CeO2a ritkaföldfémek fontos alkotóeleme.Aritkaföldfém elem cériumegyedi külső elektronikus szerkezettel rendelkezik - 4f15d16s2.Speciális 4f rétege hatékonyan képes elektronokat tárolni és felszabadítani, így a cériumionok +3 és +4 vegyértékű állapotban viselkednek.Ezért a CeO2 anyagoknak több oxigénnyílása van, és kiváló oxigén tárolási és leadási képességük van.A Ce (III) és Ce (IV) kölcsönös átalakítása a CeO2 anyagokat is egyedülálló oxidációs-redukciós katalitikus képességekkel ruházza fel.Az ömlesztett anyagokhoz képest a nano CeO2, mint új típusú szervetlen anyag, nagy figyelmet kapott nagy fajlagos felülete, kiváló oxigéntároló és -leadó képessége, oxigénion vezetőképessége, redox teljesítménye, valamint magas hőmérsékletű gyors oxigén-vakancediffúziója miatt. képesség.Jelenleg számos kutatási jelentés és kapcsolódó alkalmazás létezik, amelyek nano-CeO2-t használnak katalizátorként, katalizátorhordozóként vagy adalékanyagként, aktív komponensként és adszorbensként.
1. A nanométer elkészítési módjacérium-oxid
Jelenleg a nanocérium-oxidok általános előállítási módszerei elsősorban a kémiai és a fizikai módszereket foglalják magukban.A különböző kémiai módszerek szerint a kémiai módszerek kicsapási módszerre, hidrotermikus módszerre, szolvotermikus módszerre, szolgél módszerre, mikroemulziós módszerre és elektrodepozíciós módszerre oszthatók;A fizikai módszer elsősorban az őrlési módszer.
1.1 Köszörülési módszer
A nano-cérium előállítására szolgáló őrlési módszer általában homokőrlést használ, amelynek előnyei az alacsony költség, a környezetbarátság, a gyors feldolgozási sebesség és az erős feldolgozási képesség.Jelenleg ez a legfontosabb feldolgozási módszer a nanocérium-dioxid iparban.Például a nano cérium-oxid polírozópor előállítása általában a kalcinálás és a homokőrlés kombinációját alkalmazza, és a cériumalapú denitráló katalizátorok nyersanyagait előkezeléshez is összekeverik, vagy kalcinálás után homokőrléssel kezelik.Különböző szemcseméretű homokcsiszoló gyöngyarányok alkalmazásával több tíz és több száz nanométer közötti D50-es nano-cérium nyerhető beállítással.
1.2 Kicsapási módszer
A kicsapásos módszer a szilárd por előállításának módszerét jelenti a nyersanyagok megfelelő oldószerekben oldott kicsapásával, elválasztásával, mosásával, szárításával és kalcinálásával.A kicsapásos módszert széles körben használják ritkaföldfémek és adalékolt nanoanyagok előállításában, olyan előnyökkel, mint az egyszerű előkészítési eljárás, a nagy hatékonyság és az alacsony költség.Ez egy általánosan használt módszer a nanocérium-oxid és kompozit anyagai előállítására az iparban.Ezzel a módszerrel különböző morfológiájú és részecskeméretű nanocériumokat lehet előállítani a kicsapás hőmérsékletének, anyagkoncentrációjának, pH-értékének, kiválási sebességének, keverési sebességének, template-jének stb. változtatásával. Az elterjedt módszerek a karbamid lebomlása során keletkező ammóniából a cériumionok kicsapásán alapulnak, a nano-cérium mikrogömbök előállítását pedig citrát ionok szabályozzák.Alternatív megoldásként a cérium-ionok kicsaphatók a nátrium-citrát hidrolíziséből származó OH-val, majd inkubálhatók és kalcinálhatók pehelyszerű nanocérium-mikrogömbök előállításához.
1.3 Hidrotermikus és szolvotermikus módszerek
Ez a két módszer a termékek magas hőmérsékletű és nagynyomású reakcióval, kritikus hőmérsékleten, zárt rendszerben történő előállítására vonatkozik.Ha a reakció oldószere víz, ezt hidrotermális módszernek nevezik.Ennek megfelelően, ha a reakció oldószere szerves oldószer, akkor ezt szolvotermikus módszernek nevezzük.A szintetizált nanorészecskék nagy tisztaságúak, jó diszperzióval és egyenletes részecskékkel rendelkeznek, különösen a nanoporok eltérő morfológiájúak vagy speciális kristályfelülettel rendelkeznek.Oldjuk fel a cérium-kloridot desztillált vízben, keverjük össze és adjunk hozzá nátrium-hidroxid-oldatot.Reagáljon hidrotermálisan 170 ℃-on 12 órán át, hogy cérium-oxid nanorudakat állítson elő szabad (111) és (110) kristálysíkkal.A reakciókörülmények beállításával növelhető a (110) kristálysíkok aránya a szabaddá vált kristálysíkban, tovább fokozva katalitikus aktivitásukat.A reakció oldószerének és a felületi ligandumok beállításával különleges hidrofil vagy lipofilitású cérium-oxid részecskék is előállíthatók.Például, ha acetát ionokat adunk a vizes fázishoz, monodiszperz hidrofil cérium-oxid nanorészecskéket állíthatunk elő vízben.Nem poláros oldószer kiválasztásával és a reakció során ligandumként olajsavat vezetve monodiszperz lipofil cérium-oxid nanorészecskéket lehet előállítani nem poláros szerves oldószerekben.(Lásd 1. ábra)
1. ábra Monodiszperz gömb alakú nanocérium és rúd alakú nanocérium
1.4 Szol gél módszer
A szolgél módszer egy olyan módszer, amely néhány vagy több vegyületet használ prekurzorként, kémiai reakciókat, például hidrolízist hajt végre a folyékony fázisban, hogy szolt képezzen, majd az öregedés után gélt képez, végül szárítással és kalcinálással ultrafinom porokat állítanak elő.Ez a módszer különösen alkalmas nagy diszperzitású többkomponensű nano-cérium kompozit nanoanyagok, például cériumvas, cérium-titán, cérium-cirkónium és más kompozit nano-oxidok előállítására, amelyekről számos jelentésben beszámoltak.
1.5 Egyéb módszerek
A fenti módszereken kívül létezik még mikroápoló módszer, mikrohullámú szintézis módszer, elektrodepozíciós módszer, plazma láng égetési módszer, ioncserélő membrán elektrolízis módszer és sok más módszer is.Ezek a módszerek nagy jelentőséggel bírnak a nanocérium-oxid kutatása és alkalmazása szempontjából.
2 nanométeres cérium-oxid alkalmazása vízkezelésben
A cérium a ritkaföldfémek közül a legelterjedtebb elem, alacsony áron és széles körben alkalmazható.A nanométeres cérium-oxid és kompozitjai nagy fajlagos felületük, nagy katalitikus aktivitásuk és kiváló szerkezeti stabilitásuk miatt nagy figyelmet keltettek a vízkezelés területén.
2.1 AlkalmazásaNano cérium-oxida Vízkezelés adszorpciós módszerrel
Az elmúlt években az olyan iparágak fejlődésével, mint az elektronikai ipar, nagy mennyiségű szennyezőanyagot, például nehézfém- és fluorionokat tartalmazó szennyvizet bocsátottak ki.Nyomnyi koncentrációban is jelentős károkat okozhat a vízi szervezetekben és az emberi életkörnyezetben.Az általánosan használt módszerek közé tartozik az oxidáció, a flotáció, a fordított ozmózis, az adszorpció, a nanoszűrés, a bioszorpció stb. Ezek közül az adszorpciós technológiát gyakran alkalmazzák egyszerű működése, alacsony költsége és magas kezelési hatékonysága miatt.A nano-CeO2 anyagok nagy fajlagos felülettel és nagy felületi aktivitással rendelkeznek adszorbensként, és számos jelentés született porózus nano CeO2 és kompozit anyagainak szintéziséről, amelyek különböző morfológiájúak, hogy adszorbeálják és eltávolítsák a káros ionokat a vízből.
A kutatások kimutatták, hogy a nano-cérium erős adszorpciós kapacitással rendelkezik az F-hez vízben gyenge savas körülmények között.Egy 100 mg/l F - kezdeti koncentrációjú és 5-6 pH-értékű oldatban az F - adszorpciós kapacitása 23 mg/g, az F - eltávolítási sebessége 85,6%.Poliakrilsavgyanta golyóra való feltöltés után (töltési mennyiség: 0,25 g/g) az F - eltávolítási képessége elérheti a 99%-ot is, ha azonos térfogatú 100 mg/l F - vizes oldatot kezelünk;A térfogat 120-szorosának feldolgozásakor az F - több mint 90%-a eltávolítható.Ha foszfát és jodát adszorbeálására használják, az adszorpciós kapacitás elérheti a 100 mg/g-ot is a megfelelő optimális adszorpciós állapot mellett.A felhasznált anyag egyszerű deszorpciós és semlegesítő kezelés után újrafelhasználható, ami nagy gazdasági előnyökkel jár.
Számos tanulmány készült a mérgező nehézfémek, például az arzén, a króm, a kadmium és az ólom adszorpciójáról és kezeléséről nanocérium-oxid és annak kompozit anyagai felhasználásával.Az optimális adszorpciós pH változó a különböző vegyértékállapotú nehézfém-ionok esetében.Például a semleges torzítású, gyenge lúgos állapotnak van a legjobb adszorpciós állapota az As (III) esetében, míg az As (V) optimális adszorpciós állapota gyenge savas körülmények között érhető el, ahol az adszorpciós kapacitás mindkét esetben elérheti a 110 mg/g-ot. körülmények.Összességében a nanocérium-oxid és kompozit anyagai optimalizált szintézise nagy adszorpciós és eltávolítási sebességet érhet el a különféle nehézfém-ionok esetében széles pH-tartományban.
Másrészt a cérium-oxid alapú nanoanyagok a szerves anyagok szennyvízben való adszorbeálásában is kiemelkedő teljesítményt nyújtanak, mint például a savas narancs, a rodamin B, a kongói vörös stb. A meglévő esetekben például az elektrokémiai módszerekkel előállított nano-cérium porózus gömbök magasak. adszorpciós kapacitás a szerves festékek eltávolításában, különösen a kongóvörös eltávolításában, 942,7 mg/g adszorpciós kapacitással 60 perc alatt.
2.2 Nano cérium-oxid alkalmazása fejlett oxidációs folyamatban
Fejlett oxidációs eljárást (röviden AOP-k) javasolnak a meglévő vízmentes kezelési rendszer javítására.A fejlett oxidációs folyamatot, más néven mélyoxidációs technológiát az erős oxidációs képességgel rendelkező hidroxilgyök (· OH), szuperoxid gyök (· O2 -), szingulett oxigén stb.Magas hőmérséklet és nyomás, elektromosság, hang, fénybesugárzás, katalizátor stb. reakciókörülményei között. A szabad gyökök keletkezésének különböző módjai és a reakciókörülmények szerint ezek fotokémiai oxidációra, katalitikus nedves oxidációra, szonokémiai oxidációra, ózonra oszthatók. oxidáció, elektrokémiai oxidáció, Fenton oxidáció stb. (lásd 2. ábra).
2. ábra A fejlett oxidációs folyamat osztályozása és technológiai kombinációja
Nano ceriaegy heterogén katalizátor, amelyet általánosan használnak a fejlett oxidációs folyamatokban.A Ce3+ és Ce4+ közötti gyors konverziónak, valamint az oxigénfelvétel és -leadás által kiváltott gyors oxidációs-redukciós hatásnak köszönhetően a nanocérium jó katalitikus képességgel rendelkezik.Katalizátor-promoterként alkalmazva hatékonyan javíthatja a katalitikus képességet és a stabilitást is.Ha a nano-cérium-oxidot és kompozit anyagait katalizátorként használják, a katalitikus tulajdonságok nagymértékben változnak a morfológiától, a részecskemérettől és a szabaddá tett kristálysíkoktól függően, amelyek kulcsfontosságú tényezők, amelyek befolyásolják a teljesítményüket és az alkalmazásukat.Általában úgy gondolják, hogy minél kisebbek a részecskék és minél nagyobb a fajlagos felület, annál több a megfelelő aktív hely, és annál erősebb a katalitikus képesség.A szabaddá vált kristályfelület katalitikus képessége az erőstől a gyengeig a (100) kristályfelület>(110) kristályfelület>(111) kristályfelület nagyságrendű, és a megfelelő stabilitás ellentétes.
A cérium-oxid egy félvezető anyag.Amikor a nanométeres cérium-oxidot a sávköznél nagyobb energiájú fotonok sugározzák be, a vegyértéksáv elektronjai gerjesztődnek, és az átmeneti rekombinációs viselkedés megtörténik.Ez a viselkedés elősegíti a Ce3+ és Ce4+ konverziós arányát, ami a nanocérium-oxid erős fotokatalitikus aktivitását eredményezi.A fotokatalízissel másodlagos szennyezés nélkül lehet közvetlen szervesanyag-lebontást elérni, így alkalmazása a legtöbbet tanulmányozott technológia a nanocériumok területén AOP-kban.Jelenleg a fő hangsúly az azofestékek, fenol, klórbenzol és gyógyszeripari szennyvizek katalitikus degradációs kezelésén van, különböző morfológiájú és kompozit összetételű katalizátorokkal.A jelentés szerint az optimalizált katalizátorszintézis módszer és katalitikus modellkörülmények mellett ezen anyagok lebontóképessége általában meghaladja a 80%-ot, a teljes szerves szén (TOC) eltávolítási kapacitása pedig a 40%-ot is elérheti.
A nanocérium-oxid katalízis szerves szennyező anyagok, például ózon és hidrogén-peroxid lebontására egy másik széles körben tanulmányozott technológia.A fotokatalízishez hasonlóan a különböző morfológiájú vagy kristálysíkú nanocérium-oxidok és a különböző cérium alapú kompozit katalitikus oxidálószerek szerves szennyező anyagok oxidáló és lebontó képességére is összpontosít.Az ilyen reakciókban a katalizátorok nagyszámú aktív gyök kialakulását képesek katalizálni ózonból vagy hidrogén-peroxidból, amelyek megtámadják a szerves szennyező anyagokat és hatékonyabb oxidatív lebontási képességet érnek el.A reakcióba oxidáló szerek bevezetése miatt a szerves vegyületek eltávolításának képessége jelentősen megnő.A legtöbb reakcióban a célanyag végső eltávolítási sebessége elérheti vagy megközelítheti a 100%-ot, és a TOC eltávolítási sebesség is magasabb.
Az elektrokatalitikus fejlett oxidációs módszerben a nagy oxigénfejlődési túlpotenciállal rendelkező anódanyag tulajdonságai határozzák meg az elektrokatalitikus fejlett oxidációs módszer szelektivitását szerves szennyező anyagok kezelésére.A katód anyaga a H2O2 képződését meghatározó fontos tényező, a H2O2 termelése pedig meghatározza a szerves szennyező anyagok kezelésére szolgáló elektrokatalitikus fejlett oxidációs módszer hatékonyságát.Az elektródaanyag nano-cériummal történő módosításának vizsgálata hazai és nemzetközi szinten egyaránt széles körű figyelmet kapott.A kutatók elsősorban a nano cérium-oxidot és kompozit anyagait vezetik be különböző kémiai módszerekkel, hogy módosítsák a különböző elektródákat, javítsák elektrokémiai aktivitásukat, ezáltal növeljék az elektrokatalitikus aktivitást és a végső eltávolítási sebességet.
A mikrohullámú és az ultrahang gyakran fontos segédintézkedések a fenti katalitikus modelleknél.Példaként az ultrahangos rásegítést, a 25 kHz/másodpercnél magasabb frekvenciájú vibrációs hanghullámokat használva milliónyi rendkívül kis buborék keletkezik egy speciálisan kialakított tisztítószerrel összeállított oldatban.Ezek a kis buborékok a gyors összenyomódás és tágulás során folyamatosan buborékok összeomlását idézik elő, lehetővé téve az anyagok gyors cseréjét és diffúzióját a katalizátor felületén, ami gyakran exponenciálisan javítja a katalitikus hatékonyságot.
3 Következtetés
A nanocérium és kompozit anyagai hatékonyan tudják kezelni a vízben lévő ionokat és szerves szennyező anyagokat, és fontos alkalmazási potenciállal rendelkeznek a jövőbeni vízkezelési területeken.A legtöbb kutatás azonban még laboratóriumi stádiumban van, és a vízkezelésben való gyors alkalmazás érdekében a jövőben még sürgősen foglalkozni kell a következő kérdésekkel:
(1) A nano viszonylag magas előkészítési költségeCeO2Az alapú anyagok továbbra is fontos tényezőt jelentenek vízkezelési alkalmazásaik túlnyomó többségében, amelyek még mindig a laboratóriumi kutatási szakaszban vannak.A nano-CeO2 alapú anyagok morfológiáját és méretét szabályozni képes olcsó, egyszerű és hatékony előállítási módszerek feltárása továbbra is a kutatás fókuszában áll.
(2) A nano-CeO2-alapú anyagok kis részecskemérete miatt a használat utáni újrahasznosítási és regenerálási problémák szintén fontos tényezők, amelyek korlátozzák alkalmazásukat.A gyanta anyagokkal vagy mágneses anyagokkal való összeállítása kulcsfontosságú kutatási irány lesz az anyag-előkészítési és újrahasznosítási technológiájában.
(3) A nano CeO2 alapú anyagvízkezelési technológia és a hagyományos szennyvízkezelési technológia közötti közös eljárás kidolgozása nagymértékben elősegíti a nano CeO2 alapú anyagkatalitikus technológia alkalmazását a vízkezelés területén.
(4) A nano-CeO2 alapú anyagok toxicitásával kapcsolatos kutatások még mindig korlátozottak, környezeti viselkedésüket és toxicitási mechanizmusukat a vízkezelő rendszerekben még nem határozták meg.A tényleges szennyvízkezelési folyamat gyakran több szennyező anyag együttélésével jár, és az együtt létező szennyező anyagok kölcsönhatásba lépnek egymással, ezáltal megváltoznak a nanoanyagok felületi jellemzői és potenciális toxicitása.Ezért sürgősen több kutatást kell végezni a kapcsolódó szempontokat illetően.
Feladás időpontja: 2023. május 22