CeO2është një komponent i rëndësishëm i materialeve të tokës së rrallë.Tëelement i rrallë i tokës ceriumka një strukturë unike elektronike të jashtme - 4f15d16s2.Shtresa e saj speciale 4f mund të ruajë dhe lirojë në mënyrë efektive elektronet, duke bërë që jonet e ceriumit të sillen në gjendjen e valencës +3 dhe +4 të valencës.Prandaj, materialet CeO2 kanë më shumë vrima oksigjeni dhe kanë aftësi të shkëlqyera për të ruajtur dhe lëshuar oksigjen.Shndërrimi i ndërsjellë i Ce (III) dhe Ce (IV) gjithashtu i pajis materialeve CeO2 me aftësi unike katalitike të reduktimit të oksidimit.Krahasuar me materialet me shumicë, nano CeO2, si një lloj i ri i materialit inorganik, ka marrë vëmendje të gjerë për shkak të sipërfaqes së tij specifike të lartë, aftësisë së shkëlqyer të ruajtjes dhe çlirimit të oksigjenit, përçueshmërisë së joneve të oksigjenit, performancës redoks dhe përhapjes së shpejtë të hapësirës së lirë të oksigjenit në temperaturë të lartë. aftësia.Aktualisht ka një numër të madh raportesh kërkimore dhe aplikacionesh të lidhura që përdorin nano CeO2 si katalizator, bartës ose aditivë katalizatorë, përbërës aktivë dhe adsorbentë.
1. Mënyra e përgatitjes së nanometritoksid ceriumi
Aktualisht, metodat e zakonshme të përgatitjes për nano ceria përfshijnë kryesisht metodën kimike dhe metodën fizike.Sipas metodave të ndryshme kimike, metodat kimike mund të ndahen në metodën e precipitimit, metodën hidrotermale, metodën solvotermale, metodën e sol xhelit, metodën e mikroemulsionit dhe metodën e elektrodepozitimit;Metoda fizike është kryesisht metoda e bluarjes.
1.1 Metoda e bluarjes
Metoda e bluarjes për përgatitjen e nano ceria në përgjithësi përdor bluarjen me rërë, e cila ka avantazhet e kostos së ulët, mirëdashjes mjedisore, shpejtësisë së shpejtë të përpunimit dhe aftësisë së fortë të përpunimit.Aktualisht është metoda më e rëndësishme e përpunimit në industrinë e nano ceria.Për shembull, përgatitja e pluhurit lustrues të nanooksidit të ceriumit në përgjithësi miraton një kombinim të kalcinimit dhe bluarjes me rërë, dhe lëndët e para të katalizatorëve të denitrimit me bazë ceriumi gjithashtu përzihen për para-trajtim ose trajtohen pas kalcinimit duke përdorur bluarje me rërë.Duke përdorur raporte të ndryshme të rruazës bluarëse të rërës me madhësi të grimcave, nano ceria me D50 që varion nga dhjetëra në qindra nanometra mund të merret nëpërmjet rregullimit.
1.2 Metoda e reshjeve
Metoda e precipitimit i referohet metodës së përgatitjes së pluhurit të ngurtë me precipitim, ndarje, larje, tharje dhe kalcinim të lëndëve të para të tretura në tretës të përshtatshëm.Metoda e reshjeve përdoret gjerësisht në përgatitjen e nanomaterialeve të rralla të tokës dhe të dopuar, me përparësi të tilla si procesi i thjeshtë i përgatitjes, efikasiteti i lartë dhe kosto e ulët.Është një metodë e përdorur zakonisht për përgatitjen e nano ceria dhe materialeve të saj të përbëra në industri.Kjo metodë mund të përgatisë nano ceria me morfologji dhe madhësi të ndryshme të grimcave duke ndryshuar temperaturën e reshjeve, përqendrimin e materialit, vlerën e pH, shpejtësinë e precipitimit, shpejtësinë e trazimit, shabllonin, etj. Metodat e zakonshme mbështeten në precipitimin e joneve të ceriumit nga amoniaku i krijuar nga dekompozimi i uresë. dhe përgatitja e mikrosferave nano ceria kontrollohet nga jonet citrat.Përndryshe, jonet e ceriumit mund të precipitohen nga OH - i krijuar nga hidroliza e citratit të natriumit, dhe më pas të inkubohen dhe kalcinohen për të përgatitur mikrosfera si nano ceria.
1.3 Metodat hidrotermale dhe solvotermale
Këto dy metoda i referohen metodës së përgatitjes së produkteve me reaksion në temperaturë të lartë dhe presion të lartë në temperaturë kritike në një sistem të mbyllur.Kur tretësi i reaksionit është uji, quhet metoda hidrotermale.Përkatësisht, kur tretësi i reaksionit është një tretës organik, quhet metodë solvotermale.Nano grimcat e sintetizuara kanë pastërti të lartë, shpërndarje të mirë dhe grimca uniforme, veçanërisht nano pluhurat me morfologji të ndryshme ose fytyra të veçanta kristalore të ekspozuara.Shpërndani klorurin e ceriumit në ujë të distiluar, përzieni dhe shtoni tretësirën e hidroksidit të natriumit.Reagoni hidrotermal në 170 ℃ për 12 orë për të përgatitur nanoshodina të oksidit të ceriumit me plane kristal të ekspozuar (111) dhe (110).Duke rregulluar kushtet e reaksionit, proporcioni i (110) planeve kristal në rrafshet kristal të ekspozuar mund të rritet, duke rritur më tej aktivitetin e tyre katalitik.Rregullimi i tretësit të reagimit dhe ligandëve sipërfaqësor mund të prodhojë gjithashtu grimca nano ceria me hidrofilitet ose lipofilitet të veçantë.Për shembull, shtimi i joneve të acetatit në fazën ujore mund të përgatisë nanogrimca monodisperse të oksidit të ceriumit hidrofil në ujë.Duke zgjedhur një tretës jopolar dhe duke futur acidin oleik si një ligand gjatë reaksionit, nanogrimcat lipofilike monodisperse të ceria mund të përgatiten në tretës organikë jopolarë.(Shih Figurën 1)
Figura 1 Nano ceria sferike monodisperse dhe nano ceria në formë shufre
1.4 Metoda sol xhel
Metoda e sol xhel është një metodë që përdor disa ose disa komponime si prekursorë, kryen reaksione kimike si hidroliza në fazën e lëngshme për të formuar sol, dhe më pas formon xhel pas plakjes, dhe në fund thahet dhe kalcinon për të përgatitur pluhurat ultrafine.Kjo metodë është veçanërisht e përshtatshme për përgatitjen e nanomaterialeve të përbërë nano ceria me shumë komponentë shumë të shpërndarë, të tillë si hekuri i ceriumit, cerium titani, cerium zirkonium dhe nanookside të tjera të përbërë, të cilat janë raportuar në shumë raporte.
1.5 Metoda të tjera
Përveç metodave të mësipërme, ekzistojnë edhe metoda e mikrolocionit, metoda e sintezës me mikrovalë, metoda e elektrodepozitimit, metoda e djegies së flakës plazmatike, metoda e elektrolizës së membranës së shkëmbimit të joneve dhe shumë metoda të tjera.Këto metoda kanë një rëndësi të madhe për kërkimin dhe aplikimin e nano ceria.
Aplikimi i oksidit të ceriumit 2 nanometër në trajtimin e ujit
Ceriumi është elementi më i bollshëm në mesin e elementëve të tokës së rrallë, 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 lartë specifike, aktivitetit të lartë katalitik dhe stabilitetit të shkëlqyer strukturor.
2.1 Aplikimi iNano oksid ceriuminë trajtimin e ujit me metodën e adsorbimit
Në vitet e fundit, me zhvillimin e industrive të tilla si industria elektronike, një sasi e madhe e ujërave të zeza që përmbajnë ndotës si jonet e metaleve të rënda dhe jonet e fluorit janë shkarkuar.Edhe në përqendrime në gjurmë, mund të shkaktojë dëm të konsiderueshëm për organizmat ujorë dhe mjedisin jetësor të njeriut.Metodat e përdorura zakonisht përfshijnë oksidimin, flotacionin, osmozën e kundërt, adsorbimin, nanofiltrimin, biosorbimin, etj. Midis tyre, teknologjia e adsorbimit shpesh përdoret për shkak të funksionimit të saj të thjeshtë, kostos së ulët dhe efikasitetit të lartë të trajtimit.Materialet Nano CeO2 kanë sipërfaqe të lartë specifike dhe aktivitet të lartë sipërfaqësor si adsorbentë, dhe ka pasur shumë raporte për sintezën e nano CeO2 poroze dhe materialeve të tij të përbëra me morfologji të ndryshme për të absorbuar dhe hequr jonet e dëmshme nga uji.
Hulumtimet kanë treguar se nano ceria ka kapacitet të fortë adsorbimi për F - në ujë në kushte të dobëta acidike.Në një tretësirë me përqendrim fillestar të F - prej 100 mg/L dhe pH=5-6, kapaciteti adsorbues për F - është 23 mg/g, dhe shkalla e largimit të F - është 85.6%.Pas ngarkimit të tij në një top rrëshirë me acid poliakrilik (sasia ngarkuese: 0.25 g/g), aftësia e heqjes së F - mund të arrijë mbi 99% kur trajtohet një vëllim i barabartë prej 100 mg/L tretësirë ujore F-;Kur përpunohet 120 herë vëllimi, më shumë se 90% e F - mund të hiqet.Kur përdoret për të absorbuar fosfat dhe jod, kapaciteti i absorbimit mund të arrijë mbi 100 mg/g në gjendjen përkatëse të absorbimit optimal.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 saj të përbëra.PH optimale e absorbimit ndryshon për jonet e metaleve të rënda me gjendje të ndryshme valence.Për shembull, gjendja alkaline e dobët me paragjykim neutral ka gjendjen më të mirë të adsorbimit për As (III), ndërsa gjendja optimale e absorbimit për As (V) arrihet në kushte të dobëta acidike, ku kapaciteti i absorbimit mund të arrijë mbi 110 mg/g në të dyja. kushtet.Në përgjithësi, sinteza e optimizuar e nano ceria dhe materialeve të saj të përbëra mund të arrijë shkallë të lartë të absorbimit dhe heqjes për jonet e ndryshme të metaleve të rënda në një gamë të gjerë pH.
Nga ana tjetër, nanomaterialet me bazë oksidi cerium gjithashtu kanë performancë të jashtëzakonshme në përthithjen e lëndëve organike në ujërat e zeza, të tilla si portokallia acid, rodamina B, e kuqe e Kongos, etj. Për shembull, në rastet ekzistuese të raportuara, sferat poroze nano ceria të përgatitura me metoda elektrokimike kanë nivele të larta Kapaciteti adsorbues në heqjen e ngjyrave organike, veçanërisht në heqjen e të kuqes së Kongos, me një kapacitet adsorbimi prej 942.7 mg/g në 60 minuta.
2.2 Aplikimi i nano ceria në procesin e avancuar të oksidimit
Propozohet procesi i avancuar i oksidimit (shkurt AOPs) për të përmirësuar sistemin ekzistues të trajtimit anhidrik.Procesi i avancuar i oksidimit, i njohur edhe si teknologjia e oksidimit të thellë, karakterizohet nga prodhimi i radikalit hidroksil (· OH), radikalit superoksid (· O2 -), oksigjenit të vetëm, etj. me aftësi të fortë oksidimi.Në kushtet e reagimit të temperaturës dhe presionit të lartë, elektricitetit, zërit, rrezatimit të dritës, katalizatorit, etj. Sipas mënyrave të ndryshme të gjenerimit të radikaleve të lira dhe kushteve të reagimit, ato mund të ndahen në oksidim fotokimik, oksidim të lagësht katalitik, oksidim sonokimik, ozon. oksidimi, oksidimi elektrokimik, oksidimi me Fenton, 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 reduktimit të oksidimit të shkaktuar nga thithja dhe çlirimi i oksigjenit, nano ceria ka aftësi të mirë katalitike.Kur përdoret si një nxitës katalizator, ai gjithashtu mund të përmirësojë në mënyrë efektive aftësinë dhe stabilitetin katalitik.Kur nano ceria dhe materialet e saj të përbëra përdoren si katalizatorë, vetitë katalitike ndryshojnë shumë në varësi të morfologjisë, madhësisë së grimcave dhe planeve kristal të ekspozuar, të cilët janë faktorë kyç që ndikojnë në performancën dhe zbatimin e tyre.Në përgjithësi besohet se sa më të vogla të jenë grimcat dhe sa më e madhe të jetë sipërfaqja specifike, aq më shumë zona aktive korrespondon dhe aq më e fortë është aftësia katalitike.Aftësia katalitike e sipërfaqes së ekspozuar të kristalit, nga e forta në e dobët, është në rendin e (100) sipërfaqe kristalore> (110) sipërfaqe kristalore> (111) sipërfaqe kristali, dhe qëndrueshmëria përkatëse është e 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 brezit të valencës ngacmohen dhe ndodh sjellja e rikombinimit të tranzicionit.Kjo sjellje do të nxisë shkallën e konvertimit të Ce3+ dhe Ce4+, duke rezultuar në aktivitet të fortë fotokatalitik të nano ceria.Fotokataliza mund të arrijë degradimin e drejtpërdrejtë të lëndës organike pa ndotje dytësore, ndaj aplikimi i saj është teknologjia më e studiuar në fushën e nano ceria në AOP.Aktualisht, fokusi kryesor është në trajtimin e degradimit katalitik të azo ngjyrave, fenolit, klorobenzenit dhe ujërave të zeza farmaceutike duke përdorur katalizatorë me morfologji të ndryshme dhe përbërje të përbërë.Sipas raportit, nën metodën e optimizuar të sintezës së katalizatorit 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%.
Katalizimi i nanooksidit të ceriumit për degradimin e ndotësve organikë si ozoni dhe peroksidi i hidrogjenit është një tjetër teknologji e studiuar gjerësisht.Ngjashëm me fotokatalizën, ai gjithashtu fokusohet në aftësinë e nano cerisë me morfologji të ndryshme ose plane kristalore dhe oksidantë katalitikë të përbërë të ndryshëm me bazë ceriumi për të oksiduar dhe degraduar ndotësit organikë.Në reagime të tilla, katalizatorët mund të katalizojnë gjenerimin e një numri të madh radikalësh aktivë nga ozoni ose peroksidi i hidrogjenit, të cilët sulmojnë ndotësit organikë dhe arrijnë aftësi më efikase të degradimit oksidativ.Për shkak të futjes së oksidantëve në reaksion, aftësia për të hequr komponimet organike rritet shumë.Në shumicën e reaksioneve, shkalla përfundimtare e heqjes së substancës së synuar mund të arrijë ose të afrohet 100%, dhe shkalla e heqjes së TOC është gjithashtu më e lartë.
Në metodën e oksidimit të avancuar elektrokatalitik, vetitë e materialit anodë me mbipotencial të evolucionit të lartë të oksigjenit përcaktojnë selektivitetin e metodës së oksidimit të avancuar elektrokatalitik për trajtimin e ndotësve organikë.Materiali i katodës është një faktor i rëndësishëm që përcakton prodhimin e H2O2, dhe prodhimi i H2O2 përcakton efikasitetin e metodës së avancuar të oksidimit elektrokatalitik për trajtimin e ndotësve organikë.Studimi i modifikimit të materialit të elektrodës duke përdorur nano ceria ka marrë një vëmendje të gjerë si brenda dhe jashtë vendit.Studiuesit kryesisht prezantojnë nano oksidin e ceriumit dhe materialet e tij të përbëra përmes metodave të ndryshme kimike për të modifikuar materiale të ndryshme të elektrodave, për të përmirësuar aktivitetin e tyre elektrokimik dhe për të rritur aktivitetin elektrokatalitik dhe shkallën e largimit përfundimtar.
Mikrovalët dhe ultrazërit janë shpesh masa ndihmëse të rëndësishme për modelet katalitike të mësipërme.Duke marrë si shembull ndihmën tejzanor, duke përdorur valë zanore vibruese me frekuenca më të larta se 25 kHz për sekondë, miliona flluska jashtëzakonisht të vogla krijohen në një zgjidhje të formuluar me një agjent pastrimi të projektuar posaçërisht.Këto flluska të vogla, gjatë ngjeshjes dhe zgjerimit të shpejtë, prodhojnë vazhdimisht shpërthim flluskash, duke lejuar që materialet të shkëmbehen shpejt dhe të shpërndahen në sipërfaqen e katalizatorit, shpesh duke përmirësuar në mënyrë eksponenciale efikasitetin katalitik.
3 Përfundim
Nano ceria dhe materialet e saj të përbëra mund të trajtojnë në mënyrë efektive jonet dhe ndotësit organikë në ujë dhe kanë potencial të rëndësishëm aplikimi në fushat e ardhshme të trajtimit të ujit.Megjithatë, shumica e hulumtimeve janë ende në fazën laboratorike dhe për të arritur aplikim të shpejtë në trajtimin e ujit në të ardhmen, çështjet e mëposhtme duhet ende të adresohen urgjentisht:
(1) Kostoja relativisht e lartë e përgatitjes së nanoCeO2materialet e bazuara mbeten një faktor i rëndësishëm në shumicën dërrmuese të aplikimeve të tyre në trajtimin e ujit, të cilat janë ende në fazën e kërkimit laboratorik.Eksplorimi i metodave të përgatitjes me kosto të ulët, të thjeshta dhe efektive që mund të rregullojnë morfologjinë dhe madhësinë e materialeve me bazë nano CeO2 është ende një fokus i kërkimit.
(2) Për shkak të madhësisë së vogël të grimcave të materialeve me bazë 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 kyç kërkimor për teknologjinë e përgatitjes dhe riciklimit të materialeve.
(3) Zhvillimi i një procesi të përbashkët midis teknologjisë së trajtimit të ujit të materialit me bazë nano CeO2 dhe teknologjisë tradicionale të trajtimit të ujërave të zeza do të promovojë shumë aplikimin e teknologjisë katalitike të materialit me bazë nano CeO2 në fushën e trajtimit të ujit.
(4) Ka ende kërkime të kufizuara mbi toksicitetin e materialeve me bazë 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 shumtë dhe ndotësit bashkëekzistues do të ndërveprojnë 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 kërkime mbi aspektet përkatëse.
Koha e postimit: Maj-22-2023