CEO2ay isang mahalagang sangkap ng mga bihirang materyales sa lupa. AngRare Earth Element Ceriumay may isang natatanging panlabas na elektronikong istraktura - 4F15D16S2. Ang espesyal na 4F layer nito ay maaaring epektibong mag -imbak at maglabas ng mga electron, na ginagawang kumilos ang mga cerium ion sa+3 valence state at+4 valence state. Samakatuwid, ang mga materyales sa CEO2 ay may higit pang mga butas ng oxygen, at may mahusay na kakayahang mag -imbak at maglabas ng oxygen. Ang isa't isa na pag-convert ng CE (III) at CE (IV) ay nagbibigay din ng mga materyales sa CEO2 na may natatanging mga kakayahan sa catalytic na pagbabawas ng oksihenasyon. Kung ikukumpara sa mga bulk na materyales, ang Nano CEO2, bilang isang bagong uri ng inorganic na materyal, ay nakatanggap ng malawak na pansin dahil sa mataas na tiyak na lugar ng ibabaw, mahusay na pag-iimbak ng oxygen at kakayahan ng pagpapakawala, conductivity ng oxygen ion, pagganap ng redox, at mataas na temperatura na mabilis na oxygen vacancy diffusion kakayahan. Mayroong kasalukuyang isang malaking bilang ng mga ulat ng pananaliksik at mga kaugnay na aplikasyon gamit ang nano CEO2 bilang mga catalysts, katalista carriers o additives, aktibong sangkap, at adsorbents.
1. Paraan ng Paghahanda ng NanometerCerium oxide
Sa kasalukuyan, ang mga karaniwang pamamaraan ng paghahanda para sa nano ceria higit sa lahat ay may kasamang pamamaraan ng kemikal at pisikal na pamamaraan. Ayon sa iba't ibang mga pamamaraan ng kemikal, ang mga pamamaraan ng kemikal ay maaaring nahahati sa pamamaraan ng pag -ulan, pamamaraan ng hydrothermal, pamamaraan ng solvothermal, pamamaraan ng sol gel, pamamaraan ng microemulsion at pamamaraan ng electrodeposition; Ang pisikal na pamamaraan ay higit sa lahat ang paraan ng paggiling.
1.1 Paraan ng Paggiling
Ang paraan ng paggiling para sa paghahanda ng nano ceria sa pangkalahatan ay gumagamit ng paggiling ng buhangin, na may mga pakinabang ng mababang gastos, kabaitan sa kapaligiran, mabilis na bilis ng pagproseso, at malakas na kakayahan sa pagproseso. Kasalukuyan itong pinakamahalagang pamamaraan sa pagproseso sa industriya ng Nano Ceria. Halimbawa, ang paghahanda ng nano cerium oxide polishing pulbos sa pangkalahatan ay nagpatibay ng isang kumbinasyon ng pagkalkula at paggiling ng buhangin, at ang mga hilaw na materyales ng cerium based denitration catalysts ay halo-halong para sa pre-paggamot o ginagamot pagkatapos ng pagkalkula gamit ang paggiling ng buhangin. Sa pamamagitan ng paggamit ng iba't ibang mga laki ng butil na paggiling ng bead ratios, ang nano ceria na may D50 na mula sa sampu -sampung hanggang sa daan -daang mga nanometer ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pagsasaayos.
1.2 Pamamaraan sa pag -ulan
Ang pamamaraan ng pag -ulan ay tumutukoy sa pamamaraan ng paghahanda ng solidong pulbos sa pamamagitan ng pag -ulan, paghihiwalay, paghuhugas, pagpapatayo, at pagkalkula ng mga hilaw na materyales na natunaw sa naaangkop na mga solvent. Ang pamamaraan ng pag -ulan ay malawakang ginagamit sa paghahanda ng bihirang lupa at doped nanomaterial, na may mga pakinabang tulad ng simpleng proseso ng paghahanda, mataas na kahusayan, at mababang gastos. Ito ay isang karaniwang ginagamit na pamamaraan para sa paghahanda ng nano ceria at ang mga pinagsama -samang materyales sa industriya. Ang pamamaraang ito ay maaaring maghanda ng nano ceria na may iba't ibang morpolohiya at laki ng butil sa pamamagitan ng pagbabago ng temperatura ng pag -ulan, konsentrasyon ng materyal, halaga ng pH, bilis ng pag -ulan, pagpapakilos ng bilis, template, atbp. Bilang kahalili, ang mga cerium ion ay maaaring maubos ng OH - nabuo mula sa hydrolysis ng sodium citrate, at pagkatapos ay natupok at kinakalkula upang maghanda ng flake tulad ng nano ceria microspheres.
1.3 Mga pamamaraan ng hydrothermal at solvothermal
Ang dalawang pamamaraan na ito ay tumutukoy sa pamamaraan ng paghahanda ng mga produkto sa pamamagitan ng mataas na temperatura at reaksyon ng mataas na presyon sa kritikal na temperatura sa isang saradong sistema. Kapag ang reaksyon ng solvent ay tubig, tinatawag itong hydrothermal na pamamaraan. Kaugnay nito, kapag ang reaksyon ng solvent ay isang organikong solvent, tinatawag itong solvothermal na pamamaraan. Ang synthesized nano particle ay may mataas na kadalisayan, mahusay na pagpapakalat at pantay na mga partikulo, lalo na ang mga pulbos na nano na may iba't ibang mga morpolohiya o nakalantad na mga espesyal na mukha ng kristal. Dissolve cerium klorido sa distilled water, pukawin at magdagdag ng sodium hydroxide solution. React hydrothermal sa 170 ℃ para sa 12 oras upang maghanda ng cerium oxide nanorods na may nakalantad (111) at (110) mga eroplano na kristal. Sa pamamagitan ng pag -aayos ng mga kondisyon ng reaksyon, ang proporsyon ng (110) na mga eroplano ng kristal sa nakalantad na mga eroplano ng kristal ay maaaring tumaas, karagdagang pagpapahusay ng kanilang aktibidad na catalytic. Ang pag -aayos ng reaksyon ng solvent at mga ligid sa ibabaw ay maaari ring makagawa ng mga particle ng nano ceria na may espesyal na hydrophilicity o lipophilicity. Halimbawa, ang pagdaragdag ng mga ion ng acetate sa may tubig na yugto ay maaaring maghanda ng monodisperse hydrophilic cerium oxide nanoparticle sa tubig. Sa pamamagitan ng pagpili ng isang non-polar solvent at pagpapakilala ng oleic acid bilang isang ligand sa panahon ng reaksyon, ang monodisperse lipophilic ceria nanoparticle ay maaaring ihanda sa mga non-polar organic solvents. (Tingnan ang Larawan 1)
Larawan 1 Monodisperse Spherical Nano Ceria at Rod-Shaped Nano Ceria
1.4 Paraan ng Sol Gel
Ang pamamaraan ng sol gel ay isang pamamaraan na gumagamit ng ilan o maraming mga compound bilang mga nauna, nagsasagawa ng mga reaksyon ng kemikal tulad ng hydrolysis sa likidong yugto upang mabuo ang SOL, at pagkatapos ay bumubuo ng gel pagkatapos ng pag -iipon, at sa wakas ay nag -dry at mga calcine upang maghanda ng mga pulbos na ultrafine. Ang pamamaraang ito ay partikular na angkop para sa paghahanda ng lubos na nakakalat na multi-sangkap na nano ceria composite nanomaterial, tulad ng cerium iron, cerium titanium, cerium zirconium at iba pang composite nano oxides, na naiulat sa maraming mga ulat.
1.5 Iba pang mga pamamaraan
Bilang karagdagan sa mga pamamaraan sa itaas, mayroon ding paraan ng micro lotion, pamamaraan ng synthesis ng microwave, paraan ng electrodeposition, pamamaraan ng pagkasunog ng apoy, pamamaraan ng pag-iiba ng lamad ng membrane at maraming iba pang mga pamamaraan. Ang mga pamamaraan na ito ay may malaking kabuluhan para sa pananaliksik at aplikasyon ng nano ceria.
Application ng 2-nanometer cerium oxide sa paggamot ng tubig
Ang cerium ay ang pinaka -masaganang elemento sa mga bihirang elemento ng lupa, na may mababang presyo at malawak na aplikasyon. Ang nanometer ceria at ang mga composite nito ay nakakaakit ng maraming pansin sa larangan ng paggamot ng tubig dahil sa kanilang mataas na tiyak na lugar ng ibabaw, mataas na aktibidad ng catalytic at mahusay na katatagan ng istruktura.
2.1 Application ngNano Cerium Oxidesa paggamot ng tubig sa pamamagitan ng pamamaraan ng adsorption
Sa mga nagdaang taon, sa pag -unlad ng mga industriya tulad ng industriya ng elektronika, isang malaking halaga ng wastewater na naglalaman ng mga pollutant tulad ng mga mabibigat na metal ion at fluorine ion ay pinalabas. Kahit na sa mga konsentrasyon ng bakas, maaari itong maging sanhi ng makabuluhang pinsala sa mga nabubuong organismo at sa kapaligiran ng pamumuhay ng tao. Ang mga karaniwang ginagamit na pamamaraan ay kinabibilangan ng oksihenasyon, flotation, reverse osmosis, adsorption, nanofiltration, biosorption, atbp. Ang mga materyales ng Nano CEO2 ay may mataas na tiyak na lugar ng ibabaw at mataas na aktibidad sa ibabaw bilang mga adsorbents, at maraming mga ulat sa synthesis ng porous nano CEO2 at ang mga pinagsama -samang materyales na may iba't ibang mga morpolohiya sa adsorb at alisin ang mga nakakapinsalang ion mula sa tubig.
Ipinakita ng pananaliksik na ang nano ceria ay may malakas na kapasidad ng adsorption para sa F - sa tubig sa ilalim ng mahina na mga kondisyon ng acidic. Sa isang solusyon na may paunang konsentrasyon ng F - ng 100mg/L at pH = 5-6, ang kapasidad ng adsorption para sa F - ay 23mg/g, at ang rate ng pag -alis ng F - ay 85.6%. Matapos i -load ito sa isang polyacrylic acid resin ball (halaga ng pag -load: 0.25g/g), ang kakayahan ng pag -alis ng F - ay maaaring umabot sa higit sa 99% kapag nagpapagamot ng pantay na dami ng 100mg/L ng F - may tubig na solusyon; Kapag pinoproseso ang 120 beses ang dami, higit sa 90% ng F - ay maaaring alisin. Kapag ginamit sa adsorb phosphate at iodate, ang kapasidad ng adsorption ay maaaring umabot ng higit sa 100mg/g sa ilalim ng kaukulang pinakamainam na estado ng adsorption. Ang ginamit na materyal ay maaaring magamit muli pagkatapos ng simpleng paggamot ng desorption at neutralisasyon, na may mataas na benepisyo sa ekonomiya.
Maraming mga pag -aaral sa adsorption at paggamot ng nakakalason na mabibigat na metal tulad ng arsenic, chromium, cadmium, at tingga gamit ang nano ceria at ang mga pinagsama -samang materyales. Ang pinakamainam na adsorption pH ay nag -iiba para sa mga mabibigat na ion ng metal na may iba't ibang mga estado ng valence. Halimbawa, ang mahina na kondisyon ng alkalina na may neutral na bias ay may pinakamahusay na estado ng adsorption para sa (III), habang ang pinakamainam na estado ng adsorption para sa (V) ay nakamit sa ilalim ng mahina na mga kondisyon ng acidic, kung saan ang kapasidad ng adsorption ay maaaring umabot sa higit sa 110mg/g sa ilalim ng parehong mga kondisyon. Sa pangkalahatan, ang na -optimize na synthesis ng nano ceria at ang mga pinagsama -samang materyales ay maaaring makamit ang mataas na adsorption at pag -alis ng mga rate para sa iba't ibang mga mabibigat na metal na ions sa isang malawak na saklaw ng pH.
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 942.7mg/g sa 60 minuto.
2.2 Application ng nano ceria sa advanced na proseso ng oksihenasyon
Ang advanced na proseso ng oksihenasyon (AOPS para sa maikli) ay iminungkahi upang mapagbuti ang umiiral na sistema ng paggamot ng anhydrous. Ang advanced na proseso ng oksihenasyon, na kilala rin bilang malalim na teknolohiya ng oksihenasyon, ay nailalarawan sa pamamagitan ng paggawa ng hydroxyl radical (· OH), superoxide radical (· O2 -), singlet oxygen, atbp na may malakas na kakayahan sa oksihenasyon. Sa ilalim ng mga kondisyon ng reaksyon ng mataas na temperatura at presyon, kuryente, tunog, pag -iilaw ng ilaw, katalista, atbp Ayon sa iba't ibang mga paraan ng pagbuo ng mga libreng radikal at mga kondisyon ng reaksyon, maaari silang mahati sa photochemical oxidation, catalytic wet oxidation, sonochemistry oxidation, oxidation oxidation, electrochemical oxidation, fenton oxidation, atbp (tingnan ang figure 2).
Larawan 2 Pag -uuri at Kumbinasyon ng Teknolohiya ng Advanced na Proseso ng Oxidation
Nano Ceriaay isang heterogenous catalyst na karaniwang ginagamit sa advanced na proseso ng oksihenasyon. Dahil sa mabilis na pag-convert sa pagitan ng Ce3+at Ce4+at ang mabilis na epekto ng pagbabawas ng oksihenasyon na dinala sa pamamagitan ng pagsipsip at paglabas ng oxygen, ang nano ceria ay may mahusay na kakayahan sa catalytic. Kapag ginamit bilang isang tagataguyod ng katalista, maaari rin itong epektibong mapabuti ang kakayahan at katatagan ng catalytic. Kapag ang nano ceria at ang mga pinagsama -samang materyales ay ginagamit bilang mga catalysts, ang mga katangian ng catalytic ay nag -iiba nang malaki sa morpolohiya, laki ng butil, at nakalantad na mga eroplano na kristal, na mga pangunahing kadahilanan na nakakaapekto sa kanilang pagganap at aplikasyon. Sa pangkalahatan ay pinaniniwalaan na ang mas maliit na mga particle at mas malaki ang tiyak na lugar ng ibabaw, mas kaukulang aktibong site, at mas malakas ang kakayahan ng catalytic. Ang catalytic na kakayahan ng nakalantad na ibabaw ng kristal, mula sa malakas hanggang mahina, ay nasa pagkakasunud -sunod ng (100) na kristal na ibabaw> (110) na kristal na ibabaw> (111) na kristal na ibabaw, at ang kaukulang katatagan ay kabaligtaran.
Ang cerium oxide ay isang semiconductor material. Kapag ang nanometer cerium oxide ay naiinis ng mga photon na may enerhiya na mas mataas kaysa sa agwat ng banda, ang mga electron ng valence band ay nasasabik, at ang pag -uugali ng recombination ng paglipat ay nangyayari. Ang pag -uugali na ito ay magsusulong ng rate ng conversion ng CE3+at CE4+, na nagreresulta sa malakas na photocatalytic na aktibidad ng nano ceria. Ang Photocatalysis ay maaaring makamit ang direktang pagkasira ng organikong bagay na walang pangalawang polusyon, kaya ang aplikasyon nito ay ang pinaka -pinag -aralan na teknolohiya sa larangan ng nano ceria sa AOPS. Sa kasalukuyan, ang pangunahing pokus ay sa catalytic degradation na paggamot ng mga azo dyes, phenol, chlorobenzene, at parmasyutiko na basura gamit ang mga catalysts na may iba't ibang mga morphologies at composite compositions. Ayon sa ulat, sa ilalim ng na -optimize na pamamaraan ng synthesis ng katalista at mga kondisyon ng modelo ng catalytic, ang pagkasira ng kapasidad ng mga sangkap na ito ay maaaring karaniwang maabot ang higit sa 80%, at ang kapasidad ng pag -alis ng kabuuang organikong carbon (TOC) ay maaaring umabot ng higit sa 40%.
Ang nano cerium oxide catalysis para sa pagkasira ng mga organikong pollutant tulad ng osono at hydrogen peroxide ay isa pang malawak na pinag -aralan na teknolohiya. Katulad sa photocatalysis, nakatuon din ito sa kakayahan ng nano ceria na may iba't ibang mga morphologies o mga eroplano ng kristal at iba't ibang mga cerium batay sa composite catalytic oxidants upang mag -oxidize at magpabagal sa mga organikong pollutant. Sa ganitong mga reaksyon, ang mga catalyst ay maaaring ma -catalyze ang henerasyon ng isang malaking bilang ng mga aktibong radikal mula sa osono o hydrogen peroxide, na umaatake sa mga organikong pollutant at nakamit ang mas mahusay na mga kakayahan sa pagkasira ng oxidative. Dahil sa pagpapakilala ng mga oxidants sa reaksyon, ang kakayahang alisin ang mga organikong compound ay lubos na pinahusay. Sa karamihan ng mga reaksyon, ang pangwakas na rate ng pag -alis ng target na sangkap ay maaaring maabot o lumapit sa 100%, at ang rate ng pag -alis ng TOC ay mas mataas din.
Sa electrocatalytic advanced na pamamaraan ng oksihenasyon, ang mga katangian ng materyal na anode na may mataas na ebolusyon ng oxygen na overpotential ay matukoy ang pagpili ng electrocatalytic advanced na pamamaraan ng oksihenasyon para sa pagpapagamot ng mga organikong pollutant. Ang materyal na katod ay isang mahalagang kadahilanan na tumutukoy sa paggawa ng H2O2, at ang paggawa ng H2O2 ay tumutukoy sa kahusayan ng electrocatalytic advanced na pamamaraan ng oksihenasyon para sa pagpapagamot ng mga organikong pollutant. Ang pag -aaral ng pagbabago ng materyal na elektrod gamit ang nano ceria ay nakatanggap ng malawak na pansin kapwa sa loob at sa buong mundo. Pangunahing ipinakilala ng mga mananaliksik ang nano cerium oxide at ang mga pinagsama -samang materyales sa pamamagitan ng iba't ibang mga pamamaraan ng kemikal upang baguhin ang iba't ibang mga materyales sa elektrod, pagbutihin ang kanilang electrochemical na aktibidad, at sa gayon ay madaragdagan ang aktibidad ng electrocatalytic at pangwakas na rate ng pag -alis.
Ang microwave at ultrasound ay madalas na mahalagang mga hakbang na pantulong para sa mga nasa itaas na mga modelo ng catalytic. Ang pagkuha ng ultrasonic na tulong bilang isang halimbawa, gamit ang mga tunog ng tunog ng panginginig ng boses na may mga frequency na mas mataas kaysa sa 25kHz bawat segundo, milyon -milyong mga maliliit na bula ay nabuo sa isang solusyon na nabuo sa isang espesyal na dinisenyo na ahente ng paglilinis. Ang mga maliliit na bula na ito, sa panahon ng mabilis na compression at pagpapalawak, ay patuloy na gumagawa ng bubble implosion, na nagpapahintulot sa mga materyales na mabilis na makipagpalitan at magkalat sa ibabaw ng katalista, madalas na pagpapabuti ng kahusayan ng catalytic.
3 Konklusyon
Ang nano ceria at ang mga pinagsama -samang materyales ay maaaring epektibong gamutin ang mga ions at mga organikong pollutant sa tubig, at may mahalagang potensyal na aplikasyon sa mga patlang sa paggamot sa tubig sa hinaharap. Gayunpaman, ang karamihan sa pananaliksik ay nasa yugto pa rin ng laboratoryo, at upang makamit ang mabilis na aplikasyon sa paggamot ng tubig sa hinaharap, ang mga sumusunod na isyu ay kailangan pa ring mapilit na matugunan:
(1) Ang medyo mataas na gastos sa paghahanda ng nanoCEO2Ang mga batay sa materyales ay nananatiling isang mahalagang kadahilanan sa karamihan ng kanilang mga aplikasyon sa paggamot sa tubig, na nasa yugto ng pananaliksik sa laboratoryo. Ang paggalugad ng mababang gastos, simple at epektibong mga pamamaraan ng paghahanda na maaaring mag-regulate ng morphology at laki ng mga materyales na nakabase sa NANO CEO2 ay pokus pa rin ng pananaliksik.
. Ang composite nito na may mga materyales sa dagta o magnetic material ay magiging isang pangunahing direksyon ng pananaliksik para sa materyal na paghahanda at teknolohiya ng pag -recycle.
.
(4) Mayroon pa ring limitadong pananaliksik sa pagkakalason ng mga materyales na batay sa Nano CEO2, at ang kanilang pag -uugali sa kapaligiran at mekanismo ng pagkakalason sa mga sistema ng paggamot ng tubig ay hindi pa natukoy. Ang aktwal na proseso ng paggamot sa dumi sa alkantarilya ay madalas na nagsasangkot ng pagkakaisa ng maraming mga pollutant, at ang magkakasamang mga pollutant ay makikipag -ugnay sa bawat isa, sa gayon binabago ang mga katangian ng ibabaw at potensyal na pagkakalason ng mga nanomaterial. Samakatuwid, mayroong isang kagyat na pangangailangan upang magsagawa ng mas maraming pananaliksik sa mga kaugnay na aspeto.
Oras ng post: Mayo-22-2023