CeO2merupakan komponen penting dari bahan tanah jarang.Ituunsur tanah jarang seriummemiliki struktur elektronik luar yang unik - 4f15d16s2.Lapisan 4f khususnya dapat secara efektif menyimpan dan melepaskan elektron, membuat ion serium berperilaku dalam keadaan valensi +3 dan keadaan valensi +4.Oleh karena itu, bahan CeO2 memiliki lebih banyak lubang oksigen, dan memiliki kemampuan yang sangat baik dalam menyimpan dan melepaskan oksigen.Konversi timbal balik Ce (III) dan Ce (IV) juga memberikan bahan CeO2 kemampuan katalitik oksidasi-reduksi yang unik.Dibandingkan dengan material curah, nano CeO2, sebagai jenis material anorganik baru, telah mendapat perhatian luas karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi, kemampuan penyimpanan dan pelepasan oksigen yang sangat baik, konduktivitas ion oksigen, kinerja redoks, dan difusi kekosongan oksigen cepat pada suhu tinggi. kemampuan.Saat ini terdapat banyak sekali laporan penelitian dan aplikasi terkait penggunaan nano CeO2 sebagai katalis, pembawa atau aditif katalis, komponen aktif, dan adsorben.
1. Metode pembuatan nanometerserium oksida
Saat ini, metode pembuatan nano ceria yang umum terutama mencakup metode kimia dan metode fisik.Menurut metode kimia yang berbeda, metode kimia dapat dibagi menjadi metode pengendapan, metode hidrotermal, metode solvotermal, metode sol gel, metode mikroemulsi dan metode elektrodeposisi;Metode fisik pada dasarnya adalah metode penggilingan.
1.1 Metode penggilingan
Metode penggilingan pembuatan nano ceria umumnya menggunakan penggilingan pasir, yang memiliki keunggulan biaya rendah, ramah lingkungan, kecepatan pemrosesan cepat, dan kemampuan pemrosesan yang kuat.Saat ini metode pengolahan yang paling penting dalam industri nano ceria.Misalnya, pembuatan bubuk pemoles nano cerium oksida umumnya mengadopsi kombinasi kalsinasi dan penggilingan pasir, dan bahan baku katalis denitrasi berbasis cerium juga dicampur untuk pra-perawatan atau diolah setelah kalsinasi menggunakan penggilingan pasir.Dengan menggunakan rasio manik penggilingan pasir ukuran partikel yang berbeda, nano ceria dengan D50 mulai dari puluhan hingga ratusan nanometer dapat diperoleh melalui penyesuaian.
1.2 Metode curah hujan
Metode pengendapan mengacu pada metode pembuatan bubuk padat dengan pengendapan, pemisahan, pencucian, pengeringan, dan kalsinasi bahan mentah yang dilarutkan dalam pelarut yang sesuai.Metode presipitasi banyak digunakan dalam pembuatan bahan tanah jarang dan bahan nano yang didoping, dengan keunggulan seperti proses penyiapan yang sederhana, efisiensi tinggi, dan biaya rendah.Ini adalah metode yang umum digunakan untuk menyiapkan nano ceria dan material kompositnya di industri.Metode ini dapat membuat nano ceria dengan morfologi dan ukuran partikel yang berbeda dengan mengubah suhu pengendapan, konsentrasi bahan, nilai pH, kecepatan pengendapan, kecepatan pengadukan, templat, dll. Metode umum mengandalkan pengendapan ion cerium dari amonia yang dihasilkan oleh dekomposisi urea, dan pembuatan mikrosfer nano ceria dikendalikan oleh ion sitrat.Sebagai alternatif, ion cerium dapat diendapkan oleh OH - yang dihasilkan dari hidrolisis natrium sitrat, dan kemudian diinkubasi dan dikalsinasi untuk membuat mikrosfer nano ceria yang berbentuk serpihan.
1.3 Metode hidrotermal dan solvotermal
Kedua metode ini mengacu pada metode penyiapan produk melalui reaksi suhu tinggi dan tekanan tinggi pada suhu kritis dalam sistem tertutup.Jika pelarut reaksinya adalah air, maka disebut metode hidrotermal.Sejalan dengan itu, jika pelarut reaksinya adalah pelarut organik, maka disebut metode solvotermal.Partikel nano yang disintesis memiliki kemurnian tinggi, dispersi yang baik, dan partikel yang seragam, terutama bubuk nano dengan morfologi berbeda atau permukaan kristal khusus yang terpapar.Larutkan cerium klorida dalam air suling, aduk dan tambahkan larutan natrium hidroksida.Bereaksi hidrotermal pada 170 ℃ selama 12 jam untuk menyiapkan nanorod cerium oksida dengan bidang kristal terbuka (111) dan (110).Dengan menyesuaikan kondisi reaksi, proporsi (110) bidang kristal pada bidang kristal yang terbuka dapat ditingkatkan, sehingga semakin meningkatkan aktivitas katalitiknya.Menyesuaikan pelarut reaksi dan ligan permukaan juga dapat menghasilkan partikel nano ceria dengan hidrofilisitas atau lipofilisitas khusus.Misalnya, menambahkan ion asetat ke fase air dapat membuat nanopartikel cerium oksida hidrofilik monodispersi dalam air.Dengan memilih pelarut non-polar dan memasukkan asam oleat sebagai ligan selama reaksi, nanopartikel ceria lipofilik monodisperse dapat dibuat dalam pelarut organik non-polar.(Lihat Gambar 1)
Gambar 1 Nano ceria berbentuk bola monodisperse dan nano ceria berbentuk batang
1.4 Metode sol-gel
Metode sol gel adalah suatu metode yang menggunakan beberapa atau beberapa senyawa sebagai prekursor, melakukan reaksi kimia seperti hidrolisis dalam fasa cair membentuk sol, kemudian membentuk gel setelah penuaan, dan terakhir dikeringkan dan dikalsinasi untuk menghasilkan bubuk ultrahalus.Metode ini sangat cocok untuk menyiapkan bahan nano komposit nano ceria multi-komponen yang sangat terdispersi, seperti besi cerium, titanium cerium, cerium zirkonium dan nano oksida komposit lainnya, yang telah dilaporkan dalam banyak laporan.
1.5 Metode lainnya
Selain metode di atas, ada juga metode mikro lotion, metode sintesis gelombang mikro, metode elektrodeposisi, metode pembakaran api plasma, metode elektrolisis membran penukar ion dan masih banyak lagi metode lainnya.Metode-metode ini mempunyai arti penting bagi penelitian dan penerapan nano ceria.
Penerapan cerium oksida 2 nanometer dalam pengolahan air
Cerium merupakan unsur paling melimpah di antara unsur tanah jarang, dengan harga murah dan aplikasi luas.Nanometer ceria dan kompositnya telah menarik banyak perhatian di bidang pengolahan air karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi, aktivitas katalitik yang tinggi, dan stabilitas struktural yang sangat baik.
2.1 PenerapanNano Cerium Oksidadalam Pengolahan Air dengan Metode Adsorpsi
Dalam beberapa tahun terakhir, seiring berkembangnya industri seperti industri elektronik, sejumlah besar air limbah yang mengandung polutan seperti ion logam berat dan ion fluor telah dibuang.Bahkan pada konsentrasi kecil sekalipun, ia dapat menyebabkan kerusakan yang signifikan terhadap organisme akuatik dan lingkungan hidup manusia.Metode yang umum digunakan meliputi oksidasi, flotasi, osmosis balik, adsorpsi, nanofiltrasi, biosorpsi, dll. Diantaranya, teknologi adsorpsi sering diadopsi karena pengoperasiannya yang sederhana, biaya rendah, dan efisiensi pengolahan yang tinggi.Bahan nano CeO2 memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi dan aktivitas permukaan yang tinggi sebagai adsorben, dan telah banyak laporan tentang sintesis nano CeO2 berpori dan material kompositnya dengan morfologi berbeda untuk menyerap dan menghilangkan ion berbahaya dari air.
Penelitian telah menunjukkan bahwa nano ceria memiliki kapasitas adsorpsi yang kuat terhadap F - dalam air dalam kondisi asam lemah.Dalam larutan dengan konsentrasi awal F - 100mg/L dan pH=5-6, kapasitas adsorpsi F - adalah 23mg/g, dan laju penghilangan F - adalah 85,6%.Setelah memasukkannya ke dalam bola resin asam poliakrilat (jumlah pemuatan: 0,25g/g), kemampuan penghilangan F - dapat mencapai lebih dari 99% ketika mengolah volume yang sama dengan 100mg/L larutan F - berair;Saat memproses volume 120 kali lipat, lebih dari 90% F - dapat dihilangkan.Ketika digunakan untuk mengadsorpsi fosfat dan iodat, kapasitas adsorpsi dapat mencapai lebih dari 100mg/g pada kondisi adsorpsi optimal yang sesuai.Bahan bekas dapat digunakan kembali setelah perlakuan desorpsi dan netralisasi sederhana, yang memiliki manfaat ekonomi tinggi.
Telah banyak penelitian mengenai adsorpsi dan pengolahan logam berat beracun seperti arsenik, kromium, kadmium, dan timbal menggunakan nano ceria dan material kompositnya.PH adsorpsi optimal bervariasi untuk ion logam berat dengan keadaan valensi berbeda.Misalnya, kondisi basa lemah dengan bias netral memiliki keadaan adsorpsi terbaik untuk As (III), sedangkan keadaan adsorpsi optimal untuk As (V) dicapai dalam kondisi asam lemah, dimana kapasitas adsorpsi dapat mencapai lebih dari 110mg/g pada kondisi keduanya. kondisi.Secara keseluruhan, sintesis nano ceria dan material kompositnya yang dioptimalkan dapat mencapai tingkat adsorpsi dan penghilangan yang tinggi untuk berbagai ion logam berat pada rentang pH yang luas.
Di sisi lain, bahan nano berbasis serium oksida juga memiliki kinerja yang luar biasa dalam menyerap bahan organik dalam air limbah, seperti jeruk asam, rhodamin B, merah Kongo, dll. Misalnya, dalam kasus yang dilaporkan, bola berpori nano ceria yang dibuat dengan metode elektrokimia memiliki tingkat penyerapan yang tinggi. kapasitas adsorpsi pada penyisihan zat warna organik khususnya pada penyisihan Congo red dengan kapasitas adsorpsi sebesar 942,7mg/g dalam waktu 60 menit.
2.2 Penerapan nano ceria pada proses oksidasi tingkat lanjut
Proses oksidasi lanjutan (disingkat AOPs) diusulkan untuk meningkatkan sistem pengolahan anhidrat yang ada.Proses oksidasi tingkat lanjut, juga dikenal sebagai teknologi oksidasi dalam, ditandai dengan produksi radikal hidroksil (· OH), radikal superoksida (· O2 -), oksigen singlet, dll. Dengan kemampuan oksidasi yang kuat.Di bawah kondisi reaksi suhu dan tekanan tinggi, listrik, suara, iradiasi cahaya, katalis, dll. Menurut berbagai cara menghasilkan radikal bebas dan kondisi reaksi, mereka dapat dibagi menjadi oksidasi fotokimia, oksidasi basah katalitik, oksidasi sonokimia, ozon oksidasi, oksidasi elektrokimia, oksidasi Fenton, dll. (lihat Gambar 2).
Gambar 2 Klasifikasi dan Kombinasi Teknologi Proses Oksidasi Tingkat Lanjut
Nano ceriaadalah katalis heterogen yang biasa digunakan dalam proses oksidasi lanjutan.Karena konversi cepat antara Ce3+ dan Ce4+ serta efek reduksi oksidasi cepat yang disebabkan oleh penyerapan dan pelepasan oksigen, nano ceria memiliki kemampuan katalitik yang baik.Ketika digunakan sebagai promotor katalis, ini juga dapat secara efektif meningkatkan kemampuan dan stabilitas katalitik.Ketika nano ceria dan material kompositnya digunakan sebagai katalis, sifat katalitik sangat bervariasi sesuai dengan morfologi, ukuran partikel, dan bidang kristal yang terbuka, yang merupakan faktor kunci yang mempengaruhi kinerja dan penerapannya.Secara umum diyakini bahwa semakin kecil partikel dan semakin besar luas permukaan spesifiknya, semakin banyak situs aktif yang sesuai, dan semakin kuat kemampuan katalitiknya.Kemampuan katalitik permukaan kristal yang terbuka, dari kuat ke lemah, berada pada urutan (100) permukaan kristal>(110) permukaan kristal>(111) permukaan kristal, dan kestabilannya berbanding terbalik.
Cerium oksida adalah bahan semikonduktor.Ketika cerium oksida nanometer diiradiasi oleh foton dengan energi lebih tinggi dari celah pita, elektron pita valensi tereksitasi, dan terjadi perilaku rekombinasi transisi.Perilaku ini akan meningkatkan tingkat konversi Ce3+ dan Ce4+, menghasilkan aktivitas fotokatalitik nano ceria yang kuat.Fotokatalisis dapat mencapai degradasi bahan organik secara langsung tanpa polusi sekunder, sehingga penerapannya merupakan teknologi yang paling banyak dipelajari di bidang nano ceria pada AOPs.Saat ini, fokus utamanya adalah pada perlakuan degradasi katalitik pewarna azo, fenol, klorobenzena, dan air limbah farmasi menggunakan katalis dengan morfologi dan komposisi komposit berbeda.Menurut laporan tersebut, dengan metode sintesis katalis yang dioptimalkan dan kondisi model katalitik, kapasitas degradasi zat-zat ini umumnya dapat mencapai lebih dari 80%, dan kapasitas penghilangan Total karbon organik (TOC) dapat mencapai lebih dari 40%.
Katalisis nano cerium oksida untuk degradasi polutan organik seperti ozon dan hidrogen peroksida adalah teknologi lain yang banyak dipelajari.Mirip dengan fotokatalisis, ia juga berfokus pada kemampuan nano ceria dengan morfologi atau bidang kristal yang berbeda dan oksidan katalitik komposit berbasis cerium yang berbeda untuk mengoksidasi dan mendegradasi polutan organik.Dalam reaksi tersebut, katalis dapat mengkatalisis pembentukan sejumlah besar radikal aktif dari ozon atau hidrogen peroksida, yang menyerang polutan organik dan menghasilkan kemampuan degradasi oksidatif yang lebih efisien.Karena masuknya oksidan ke dalam reaksi, kemampuan untuk menghilangkan senyawa organik meningkat secara signifikan.Dalam sebagian besar reaksi, laju penghilangan akhir zat target dapat mencapai atau mendekati 100%, dan laju penghilangan TOC juga lebih tinggi.
Dalam metode oksidasi lanjutan elektrokatalitik, sifat bahan anoda dengan potensi berlebih evolusi oksigen yang tinggi menentukan selektivitas metode oksidasi lanjutan elektrokatalitik untuk mengolah polutan organik.Bahan katoda merupakan faktor penting yang menentukan produksi H2O2, dan produksi H2O2 menentukan efisiensi metode oksidasi lanjutan elektrokatalitik untuk mengolah polutan organik.Kajian modifikasi material elektroda menggunakan nano ceria telah mendapat perhatian luas baik di dalam negeri maupun internasional.Para peneliti terutama memperkenalkan nano cerium oksida dan material kompositnya melalui metode kimia yang berbeda untuk memodifikasi bahan elektroda yang berbeda, meningkatkan aktivitas elektrokimia, dan dengan demikian meningkatkan aktivitas elektrokatalitik dan laju penghilangan akhir.
Microwave dan ultrasound seringkali merupakan tindakan tambahan yang penting untuk model katalitik di atas.Mengambil bantuan ultrasonik sebagai contoh, menggunakan gelombang suara getaran dengan frekuensi lebih tinggi dari 25kHz per detik, jutaan gelembung sangat kecil dihasilkan dalam larutan yang diformulasikan dengan bahan pembersih yang dirancang khusus.Gelembung kecil ini, selama kompresi dan ekspansi yang cepat, secara konstan menghasilkan ledakan gelembung, memungkinkan material dengan cepat bertukar dan berdifusi pada permukaan katalis, seringkali meningkatkan efisiensi katalitik secara eksponensial.
3 Kesimpulan
Nano ceria dan material kompositnya dapat secara efektif mengolah ion dan polutan organik dalam air, dan memiliki potensi penerapan penting dalam bidang pengolahan air di masa depan.Namun, sebagian besar penelitian masih dalam tahap laboratorium, dan untuk mencapai penerapan cepat dalam pengolahan air di masa depan, permasalahan berikut masih perlu segera diatasi:
(1) Biaya persiapan nano yang relatif tinggiCeO2bahan berbasis bahan tetap merupakan faktor penting dalam sebagian besar penerapannya dalam pengolahan air, yang masih dalam tahap penelitian laboratorium.Eksplorasi metode preparasi berbiaya rendah, sederhana dan efektif yang dapat mengatur morfologi dan ukuran bahan berbasis nano CeO2 masih menjadi fokus penelitian.
(2) Karena ukuran partikel bahan berbasis nano CeO2 yang kecil, masalah daur ulang dan regenerasi setelah digunakan juga merupakan faktor penting yang membatasi penerapannya.Kompositnya dengan bahan resin atau bahan magnetis akan menjadi arah penelitian utama untuk persiapan bahan dan teknologi daur ulangnya.
(3) Pengembangan proses gabungan antara teknologi pengolahan air material berbasis nano CeO2 dan teknologi pengolahan limbah tradisional akan sangat mendorong penerapan teknologi katalitik material berbasis nano CeO2 di bidang pengolahan air.
(4) Penelitian mengenai toksisitas bahan berbasis nano CeO2 masih terbatas, dan perilaku lingkungan serta mekanisme toksisitasnya dalam sistem pengolahan air belum dapat ditentukan.Proses pengolahan limbah yang sebenarnya sering kali melibatkan berbagai polutan yang hidup berdampingan, dan polutan yang hidup berdampingan akan berinteraksi satu sama lain, sehingga mengubah karakteristik permukaan dan potensi toksisitas bahan nano.Oleh karena itu, ada kebutuhan mendesak untuk melakukan lebih banyak penelitian pada aspek terkait.
Waktu posting: 22 Mei-2023