CEO2adalah komponen penting bahan nadir bumi. Theelemen nadir bumi Ceriummempunyai struktur elektronik luar yang unik - 4F15D16S2. Lapisan 4F khasnya dapat menyimpan dan melepaskan elektron dengan berkesan, menjadikan ion cerium berkelakuan dalam keadaan valensi+3 dan+4 valensi. Oleh itu, bahan CEO2 mempunyai lebih banyak lubang oksigen, dan mempunyai keupayaan yang sangat baik untuk menyimpan dan melepaskan oksigen. Penukaran bersama CE (III) dan CE (IV) juga menguasai bahan CEO2 dengan keupayaan pemangkin pengurangan pengoksidaan yang unik. Berbanding dengan bahan pukal, Nano CEO2, sebagai jenis bahan bukan organik baru, telah mendapat perhatian yang meluas kerana kawasan permukaannya yang tinggi, penyimpanan oksigen yang sangat baik dan keupayaan pelepasan, kekonduksian ion oksigen, prestasi redoks, dan kemampuan penyebaran kekosongan oksigen yang tinggi. Pada masa ini terdapat banyak laporan penyelidikan dan aplikasi yang berkaitan menggunakan Nano CEO2 sebagai pemangkin, pembawa pemangkin atau aditif, komponen aktif, dan penyerap.
1. Kaedah penyediaan nanometerCerium oxide
Pada masa ini, kaedah penyediaan biasa untuk nano ceria terutamanya termasuk kaedah kimia dan kaedah fizikal. Menurut kaedah kimia yang berlainan, kaedah kimia boleh dibahagikan kepada kaedah pemendakan, kaedah hidroterma, kaedah solvotermal, kaedah gel sol, kaedah mikroemulsi dan kaedah elektrodeposisi; Kaedah fizikal adalah kaedah pengisaran.
1.1 Kaedah Pengisaran
Kaedah pengisaran untuk menyediakan nano ceria umumnya menggunakan pengisaran pasir, yang mempunyai kelebihan kos rendah, keramahan alam sekitar, kelajuan pemprosesan cepat, dan keupayaan pemprosesan yang kuat. Ia kini merupakan kaedah pemprosesan yang paling penting dalam industri Nano Ceria. Sebagai contoh, penyediaan serbuk penggilap nano cerium oksida umumnya mengamalkan gabungan pengisaran dan pengisaran pasir, dan bahan mentah pemangkin denitrasi berasaskan ceri juga dicampur untuk pra-rawatan atau dirawat selepas pengisaran menggunakan pengisaran pasir. Dengan menggunakan nisbah manik pengisaran saiz zarah yang berbeza, nano ceria dengan D50 dari puluhan hingga beratus -ratus nanometer boleh diperolehi melalui pelarasan.
1.2 Kaedah Pemendakan
Kaedah pemendakan merujuk kepada kaedah penyediaan serbuk pepejal dengan pemendakan, pemisahan, mencuci, pengeringan, dan penalaan bahan mentah yang dibubarkan dalam pelarut yang sesuai. Kaedah pemendakan digunakan secara meluas dalam penyediaan nadir bumi dan nanomaterials doped, dengan kelebihan seperti proses penyediaan mudah, kecekapan tinggi, dan kos rendah. Ia adalah kaedah yang biasa digunakan untuk menyediakan nano ceria dan bahan kompositnya dalam industri. Kaedah ini boleh menyediakan nano ceria dengan morfologi dan saiz zarah yang berbeza dengan mengubah suhu hujan, kepekatan bahan, nilai pH, kelajuan pemendakan, kelajuan kacau, templat, dan lain -lain. Kaedah umum bergantung pada pemendakan ion cerium dari ammonia yang dihasilkan oleh penguraian urea, dan penyediaan mikrofer nano. Sebagai alternatif, ion cerium boleh dicetuskan oleh OH - yang dihasilkan dari hidrolisis natrium sitrat, dan kemudian diinkubasi dan dikalkulasi untuk menyediakan serpihan seperti nano ceria microspheres.
1.3 Kaedah hidroterma dan solvoterma
Kedua-dua kaedah ini merujuk kepada kaedah penyediaan produk dengan tindak balas suhu tinggi dan tekanan tinggi pada suhu kritikal dalam sistem tertutup. Apabila pelarut tindak balas adalah air, ia dipanggil kaedah hidroterma. Begitu juga, apabila pelarut tindak balas adalah pelarut organik, ia dipanggil kaedah solvotermal. Zarah nano yang disintesis mempunyai kesucian yang tinggi, penyebaran yang baik dan zarah seragam, terutamanya serbuk nano dengan morfologi yang berbeza atau wajah kristal khas yang terdedah. Larutkan cerium klorida dalam air suling, kacau dan tambah larutan natrium hidroksida. React hydrothermal pada 170 ℃ selama 12 jam untuk menyediakan nanorod cerium oksida dengan pesawat kristal yang terdedah (111) dan (110). Dengan menyesuaikan keadaan tindak balas, perkadaran pesawat kristal (110) dalam pesawat kristal yang terdedah dapat ditingkatkan, meningkatkan lagi aktiviti pemangkin mereka. Melaraskan pelarut tindak balas dan ligan permukaan juga boleh menghasilkan zarah nano ceria dengan hidrofilik khas atau lipophilicity. Sebagai contoh, menambah ion asetat ke fasa berair boleh menyediakan nanopartikel cerium oksida hidrofilik monodisperse di dalam air. Dengan memilih pelarut bukan kutub dan memperkenalkan asid oleik sebagai ligan semasa tindak balas, nanopartikel ceria lipophilic monodisperse boleh disediakan dalam pelarut organik bukan polar. (Lihat Rajah 1)
Rajah 1 Monodisperse sfera nano ceria dan nano ceria berbentuk batang
1.4 Kaedah gel sol
Kaedah gel sol adalah kaedah yang menggunakan beberapa atau beberapa sebatian sebagai prekursor, menjalankan tindak balas kimia seperti hidrolisis dalam fasa cecair untuk membentuk SOL, dan kemudian membentuk gel selepas penuaan, dan akhirnya kering dan kalsium untuk menyediakan serbuk ultrafine. Kaedah ini amat sesuai untuk menyediakan nanomaterial komposit Nano ceria yang sangat tersebar, seperti cerium besi, cerium titanium, cerium zirconium dan lain-lain nano oksida komposit, yang telah dilaporkan dalam banyak laporan.
1.5 Kaedah lain
Sebagai tambahan kepada kaedah di atas, terdapat juga kaedah losyen mikro, kaedah sintesis gelombang mikro, kaedah elektrodeposisi, kaedah pembakaran api plasma, kaedah elektrolisis membran ion-pertukaran dan banyak kaedah lain. Kaedah ini mempunyai kepentingan yang besar untuk penyelidikan dan aplikasi Nano ceria.
Permohonan 2-nanometer cerium oksida dalam rawatan air
Cerium adalah elemen yang paling banyak di kalangan unsur -unsur nadir bumi, dengan harga yang rendah dan aplikasi yang luas. Ceria nanometer dan kompositnya telah menarik banyak perhatian dalam bidang rawatan air kerana kawasan permukaan yang tinggi, aktiviti pemangkin yang tinggi dan kestabilan struktur yang sangat baik.
2.1 PermohonanNano cerium oxidedalam rawatan air dengan kaedah penjerapan
Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, dengan pembangunan industri seperti industri elektronik, sejumlah besar air kumbahan yang mengandungi bahan pencemar seperti ion logam berat dan ion fluorin telah dilepaskan. Walaupun pada kepekatan jejak, ia boleh menyebabkan kemudaratan yang ketara kepada organisma akuatik dan persekitaran hidup manusia. Kaedah yang biasa digunakan termasuk pengoksidaan, pengapungan, osmosis terbalik, penjerapan, nanofiltrasi, biosorpsi, dan lain -lain di antara mereka, teknologi penjerapan sering digunakan kerana operasi mudah, kos rendah, dan kecekapan rawatan yang tinggi. Bahan -bahan CEO2 Nano mempunyai kawasan permukaan yang tinggi dan aktiviti permukaan yang tinggi sebagai penyerap, dan terdapat banyak laporan mengenai sintesis CEO2 Nano yang berliang dan bahan kompositnya dengan morfologi yang berbeza untuk menyerap dan mengeluarkan ion berbahaya dari air.
Penyelidikan telah menunjukkan bahawa Nano ceria mempunyai kapasiti penjerapan yang kuat untuk F - dalam air di bawah keadaan berasid yang lemah. Dalam penyelesaian dengan kepekatan awal F - 100mg/L dan pH = 5-6, kapasiti penjerapan untuk F - ialah 23mg/g, dan kadar penyingkiran F - ialah 85.6%. Selepas memuatkannya ke bola resin asid polyacrylic (jumlah beban: 0.25g/g), keupayaan penyingkiran F - dapat mencapai lebih dari 99% apabila merawat jumlah yang sama 100mg/l larutan f - berair; Apabila memproses 120 kali jumlahnya, lebih daripada 90% F - boleh dikeluarkan. Apabila digunakan untuk menyerap fosfat dan iodat, kapasiti penjerapan boleh mencapai lebih dari 100mg/g di bawah keadaan penjerapan optimum yang sepadan. Bahan yang digunakan boleh digunakan semula selepas rawatan desorpsi dan peneutralan mudah, yang mempunyai manfaat ekonomi yang tinggi.
Terdapat banyak kajian mengenai penjerapan dan rawatan logam berat toksik seperti arsenik, kromium, kadmium, dan memimpin menggunakan nano ceria dan bahan kompositnya. PH penjerapan optimum berbeza untuk ion logam berat dengan keadaan valensi yang berbeza. Sebagai contoh, keadaan alkali yang lemah dengan kecenderungan neutral mempunyai keadaan penjerapan terbaik untuk AS (iii), manakala keadaan penjerapan optimum untuk AS (v) dicapai di bawah keadaan berasid yang lemah, di mana kapasiti penjerapan dapat mencapai lebih dari 110mg/g di bawah kedua -dua keadaan. Secara keseluruhannya, sintesis optimum nano ceria dan bahan kompositnya dapat mencapai kadar penjerapan dan penyingkiran yang tinggi untuk pelbagai ion logam berat di atas julat pH yang luas.
Sebaliknya, nanomaterial berasaskan cerium oksida juga mempunyai prestasi yang luar biasa dalam penyerap organik dalam air kumbahan, seperti oren asid, rhodamine b, congo merah, dan lain -lain. Sebagai contoh, dalam kes -kes yang dilaporkan, nano ceria berliang sfera yang disediakan oleh kaedah penyerapan yang tinggi. 942.7mg/g dalam 60 minit.
2.2 Permohonan Nano Ceria dalam Proses Pengoksidaan Lanjutan
Proses pengoksidaan lanjutan (AOPs untuk pendek) dicadangkan untuk memperbaiki sistem rawatan anhydrous sedia ada. Proses pengoksidaan lanjutan, yang juga dikenali sebagai teknologi pengoksidaan yang mendalam, dicirikan oleh pengeluaran radikal hidroksil (· OH), radikal superoxide (· O2 -), oksigen singlet, dan lain -lain dengan keupayaan pengoksidaan yang kuat. Di bawah keadaan tindak balas suhu dan tekanan tinggi, elektrik, bunyi, penyinaran cahaya, pemangkin, dan lain -lain. Menurut cara yang berbeza untuk menghasilkan radikal bebas dan keadaan tindak balas, mereka boleh dibahagikan kepada pengoksidaan fotokimia, pengoksidaan basah pemangkin, pengoksidaan sonokimia, pengoksidaan ozon, pengoksidaan elektrokimia, pengoksidaan.
Rajah 2 Klasifikasi dan Gabungan Teknologi Proses Pengoksidaan Lanjutan
Nano ceriaadalah pemangkin heterogen yang biasa digunakan dalam proses pengoksidaan lanjutan. Oleh kerana penukaran pesat antara CE3+dan CE4+dan kesan pengurangan pengoksidaan pesat yang dibawa oleh penyerapan dan pelepasan oksigen, Nano ceria mempunyai keupayaan pemangkin yang baik. Apabila digunakan sebagai penganjur pemangkin, ia juga dapat meningkatkan keupayaan dan kestabilan pemangkin secara berkesan. Apabila nano ceria dan bahan kompositnya digunakan sebagai pemangkin, sifat pemangkin sangat berbeza dengan morfologi, saiz zarah, dan pesawat kristal yang terdedah, yang merupakan faktor utama yang mempengaruhi prestasi dan aplikasi mereka. Secara umumnya dipercayai bahawa zarah -zarah yang lebih kecil dan semakin besar kawasan permukaan tertentu, tapak aktif yang lebih sesuai, dan semakin kuat keupayaan pemangkin. Keupayaan pemangkin permukaan kristal yang terdedah, dari kuat hingga lemah, adalah dalam urutan (100) permukaan kristal> (110) permukaan kristal> (111) permukaan kristal, dan kestabilan yang sepadan adalah bertentangan.
Cerium oxide adalah bahan semikonduktor. Apabila nanometer cerium oksida disinari oleh foton dengan tenaga yang lebih tinggi daripada jurang band, elektron band valensi teruja, dan tingkah laku rekombinasi peralihan berlaku. Tingkah laku ini akan menggalakkan kadar penukaran CE3+dan CE4+, mengakibatkan aktiviti photocatalytic yang kuat Nano ceria. Photocatalysis boleh mencapai kemerosotan langsung bahan organik tanpa pencemaran sekunder, jadi aplikasinya adalah teknologi yang paling dikaji dalam bidang Nano ceria di AOPS. Pada masa ini, tumpuan utama adalah pada rawatan kemerosotan pemangkin pewarna azo, fenol, chlorobenzene, dan air sisa farmaseutikal menggunakan pemangkin dengan morfologi dan komposisi komposit yang berbeza. Menurut laporan itu, di bawah kaedah sintesis pemangkin yang dioptimumkan dan keadaan model pemangkin, kapasiti kemerosotan bahan -bahan ini pada umumnya dapat mencapai lebih dari 80%, dan kapasiti penyingkiran jumlah karbon organik (TOC) dapat mencapai lebih dari 40%.
Nano cerium oksida pemangkinan untuk kemerosotan bahan pencemar organik seperti ozon dan hidrogen peroksida adalah satu lagi teknologi yang dikaji secara meluas. Sama seperti photocatalysis, ia juga memberi tumpuan kepada keupayaan nano ceria dengan morfologi yang berbeza atau pesawat kristal dan oksidan pemangkin komposit berasaskan cerium yang berbeza untuk mengoksidakan dan merendahkan bahan pencemar organik. Dalam reaksi sedemikian, pemangkin boleh memangkin penjanaan sejumlah besar radikal aktif dari ozon atau hidrogen peroksida, yang menyerang bahan pencemar organik dan mencapai keupayaan degradasi oksidatif yang lebih cekap. Oleh kerana pengenalan oksidan dalam tindak balas, keupayaan untuk menghilangkan sebatian organik sangat dipertingkatkan. Dalam kebanyakan tindak balas, kadar penyingkiran akhir bahan sasaran boleh mencapai atau mendekati 100%, dan kadar penyingkiran TOC juga lebih tinggi.
Dalam kaedah pengoksidaan lanjutan elektrokatalitik, sifat -sifat bahan anod dengan evolusi oksigen yang tinggi lebihan menentukan selektiviti kaedah pengoksidaan lanjutan elektrokatalik untuk merawat bahan pencemar organik. Bahan katod adalah faktor penting yang menentukan pengeluaran H2O2, dan pengeluaran H2O2 menentukan kecekapan kaedah pengoksidaan lanjutan elektrokatalitik untuk merawat bahan pencemar organik. Kajian pengubahsuaian bahan elektrod menggunakan Nano ceria telah mendapat perhatian yang meluas di dalam dan di peringkat antarabangsa. Penyelidik terutamanya memperkenalkan nano cerium oksida dan bahan kompositnya melalui kaedah kimia yang berbeza untuk mengubahsuai bahan elektrod yang berbeza, meningkatkan aktiviti elektrokimia mereka, dan dengan itu meningkatkan aktiviti elektrokatalik dan kadar penyingkiran akhir.
Ketuhar gelombang mikro dan ultrasound selalunya langkah tambahan penting untuk model pemangkin di atas. Mengambil bantuan ultrasonik sebagai contoh, menggunakan gelombang bunyi getaran dengan frekuensi yang lebih tinggi daripada 25kHz sesaat, berjuta -juta gelembung yang sangat kecil dihasilkan dalam penyelesaian yang dirumuskan dengan agen pembersih yang direka khas. Gelembung kecil ini, semasa pemampatan dan pengembangan pesat, sentiasa menghasilkan letupan gelembung, yang membolehkan bahan -bahan untuk bertukar -tukar dan meresap dengan cepat pada permukaan pemangkin, sering meningkatkan kecekapan pemangkin secara eksponen.
3 Kesimpulan
Nano ceria dan bahan kompositnya dapat merawat ion dan bahan pencemar organik secara berkesan di dalam air, dan mempunyai potensi aplikasi penting dalam bidang rawatan air masa depan. Walau bagaimanapun, kebanyakan penyelidikan masih dalam peringkat makmal, dan untuk mencapai aplikasi pesat dalam rawatan air pada masa akan datang, isu -isu berikut masih perlu ditangani dengan segera:
(1) kos penyediaan nano yang agak tinggiCEO2Bahan -bahan berasaskan kekal sebagai faktor penting dalam kebanyakan aplikasi mereka dalam rawatan air, yang masih dalam peringkat penyelidikan makmal. Meneroka kaedah penyediaan kos rendah, mudah dan berkesan yang dapat mengawal morfologi dan saiz bahan berasaskan Nano CEO2 masih menjadi tumpuan penyelidikan.
(2) Oleh kerana saiz zarah kecil bahan berasaskan CEO2 Nano, isu kitar semula dan regenerasi selepas penggunaan juga faktor penting yang mengehadkan permohonan mereka. Kompositnya dengan bahan resin atau bahan magnet akan menjadi arah penyelidikan utama untuk penyediaan bahan dan teknologi kitar semula.
(3) Pembangunan proses bersama antara teknologi rawatan air berasaskan Nano CEO2 dan teknologi rawatan kumbahan tradisional akan sangat menggalakkan penerapan teknologi pemangkin bahan Nano CEO2 dalam bidang rawatan air.
(4) Masih terdapat penyelidikan terhad mengenai ketoksikan bahan berasaskan CEO2 Nano, dan tingkah laku alam sekitar dan mekanisme ketoksikan dalam sistem rawatan air belum ditentukan. Proses rawatan kumbahan sebenar sering melibatkan kewujudan pelbagai bahan pencemar, dan pencemar yang wujud bersama akan berinteraksi antara satu sama lain, dengan itu mengubah ciri -ciri permukaan dan potensi ketoksikan nanomaterials. Oleh itu, terdapat keperluan mendesak untuk menjalankan lebih banyak penyelidikan mengenai aspek yang berkaitan.
Masa Post: Mei-22-2023