CEO2è un componente importante dei materiali della terra rara. ILElemento terrestre rare cerioha una struttura elettronica esterna unica - 4f15d16s2. Il suo strato 4F speciale può effettivamente conservare e rilasciare elettroni, facendo sì che gli ioni cerio si comportano nello stato di valenza+3 e nello stato di valenza+4. Pertanto, i materiali CEO2 hanno più buche di ossigeno e hanno un'eccellente capacità di conservare e rilasciare ossigeno. La conversione reciproca di CE (III) e CE (IV) offre anche materiali CEO2 con capacità catalitiche di ossidazione uniche. Rispetto ai materiali sfusi, Nano CEO2, come nuovo tipo di materiale inorganico, ha ricevuto un'attenzione diffusa grazie alla sua superficie specifica elevata, all'eccellente capacità di stoccaggio di ossigeno e al rilascio, conducibilità ionica di ossigeno, prestazioni redox e capacità di diffusione di assestamento di ossigeno ad alta temperatura. Attualmente ci sono un gran numero di rapporti di ricerca e applicazioni correlate che utilizzano Nano CEO2 come catalizzatori, portatori di catalizzatori o additivi, componenti attivi e adsorbenti.
1. Metodo di preparazione del nanometroossido di cerio
Allo stato attuale, i metodi di preparazione comuni per nano ceria includono principalmente il metodo chimico e il metodo fisico. Secondo diversi metodi chimici, i metodi chimici possono essere divisi in metodo di precipitazione, metodo idrotermico, metodo solvotermico, metodo di gel SOL, metodo di microemulsione e metodo di elettrodeposizione; Il metodo fisico è principalmente il metodo di macinazione.
1.1 Metodo di macinazione
Il metodo di macinazione per la preparazione di Nano Ceria generalmente utilizza la macinazione della sabbia, che presenta i vantaggi di basso costo, cordialità ambientale, velocità di elaborazione rapida e forte capacità di elaborazione. Attualmente è il metodo di elaborazione più importante nel settore nano ceria. Ad esempio, la preparazione di polvere di lucidatura dell'ossido di nano cerio generalmente adotta una combinazione di calcinazione e macinazione della sabbia e le materie prime dei catalizzatori di denitrazione a base di cerio sono anche miscelati per pre-trattamento o trattati dopo la calcinazione usando la macellazione della sabbia. Usando diversi rapporti per talloni di macinazione della sabbia di particelle, è possibile ottenere nano ceria con D50 che va da decine a centinaia di nanometri attraverso la regolazione.
1.2 Metodo di precipitazione
Il metodo di precipitazione si riferisce al metodo di preparazione della polvere solida mediante precipitazione, separazione, lavaggio, asciugatura e calcinazione delle materie prime disciolte in solventi appropriati. Il metodo di precipitazione è ampiamente utilizzato nella preparazione di terre rare e nanomateriali drogati, con vantaggi come il semplice processo di preparazione, l'alta efficienza e il basso costo. È un metodo comunemente usato per la preparazione di nano ceria e i suoi materiali compositi nell'industria. Questo metodo può preparare la nano ceria con morfologia e dimensioni delle particelle diverse modificando la temperatura di precipitazione, la concentrazione del materiale, il valore del pH, la velocità di precipitazione, la velocità di agitazione, il modello, ecc. Metodi comuni si basano sulla precipitazione degli ioni cerio da ammoniaca generata dalla decomposizione dell'urea e la preparazione di microferi nano ceria è controllata mediante citrati. In alternativa, gli ioni cerio possono essere precipitati da OH, generati dall'idrolisi del citrato di sodio e quindi incubati e calcolati per preparare il fiocco come le microsfere di nano ceria.
1.3 Metodi idrotermici e solvotermici
Questi due metodi si riferiscono al metodo di preparazione dei prodotti mediante reazione ad alta temperatura e ad alta pressione a temperatura critica in un sistema chiuso. Quando il solvente di reazione è acqua, si chiama metodo idrotermico. Di conseguenza, quando il solvente di reazione è un solvente organico, si chiama metodo solvotermico. Le particelle di nano sintetizzate hanno elevata purezza, buona dispersione e particelle uniformi, in particolare le polveri nano con diverse morfologie o facce di cristallo speciali esposte. Sciogliere il cloruro di cerio in acqua distillata, mescolare e aggiungere una soluzione di idrossido di sodio. Reagire idrotermale a 170 ℃ per 12 ore per preparare nanorodi di ossido di cerio con piani di cristallo esposti (111) e (110). Regolando le condizioni di reazione, la proporzione di (110) piani di cristallo nei piani di cristallo esposti può essere aumentata, migliorando ulteriormente la loro attività catalitica. La regolazione dei ligandi di solventi e superficie di reazione può anche produrre particelle di nano ceria con idrofilia o lipofilia speciale. Ad esempio, l'aggiunta di ioni acetato alla fase acquosa può preparare nanoparticelle di ossido di cerio idrofilo monodisperse in acqua. Selezionando un solvente non polare e introducendo l'acido oleico come ligando durante la reazione, le nanoparticelle di ceria lipofila monodisperse possono essere preparate in solventi organici non polari. (Vedi Figura 1)
Figura 1 Nano ceria sferica monodispersa e nano ceria a forma di asta
1.4 Metodo gel sol
Il metodo del gel SOL è un metodo che utilizza alcuni o più composti come precursori, conduce reazioni chimiche come l'idrolisi nella fase liquida per formare SOL, e quindi forma il gel dopo l'invecchiamento, e infine dry e calmanie per preparare polveri ultrafini. Questo metodo è particolarmente adatto per la preparazione di nanomateriali compositi multi-calcomponente altamente dispersa, come ferro cerio, cerio in titanio, cerio zirconio e altri nano ossidi compositi, che sono stati segnalati in molti rapporti.
1.5 altri metodi
Oltre ai metodi di cui sopra, esistono anche metodo di micro lozione, metodo di sintesi a microonde, metodo di elettrodeposizione, metodo di combustione della fiamma al plasma, metodo di elettrolisi della membrana a scambio ionico e molti altri metodi. Questi metodi hanno un grande significato per la ricerca e l'applicazione della nano ceria.
Applicazione di ossido di cerio a 2 nanometri nel trattamento delle acque
Il cerio è l'elemento più abbondante tra gli elementi delle terre rare, con prezzi bassi e ampie applicazioni. La nanometro ceria e i suoi compositi hanno attirato molta attenzione nel campo del trattamento delle acque a causa della loro superficie specifica, un'elevata attività catalitica e un'eccellente stabilità strutturale.
2.1 Applicazione diOssido di nano cerionel trattamento delle acque con metodo di adsorbimento
Negli ultimi anni, con lo sviluppo di industrie come l'industria elettronica, è stata scaricata una grande quantità di inquinanti contenenti acque reflue come ioni di metalli pesanti e ioni di fluoro. Anche a concentrazioni di traccia, può causare danni significativi agli organismi acquatici e all'ambiente di vita umana. I metodi comunemente usati includono ossidazione, flottazione, osmosi inversa, adsorbimento, nanofiltrazione, biosorbimento, ecc. Tra questi, la tecnologia di adsorbimento viene spesso adottata a causa della sua semplice operazione, a basso costo e alta efficienza del trattamento. I materiali Nano CEO2 hanno un'elevata superficie specifica e un'elevata attività superficiale come adsorbenti, e ci sono stati molti rapporti sulla sintesi di nano CEO2 poroso e sui suoi materiali compositi con diverse morfologie per adsorbire e rimuovere ioni dannosi dall'acqua.
La ricerca ha dimostrato che la nano ceria ha una forte capacità di adsorbimento per f - in acqua in condizioni acide deboli. In una soluzione con una concentrazione iniziale di F - di 100 mg/L e pH = 5-6, la capacità di adsorbimento per F - è di 23 mg/g e il tasso di rimozione di F - è dell'85,6%. Dopo averlo caricato su una sfera di resina di acido poliacrilico (quantità di carico: 0,25 g/g), la capacità di rimozione di F - può raggiungere oltre il 99% quando si tratta un volume uguale di 100 mg/L di soluzione acquosa; Quando si elaborano 120 volte il volume, è possibile rimuovere oltre il 90% di F -. Se utilizzata per adsorbare fosfato e iodati, la capacità di adsorbimento può raggiungere oltre 100 mg/g sotto il corrispondente stato di adsorbimento ottimale. Il materiale usato può essere riutilizzato dopo un semplice trattamento di desorbimento e neutralizzazione, che ha elevati benefici economici.
Esistono molti studi sull'adsorbimento e sul trattamento di metalli pesanti tossici come arsenico, cromo, cadmio e piombo usando nano ceria e sui suoi materiali compositi. Il pH di adsorbimento ottimale varia per ioni di metalli pesanti con diversi stati di valenza. Ad esempio, la debole condizione alcalina con distorsione neutra ha il miglior stato di adsorbimento per AS (III), mentre lo stato di adsorbimento ottimale per AS (V) si ottiene in condizioni acide deboli, in cui la capacità di adsorbimento può raggiungere oltre 110 mg/g in entrambe le condizioni. Nel complesso, la sintesi ottimizzata di nano ceria e i suoi materiali compositi può ottenere elevati tassi di adsorbimento e rimozione per vari ioni metallici pesanti su un ampio intervallo di pH.
D'altra parte, i nanomateriali a base di ossido di cerio hanno anche prestazioni eccezionali nei prodotti organici adsorbenti nelle acque reflue, come l'acido arancione, la rodamina B, il congo rosso, ecc. Ad esempio, in casi esistenti segnalati, nano ceria porose preparate da una capacità di addezione preparata da una capacità di addezione elettrochimica 942,7 mg/g in 60 minuti.
2.2 Applicazione di nano ceria nel processo di ossidazione avanzata
Viene proposto un processo di ossidazione avanzato (AOPS) per migliorare il sistema di trattamento anidro esistente. Il processo di ossidazione avanzata, noto anche come tecnologia di ossidazione profonda, è caratterizzato dalla produzione di radicali idrossilici (· OH), radicale superossido (· O2 -), ossigeno singoletto, ecc. Con una forte capacità di ossidazione. Nelle condizioni di reazione di alta temperatura e pressione, elettricità, suono, irradiazione della luce, catalizzatore, ecc. Secondo i diversi modi di generare radicali liberi e condizioni di reazione, possono essere divisi in ossidazione fotochimica, ossidazione del bagnato catalitico, ossidazione del sonochimico, ossidazione dell'ozono, ossidazione elettrochimica, ossidazione della fentone, ecc. (Vedi figura 2).
Figura 2 Combinazione di classificazione e tecnologia del processo di ossidazione avanzata
Nano ceriaè un catalizzatore eterogeneo comunemente usato nel processo di ossidazione avanzata. A causa della rapida conversione tra CE3+e CE4+e l'effetto rapido di riduzione dell'ossidazione causata dall'assorbimento e dal rilascio dell'ossigeno, Nano Ceria ha una buona capacità catalitica. Se utilizzato come promotore di catalizzatore, può anche migliorare efficacemente la capacità e la stabilità catalitica. Quando i nano ceria e i suoi materiali compositi sono usati come catalizzatori, le proprietà catalitiche variano notevolmente con la morfologia, la dimensione delle particelle e i piani di cristallo esposti, che sono fattori chiave che influenzano la loro prestazione e applicazione. Si ritiene generalmente che più piccole sono le particelle e maggiore è la superficie specifica, il sito attivo più corrispondente e più forte è la capacità catalitica. La capacità catalitica della superficie cristallina esposta, da forte a debole, è nell'ordine di (100) superficie cristallina> (110) superficie cristallina> (111) superficie cristallina e la stabilità corrispondente è opposta.
L'ossido di cerio è un materiale a semiconduttore. Quando l'ossido di cerio di nanometro è irradiato da fotoni con energia superiore al divario di banda, gli elettroni a banda di valenza sono eccitati e si verifica il comportamento di ricombinazione della transizione. Questo comportamento promuoverà il tasso di conversione di CE3+e CE4+, con conseguente forte attività fotocatalitica di nano ceria. La fotocatalisi può raggiungere il degrado diretto della materia organica senza inquinamento secondario, quindi la sua applicazione è la tecnologia più studiata nel campo di Nano Ceria in AOPS. Allo stato attuale, l'obiettivo principale è sul trattamento con degradazione catalitica di coloranti azoi, fenolo, clorobenzene e acque reflue farmaceutiche usando catalizzatori con diverse morfologie e composizioni composite. Secondo il rapporto, sotto il metodo ottimizzato di sintesi del catalizzatore e le condizioni del modello catalitico, la capacità di degradazione di queste sostanze può generalmente raggiungere oltre l'80%e la capacità di rimozione del carbonio organico totale (TOC) può raggiungere oltre il 40%.
La catalisi dell'ossido di nano cerio per la degradazione di inquinanti organici come ozono e perossido di idrogeno è un'altra tecnologia ampiamente studiata. Simile alla fotocatalisi, si concentra anche sulla capacità di nano ceria con diverse morfologie o piani di cristallo e diversi ossidanti catalitici compositi a base di cerio per ossidare e degradare gli inquinanti organici. In tali reazioni, i catalizzatori possono catalizzare la generazione di un gran numero di radicali attivi dall'ozono o dal perossido di idrogeno, che attaccano gli inquinanti organici e ottengono capacità di degradazione ossidativa più efficienti. A causa dell'introduzione di ossidanti nella reazione, la capacità di rimuovere i composti organici è notevolmente migliorata. Nella maggior parte delle reazioni, il tasso di rimozione finale della sostanza target può raggiungere o avvicinarsi al 100%e anche il tasso di rimozione del TOC è più elevato.
Nel metodo di ossidazione avanzata elettrocatalitica, le proprietà del materiale anodo con elevata evoluzione dell'ossigeno sovrapprotenziano determinano la selettività del metodo di ossidazione avanzata elettrocatalitica per il trattamento degli inquinanti organici. Il materiale del catodo è un fattore importante che determina la produzione di H2O2 e la produzione di H2O2 determina l'efficienza del metodo di ossidazione avanzata elettrocatalitica per il trattamento degli inquinanti organici. Lo studio della modifica del materiale dell'elettrodo utilizzando Nano CERIA ha ricevuto un'attenzione diffusa sia a livello nazionale che internazionale. I ricercatori introducono principalmente l'ossido di nano cerio e i suoi materiali compositi attraverso diversi metodi chimici per modificare diversi materiali di elettrodi, migliorare la loro attività elettrochimica e quindi aumentare l'attività elettrocatalitica e la velocità di rimozione finale.
Il microonde e gli ultrasuoni sono spesso importanti misure ausiliarie per i suddetti modelli catalitici. Prendendo assistenza ad ultrasuoni come esempio, utilizzando onde sonore di vibrazioni con frequenze superiori a 25kHz al secondo, milioni di bolle estremamente piccole vengono generate in una soluzione formulata con un agente di pulizia appositamente progettato. Queste piccole bolle, durante la rapida compressione e l'espansione, producono costantemente implosioni di bolle, consentendo ai materiali di scambiare e diffondere rapidamente sulla superficie del catalizzatore, migliorando spesso esponenzialmente l'efficienza catalitica.
3 Conclusione
La nano ceria e i suoi materiali compositi possono trattare efficacemente ioni e inquinanti organici in acqua e hanno un importante potenziale di applicazione nei futuri campi di trattamento delle acque. Tuttavia, la maggior parte delle ricerche è ancora in fase di laboratorio e, per ottenere una rapida applicazione nel trattamento delle acque in futuro, le seguenti questioni devono ancora essere affrontate urgentemente:
(1) il costo di preparazione relativamente elevato di nanoCEO2I materiali a base rimangono un fattore importante nella stragrande maggioranza delle loro applicazioni nel trattamento delle acque, che sono ancora nella fase di ricerca di laboratorio. L'esplorazione di metodi di preparazione a basso costo, semplici ed efficaci in grado di regolare la morfologia e le dimensioni dei materiali a base di Nano CEO2 è ancora al centro della ricerca.
(2) A causa della piccola dimensione delle particelle dei materiali a base di Nano CEO2, i problemi di riciclaggio e rigenerazione dopo l'uso sono anche importanti fattori che limitano la loro applicazione. Il composto di esso con materiali in resina o materiali magnetici sarà una direzione di ricerca chiave per la sua tecnologia di preparazione e riciclaggio dei materiali.
(3) Lo sviluppo di un processo congiunto tra la tecnologia di trattamento delle acque di materiale a base di Nano CEO2 e la tecnologia tradizionale per il trattamento delle acque reflue promuoverà notevolmente l'applicazione della tecnologia catalitica di materiale a base di Nano CEO2 nel campo del trattamento delle acque.
(4) Vi sono ancora ricerche limitate sulla tossicità dei materiali a base di Nano CEO2 e il loro meccanismo di comportamento ambientale e tossicità nei sistemi di trattamento delle acque non sono ancora stati determinati. L'effettivo processo di trattamento delle acque reflue comporta spesso la coesistenza di più inquinanti e gli inquinanti coesistenti interagiranno tra loro, cambiando così le caratteristiche della superficie e la potenziale tossicità dei nanomateriali. Pertanto, è urgente di svolgere ulteriori ricerche sugli aspetti correlati.
Tempo post: maggio-22-2023