CEO2është një përbërës i rëndësishëm i materialeve të rralla të tokës.Element i rrallë i tokës ceriumka një strukturë unike elektronike të jashtme - 4F15D16S2. Shtresa e saj e veçantë 4F mund të ruajë dhe lëshojë në mënyrë efektive elektronet, duke i bërë jonet e ceriumit të sillen në gjendjen e valencës+3 dhe+4 shtetit të valencës. Prandaj, materialet CEO2 kanë më shumë vrima oksigjeni, dhe kanë aftësi të shkëlqyeshme për të ruajtur dhe lëshuar oksigjen. Konvertimi i ndërsjellë i CE (III) dhe CE (IV) gjithashtu i jep materiale CEO2 me aftësi katalitike unike të zvogëlimit të oksidimit. Në krahasim me materialet pjesa më e madhe, Nano CEO2, si një lloj i ri i materialit inorganik, ka marrë vëmendje të gjerë për shkak të sipërfaqes së tij të lartë specifike të sipërfaqes, aftësisë së shkëlqyeshme të ruajtjes dhe lëshimit të oksigjenit, përçueshmërisë së jonit të oksigjenit, performancës redoks dhe aftësisë së shpërndarjes së shpejtë të oksigjenit me temperaturë të lartë. Aktualisht ekzistojnë një numër i madh i raporteve kërkimore dhe aplikacioneve të lidhura duke përdorur nano CEO2 si katalizatorë, transportues katalizatorësh ose aditivë, përbërës aktivë dhe adsorbentë.
1. Metoda e përgatitjes së nanometritoksid cerium
Aktualisht, metodat e zakonshme të përgatitjes për nano ceria kryesisht përfshijnë metodën kimike dhe metodën fizike. Sipas metodave të ndryshme kimike, metodat kimike mund të ndahen në metodën e reshjeve, metodën hidrotermale, metodën solvotermale, metodën SOL GEL, metodën e mikroemulsionit dhe metodën e elektrodepozimit; Metoda fizike është kryesisht metoda e bluarjes.
1.1 Metoda e bluarjes
Metoda e bluarjes për përgatitjen e nano ceria në përgjithësi përdor bluarjen e rërës, e cila ka avantazhet e kostos së ulët, miqësisë mjedisore, shpejtësisë së shpejtë të përpunimit dhe aftësisë së fortë të përpunimit. Aktualisht është metoda më e rëndësishme e përpunimit në industrinë Nano Ceria. Për shembull, përgatitja e pluhurit të lustrimit të oksidit nano cerium në përgjithësi përvetëson një kombinim të kalcifikimit dhe bluarjes së rërës, dhe lëndët e para të katalizatorëve të denitrimit të bazuar në cerium janë gjithashtu të përziera për para-trajtim ose trajtohen pas kalcinimit duke përdorur bluarjen e rërës. Duke përdorur raporte të ndryshme të rruazave të rërës me madhësi të grimcave, nano ceria me D50 duke filluar nga dhjetëra në qindra nanometra mund të merren përmes rregullimit.
1.2 Metoda e Reshjeve
Metoda e reshjeve i referohet metodës së përgatitjes së pluhurit të ngurtë nga reshjet, ndarja, larja, tharja dhe kalcifikimi i lëndëve të para të tretura në tretësit e duhur. Metoda e reshjeve përdoret gjerësisht në përgatitjen e tokës së rrallë dhe nanomaterialeve të dopeduara, me avantazhe të tilla si procesi i thjeshtë i përgatitjes, efikasiteti i lartë dhe kostoja e ulët. Isshtë një metodë e përdorur zakonisht për përgatitjen e nano ceria dhe materialet e saj të përbërë në industri. Kjo metodë mund të përgatisë nano ceria me morfologji të ndryshme dhe madhësinë e grimcave duke ndryshuar temperaturën e reshjeve, përqendrimin e materialit, vlerën e pH, shpejtësinë e reshjeve, shpejtësinë e trazimit, shabllonin, etj. Metodat e zakonshme mbështeten në reshjet e joneve të ceriumit nga amoniakët e gjeneruar nga dekompozimi i ure, dhe përgatitja e mikrosferave nano ceria kontrollohet nga jonet e citratës. Përndryshe, jonet e ceriumit mund të precipitohen nga OH - gjeneruar nga hidroliza e citrateve të natriumit, dhe më pas inkubohen dhe kalcinohen për të përgatitur flakë si mikrosfera nano ceria.
1.3 Metodat hidrotermale dhe solvotermale
Këto dy metoda i referohen metodës së përgatitjes së produkteve me anë të temperaturës së lartë dhe reagimit të presionit të lartë në temperaturë kritike në një sistem të mbyllur. Kur tretësi i reagimit është ujë, quhet metodë hidrotermale. Përkatësisht, kur tretësi i reagimit është një tretës organik, quhet metodë solvotermale. Grimcat nano të sintetizuara kanë pastërti të lartë, shpërndarje të mirë dhe grimca uniforme, veçanërisht pluhurat nano me morfologji të ndryshme ose fytyra të veçanta kristal të ekspozuar. Shpërndani klorur cerium në ujë të distiluar, përzieni dhe shtoni tretësirë hidroksid natriumi. React hidrotermal në 170 ℃ për 12 orë për të përgatitur nanorodë të oksidit të ceriumit me aeroplanët kristal të ekspozuar (111) dhe (110). Duke rregulluar kushtet e reagimit, proporcioni i (110) aeroplanëve kristal në aeroplanët kristal të ekspozuar mund të rritet, duke rritur më tej aktivitetin e tyre katalitik. Rregullimi i tretësit të reagimit dhe ligandëve sipërfaqësorë gjithashtu mund të prodhojnë grimca nano ceria me hidrofilitet të veçantë ose lipofilitet. Për shembull, shtimi i joneve acetate në fazën ujore mund të përgatisë nanopartikulet e oksidit të ceriumit monodisperse në ujë. Duke zgjedhur një tretës jo polar dhe duke prezantuar acidin oleik si një ligand gjatë reaksionit, nanopartikulat lipofilike Monodisperse mund të përgatiten në tretës organikë jo polarë. (Shih Figurën 1)
Figura 1 Nano ceria sferike monodisperse dhe nano ceria në formë shufra
1.4 Metoda e xhelit sol
Metoda SOL GEL është një metodë që përdor disa ose disa komponime si pararendës, kryen reaksione kimike siç është hidroliza në fazën e lëngshme për të formuar SOL, dhe më pas formon xhel pas plakjes, dhe në fund thahet dhe kalcinat për të përgatitur pluhurat ultrafine. Kjo metodë është veçanërisht e përshtatshme për përgatitjen e nanomaterialeve të përbërë me shumë përbërës të shpërndarë shumë përbërës, të tilla si hekuri cerium, titani cerium, cerium zirconium dhe oksidet e tjera të përbërë nano, të cilat janë raportuar në shumë raporte.
1.5 metoda të tjera
Përveç metodave të mësipërme, ekziston edhe metoda e mikro locion, metoda e sintezës së mikrovalës, metoda e elektrodepozimit, metoda e djegies së flakës plazmatike, metoda e elektrolizës së membranës së shkëmbimit të jonit dhe shumë metoda të tjera. Këto metoda kanë një rëndësi të madhe për hulumtimin dhe aplikimin e nano ceria.
Aplikimi i oksidit të ceriumit me 2 nanometër në trajtimin e ujit
Cerium është elementi më i bollshëm midis elementeve të rrallë të Tokës, me çmime të ulëta dhe aplikime të gjera. Ceria nanometër dhe përbërësit e saj kanë tërhequr shumë vëmendje në fushën e trajtimit të ujit për shkak të sipërfaqes së tyre të lartë specifike, aktivitetit të lartë katalitik dhe stabilitetit të shkëlqyeshëm strukturor.
2.1 Zbatimi iOksid nano ceriumnë trajtimin e ujit me metodën e adsorbimit
Vitet e fundit, me zhvillimin e industrive të tilla si industria e elektronikës, është shkarkuar një sasi e madhe e ujërave të zeza që përmbajnë ndotës të tillë si jonet e metaleve të rënda dhe jonet e fluorit. Edhe në përqendrimet e gjurmëve, mund të shkaktojë dëm të konsiderueshëm për organizmat ujorë dhe mjedisin e jetesës njerëzore. Metodat e përdorura zakonisht përfshijnë oksidimin, flotacionin, osmozën e kundërt, adsorbimin, nanofiltrimin, biosorbimin, etj. Ndër ata, teknologjia e adsorbimit shpesh miratohet për shkak të funksionimit të tij të thjeshtë, kostos së ulët dhe efikasitetit të lartë të trajtimit. Materialet Nano CEO2 kanë sipërfaqe të lartë të sipërfaqes specifike dhe aktivitet të lartë sipërfaqësor si adsorbentë, dhe ka pasur shumë raporte mbi sintezën e nano CEO2 poroze dhe materialet e tij të përbërë me morfologji të ndryshme për të adsorbuar dhe larguar jonet e dëmshme nga uji.
Hulumtimet kanë treguar që nano ceria ka kapacitet të fortë adsorbimi për f - në ujë në kushte të dobëta acidike. Në një zgjidhje me një përqendrim fillestar të f - prej 100mg/L dhe pH = 5-6, kapaciteti i adsorbimit për f - është 23mg/g, dhe shkalla e heqjes së f - është 85.6%. Pas ngarkimit të tij në një top rrëshirë acid poliakrilik (sasia e ngarkimit: 0.25g/g), aftësia e heqjes së F - mund të arrijë mbi 99% kur trajtoni një vëllim të barabartë prej 100mg/L të zgjidhjes ujore; Kur përpunoni 120 herë vëllimin, më shumë se 90% e F - mund të hiqen. Kur përdoret për adsorb fosfat dhe jod, kapaciteti i adsorption mund të arrijë mbi 100mg/g nën gjendjen përkatëse optimale të adsorbimit. Materiali i përdorur mund të ripërdoret pas trajtimit të thjeshtë të desorbimit dhe neutralizimit, i cili ka përfitime të larta ekonomike.
Ka shumë studime mbi adsorbimin dhe trajtimin e metaleve të rënda toksike si arseniku, kromi, kadmiumi dhe plumbi duke përdorur nano ceria dhe materialet e tij të përbërë. PH optimale e adsorption ndryshon për jonet e metaleve të rënda me gjendje të ndryshme valence. Për shembull, gjendja e dobët alkaline me paragjykim neutral ka gjendjen më të mirë të adsorbimit për AS (III), ndërsa gjendja optimale e adsorbimit për AS (V) arrihet në kushte të dobëta acidike, ku kapaciteti i adsorption mund të arrijë mbi 110mg/g në të dy kushtet. Në përgjithësi, sinteza e optimizuar e nano ceria dhe materialet e tij të përbërë mund të arrijnë nivele të larta të adsorbimit dhe heqjes për jone të ndryshme të metaleve të rënda në një gamë të gjerë të pH.
Nga ana tjetër, nanomaterialet e bazuara në oksid cerium gjithashtu kanë performancë të jashtëzakonshme në organikë adsorbues në ujërat e zeza, të tilla si acid portokalli, rodamina B, kongo e kuqe, etj. Për shembull, në rastet ekzistuese të raportuar 942.7mg/g në 60 minuta.
2.2 Zbatimi i nano ceria në procesin e avancuar të oksidimit
Procesi i avancuar i oksidimit (AOP për shkurt) është propozuar për të përmirësuar sistemin ekzistues të trajtimit anhidër. Procesi i avancuar i oksidimit, i njohur gjithashtu si teknologji e oksidimit të thellë, karakterizohet nga prodhimi i radikalit hidroksil (· OH), radikalit të superoksidit (· O2 -), oksigjenit të vetëm, etj me aftësi të fortë oksidimi. Nën kushtet e reagimit të temperaturës dhe presionit të lartë, energjisë elektrike, tingullit, rrezatimit të dritës, katalizatorit, etj. Sipas mënyrave të ndryshme të gjenerimit të radikalëve të lirë dhe kushteve të reagimit, ato mund të ndahen në oksidimin fotokimik, oksidimin e lagësht katalitik, oksidimin e sonokimisë, oksidimin e ozonit, oksidimin elektrokimik, oksidimin e fentonit, etj. (Shih Figurën 2).
Figura 2 Klasifikimi dhe kombinimi i teknologjisë së procesit të avancuar të oksidimit
Nano ceriaështë një katalizator heterogjen që përdoret zakonisht në procesin e avancuar të oksidimit. Për shkak të shndërrimit të shpejtë midis CE3+dhe CE4+dhe efektit të shpejtë të zvogëlimit të oksidimit të sjellë nga thithja dhe lëshimi i oksigjenit, Nano Ceria ka aftësi të mirë katalitike. Kur përdoret si një nxitës i katalizatorit, ai gjithashtu mund të përmirësojë në mënyrë efektive aftësinë dhe stabilitetin katalitik. Kur nano ceria dhe materialet e saj të përbërë përdoren si katalizatorë, vetitë katalitike ndryshojnë shumë me morfologjinë, madhësinë e grimcave dhe aeroplanët kristal të ekspozuar, të cilët janë faktorët kryesorë që ndikojnë në performancën dhe aplikimin e tyre. Në përgjithësi besohet se sa më të vogla të jenë grimcat dhe sa më e madhe të jetë sipërfaqja specifike e sipërfaqes, aq më shumë përkatëse aktive dhe aq më e fortë është aftësia katalitike. Aftësia katalitike e sipërfaqes së kristalit të ekspozuar, nga i fortë në i dobët, është në rendin e (100) sipërfaqes kristal> (110) sipërfaqe kristal> (111) sipërfaqe kristal, dhe stabiliteti përkatës është i kundërt.
Oksidi i ceriumit është një material gjysmëpërçues. Kur oksidi i ceriumit nanometër rrezatohet nga fotone me energji më të lartë se hendeku i brezit, elektronet e bandës së valencës janë të ngazëllyer dhe ndodh sjellja e rekombinimit të tranzicionit. Kjo sjellje do të promovojë shkallën e konvertimit të CE3+dhe CE4+, duke rezultuar në një aktivitet të fortë fotokatalitik të nano ceria. Fotokatalizimi mund të arrijë degradim të drejtpërdrejtë të lëndës organike pa ndotje sekondare, kështu që aplikimi i saj është teknologjia më e studiuar në fushën e Nano Ceria në AOPS. Aktualisht, fokusi kryesor është në trajtimin e degradimit katalitik të ngjyrave azo, fenolit, klorobenzenit dhe ujërave të zeza farmaceutike duke përdorur katalizatorë me morfologji të ndryshme dhe kompozime të përbëra. Sipas raportit, nën metodën e sintezës së katalizatorit të optimizuar dhe kushtet e modelit katalitik, kapaciteti i degradimit të këtyre substancave në përgjithësi mund të arrijë më shumë se 80%, dhe kapaciteti i heqjes së karbonit organik total (TOC) mund të arrijë më shumë se 40%.
Kataliza e oksidit të ceriumit nano për degradimin e ndotësve organikë si ozoni dhe peroksidi i hidrogjenit është një teknologji tjetër e studiuar gjerësisht. Ngjashëm me fotokatalizën, ai gjithashtu përqendrohet në aftësinë e nano ceria me morfologji të ndryshme ose aeroplanët kristal dhe oksidantë katalitikë të përbërë të përbërë me bazë cerium për të oksiduar dhe degraduar ndotësit organikë. Në reagime të tilla, katalizatorët mund të katalizojnë gjenerimin e një numri të madh të radikalëve aktivë nga ozoni ose peroksidi i hidrogjenit, të cilët sulmojnë ndotësit organikë dhe arrijnë aftësi më efikase të degradimit oksidues. Për shkak të futjes së oksidantëve në reagim, aftësia për të hequr komponimet organike është përmirësuar shumë. Në shumicën e reagimeve, shkalla e heqjes përfundimtare të substancës së synuar mund të arrijë ose të afrohet 100%, dhe shkalla e heqjes TOC është gjithashtu më e lartë.
Në metodën e oksidimit të avancuar elektrokatalitik të avancuar, vetitë e materialit anodë me evolucionin e lartë të oksigjenit përcaktojnë selektivitetin e metodës së oksidimit të avancuar elektrokatalitik për trajtimin e ndotësve organikë. Materiali katodik është një faktor i rëndësishëm që përcakton prodhimin e H2O2, dhe prodhimi i H2O2 përcakton efikasitetin e metodës së oksidimit të përparuar elektrokatalitik për trajtimin e ndotësve organikë. Studimi i modifikimit të materialit elektrodë duke përdorur nano ceria ka marrë vëmendje të gjerë si brenda dhe ndërkombëtarisht. Studiuesit kryesisht prezantojnë oksid nano cerium dhe materialet e tij të përbërë përmes metodave të ndryshme kimike për të modifikuar materiale të ndryshme të elektrodave, për të përmirësuar aktivitetin e tyre elektrokimik dhe në këtë mënyrë rrisin aktivitetin elektrokatalitik dhe shkallën e heqjes përfundimtare.
Mikrovalë dhe ultratinguj shpesh janë masa ndihmëse të rëndësishme për modelet katalitike të mësipërme. Duke marrë ndihmë tejzanor si shembull, duke përdorur valët e tingullit të dridhjeve me frekuenca më të larta se 25kHz për sekondë, miliona flluska jashtëzakonisht të vogla gjenerohen në një zgjidhje të formuluar me një agjent pastrimi të dizajnuar posaçërisht. Këto flluska të vogla, gjatë kompresimit dhe zgjerimit të shpejtë, prodhojnë vazhdimisht shpërthim flluskë, duke lejuar që materialet të shkëmbejnë shpejt dhe shpërndahen në sipërfaqen e katalizatorit, shpesh duke përmirësuar në mënyrë eksponenciale efikasitetin katalitik.
3 Përfundim
Nano ceria dhe materialet e tij të përbërë mund të trajtojnë në mënyrë efektive jonet dhe ndotësit organikë në ujë, dhe të kenë potencial të rëndësishëm aplikimi në fushat e ardhshme të trajtimit të ujit. Sidoqoftë, shumica e hulumtimeve janë akoma në fazën laboratorike, dhe për të arritur aplikimin e shpejtë në trajtimin e ujit në të ardhmen, çështjet e mëposhtme ende duhet të adresohen urgjentisht:
(1) Kostoja relativisht e lartë e përgatitjes së NanoCEO2Materialet e bazuara mbeten një faktor i rëndësishëm në pjesën dërrmuese të aplikimeve të tyre në trajtimin e ujit, të cilat janë akoma në fazën e kërkimit laboratorik. Eksplorimi i metodave të përgatitjes me kosto të ulët, të thjeshtë dhe efektive që mund të rregullojnë morfologjinë dhe madhësinë e materialeve të bazuara në nano CEO2 është ende një fokus i hulumtimit.
(2) Për shkak të madhësisë së vogël të grimcave të materialeve të bazuara në nano CEO2, çështjet e riciklimit dhe rigjenerimit pas përdorimit janë gjithashtu faktorë të rëndësishëm që kufizojnë aplikimin e tyre. Përbërja e tij me materiale rrëshirë ose materiale magnetike do të jetë një drejtim kryesor hulumtues për përgatitjen e tij të materialit dhe teknologjinë e riciklimit.
(3) Zhvillimi i një procesi të përbashkët midis teknologjisë së trajtimit të ujit të materialeve me bazë Nano CEO2 dhe teknologjisë tradicionale të trajtimit të ujërave të zeza do të promovojë shumë aplikimin e teknologjisë katalitike të materialeve të bazuara në Nano CEO2 në fushën e trajtimit të ujit.
(4) Ende ka një hulumtim të kufizuar mbi toksicitetin e materialeve të bazuara në Nano CEO2, dhe sjellja e tyre mjedisore dhe mekanizmi i toksicitetit në sistemet e trajtimit të ujit nuk janë përcaktuar ende. Procesi aktual i trajtimit të ujërave të zeza shpesh përfshin bashkëjetesën e ndotësve të shumëfishtë, dhe ndotësit bashkëjetues do të bashkëveprojnë me njëri -tjetrin, duke ndryshuar kështu karakteristikat e sipërfaqes dhe toksicitetin e mundshëm të nanomaterialeve. Prandaj, ekziston një nevojë urgjente për të kryer më shumë hulumtime mbi aspektet e lidhura.
Koha e postimit: maj-22-2023