氧化铈的特性及多种应用分析

  氧化铈(CeO2)是比较重要的轻稀土产品，由于其具有特殊的性质，所以在工业部门中的用途日益广泛，用量增加较快，前景广阔。20世纪50年代末，我国研究CeO2制品获得成功。60-70年代，因其在军用中的应用广泛，推动了其逐步走向工业化生产水平，并能小产量供应用户。80年代，各工业部门使用。90年代以来，我国的CeO2生产方法多样，产业化扩大，产量大增，质量提高，并可大量满足国内外市场的要求。目前，我国CeO2的生产工艺成熟，产量具全球第一，出口量及质量位于世界前列，并在世界同行中占主导位置。
 多年来，我国CeO2在各个工业部门中的应用日益广泛，其用量不断增加。目前，CeO2已在玻璃、陶瓷、发光材料、汽车尾气净化和金属铈生产等的应用获得了较好的效果。
 （1）在发光材料中的应用
 稀土三基色荧光粉是生产节能灯的发光材料，它是由兰色粉（占10%），绿色粉（占30%）和红色粉（占60%）等组成，其中红色粉是由Y2O3及CeO2制成的。CeO299.99%是作为添加剂加入的。这种荧光粉具有光效高，显色好和寿命长等特点。与白炽灯比，节能灯可节电75%-80%。此外，飞点阴极射线管、指示灯和放射线检测器等所用的荧光粉、均添加入CeO2作为激活剂用，也是具有前途的。
 （2）在净化汽车尾气的应用
 用燃烧油的汽车在行驶中排出大量的有害尾气，其中含有一氧化碳（CO）, 氮氧化物（NOX）和碳氢化合物（HC），这三种毒物对大气危害严 重。目前净化这些毒物已有三元贵金属（Pt、Rh、Pd）催化剂，钯稀土催化剂和稀土催化剂。这三种催化剂均要加入CeO2,以改善催化剂的用量为1-10%。实用表明，在催化剂加入CeO2后，可提高催化剂的活性，达到提高毒物的净化率；提高催化剂的抗毒能力；提高催化剂的强度15%～25%。
（3）在陶瓷的应用
 一改变陶瓷的晶格参数，介电性和压电性使PbTiO5陶瓷的烧结密度达到理论值的96%以更适用于高灵敏度，高分辨率的超声换能器。在Pb（Zr、Ti）O3陶瓷中加入CeO2后，以达到调节和改变陶瓷内组分，可改善陶瓷的烧结性，介电性和压电性，而满足不同的实用要求。在PZT陶瓷中加入CeO2后，使陶瓷的体电阻率提高，可将潜在的压电性能发挥出来。在陶瓷着色颜料中加入CeO2后，可使颜料具有色彩鲜艳、稳定、高温性能好，呈色均匀等优点。其适用于陶瓷釉上、下彩，瓷色釉，陶色釉和精陶色釉等方面。
（4）在玻璃工业的应用
 1）高级铈抛光粉。用CeO2≥99%制成的高铈抛光粉，其性能较好，如硬度高，粒度细小均匀具有菱角的面心立方晶体，使用于玻璃的高速抛光。与传统的铁抛光粉（铁红Fe2O3）相比的活性强，抛光速率提高3—4倍；抛光粉用量少且寿命长，抛光件的合格率提高30%；抛光的光洁度高又易清洗不污染抛光环境，作业条件好作业条件好。（2）玻璃的脱色剂。一般玻璃含有铁离子（Fe2+）是会是玻璃呈现绿颜色。因为CeO2具有强烈的脱氧能力，对铁有很强的氧化作用，故奖CeO2加入玻璃（含0.1%CeO2时）后，使玻璃中的“绿色”的二价铁（Fe）被氧化为“无色”的三价铁（Fe3+），而使玻璃的质量提高，这称为脱色剂。这项脱色技术在玻璃制造业中极为重要。（3）防辐射玻璃。有的玻璃加如某种氧化物后，可具有能大量吸收慢中子的防辐射性质，其中CeO2的加入是较好的一种，如在受γ射线照射后的防辐射玻璃，其可见光的透光率下降较小。一般该玻璃加CeO20.1-1.6后可防105-107γ射线的辐射，具有这种性质的防辐射玻璃可作为原子能设施的观察孔材料及光学仪器等。还可制作太阳能电池的玻璃罩等。此外，CeO2 还可用于玻璃作为澄清剂，又可制作电焊用护目镜玻璃、太阳镜玻璃、光质变色玻璃和着色玻璃。在玻璃行业中CeO2是一种较优良的添加剂材料，其发展前景较好。
一般在精细陶瓷中添加CeO2后，可改进陶瓷的烧结性、致密度、显微结构和相组成等，以提高陶瓷质量和性能，以满足实用的要求。
 氧化铈的澄清机理及复合澄清剂的选用
（一）澄清机理：氧化铈为变价氧化物，二氧化铈高温分解出氧，温度没升高1摄氏度能从它的化学结合键中分离出的氧越多，澄清作用越大。而氧的溶解度随温度升高而减小，从而产生澄清作用。
（二）氧化铈与其他澄清剂的比较
 氧化铈为变价氧化物，二氧化铈高温分解出氧，具有澄清作用，同时在反应中放出新生态的氧，还可将低价的铁(Fe2+)氧化成三氧化二铁，减少玻璃着色，因为三价Fe3+的着色能力只相当于Fe2+的1/10，及蓝绿色便成淡的黄绿色调，所以在使用过程中，可降低70-80%的硒-钴。因此氧化铈又是玻璃的化学脱色剂，氧化铈具有更高的氧化势，所以比传统的澄清剂更佳，同时在玻璃配方中还可以降低20-40%的硝酸钠用量，所以氧化铈澄清剂对玻璃厂既能达到澄清去泡作用又大幅度降低玻璃厂的成本和对环境上作了重大贡献，有一定的经济效益和社会效益。
 氧化铈用于玻璃脱色，取代传统使用的白砒脱色剂，不仅提高效率，而且还避免了白砒的污染。氧化铈玻璃澄清剂代替传统的氧化砷，清除气泡和带色元素，在制备无色玻璃瓶时效果显著，成品晶莹洁白、透明度好、玻璃强度和耐热性提高。同时还消除了砷对环境和玻璃的污染。氧化铈作为抗紫外剂，紫外线遮蔽剂添加于塑料、涂料、化妆品中，防止老化、防晒。另外，氧化铈添加在日用玻璃，如建筑和气车用玻璃，能减少紫外线的透光率，该用途在日本和美国已推广使用。在我国随着生活质量的提高，也会有较好的市场。
 第三代新型玻璃澄清剂（第一代传统的白砒和三氧化二锑作澄清剂，第二代为目前的以冶金行业的阳极泥“砷锑烟灰”和稀土渣为原料的澄清剂）的特点是既解决了第一代澄清剂白砒对人体和对大气的严重污染又解决了第二代澄清剂含有氧化铈的玻璃不能同白砒同时引入，否则在阳光下产生“暴晒作用”使玻璃颜色变为黄色调和在玻璃中很难解决的黄绿色问题。
（三）氧化铈复合澄清剂选用因素
 1、氧化铈可以降低玻璃中硝酸钠的含量。从我们玻璃熔制过程中，用单纯的白砒和纯氧化锑或第二代玻璃澄清剂是起不到澄清去泡的作用的，就需要加硝酸钠（一般是白砒和硝酸钠的比为、1：4-5）让硝酸钠在高温分解时放出氧与白砒或氧化锑为五价砷或五价锑才能起到澄清去泡作用，而在第三代L型玻璃澄清剂中不含砷或锑，主要含量为氧化铈，而氧化铈为变价氧化物，二氧化铈在高温分解出氧，所具有澄清作用，而且在L型澄清剂中还有部分的硫酸盐，而硫酸盐也不需要吸收硝酸钠所放出的氧，所以L型玻璃澄清剂与白砒、氧化锑和第二代澄清剂相比较可降低原配方中硝酸钠用量的20-60%，第三代玻璃澄清剂R型助剂中，含砷锑化合物18-20%（这是主要的澄清原料），而还有一部分的硫酸盐在中间，硫酸盐不需要吸收硝酸钠所放出的氧，估而在原玻璃配方中能降低10-20%的硝酸钠，R型玻璃澄清剂更适合于燃料为煤或煤气发生炉的玻璃厂。
 2、氧化铈澄清剂对玻璃的颜色有一定的好处。由于使用氧化铈玻璃澄清剂后，可以降低部分的硝酸钠和硒粉，而硝酸钠在高温分解时，跟硒粉的分解基本同步（硝酸钠在380℃时开始分解，硒粉在400℃是开始分解），而硒粉在分解时要吸收硝酸钠所放出多余的氧，而使硒粉转化为氧化硒，氧化硒在玻璃中不起补色作用，所以玻璃会变成微绿色，而氧化硒再遇到500度温度时又会变成硒酸盐和硫酸硒，而硒酸盐和硫酸硒在玻璃中又会使玻璃变成黄色，所以在使用白砒、氧化锑尤其在使用第二代玻璃澄清剂时，玻璃颜色会变成淡黄绿色，而使用第三代玻璃澄清剂时对玻璃的黄绿色会有好转。再、在理论上讲，氧化铈和砷同时使用时（第二代玻璃澄清剂）会使玻璃变黄（可以把生产的玻璃制品放在太阳光下暴晒，在夏天一般晒一天就能明显的看出玻璃颜色变黄），但在氧化铈玻璃澄清剂中旧不存在氧化铈和砷合用的情况，所以使用氧化铈玻璃澄清剂也是解决玻璃变黄的一种办法。
 3、使用氧化铈新型玻璃澄清剂会降低玻璃玻璃成本。因使用第三代玻璃澄清剂后，在整个玻璃配方中降低了硝酸钠和硒粉的用量，其他的玻璃配方不需要作任何调整，所以在玻璃澄清剂成本这一块肯定回有所降低。

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