VD2är en viktig del av sällsynta jordartsmaterial. Desällsynt jordelement ceriumhar en unik yttre elektronisk struktur - 4F15D16S2. Dess speciella 4F -skikt kan effektivt lagra och frigöra elektroner, vilket gör att ceriumjoner beter sig i+3 valenstillståndet och+4 valensläget. Därför har CEO2 -material fler syrehål och har utmärkt förmåga att lagra och frigöra syre. Den ömsesidiga omvandlingen av CE (III) och CE (IV) ger också CEO2-material med unika katalytiska kapaciteter för oxidation. Jämfört med bulkmaterial har NANO CEO2, som en ny typ av oorganiskt material, fått omfattande uppmärksamhet på grund av dess höga specifika ytarea, utmärkt syreförvaring och frisättningsförmåga, syrejonkonduktivitet, redoxprestanda och hög temperatur snabb syre-vakansdiffusionsförmåga. Det finns för närvarande ett stort antal forskningsrapporter och relaterade applikationer som använder NANO CEO2 som katalysatorer, katalysatorbärare eller tillsatser, aktiva komponenter och adsorbenter.
1. Förberedningsmetod för nanometerceriumoxid
För närvarande inkluderar de vanliga beredningsmetoderna för nano -ceria främst kemisk metod och fysisk metod. Enligt olika kemiska metoder kan kemiska metoder delas upp i nederbördsmetod, hydrotermisk metod, solvotermisk metod, solgelmetod, mikroemulsionsmetod och elektrodepositionsmetod; Den fysiska metoden är främst slipmetoden.
1.1 slipmetod
Slipmetoden för att framställa nano -ceria använder i allmänhet sandslipning, som har fördelarna med låg kostnad, miljövänlighet, snabb bearbetningshastighet och stark bearbetningsförmåga. Det är för närvarande den viktigaste bearbetningsmetoden i Nano Ceria -industrin. Till exempel antar framställningen av nano-ceriumoxidpoleringspulver i allmänhet en kombination av kalcinering och sandslipning, och råvarorna i ceriumbaserade denitrationskatalysatorer blandas också för förbehandling eller behandlas efter kalcinering med hjälp av sandslipning. Genom att använda olika partikelstorlek kan sandslipande pärlförhållanden, nano ceria med D50 som sträcker sig från tiotals till hundratals nanometer erhållas genom justering.
1.2 Utfällningsmetod
Utfällningsmetoden hänvisar till metoden för att framställa fast pulver genom nederbörd, separering, tvätt, torkning och kalcinering av råvaror löst i lämpliga lösningsmedel. Utfällningsmetoden används allmänt vid framställning av sällsynta jordar och dopade nanomaterial, med fördelar som enkel beredningsprocess, hög effektivitet och låga kostnader. Det är en vanligt använt metod för att framställa nano -ceria och dess sammansatta material i industrin. Denna metod kan framställa nano -ceria med olika morfologi och partikelstorlek genom att ändra nederbördstemperaturen, materialkoncentrationen, pH -värdet, nederbördshastigheten, omrörningshastighet, mall, etc. Vanliga metoder förlitar sig på utfällningen av ceriumjoner från ammoniak som genereras av urea -nedbrytning och beredningen av Nano Ceria -mikrosfärer kontrolleras av citrat. Alternativt kan ceriumjoner utfällas genom OH - genereras från hydrolysen av natriumcitrat och sedan inkuberas och kalcineras för att framställa flingor som nano ceria -mikrosfärer.
1.3 Hydrotermiska och solvotermiska metoder
Dessa två metoder hänvisar till metoden för att framställa produkter genom högtemperatur och högtrycksreaktion vid kritisk temperatur i ett stängt system. När reaktionslösningsmedlet är vatten kallas det hydrotermisk metod. På motsvarande sätt, när reaktionslösningsmedlet är ett organiskt lösningsmedel, kallas det solvotermiska metod. De syntetiserade nano -partiklarna har hög renhet, god spridning och enhetliga partiklar, särskilt nano -pulverna med olika morfologier eller exponerade speciella kristallytor. Lös upp ceriumklorid i destillerat vatten, rör om och tillsätt natriumhydroxidlösning. Reagera hydrotermisk vid 170 ℃ i 12 timmar för att framställa ceriumoxid -nanoroder med exponerade (111) och (110) kristallplan. Genom att justera reaktionsbetingelserna kan andelen (110) kristallplan i de exponerade kristallplanen ökas, vilket ytterligare förbättrar deras katalytiska aktivitet. Justering av reaktionslösningsmedel och ytligander kan också producera nano -ceriapartiklar med speciell hydrofilicitet eller lipofilicitet. Till exempel kan tillsats av acetatjoner till vattenfasen framställa monodispers hydrofil ceriumoxid -nanopartiklar i vatten. Genom att välja ett icke-polärt lösningsmedel och införa oljesyra som ligand under reaktionen kan monodispers lipofil ceria-nanopartiklar framställas i icke-polära organiska lösningsmedel. (Se figur 1)
Figur 1 Monodisperse sfärisk nano ceria och stavformad nano ceria
1.4 Sol Gel Method
SOL -gelmetoden är en metod som använder vissa eller flera föreningar som föregångare, leder kemiska reaktioner såsom hydrolys i vätskefasen för att bilda sol och sedan bildar gel efter åldrande och slutligen torkar och kalciner för att förbereda ultrafina pulver. Denna metod är särskilt lämplig för att framställa högt spridda multikomponent nano ceria-sammansatta nanomaterial, såsom ceriumjärn, cerium titan, cerium zirkonium och andra sammansatta nanooxider, som har rapporterats i många rapporter.
1.5 Andra metoder
Förutom ovanstående metoder finns det också mikrolotionsmetod, mikrovågsyntesmetod, elektrodepositionsmetod, förbränningsmetod för plasmaflam, jonbyte-membranelektrolysmetod och många andra metoder. Dessa metoder har stor betydelse för forskning och tillämpning av nano ceria.
Applicering av 2-nanometer ceriumoxid vid vattenbehandling
Cerium är det vanligaste elementet bland sällsynta jordartselement, med låga priser och breda tillämpningar. Nanometer Ceria och dess kompositer har väckt mycket uppmärksamhet inom vattenbehandlingen på grund av deras höga specifika ytarea, hög katalytisk aktivitet och utmärkt strukturell stabilitet.
2.1 Tillämpning avNano ceriumoxidVid vattenbehandling med adsorptionsmetod
Under de senaste åren, med utvecklingen av industrier som elektronikindustrin, har en stor mängd avloppsvatten som innehåller föroreningar som tungmetalljoner och fluorjoner släppts ut. Även vid spårkoncentrationer kan det orsaka betydande skada på vattenlevande organismer och den mänskliga livsmiljön. Vanliga metoder inkluderar oxidation, flotation, omvänd osmos, adsorption, nanofiltrering, biosorption, etc. Bland dem antas ofta adsorptionsteknologi på grund av dess enkla drift, låga kostnader och hög behandlingseffektivitet. NANO CEO2 -material har hög specifik ytarea och hög ytaktivitet som adsorbenter, och det har funnits många rapporter om syntesen av porös NANO CEO2 och dess sammansatta material med olika morfologier för att adsorbera och ta bort skadliga joner från vatten.
Forskning har visat att Nano Ceria har stark adsorptionskapacitet för F - i vatten under svaga sura förhållanden. I en lösning med en initial koncentration av F - av 100 mg/L och pH = 5-6 är adsorptionskapaciteten för F - 23 mg/g, och borttagningshastigheten för F - är 85,6%. Efter laddning på en polyakrylsyrahartsboll (belastningsmängd: 0,25 g/g) kan avlägsningsförmågan för F - nå över 99% vid behandling av en lika stor volym av 100 mg/L F -vattenlösning; Vid bearbetning 120 gånger volymen kan mer än 90% F - tas bort. När den används för att adsorbera fosfat och jodat kan adsorptionskapaciteten nå över 100 mg/g under motsvarande optimalt adsorptionstillstånd. Det använda materialet kan återanvändas efter enkel desorption och neutraliseringsbehandling, vilket har höga ekonomiska fördelar.
Det finns många studier om adsorption och behandling av toxiska tungmetaller som arsenik, krom, kadmium och ledning med användning av nano ceria och dess sammansatta material. Det optimala adsorptionens pH varierar för tungmetalljoner med olika valenstillstånd. Till exempel har det svaga alkaliska tillståndet med neutral förspänning det bästa adsorptionstillståndet för AS (III), medan det optimala adsorptionstillståndet för AS (V) uppnås under svaga sura förhållanden, där adsorptionskapaciteten kan nå över 110 mg/g under båda förhållandena. Sammantaget kan den optimerade syntesen av nano -ceria och dess sammansatta material uppnå höga adsorptions- och borttagningshastigheter för olika tungmetalljoner över ett brett pH -intervall.
On the other hand, cerium oxide based nanomaterials also have outstanding performance in adsorbing organics in wastewater, such as acid orange, rhodamine B, Congo red, etc. For example, in existing reported cases, nano ceria porous spheres prepared by electrochemical methods have high adsorption capacity in the removal of organic dyes, especially in the removal of Congo red, with an adsorption capacity of 942,7 mg/g på 60 minuter.
2.2 Tillämpning av nano ceria i avancerad oxidationsprocess
Avancerad oxidationsprocess (AOP för kort) föreslås för att förbättra det befintliga vattenfria behandlingssystemet. Avancerad oxidationsprocess, även känd som djup oxidationsteknik, kännetecknas av produktionen av hydroxylradikal (· OH), superoxidradikal (· O2 -), singlett syre, etc. med stark oxidationsförmåga. Under reaktionsförhållandena för hög temperatur och tryck, elektricitet, ljud, ljus bestrålning, katalysator etc. Enligt de olika sätten att generera fria radikaler och reaktionsförhållanden kan de delas upp i fotokemisk oxidation, katalytisk våtoxidation, sonokemi -oxidation, ozonoxidation, elektrokemisk oxidation, fentonoxidation, etc. (Se figur 2).
Figur 2 Klassificering och teknikkombination av avancerad oxidationsprocess
Nano ceriaär en heterogen katalysator som vanligtvis används i avancerad oxidationsprocess. På grund av den snabba omvandlingen mellan CE3+och CE4+och den snabba oxidationsminskningseffekten som åstadkommits genom syreabsorption och frisättning har Nano Ceria god katalytisk förmåga. När den används som katalysatorpromotor kan det också effektivt förbättra katalytisk förmåga och stabilitet. När Nano Ceria och dess sammansatta material används som katalysatorer, varierar de katalytiska egenskaperna mycket med morfologi, partikelstorlek och exponerade kristallplan, som är viktiga faktorer som påverkar deras prestanda och tillämpning. Det tros i allmänhet att ju mindre partiklarna och desto större är den specifika ytan, desto mer motsvarande aktiva ställe och desto starkare den katalytiska förmågan. Den katalytiska förmågan hos den exponerade kristallytan, från stark till svag, är i storleksordningen (100) kristallyta> (110) kristallyta> (111) kristallyta, och motsvarande stabilitet är motsatt.
Ceriumoxid är ett halvledarmaterial. När nanometer ceriumoxid bestrålas av fotoner med energi högre än bandgapet, upphetsar valensbandet elektroner och övergångsrekombinationsbeteendet inträffar. Detta beteende kommer att främja omvandlingshastigheten för CE3+och CE4+, vilket resulterar i stark fotokatalytisk aktivitet av nano ceria. Fotokatalys kan uppnå direkt nedbrytning av organiskt material utan sekundär förorening, så dess tillämpning är den mest studerade tekniken inom nano CERIA i AOP: er. För närvarande är huvudfokuset på den katalytiska nedbrytningsbehandlingen av azofärgämnen, fenol, klorbensen och farmaceutiskt avloppsvatten med användning av katalysatorer med olika morfologier och sammansatta kompositioner. Enligt rapporten, enligt den optimerade katalysatorsyntesmetoden och katalytiska modellförhållandena, kan nedbrytningskapaciteten för dessa ämnen i allmänhet nå mer än 80%, och borttagningskapaciteten för det totala organiska kolet (TOC) kan nå mer än 40%.
Nano ceriumoxidkatalys för nedbrytning av organiska föroreningar såsom ozon och väteperoxid är en annan allmänt studerad teknik. I likhet med fotokatalys fokuserar den också på förmågan hos nano ceria med olika morfologier eller kristallplan och olika ceriumbaserade sammansatta katalytiska oxidanter för att oxidera och förnedra organiska föroreningar. I sådana reaktioner kan katalysatorer katalysera genereringen av ett stort antal aktiva radikaler från ozon- eller väteperoxid, som attackerar organiska föroreningar och uppnår effektivare oxidativ nedbrytningskapacitet. På grund av införandet av oxidanter i reaktionen förbättras förmågan att ta bort organiska föreningar kraftigt. I de flesta reaktioner kan den slutliga borttagningshastigheten för målämnet nå eller närma sig 100%, och TOC -borttagningshastigheten är också högre.
I den elektrokatalytiska avancerade oxidationsmetoden bestämmer egenskaperna för anodmaterialet med hög syreutveckling överpotential att selektiviteten för den elektrokatalytiska avancerade oxidationsmetoden för behandling av organiska föroreningar. Katodmaterialet är en viktig faktor som bestämmer produktionen av H2O2, och produktionen av H2O2 bestämmer effektiviteten för den elektrokatalytiska avancerade oxidationsmetoden för behandling av organiska föroreningar. Studien av elektrodmaterialmodifiering med användning av nano CERIA har fått omfattande uppmärksamhet både inhemskt och internationellt. Forskare introducerar huvudsakligen nano -ceriumoxid och dess sammansatta material genom olika kemiska metoder för att modifiera olika elektrodmaterial, förbättra deras elektrokemiska aktivitet och därmed öka elektrokatalytisk aktivitet och slutlig borttagningshastighet.
Mikrovågsugn och ultraljud är ofta viktiga hjälpåtgärder för ovanstående katalytiska modeller. Med ultraljudassistans som ett exempel, med vibrationsljudvågor med frekvenser högre än 25 kHz per sekund, genereras miljoner extremt små bubblor i en lösning formulerad med ett specialdesignat rengöringsmedel. Dessa små bubblor, under snabb komprimering och expansion, producerar ständigt bubbelimplosion, vilket gör att material snabbt kan byta ut och diffundera på katalysatorytan, ofta exponentiellt förbättrar katalytisk effektivitet.
3 Slutsats
Nano Ceria och dess sammansatta material kan effektivt behandla joner och organiska föroreningar i vatten och ha en viktig appliceringspotential inom framtida vattenbehandlingsområden. Men de flesta forskningar är fortfarande i laboratoriestadiet, och för att uppnå snabb tillämpning i vattenbehandling i framtiden måste följande frågor fortfarande adresseras:
(1) Den relativt höga beredningskostnaden för NanoVD2Baserade material är fortfarande en viktig faktor i den stora majoriteten av deras tillämpningar vid vattenbehandling, som fortfarande finns i laboratorieforskningsstadiet. Att utforska billiga, enkla och effektiva beredningsmetoder som kan reglera morfologin och storleken på NANO CEO2-baserade material är fortfarande ett fokus för forskning.
(2) På grund av den lilla partikelstorleken för NANO CEO2 -baserade material är återvinnings- och regenereringsfrågor efter användning också viktiga faktorer som begränsar deras tillämpning. Kompositen av det med hartsmaterial eller magnetmaterial kommer att vara en viktig forskningsriktning för dess materialberedning och återvinningsteknik.
(3) Utvecklingen av en gemensam process mellan NANO CEO2 -baserad materialvattenbehandlingsteknologi och traditionell avloppsreningsteknik kommer att främja tillämpningen av NANO CEO2 -baserad materialkatalytisk teknik inom vattenbehandlingen.
(4) Det finns fortfarande begränsad forskning om toxiciteten hos NANO CEO2 -baserade material, och deras miljöbeteende och toxicitetsmekanism i vattenbehandlingssystem har ännu inte fastställts. Den faktiska avloppsbehandlingsprocessen involverar ofta samexistens av flera föroreningar, och de samexisterande föroreningarna kommer att interagera med varandra och därmed ändra ytegenskaperna och den potentiella toxiciteten hos nanomaterial. Därför finns det ett brådskande behov av att bedriva mer forskning om relaterade aspekter.
Posttid: maj-22-2023