CeO2er en viktig komponent i sjeldne jordartsmaterialer.Desjeldne jordartselementer ceriumhar en unik ytre elektronisk struktur - 4f15d16s2.Det spesielle 4f-laget kan effektivt lagre og frigjøre elektroner, noe som får ceriumioner til å oppføre seg i +3 valenstilstand og +4 valenstilstand.Derfor har CeO2-materialer flere oksygenhull, og har utmerket evne til å lagre og frigjøre oksygen.Den gjensidige omdannelsen av Ce (III) og Ce (IV) gir også CeO2-materialer unike katalytiske evner for oksidasjonsreduksjon.Sammenlignet med bulkmaterialer har nano CeO2, som en ny type uorganisk materiale, fått bred oppmerksomhet på grunn av dets høye spesifikke overflateareal, utmerkede oksygenlagrings- og frigjøringsevne, oksygenioneledningsevne, redoksytelse og høytemperaturs raske oksygenvakansdiffusjon. evnen.Det er for tiden et stort antall forskningsrapporter og relaterte applikasjoner som bruker nano CeO2 som katalysatorer, katalysatorbærere eller tilsetningsstoffer, aktive komponenter og adsorbenter.
1. Fremstillingsmetode for nanometerceriumoksid
For tiden inkluderer de vanlige tilberedningsmetodene for nanocerium hovedsakelig kjemisk metode og fysisk metode.I henhold til forskjellige kjemiske metoder kan kjemiske metoder deles inn i utfellingsmetode, hydrotermisk metode, solvotermisk metode, solgelmetode, mikroemulsjonsmetode og elektroavsetningsmetode;Den fysiske metoden er hovedsakelig slipemetoden.
1.1 Slipemetode
Slipemetoden for å tilberede nanoceria bruker vanligvis sandsliping, som har fordelene med lav pris, miljøvennlighet, rask prosesseringshastighet og sterk prosesseringsevne.Det er for tiden den viktigste prosesseringsmetoden i nanoceriumindustrien.For eksempel vedtar fremstillingen av poleringspulver for nanoceriumoksid generelt en kombinasjon av kalsinering og sandsliping, og råvarene til ceriumbaserte denitreringskatalysatorer blandes også for forbehandling eller behandles etter kalsinering ved bruk av sandsliping.Ved å bruke forskjellige partikkelstørrelser for sandslipeperler, kan nanocerium med D50 fra titalls til hundrevis av nanometer oppnås gjennom justering.
1.2 Nedbørsmetode
Utfellingsmetoden refererer til metoden for fremstilling av fast pulver ved utfelling, separering, vasking, tørking og kalsinering av råmaterialer oppløst i passende løsningsmidler.Utfellingsmetoden er mye brukt i fremstillingen av sjeldne jordarter og dopede nanomaterialer, med fordeler som enkel forberedelsesprosess, høy effektivitet og lave kostnader.Det er en vanlig metode for å tilberede nanocerium og dets komposittmaterialer i industrien.Denne metoden kan tilberede nanocerium med ulik morfologi og partikkelstørrelse ved å endre nedbørstemperaturen, materialkonsentrasjonen, pH-verdien, utfellingshastigheten, rørehastigheten, malen osv. Vanlige metoder er avhengige av utfelling av ceriumioner fra ammoniakk generert ved nedbrytning av urea, og fremstillingen av nano ceria mikrosfærer kontrolleres av sitrationer.Alternativt kan ceriumioner utfelles av OH - generert fra hydrolyse av natriumsitrat, og deretter inkuberes og kalsineres for å fremstille flak som nano-cerium-mikrosfærer.
1.3 Hydrotermiske og solvotermiske metoder
Disse to metodene refererer til metoden for fremstilling av produkter ved høytemperatur- og høytrykksreaksjon ved kritisk temperatur i et lukket system.Når reaksjonsløsningsmidlet er vann, kalles det hydrotermisk metode.Tilsvarende, når reaksjonsløsningsmidlet er et organisk løsningsmiddel, kalles det solvotermisk metode.De syntetiserte nanopartiklene har høy renhet, god spredning og jevne partikler, spesielt nanopulverene med forskjellige morfologier eller eksponerte spesielle krystallflater.Løs opp ceriumklorid i destillert vann, rør og tilsett natriumhydroksidløsning.Reager hydrotermisk ved 170 ℃ i 12 timer for å forberede ceriumoksidnanostaver med eksponerte (111) og (110) krystallplaner.Ved å justere reaksjonsbetingelsene kan andelen av (110) krystallplan i de eksponerte krystallplanene økes, noe som ytterligere øker deres katalytiske aktivitet.Justering av reaksjonsløsningsmidlet og overflateligander kan også produsere nanoceriumpartikler med spesiell hydrofilitet eller lipofilisitet.For eksempel kan tilsetning av acetationer til den vandige fasen fremstille monodisperse hydrofile ceriumoksid-nanopartikler i vann.Ved å velge et ikke-polart løsningsmiddel og introdusere oljesyre som en ligand under reaksjonen, kan monodisperse lipofile ceria-nanopartikler fremstilles i ikke-polare organiske løsningsmidler.(Se figur 1)
Figur 1 Monodisperse sfærisk nanocerium og stavformet nanocerium
1.4 Sol gelmetode
Sol gelmetoden er en metode som bruker noen eller flere forbindelser som forløpere, utfører kjemiske reaksjoner som hydrolyse i væskefasen for å danne sol, og deretter danner gel etter aldring, og til slutt tørker og kalsinerer for å fremstille ultrafine pulvere.Denne metoden er spesielt egnet for fremstilling av svært dispergerte multikomponent nano cerium kompositt nanomaterialer, slik som cerium jern, cerium titan, cerium zirkonium og andre kompositt nano oksider, som er rapportert i mange rapporter.
1.5 Andre metoder
I tillegg til metodene ovenfor, er det også mikrolotionmetode, mikrobølgesyntesemetode, elektroavsetningsmetode, plasmaflammeforbrenningsmetode, ionebyttemembranelektrolysemetode og mange andre metoder.Disse metodene har stor betydning for forskning og anvendelse av nanocerium.
Påføring av 2-nanometer ceriumoksid i vannbehandling
Cerium er det mest tallrike grunnstoffet blant sjeldne jordartselementer, med lave priser og brede bruksområder.Nanometer ceria og dets kompositter har tiltrukket seg mye oppmerksomhet innen vannbehandling på grunn av deres høye spesifikke overflateareal, høye katalytiske aktivitet og utmerkede strukturelle stabilitet.
2.1 Anvendelse avNano ceriumoksidi vannbehandling ved adsorpsjonsmetode
De siste årene, med utviklingen av industrier som elektronikkindustrien, har det blitt sluppet ut store mengder avløpsvann som inneholder forurensninger som tungmetallioner og fluorioner.Selv ved sporkonsentrasjoner kan det forårsake betydelig skade på vannlevende organismer og det menneskelige livsmiljøet.Vanlig brukte metoder inkluderer oksidasjon, flotasjon, omvendt osmose, adsorpsjon, nanofiltrering, biosorpsjon, etc. Blant dem er adsorpsjonsteknologi ofte tatt i bruk på grunn av dens enkle drift, lave kostnader og høye behandlingseffektivitet.Nano CeO2-materialer har høyt spesifikt overflateareal og høy overflateaktivitet som adsorbenter, og det har vært mange rapporter om syntesen av porøs nano CeO2 og dets komposittmaterialer med forskjellige morfologier for å adsorbere og fjerne skadelige ioner fra vann.
Forskning har vist at nanocerium har sterk adsorpsjonskapasitet for F - i vann under svake sure forhold.I en løsning med en startkonsentrasjon på F - på 100mg/L og pH=5-6 er adsorpsjonskapasiteten for F - 23mg/g, og fjerningshastigheten for F - er 85,6%.Etter å ha lastet den på en polyakrylsyreharpikskule (belastningsmengde: 0,25g/g), kan fjerningsevnen til F - nå over 99% ved behandling av et likt volum på 100mg/L F - vandig løsning;Ved behandling av 120 ganger volumet kan mer enn 90 % av F - fjernes.Når den brukes til å adsorbere fosfat og jodat, kan adsorpsjonskapasiteten nå over 100 mg/g under den tilsvarende optimale adsorpsjonstilstanden.Det brukte materialet kan gjenbrukes etter enkel desorpsjons- og nøytraliseringsbehandling, som har høye økonomiske fordeler.
Det er mange studier på adsorpsjon og behandling av giftige tungmetaller som arsen, krom, kadmium og bly ved bruk av nanocerium og dets komposittmaterialer.Den optimale adsorpsjons-pH varierer for tungmetallioner med forskjellige valenstilstander.For eksempel har den svake alkaliske tilstanden med nøytral bias den beste adsorpsjonstilstanden for As (III), mens den optimale adsorpsjonstilstanden for As (V) oppnås under svake sure forhold, hvor adsorpsjonskapasiteten kan nå over 110mg/g under begge forhold.Totalt sett kan den optimaliserte syntesen av nanocerium og dets komposittmaterialer oppnå høye adsorpsjons- og fjerningshastigheter for ulike tungmetallioner over et bredt pH-område.
På den annen side har ceriumoksidbaserte nanomaterialer også enestående ytelse når det gjelder å adsorbere organiske stoffer i avløpsvann, slik som sur oransje, rhodamin B, Kongo rød, etc. For eksempel, i eksisterende rapporterte tilfeller, har porøse nanoceriumsfærer fremstilt ved elektrokjemiske metoder høy adsorpsjonskapasitet ved fjerning av organiske fargestoffer, spesielt ved fjerning av Kongo rødt, med en adsorpsjonskapasitet på 942,7mg/g på 60 minutter.
2.2 Anvendelse av nanoceriumoksid i avansert oksidasjonsprosess
Avansert oksidasjonsprosess (AOPs for korte) er foreslått for å forbedre det eksisterende vannfrie behandlingssystemet.Avansert oksidasjonsprosess, også kjent som dyp oksidasjonsteknologi, kjennetegnes ved produksjon av hydroksylradikal (· OH), superoksidradikal (· O2 -), singlett-oksygen, etc. med sterk oksidasjonsevne.Under reaksjonsforholdene med høy temperatur og trykk, elektrisitet, lyd, lysbestråling, katalysator, etc. I henhold til de forskjellige måtene å generere frie radikaler og reaksjonsbetingelser på, kan de deles inn i fotokjemisk oksidasjon, katalytisk våtoksidasjon, sonokjemioksidasjon, ozon oksidasjon, elektrokjemisk oksidasjon, Fenton-oksidasjon, etc. (se figur 2).
Figur 2 Klassifisering og teknologi Kombinasjon av avansert oksidasjonsprosess
Nano ceriaer en heterogen katalysator som vanligvis brukes i avansert oksidasjonsprosess.På grunn av den raske omdannelsen mellom Ce3+ og Ce4+ og den raske oksidasjonsreduksjonseffekten forårsaket av oksygenabsorpsjon og frigjøring, har nanocerium god katalytisk evne.Når den brukes som en katalysatorpromoter, kan den også effektivt forbedre katalytisk evne og stabilitet.Når nanocerium og dets komposittmaterialer brukes som katalysatorer, varierer de katalytiske egenskapene sterkt med morfologien, partikkelstørrelsen og eksponerte krystallplaner, som er nøkkelfaktorer som påvirker deres ytelse og anvendelse.Det antas generelt at jo mindre partiklene er og jo større det spesifikke overflatearealet er, jo mer tilsvarende aktivt sted, og jo sterkere er den katalytiske evnen.Den katalytiske evnen til den eksponerte krystalloverflaten, fra sterk til svak, er i størrelsesorden (100) krystalloverflate>(110) krystalloverflate>(111) krystalloverflate, og den tilsvarende stabiliteten er motsatt.
Ceriumoksid er et halvledermateriale.Når nanometer ceriumoksid blir bestrålt av fotoner med energi høyere enn båndgapet, eksiteres valensbåndelektronene, og overgangsrekombinasjonsatferden oppstår.Denne oppførselen vil fremme konverteringsfrekvensen til Ce3+ og Ce4+, noe som resulterer i sterk fotokatalytisk aktivitet av nanocerium.Fotokatalyse kan oppnå direkte nedbrytning av organisk materiale uten sekundær forurensning, så anvendelsen er den mest studerte teknologien innen nanocerium i AOPs.For tiden er hovedfokuset på katalytisk nedbrytningsbehandling av azofargestoffer, fenol, klorbenzen og farmasøytisk avløpsvann ved bruk av katalysatorer med forskjellige morfologier og komposittsammensetninger.I følge rapporten, under den optimaliserte katalysatorsyntesemetoden og katalytiske modellforhold, kan nedbrytningskapasiteten til disse stoffene generelt nå mer enn 80 %, og fjerningskapasiteten til totalt organisk karbon (TOC) kan nå mer enn 40 %.
Nanoceriumoksidkatalyse for nedbrytning av organiske forurensninger som ozon og hydrogenperoksid er en annen mye studert teknologi.I likhet med fotokatalyse fokuserer den også på evnen til nanocerium med forskjellige morfologier eller krystallplan og forskjellige ceriumbaserte sammensatte katalytiske oksidanter til å oksidere og bryte ned organiske forurensninger.I slike reaksjoner kan katalysatorer katalysere dannelsen av et stort antall aktive radikaler fra ozon eller hydrogenperoksid, som angriper organiske forurensninger og oppnår mer effektive oksidativ nedbrytningsevne.På grunn av introduksjonen av oksidanter i reaksjonen, er evnen til å fjerne organiske forbindelser sterkt forbedret.I de fleste reaksjoner kan den endelige fjerningshastigheten for målstoffet nå eller nærme seg 100 %, og TOC-fjerningshastigheten er også høyere.
I den elektrokatalytiske avanserte oksidasjonsmetoden bestemmer egenskapene til anodematerialet med høyt oksygenutviklingsoverpotensial selektiviteten til den elektrokatalytiske avanserte oksidasjonsmetoden for behandling av organiske forurensninger.Katodematerialet er en viktig faktor som bestemmer produksjonen av H2O2, og produksjonen av H2O2 bestemmer effektiviteten til den elektrokatalytiske avanserte oksidasjonsmetoden for behandling av organiske forurensninger.Studiet av modifikasjon av elektrodemateriale ved bruk av nanocerium har fått bred oppmerksomhet både nasjonalt og internasjonalt.Forskere introduserer hovedsakelig nanoceriumoksid og dets komposittmaterialer gjennom forskjellige kjemiske metoder for å modifisere ulike elektrodematerialer, forbedre deres elektrokjemiske aktivitet og dermed øke elektrokatalytisk aktivitet og endelig fjerningshastighet.
Mikrobølgeovn og ultralyd er ofte viktige hjelpetiltak for de ovennevnte katalytiske modellene.Ved å ta ultralydassistanse som et eksempel, ved å bruke vibrasjonslydbølger med frekvenser høyere enn 25kHz per sekund, genereres millioner av ekstremt små bobler i en løsning formulert med et spesialdesignet rengjøringsmiddel.Disse små boblene, under rask kompresjon og ekspansjon, produserer konstant bobleimplosjon, slik at materialer raskt kan utveksles og diffundere på katalysatoroverflaten, noe som ofte eksponentielt forbedrer den katalytiske effektiviteten.
3 Konklusjon
Nano ceria og dets komposittmaterialer kan effektivt behandle ioner og organiske forurensninger i vann, og har et viktig brukspotensial i fremtidige vannbehandlingsfelt.Imidlertid er det meste av forskningen fortsatt i laboratoriestadiet, og for å oppnå rask bruk i vannbehandling i fremtiden, må følgende problemer fortsatt tas opp raskt:
(1) De relativt høye forberedelseskostnadene for nanoCeO2baserte materialer er fortsatt en viktig faktor i det store flertallet av deres anvendelser i vannbehandling, som fortsatt er i laboratorieforskningsstadiet.Utforsking av rimelige, enkle og effektive forberedelsesmetoder som kan regulere morfologien og størrelsen til nano CeO2-baserte materialer er fortsatt et fokus for forskning.
(2) På grunn av den lille partikkelstørrelsen til nano CeO2-baserte materialer, er resirkulerings- og regenereringsproblemene etter bruk også viktige faktorer som begrenser deres anvendelse.Kompositten av det med harpiksmaterialer eller magnetiske materialer vil være en nøkkelforskningsretning for dets materialforberedelse og resirkuleringsteknologi.
(3) Utviklingen av en felles prosess mellom nano CeO2-basert materialvannbehandlingsteknologi og tradisjonell kloakkbehandlingsteknologi vil i stor grad fremme anvendelsen av nano CeO2-basert materialkatalytisk teknologi innen vannbehandling.
(4) Det er fortsatt begrenset forskning på toksisiteten til nano CeO2-baserte materialer, og deres miljøadferd og toksisitetsmekanisme i vannbehandlingssystemer er ennå ikke bestemt.Selve kloakkbehandlingsprosessen involverer ofte sameksistens av flere forurensninger, og de sameksisterende forurensningene vil samhandle med hverandre, og dermed endre overflateegenskapene og potensiell toksisitet til nanomaterialer.Derfor er det et presserende behov for å forske mer på relaterte aspekter.
Innleggstid: 22. mai 2023