماده کاتدی یک عامل مهم برای تعیین تولید H2O2 است و تولید H2O2 کارآیی روش اکسیداسیون پیشرفته الکتروکاتالیستی را برای درمان آلاینده های آلی تعیین می کند. مطالعه اصلاح مواد الکترود با استفاده از Nano Ceria توجه گسترده ای را در داخل و بین المللی مورد توجه قرار داده است. محققان عمدتا اکسید نانو سریم و مواد کامپوزیت آن را از طریق روشهای شیمیایی مختلف برای اصلاح مواد مختلف الکترود ، بهبود فعالیت الکتروشیمیایی خود معرفی می کنند و از این طریق فعالیت الکتروکاتالیستی و میزان حذف نهایی را افزایش می دهند.

مایکروویو و سونوگرافی اغلب اقدامات کمکی مهم برای مدلهای کاتالیزوری فوق هستند. با استفاده از کمک های اولتراسونیک به عنوان نمونه ، با استفاده از امواج صوتی لرزش با فرکانس های بالاتر از 25 کیلوهرتز در ثانیه ، میلیون ها حباب بسیار کوچک در یک محلول تهیه شده با یک ماده تمیز کننده مخصوص طراحی شده تولید می شوند. این حباب های کوچک ، در حین فشرده سازی سریع و انبساط ، دائماً باعث انفجار حباب می شوند و به مواد اجازه می دهند به سرعت تبادل و پراکنده بر روی سطح کاتالیزور شوند ، که اغلب به صورت نمایی باعث بهبود کارایی کاتالیزوری می شوند.

 
3 نتیجه گیری

Nano Ceria و مواد کامپوزیت آن می توانند به طور مؤثر یونها و آلاینده های آلی را در آب درمان کنند و از پتانسیل کاربرد مهمی در زمینه های تصفیه آب در آینده برخوردار باشند. با این حال ، بیشتر تحقیقات هنوز در مرحله آزمایشگاه است و برای دستیابی به کاربرد سریع در تصفیه آب در آینده ، موضوعات زیر هنوز هم باید به طور فوری مورد بررسی قرار گیرد:

(1) هزینه آماده سازی نسبتاً زیاد نانومدیرعامل 2مواد مبتنی بر یک عامل مهم در اکثر کاربردهای آنها در تصفیه آب ، که هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی هستند ، باقی مانده است. کاوش در روشهای آماده سازی کم هزینه ، ساده و مؤثر که می تواند مورفولوژی و اندازه مواد مبتنی بر Nano CeO2 را تنظیم کند ، هنوز هم مورد توجه تحقیقات است.

(2) با توجه به اندازه ذرات کوچک مواد مبتنی بر Nano CeO2 ، مشکلات بازیافت و بازسازی پس از استفاده نیز عوامل مهمی هستند که کاربرد آنها را محدود می کنند. کامپوزیت آن با مواد رزین یا مواد مغناطیسی یک جهت اصلی تحقیق برای تهیه مواد و فناوری بازیافت آن خواهد بود.

.

(4) هنوز تحقیقات محدودی در مورد سمیت مواد مبتنی بر Nano CeO2 انجام شده است ، و مکانیسم زیست محیطی و مکانیسم سمیت آنها در سیستم های تصفیه آب هنوز مشخص نشده است. فرآیند واقعی تصفیه فاضلاب اغلب شامل همزیستی آلاینده های متعدد است و آلاینده های همزیستی با یکدیگر در تعامل خواهند بود و از این طریق ویژگی های سطح و سمیت بالقوه نانومواد را تغییر می دهند. بنابراین ، نیاز فوری برای انجام تحقیقات بیشتر در مورد جنبه های مرتبط وجود دارد.