CeO2är en viktig komponent i sällsynta jordartsmetaller.Desällsynt jordartsmetall ceriumhar en unik yttre elektronisk struktur - 4f15d16s2.Dess speciella 4f-skikt kan effektivt lagra och frigöra elektroner, vilket gör att ceriumjoner beter sig i valenstillståndet +3 och valenstillstånd +4.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 unika oxidationsreducerande katalytiska egenskaper.Jämfört med bulkmaterial har nano CeO2, som en ny typ av oorganiskt material, fått stor uppmärksamhet på grund av dess höga specifika ytarea, utmärkta syrelagrings- och frigöringsförmåga, syrejonledningsförmåga, redoxprestanda och snabba högtemperaturdiffusion av syrevakans. förmåga.Det finns för närvarande ett stort antal forskningsrapporter och relaterade tillämpningar som använder nano CeO2 som katalysatorer, katalysatorbärare eller tillsatser, aktiva komponenter och adsorbenter.
1. Beredningsmetod för nanometerceriumoxid
För närvarande inkluderar de vanliga beredningsmetoderna för nanocerium främst kemisk metod och fysikalisk metod.Enligt olika kemiska metoder kan kemiska metoder delas in i utfällningsmetod, hydrotermisk metod, solvotermisk metod, solgelmetod, mikroemulsionsmetod och elektrolytisk utfällningsmetod;Den fysiska metoden är främst malningsmetoden.
1.1 Slipmetod
Slipmetoden för att förbereda nanoceria använder vanligtvis sandslipning, vilket har fördelarna med låg kostnad, miljövänlighet, snabb bearbetningshastighet och stark bearbetningsförmåga.Det är för närvarande den viktigaste bearbetningsmetoden inom nanocerieindustrin.Till exempel använder beredningen av nanoceriumoxidpoleringspulver i allmänhet en kombination av kalcinering och sandslipning, och råvarorna i ceriumbaserade denitreringskatalysatorer blandas också för förbehandling eller behandlas efter kalcinering med sandslipning.Genom att använda olika partikelstorlekar för sandslipningspärlor kan nanoceriumoxid med D50 från tiotals till hundratals nanometer erhållas genom justering.
1.2 Nederbördsmetod
Utfällningsmetoden avser metoden att framställa fast pulver genom utfällning, separation, tvättning, torkning och kalcinering av råmaterial lösta i lämpliga lösningsmedel.Utfällningsmetoden används i stor utsträckning vid framställning av sällsynta jordartsmetaller och dopade nanomaterial, med fördelar som enkel beredningsprocess, hög effektivitet och låg kostnad.Det är en vanlig metod för att framställa nanoceriumoxid och dess kompositmaterial inom industrin.Denna metod kan framställa nanoceriumoxid med olika morfologi och partikelstorlek genom att ändra utfällningstemperatur, materialkoncentration, pH-värde, utfällningshastighet, omrörningshastighet, mall etc. Vanliga metoder förlitar sig på utfällning av ceriumjoner från ammoniak som genereras genom nedbrytning av urea, och framställningen av nanoceriumoxidmikrosfärer styrs av citratjoner.Alternativt kan ceriumjoner fällas ut av OH - genererad från hydrolysen av natriumcitrat, och sedan inkuberas och kalcineras för att framställa flingor som nanoceriumoxidmikrosfärer.
1.3 Hydrotermiska och solvotermiska metoder
Dessa två metoder avser metoden att framställa produkter genom högtemperatur- och högtrycksreaktion vid kritisk temperatur i ett slutet system.När reaktionslösningsmedlet är vatten kallas det hydrotermisk metod.På motsvarande sätt, när reaktionslösningsmedlet är ett organiskt lösningsmedel, kallas det solvotermisk metod.De syntetiserade nanopartiklarna har hög renhet, god spridning och enhetliga partiklar, speciellt nanopulvret med olika morfologier eller exponerade speciella kristallytor.Lös upp ceriumklorid i destillerat vatten, rör om och tillsätt natriumhydroxidlösning.Reagera hydrotermiskt vid 170 ℃ i 12 timmar för att förbereda nanorods av ceriumoxid 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 reaktionslösningsmedlet och ytligander kan också producera nanoceriumoxidpartiklar med speciell hydrofilicitet eller lipofilicitet.Till exempel kan tillsats av acetatjoner till vattenfasen framställa monodispersa hydrofila ceriumoxidnanopartiklar i vatten.Genom att välja ett opolärt lösningsmedel och introducera oljesyra som en ligand under reaktionen kan monodispersa lipofila ceria-nanopartiklar framställas i opolära organiska lösningsmedel.(Se bild 1)
Figur 1. Monodisperse sfäriska nanoceriumoxid och stavformad nanoceriumoxid
1.4 Sol gel metod
Solgelmetoden är en metod som använder några eller flera föreningar som prekursorer, utför kemiska reaktioner såsom hydrolys i vätskefasen för att bilda sol, och sedan bildar gel efter åldring, och slutligen torkar och kalcinerar för att framställa ultrafina pulver.Denna metod är särskilt lämplig för att framställa högdispergerade nanoceriumoxidkompositnanomaterial med flera komponenter, såsom ceriumjärn, ceriumtitan, ceriumzirkonium och andra sammansatta nanooxider, som har rapporterats i många rapporter.
1.5 Andra metoder
Utöver ovanstående metoder finns det också mikrolotionmetoder, mikrovågssyntesmetod, elektroavsättningsmetod, plasmaflamförbränningsmetod, jonbytesmembranelektrolysmetod och många andra metoder.Dessa metoder har stor betydelse för forskning och tillämpning av nanoceriumoxid.
Applicering av 2-nanometer ceriumoxid vid vattenbehandling
Cerium är det vanligaste grundämnet bland sällsynta jordartsmetaller, med låga priser och breda tillämpningar.Nanometer ceriumoxid och dess kompositer har väckt stor uppmärksamhet inom vattenbehandlingsområdet på grund av deras höga specifika yta, höga katalytiska aktivitet och utmärkta strukturella stabilitet.
2.1 Tillämpning avNano ceriumoxidi vattenbehandling genom adsorptionsmetod
Under de senaste åren, med utvecklingen av industrier som elektronikindustrin, har en stor mängd avloppsvatten innehållande föroreningar som tungmetalljoner och fluorjoner släppts ut.Även vid spårkoncentrationer kan det orsaka betydande skador på vattenlevande organismer och den mänskliga livsmiljön.Vanligt använda metoder inkluderar oxidation, flotation, omvänd osmos, adsorption, nanofiltrering, biosorption, etc. Bland dem används ofta adsorptionsteknik på grund av dess enkla funktion, låga kostnad och höga behandlingseffektivitet.Nano CeO2-material har hög specifik yta och hög ytaktivitet som adsorbenter, och det har förekommit många rapporter om syntesen av porös nano CeO2 och dess kompositmaterial med olika morfologier för att adsorbera och ta bort skadliga joner från vatten.
Forskning har visat att nanoceriumoxid har stark adsorptionsförmåga för F - i vatten under svaga sura förhållanden.I en lösning med en initial koncentration av F - på 100 mg/L och pH=5-6 är adsorptionskapaciteten för F - 23 mg/g, och borttagningshastigheten för F - är 85,6%.Efter att ha laddats på en kula av polyakrylsyraharts (laddningsmängd: 0,25 g/g), kan borttagningsförmågan hos 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 % av F - tas bort.När den används för att adsorbera fosfat och jodat kan adsorptionskapaciteten nå över 100 mg/g under motsvarande optimala adsorptionstillstånd.Det använda materialet kan återanvändas efter enkel desorptions- och neutraliseringsbehandling, vilket har stora ekonomiska fördelar.
Det finns många studier om adsorption och behandling av giftiga tungmetaller som arsenik, krom, kadmium och bly med hjälp av nanoceriumoxid och dess kompositmaterial.Det optimala adsorptions-pH varierar för tungmetalljoner med olika valenstillstånd.Till exempel har det svaga alkaliska tillståndet med neutral bias 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 betingelser.Sammantaget kan den optimerade syntesen av nanoceriumoxid och dess kompositmaterial uppnå höga adsorptions- och borttagningshastigheter för olika tungmetalljoner över ett brett pH-område.
Å andra sidan har ceriumoxidbaserade nanomaterial också enastående prestanda när det gäller att adsorbera organiska ämnen i avloppsvatten, såsom sur orange, rhodamin B, Kongorött, etc. Till exempel, i befintliga rapporterade fall, har porösa sfärer av nanocerium som framställts med elektrokemiska metoder höga adsorptionskapacitet vid avlägsnande av organiska färgämnen, särskilt vid avlägsnande av Kongorött, med en adsorptionskapacitet på 942,7 mg/g på 60 minuter.
2.2 Applicering av nanoceriumoxid i avancerad oxidationsprocess
Avancerad oxidationsprocess (förkortat AOP) föreslås för att förbättra det befintliga vattenfria reningssystemet.Avancerad oxidationsprocess, även känd som djupoxidationsteknologi, kännetecknas av produktion av hydroxylradikal (· OH), superoxidradikal (· O2 -), singlettsyre, etc. med stark oxidationsförmåga.Under reaktionsförhållandena med hög temperatur och tryck, elektricitet, ljud, ljusbestrålning, katalysator etc. Enligt de olika sätten att generera fria radikaler och reaktionsförhållanden kan de delas in i fotokemisk oxidation, katalytisk våtoxidation, sonokemioxidation, ozon oxidation, elektrokemisk oxidation, Fenton-oxidation, etc. (se figur 2).
Figur 2 Klassificering och teknologi Kombination 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 oxidations-reducerande effekten som orsakas av syreabsorption och frisättning, har nanocerium god katalytisk förmåga.När den används som en katalysatorpromotor kan den också effektivt förbättra katalytisk förmåga och stabilitet.När nanoceriumoxid och dess kompositmaterial används som katalysatorer varierar de katalytiska egenskaperna mycket med morfologin, partikelstorleken och exponerade kristallplan, som är nyckelfaktorer som påverkar deras prestanda och tillämpning.Det antas allmänt att ju mindre partiklarna är och ju större den specifika ytan är, desto mer motsvarande aktiva ställe och desto starkare är 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 exciteras valensbandselektronerna och övergångsrekombinationsbeteendet inträffar.Detta beteende kommer att främja omvandlingshastigheten för Ce3+ och Ce4+, vilket resulterar i stark fotokatalytisk aktivitet av nanoceriumoxid.Fotokatalys kan uppnå direkt nedbrytning av organiskt material utan sekundär förorening, så dess tillämpning är den mest studerade tekniken inom området nanocerium i AOP.För närvarande ligger huvudfokus på katalytisk nedbrytningsbehandling av azofärgämnen, fenol, klorbensen och farmaceutiskt avloppsvatten med hjälp av katalysatorer med olika morfologier och sammansättningar.Enligt rapporten, under den optimerade katalysatorsyntesmetoden och katalytiska modellförhållanden, kan nedbrytningskapaciteten för dessa ämnen i allmänhet nå mer än 80 %, och avlägsningskapaciteten för totalt organiskt kol (TOC) kan nå mer än 40 %.
Nanoceriumoxidkatalys för nedbrytning av organiska föroreningar som ozon och väteperoxid är en annan allmänt studerad teknik.I likhet med fotokatalys fokuserar den också på förmågan hos nanoceriumoxid med olika morfologier eller kristallplan och olika ceriumbaserade sammansatta katalytiska oxidanter att oxidera och bryta ned organiska föroreningar.I sådana reaktioner kan katalysatorer katalysera genereringen av ett stort antal aktiva radikaler från ozon eller väteperoxid, som angriper organiska föroreningar och uppnår effektivare oxidativ nedbrytningsförmåga.På grund av införandet av oxidanter i reaktionen förbättras förmågan att avlägsna organiska föreningar avsevärt.I de flesta reaktioner kan den slutliga avlägsningshastigheten för målämnet nå eller närma sig 100 %, och TOC-avlägsningshastigheten är också högre.
I den elektrokatalytiska avancerade oxidationsmetoden bestämmer egenskaperna hos anodmaterialet med hög syreutvecklingsöverpotential selektiviteten hos 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 hos den elektrokatalytiska avancerade oxidationsmetoden för behandling av organiska föroreningar.Studiet av modifiering av elektrodmaterial med nanoceriumoxid har fått stor uppmärksamhet både nationellt och internationellt.Forskare introducerar huvudsakligen nanoceriumoxid och dess kompositmaterial genom olika kemiska metoder för att modifiera olika elektrodmaterial, förbättra deras elektrokemiska aktivitet och därigenom öka den elektrokatalytiska aktiviteten och den slutliga borttagningshastigheten.
Mikrovågsugn och ultraljud är ofta viktiga hjälpåtgärder för ovanstående katalytiska modeller.Med hjälp av ultraljudshjälp som ett exempel, med hjälp av vibrationsljudvågor med frekvenser högre än 25kHz per sekund, genereras miljontals extremt små bubblor i en lösning formulerad med ett specialdesignat rengöringsmedel.Dessa små bubblor, under snabb kompression och expansion, producerar ständigt bubbelimplosion, vilket tillåter material att snabbt utbyta och diffundera på katalysatorytan, vilket ofta exponentiellt förbättrar den katalytiska effektiviteten.
3 Slutsats
Nanoceriumoxid och dess kompositmaterial kan effektivt behandla joner och organiska föroreningar i vatten och har en viktig användningspotential i framtida vattenreningsområden.Men den mesta forskningen är fortfarande i laboratoriestadiet, och för att uppnå snabb tillämpning inom vattenrening i framtiden måste följande frågor fortfarande åtgärdas omedelbart:
(1) Den relativt höga beredningskostnaden för nanoCeO2baserade material är fortfarande en viktig faktor i de allra flesta av deras tillämpningar inom vattenrening, som fortfarande befinner sig 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 hos nano CeO2-baserade material, är återvinnings- och regenereringsproblemen efter användning också viktiga faktorer som begränsar deras användning.Kompositen av det med hartsmaterial eller magnetiska material kommer att vara en viktig forskningsriktning för dess materialberedning och återvinningsteknik.
(3) Utvecklingen av en gemensam process mellan nano-CeO2-baserad materialvattenreningsteknik och traditionell avloppsreningsteknik kommer i hög grad att främja tillämpningen av nano-CeO2-baserad materialkatalytisk teknik inom vattenrening.
(4) Det finns fortfarande begränsad forskning om toxiciteten hos nano-CeO2-baserade material, och deras miljöbeteende och toxicitetsmekanism i vattenreningssystem har ännu inte fastställts.Den faktiska avloppsreningsprocessen involverar ofta samexistens av flera föroreningar, och de samexisterande föroreningarna kommer att interagera med varandra och därigenom förändra nanomaterialens ytegenskaper och potentiella toxicitet.Därför finns det ett akut behov av att genomföra mer forskning om relaterade aspekter.
Posttid: 22 maj 2023