CeO2noyob tuproq materiallarining muhim tarkibiy qismidir.Thenoyob yer elementi seriynoyob tashqi elektron tuzilishga ega - 4f15d16s2.Uning maxsus 4f qatlami elektronlarni samarali saqlashi va chiqarishi mumkin, bu esa seriy ionlarini +3 valentlik va +4 valentlik holatida tutishiga imkon beradi.Shuning uchun CeO2 materiallari ko'proq kislorod teshiklariga ega va kislorodni saqlash va chiqarish uchun ajoyib qobiliyatga ega.Ce (III) va Ce (IV) ning o'zaro konversiyasi, shuningdek, CeO2 materiallariga noyob oksidlanish-qaytarilish katalitik qobiliyatini beradi.Ommaviy materiallar bilan solishtirganda, noorganik materialning yangi turi sifatida nano CeO2 o'zining yuqori o'ziga xos sirt maydoni, mukammal kislorod saqlash va chiqarish qobiliyati, kislorod ionining o'tkazuvchanligi, oksidlanish-qaytarilish ko'rsatkichi va yuqori haroratda tez kislorod vakant diffuziyasi tufayli keng e'tiborga sazovor bo'ldi. qobiliyat.Hozirgi vaqtda nano CeO2 dan katalizatorlar, katalizatorlar yoki qo'shimchalar, faol komponentlar va adsorbentlar sifatida foydalanadigan ko'plab tadqiqot hisobotlari va tegishli ilovalar mavjud.
1. Nanometrni tayyorlash usuliseriy oksidi
Hozirgi vaqtda nanokeriya uchun umumiy tayyorlash usullari asosan kimyoviy usul va fizik usulni o'z ichiga oladi.Turli xil kimyoviy usullarga ko'ra, kimyoviy usullarni cho'ktirish usuli, gidrotermik usul, solvotermal usul, sol jel usuli, mikroemulsiya usuli va elektrodepozitsiya usuliga bo'lish mumkin;Jismoniy usul asosan silliqlash usuli hisoblanadi.
1.1 Maydalash usuli
Nano-keriyani tayyorlash uchun silliqlash usuli odatda qumni maydalashdan foydalanadi, bu arzon narxlardagi, ekologik toza, tez ishlov berish tezligi va kuchli qayta ishlash qobiliyatining afzalliklariga ega.Hozirgi vaqtda nano-seriya sanoatida eng muhim qayta ishlash usuli hisoblanadi.Misol uchun, nanoserium oksidi polishing kukunini tayyorlash odatda kalsinatsiya va qum silliqlash kombinatsiyasini qabul qiladi va seryum asosidagi denitratsiya katalizatorlarining xom ashyolari ham oldindan ishlov berish uchun aralashtiriladi yoki qum silliqlash yordamida kalsinatsiyadan keyin ishlov beriladi.Turli zarracha o'lchamdagi qum silliqlash boncuk nisbatlarini qo'llash orqali sozlash orqali o'ndan o'ndan yuzlab nanometrgacha bo'lgan D50 bilan nano-seriyani olish mumkin.
1.2 Yog'ingarchilik usuli
Cho'ktirish usuli - tegishli erituvchilarda erigan xom ashyoni cho'ktirish, ajratish, yuvish, quritish va kaltsiylash yo'li bilan qattiq kukunni tayyorlash usuli.Cho'ktirish usuli oddiy tayyorlash jarayoni, yuqori samaradorlik va arzon narx kabi afzalliklarga ega noyob tuproq va doplangan nanomateriallarni tayyorlashda keng qo'llaniladi.Bu sanoatda nanoseriya va uning kompozit materiallarini tayyorlash uchun keng tarqalgan usul.Ushbu usul yog'ingarchilik haroratini, material konsentratsiyasini, pH qiymatini, yog'ingarchilik tezligini, aralashtirish tezligini, shablonni va hokazolarni o'zgartirish orqali turli morfologiya va zarracha o'lchamiga ega nano seriyani tayyorlashi mumkin. Umumiy usullar karbamid parchalanishi natijasida hosil bo'lgan ammiakdan seriy ionlarining cho'kishiga tayanadi, va nanokeriya mikrosferalarini tayyorlash sitrat ionlari tomonidan boshqariladi.Shu bilan bir qatorda, seriy ionlari natriy sitrat gidrolizi natijasida hosil bo'lgan OH bilan cho'ktirilishi mumkin, so'ngra nanokeriya mikrosferalari kabi parchalarni tayyorlash uchun inkubatsiya qilinadi va kaltsiylanadi.
1.3 Gidrotermik va solvotermik usullar
Bu ikki usul yopiq tizimda kritik haroratda yuqori haroratli va yuqori bosimli reaksiya orqali mahsulotlarni tayyorlash usulini nazarda tutadi.Reaksiya erituvchisi suv bo'lsa, u gidrotermik usul deb ataladi.Shunga mos ravishda, reaksiya erituvchisi organik erituvchi bo'lsa, solvotermik usul deyiladi.Sintezlangan nanozarralar yuqori tozalik, yaxshi dispersiya va bir xil zarrachalarga ega, ayniqsa turli morfologiyaga ega bo'lgan nano kukunlari yoki ochiq kristall yuzlari.Seriy xlorid distillangan suvda eritiladi, aralashtiriladi va natriy gidroksid eritmasi qo'shiladi.Ochiq (111) va (110) kristall tekisliklari bilan seriy oksidi nanorodlarini tayyorlash uchun 170 ℃ da 12 soat davomida gidrotermal reaksiyaga kirishing.Reaksiya sharoitlarini moslashtirib, ochiq kristall tekisliklardagi (110) kristall tekisliklarning ulushini oshirish, ularning katalitik faolligini yanada oshirish mumkin.Reaksiya erituvchisi va sirt ligandlarini sozlash, shuningdek, maxsus hidrofillik yoki lipofillik bilan nanoceria zarralarini ishlab chiqarishi mumkin.Masalan, suvli fazaga asetat ionlarini qo'shish suvda monodispers hidrofil seriy oksidi nanozarrachalarini tayyorlashi mumkin.Polar bo'lmagan erituvchini tanlash va reaksiya davomida ligand sifatida oleyk kislotasini kiritish orqali monodispers lipofil seriya nanopartikullarini qutbsiz organik erituvchilarda tayyorlash mumkin.(1-rasmga qarang)
1-rasm Monodispers sferik nanoseriya va novda shaklidagi nanokeriya
1.4 Sol jel usuli
Sol gel usuli - bu ba'zi yoki bir nechta birikmalarni prekursorlar sifatida ishlatadigan, suyuq fazada gidroliz kabi kimyoviy reaktsiyalarni o'tkazib, zolni hosil qiladi va keyin qarishdan keyin jel hosil qiladi va nihoyat quritadi va o'ta nozik kukunlarni tayyorlash uchun kalsinlanadi.Ushbu usul, ayniqsa, ko'plab hisobotlarda qayd etilgan seriy temir, seriy titan, seriy tsirkoniy va boshqa kompozit nanooksidlar kabi yuqori dispersli ko'p komponentli nano-keriya kompozit nanomateriallarini tayyorlash uchun juda mos keladi.
1.5 Boshqa usullar
Yuqoridagi usullardan tashqari, mikro loson usuli, mikroto'lqinli sintez usuli, elektrodepozitsiya usuli, plazma olovini yoqish usuli, ion almashinadigan membrana elektroliz usuli va boshqa ko'plab usullar mavjud.Ushbu usullar nanoseriyani tadqiq qilish va qo'llash uchun katta ahamiyatga ega.
Suvni tozalashda 2 nanometrli seriy oksidini qo'llash
Serium nodir yer elementlari orasida eng keng tarqalgan element bo'lib, arzon narxlar va keng qo'llanilishi bilan.Nanometrli seriya va uning kompozitlari yuqori o'ziga xos sirt maydoni, yuqori katalitik faolligi va mukammal strukturaviy barqarorligi tufayli suvni tozalash sohasida katta e'tiborni tortdi.
2.1 Qo'llanilishiNano seriy oksidiAdsorbsion usul bilan suvni tozalash
So'nggi yillarda elektronika sanoati kabi sanoatning rivojlanishi bilan og'ir metall ionlari va ftor ionlari kabi ifloslantiruvchi moddalarni o'z ichiga olgan katta miqdordagi oqava suvlar chiqariladi.Hatto iz kontsentratsiyasida ham u suvda yashovchi organizmlarga va insonning yashash muhitiga katta zarar etkazishi mumkin.Keng tarqalgan ishlatiladigan usullar oksidlanish, flotatsiya, teskari osmos, adsorbsiya, nanofiltratsiya, biosorbsiya va boshqalarni o'z ichiga oladi. Ular orasida adsorbsiya texnologiyasi ko'pincha oddiy ishlashi, arzonligi va yuqori tozalash samaradorligi tufayli qabul qilinadi.Nano CeO2 materiallari yuqori o'ziga xos sirt maydoni va adsorbent sifatida yuqori sirt faolligiga ega va suvdan zararli ionlarni adsorbsiyalash va olib tashlash uchun turli morfologiyalarga ega bo'lgan gözenekli nano CeO2 va uning kompozit materiallari sintezi haqida ko'plab hisobotlar mavjud.
Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, nanokeriya zaif kislotali sharoitda suvda F - uchun kuchli adsorbsiya qobiliyatiga ega.F ning dastlabki konsentratsiyasi 100mg/L va pH=5-6 bo'lgan eritmada F uchun adsorbsion sig'imi 23mg/g, F ni chiqarish darajasi esa 85,6% ni tashkil qiladi.Uni poliakril kislotali qatronli sharga (yuklash miqdori: 0,25 g/g) yuklagandan so'ng, F - suvli eritmaning 100 mg/l teng hajmini qayta ishlashda F - ning olib tashlash qobiliyati 99% dan oshishi mumkin;120 marta hajmni qayta ishlashda F ning 90% dan ortig'ini olib tashlash mumkin.Fosfat va yoodatni adsorbsiyalash uchun foydalanilganda, mos keladigan optimal adsorbsiya holatida adsorbsiya qobiliyati 100 mg / g dan oshishi mumkin.Ishlatilgan material oddiy desorbsiya va neytrallashdan so'ng qayta ishlatilishi mumkin, bu esa yuqori iqtisodiy foyda keltiradi.
Nanokeriya va uning kompozit materiallaridan foydalangan holda mishyak, xrom, kadmiy va qo'rg'oshin kabi zaharli og'ir metallarni adsorbsiyalash va davolash bo'yicha ko'plab tadqiqotlar mavjud.Optimal adsorbsion pH turli valentlik holatlariga ega bo'lgan og'ir metallar ionlari uchun farq qiladi.Misol uchun, neytral moyillik bilan zaif ishqoriy holat As (III) uchun eng yaxshi adsorbsiya holatiga ega, As (V) uchun optimal adsorbsiya holati zaif kislotali sharoitda erishiladi, bu erda adsorbsiya qobiliyati ikkala sharoitda ham 110 mg / g dan oshishi mumkin. sharoitlar.Umuman olganda, nanokeriya va uning kompozit materiallarining optimallashtirilgan sintezi keng pH diapazonida turli og'ir metall ionlari uchun yuqori adsorbsiya va olib tashlash tezligiga erishishi mumkin.
Boshqa tomondan, seriy oksidi asosidagi nanomateriallar, shuningdek, kislotali apelsin, rodamin B, Kongo qizil va boshqalar kabi oqava suvdagi organik moddalarni adsorbsiyalashda ajoyib ko'rsatkichlarga ega. Masalan, mavjud xabarlarda elektrokimyoviy usullar bilan tayyorlangan nano-keriyali gözenekli sharlar yuqori samaradorlikka ega. organik bo'yoqlarni olib tashlashda adsorbsiya qobiliyati, ayniqsa Kongo qizilini olib tashlashda, 60 daqiqada 942,7 mg / g adsorbsion quvvatga ega.
2.2 Kengaytirilgan oksidlanish jarayonida nanoseriyani qo'llash
Mavjud suvsiz tozalash tizimini yaxshilash uchun ilg'or oksidlanish jarayoni (qisqacha AOP) taklif etiladi.Murakkab oksidlanish jarayoni, chuqur oksidlanish texnologiyasi sifatida ham tanilgan, kuchli oksidlanish qobiliyatiga ega bo'lgan gidroksil radikali (· OH), superoksid radikali (· O2 -), yagona kislorod va boshqalarni ishlab chiqarish bilan tavsiflanadi.Reaktsiya sharoitida yuqori harorat va bosim, elektr, tovush, yorug'lik nurlanishi, katalizator va boshqalar Erkin radikallarni hosil qilishning turli usullari va reaktsiya sharoitlariga ko'ra, ular fotokimyoviy oksidlanish, katalitik nam oksidlanish, sonokimyoviy oksidlanish, ozonga bo'linadi. oksidlanish, elektrokimyoviy oksidlanish, Fenton oksidlanishi va boshqalar (2-rasmga qarang).
2-rasm Kengaytirilgan oksidlanish jarayonining tasnifi va texnologiyasi kombinatsiyasi
Nano seriyaKengaytirilgan oksidlanish jarayonida keng qo'llaniladigan heterojen katalizatordir.Ce3 + va Ce4 + o'rtasidagi tez konversiya va kislorodning so'rilishi va chiqarilishi natijasida tez oksidlanish-qaytarilish ta'siri tufayli nanokeriya yaxshi katalitik qobiliyatga ega.Katalizator promouteri sifatida foydalanilganda, u katalitik qobiliyat va barqarorlikni samarali ravishda yaxshilashi mumkin.Nanokeriya va uning kompozit materiallari katalizator sifatida foydalanilganda, katalitik xususiyatlar ularning ishlashi va qo'llanilishiga ta'sir qiluvchi asosiy omillar bo'lgan morfologiya, zarracha hajmi va ochiq kristall tekisliklari bilan juda farq qiladi.Umuman olganda, zarrachalar qanchalik kichik bo'lsa va o'ziga xos sirt maydoni qanchalik katta bo'lsa, faol joy shunchalik mos keladi va katalitik qobiliyat shunchalik kuchli bo'ladi, deb ishoniladi.Ochiq kristall sirtining katalitik qobiliyati, kuchlidan kuchsizga qadar, (100) kristal yuzasi> (110) kristal yuzasi> (111) kristal yuzasi tartibida va mos keladigan barqarorlik qarama-qarshidir.
Seriy oksidi yarimo'tkazgichli materialdir.Nanometr seriy oksidi tarmoqli bo'shliqdan yuqori energiyaga ega fotonlar bilan nurlantirilganda, valentlik zonasi elektronlari qo'zg'aladi va o'tish rekombinatsiyasi harakati sodir bo'ladi.Ushbu xatti-harakatlar Ce3 + va Ce4 + ning konversiya tezligini oshiradi, natijada nanokeriyaning kuchli fotokatalitik faolligi paydo bo'ladi.Fotokataliz organik moddalarning ikkilamchi ifloslanishsiz to'g'ridan-to'g'ri degradatsiyasiga erishishi mumkin, shuning uchun uni qo'llash AOPlarda nanokeriya sohasida eng ko'p o'rganilgan texnologiya hisoblanadi.Hozirgi vaqtda asosiy e'tibor azo bo'yoqlar, fenol, xlorbenzol va farmatsevtik chiqindi suvlarni turli morfologiya va kompozit kompozitsiyalarga ega katalizatorlar yordamida katalitik degradatsiyaga ega tozalashga qaratilgan.Hisobotga ko'ra, optimallashtirilgan katalizator sintezi usuli va katalitik model sharoitida ushbu moddalarning parchalanish qobiliyati odatda 80% dan ko'proqqa yetishi mumkin va umumiy organik uglerodni (TOC) olib tashlash qobiliyati 40% dan oshishi mumkin.
Ozon va vodorod peroksid kabi organik ifloslantiruvchi moddalarning parchalanishi uchun nano-seriy oksidi katalizi keng o'rganilgan yana bir texnologiyadir.Fotokatalizga o'xshab, u turli morfologiyalar yoki kristall tekisliklarga ega bo'lgan nanokeriyalarning va turli xil seriyga asoslangan kompozit katalitik oksidantlarning organik ifloslantiruvchi moddalarni oksidlash va parchalash qobiliyatiga qaratilgan.Bunday reaktsiyalarda katalizatorlar ozon yoki vodorod periksdan ko'p miqdordagi faol radikallarning hosil bo'lishini katalizlashi mumkin, ular organik ifloslantiruvchi moddalarga hujum qiladi va yanada samarali oksidlovchi parchalanish qobiliyatiga erishadi.Reaksiyaga oksidlovchi moddalar kiritilishi tufayli organik birikmalarni olib tashlash qobiliyati ancha kuchayadi.Aksariyat reaktsiyalarda maqsadli moddaning yakuniy olib tashlash darajasi 100% ga yetishi yoki yaqinlashishi mumkin va TOCni olib tashlash darajasi ham yuqori.
Elektrokatalitik ilg'or oksidlanish usulida yuqori kislorod evolyutsiyasiga ega bo'lgan anod materialining xususiyatlari organik ifloslantiruvchi moddalarni davolash uchun elektrokatalitik ilg'or oksidlanish usulining selektivligini aniqlaydi.Katod moddasi H2O2 ishlab chiqarishni belgilovchi muhim omil bo'lib, H2O2 ishlab chiqarish organik ifloslantiruvchi moddalarni tozalash uchun elektrokatalitik ilg'or oksidlanish usulining samaradorligini aniqlaydi.Nanokeriya yordamida elektrod materialini o'zgartirishni o'rganish mahalliy va xalqaro miqyosda keng e'tiborga sazovor bo'ldi.Tadqiqotchilar, asosan, turli xil elektrod materiallarini o'zgartirish, ularning elektrokimyoviy faolligini yaxshilash va shu bilan elektrokatalitik faollikni va yakuniy olib tashlash tezligini oshirish uchun turli xil kimyoviy usullar orqali nano serium oksidi va uning kompozit materiallarini joriy qiladi.
Mikroto'lqinli pech va ultratovush ko'pincha yuqoridagi katalitik modellar uchun muhim yordamchi choralar hisoblanadi.Misol tariqasida ultratovush yordamini oladigan bo'lsak, soniyasiga 25 kHz dan yuqori chastotali tebranish tovush to'lqinlaridan foydalangan holda, maxsus mo'ljallangan tozalash vositasi bilan tuzilgan eritmada millionlab juda kichik pufakchalar hosil bo'ladi.Ushbu kichik pufakchalar tez siqilish va kengayish jarayonida doimo pufakchalar portlashini keltirib chiqaradi, bu esa materiallarning tez almashinuvi va katalizator yuzasida tarqalishiga imkon beradi, ko'pincha katalitik samaradorlikni oshiradi.
3 Xulosa
Nano seriya va uning kompozit materiallari suvdagi ionlar va organik ifloslantiruvchi moddalarni samarali davolashi mumkin va kelajakda suvni tozalash sohalarida muhim qo'llanilishi mumkin.Biroq, ko'pgina tadqiqotlar hali ham laboratoriya bosqichida va kelajakda suvni tozalashda tezkor qo'llanilishiga erishish uchun quyidagi masalalar hali ham zudlik bilan hal qilinishi kerak:
(1) Nanoni tayyorlashning nisbatan yuqori narxiCeO2asosidagi materiallar hali ham laboratoriya tadqiqot bosqichida bo'lgan suvni tozalashda qo'llanilishining ko'pchiligida muhim omil bo'lib qolmoqda.Nano CeO2 asosidagi materiallarning morfologiyasi va hajmini tartibga soluvchi arzon, sodda va samarali tayyorlash usullarini o'rganish hali ham tadqiqot markazidir.
(2) Nano CeO2 asosidagi materiallarning kichik zarracha o'lchami tufayli, foydalanishdan keyin qayta ishlash va regeneratsiya muammolari ham ularni qo'llashni cheklovchi muhim omillardir.Uning qatron materiallari yoki magnit materiallar bilan kompozitsiyasi materialni tayyorlash va qayta ishlash texnologiyasi uchun asosiy tadqiqot yo'nalishi bo'ladi.
(3) Nano CeO2 asosidagi materiallarni suvni tozalash texnologiyasi va an'anaviy kanalizatsiya tozalash texnologiyasi o'rtasidagi qo'shma jarayonni ishlab chiqish suvni tozalash sohasida nano CeO2 asosidagi material katalitik texnologiyasini qo'llashga katta yordam beradi.
(4) Nano CeO2 asosidagi materiallarning toksikligi bo'yicha hali ham cheklangan tadqiqotlar mavjud va ularning suvni tozalash tizimlarida ekologik harakati va toksiklik mexanizmi hali aniqlanmagan.Haqiqiy oqava suvlarni tozalash jarayoni ko'pincha bir nechta ifloslantiruvchi moddalarning birgalikda mavjudligini o'z ichiga oladi va birgalikda mavjud bo'lgan ifloslantiruvchi moddalar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi va shu bilan nanomateriallarning sirt xususiyatlarini va potentsial toksikligini o'zgartiradi.Shu sababli, tegishli jihatlar bo'yicha ko'proq tadqiqotlar olib borishga shoshilinch ehtiyoj bor.
Yuborilgan vaqt: 22-may-2023-yil