Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Wyświetla karuzelę z trzema slajdami jednocześnie.Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie, lub użyj przycisków suwaka na końcu, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie.
Istnienie metali emitowanych przez promieniowanie mikrofalowe jest kontrowersyjne, ponieważ metale łatwo się zapalają.Co ciekawe, naukowcy odkryli, że zjawisko wyładowania łukowego stanowi obiecującą drogę syntezy nanomateriałów poprzez rozszczepianie cząsteczek.W ramach tego badania opracowano jednoetapową, ale niedrogą metodę syntezy, która łączy ogrzewanie mikrofalowe i łuk elektryczny w celu przekształcenia surowego oleju palmowego w nanowęgiel magnetyczny (MNC), który można uznać za nową alternatywę dla produkcji oleju palmowego.Polega na syntezie ośrodka z trwale nawiniętym drutem ze stali nierdzewnej (ośrodek dielektryczny) i ferrocenu (katalizator) w warunkach częściowo obojętnych.Metodę tę z powodzeniem zademonstrowano przy ogrzewaniu w zakresie temperatur od 190,9 do 472,0°C przy różnych czasach syntezy (10-20 min).Świeżo przygotowane MNC wykazywały kulki o średniej wielkości 20,38–31,04 nm, strukturze mezoporowatej (SBET: 14,83–151,95 m2/g) i dużej zawartości węgla stałego (52,79–71,24% wag.), a także D i G prążki (ID/g) 0,98–0,99.Powstawanie nowych pików w widmie FTIR (522,29–588,48 cm–1) świadczy o obecności związków FeO w ferrocenie.Magnetometry wykazują wysokie nasycenie magnesowaniem (22,32–26,84 emu/g) w materiałach ferromagnetycznych.Zastosowanie MNC w oczyszczaniu ścieków wykazano poprzez ocenę ich zdolności adsorpcyjnej za pomocą testu adsorpcji błękitem metylenowym (MB) w różnych stężeniach od 5 do 20 ppm.MNC otrzymane w czasie syntezy (20 min) wykazały najwyższą skuteczność adsorpcji (10,36 mg/g) w porównaniu do innych, a szybkość usuwania barwnika MB wyniosła 87,79%.Dlatego wartości Langmuira nie są optymistyczne w porównaniu z wartościami Freundlicha, gdzie R2 wynosi około 0,80, 0,98 i 0,99 dla MNC syntetyzowanych odpowiednio po 10 minutach (MNC10), 15 minutach (MNC15) i 20 minutach (MNC20).W rezultacie układ adsorpcyjny znajduje się w stanie niejednorodnym.Dlatego łuk mikrofalowy stanowi obiecującą metodę przekształcania CPO w MNC, który może usuwać szkodliwe barwniki.
Promieniowanie mikrofalowe może podgrzewać najgłębsze części materiałów poprzez molekularne oddziaływanie pól elektromagnetycznych.Ta odpowiedź mikrofalowa jest wyjątkowa, ponieważ zapewnia szybką i jednolitą reakcję termiczną.Można w ten sposób przyspieszyć proces ogrzewania i usprawnić reakcje chemiczne2.Jednocześnie, ze względu na krótszy czas reakcji, w wyniku reakcji mikrofalowej można ostatecznie wytworzyć produkty o wysokiej czystości i dużej wydajności3,4.Promieniowanie mikrofalowe ze względu na swoje niezwykłe właściwości umożliwia ciekawe syntezy mikrofalowe, które znajdują zastosowanie w wielu badaniach, m.in. w reakcjach chemicznych i syntezie nanomateriałów5,6.Podczas procesu nagrzewania decydującą rolę odgrywają właściwości dielektryczne akceptora znajdującego się wewnątrz ośrodka, ponieważ tworzy on w ośrodku gorącą plamę, co prowadzi do powstania nanowęgli o różnej morfologii i właściwościach.Badanie przeprowadzone przez Omoriyekomwan i in.Produkcja pustych nanowłókien węglowych z ziaren palmowych przy użyciu węgla aktywnego i azotu8.Ponadto Fu i Hamid ustalili zastosowanie katalizatora do produkcji węgla aktywnego z włókna palmowego olejowego w kuchence mikrofalowej o mocy 350 W9.Dlatego też podobne podejście można zastosować do przekształcenia surowego oleju palmowego w MNC poprzez wprowadzenie odpowiednich zmiataczy.
Ciekawe zjawisko zaobserwowano pomiędzy promieniowaniem mikrofalowym a metalami o ostrych krawędziach, kropkach lub submikroskopowych nieregularnościach10.Na obecność tych dwóch obiektów będzie miał wpływ łuk elektryczny lub iskra (powszechnie określane jako wyładowanie łukowe)11,12.Łuk będzie sprzyjał tworzeniu się bardziej zlokalizowanych gorących punktów i wpływał na reakcję, poprawiając w ten sposób skład chemiczny środowiska13.To szczególne i interesujące zjawisko stało się przedmiotem różnych badań, takich jak usuwanie zanieczyszczeń14,15, kraking smoły z biomasy16, piroliza wspomagana mikrofalami17,18 i synteza materiałów19,20,21.
Ostatnio uwagę ze względu na swoje właściwości przyciągają nanowęgle, takie jak nanorurki węglowe, nanosfery węglowe i modyfikowany zredukowany tlenek grafenu.Te nanowęglowodory mają ogromny potencjał w zastosowaniach od wytwarzania energii po oczyszczanie i odkażanie wody23.Ponadto wymagane są doskonałe właściwości węgla, ale jednocześnie wymagane są dobre właściwości magnetyczne.Jest to bardzo przydatne w zastosowaniach wielofunkcyjnych, w tym w wysokiej adsorpcji jonów metali i barwników w oczyszczaniu ścieków, modyfikatorach magnetycznych w biopaliwach, a nawet w wysokowydajnych absorberach mikrofalowych24,25,26,27,28.Jednocześnie węgle te mają jeszcze jedną zaletę, polegającą na zwiększeniu pola powierzchni miejsca aktywnego próbki.
W ostatnich latach rośnie liczba badań nad magnetycznymi materiałami nanowęglowymi.Zazwyczaj te nanowęglowodory magnetyczne są materiałami wielofunkcyjnymi zawierającymi materiały magnetyczne o wielkości nano, które mogą powodować reakcję zewnętrznych katalizatorów, takich jak zewnętrzne pola elektrostatyczne lub zmienne pola magnetyczne29.Ze względu na swoje właściwości magnetyczne nanowęgle magnetyczne można łączyć z szeroką gamą składników aktywnych i skomplikowanych struktur w celu immobilizacji30.Tymczasem nanowęgle magnetyczne (MNC) wykazują doskonałą skuteczność w absorbowaniu zanieczyszczeń z roztworów wodnych.Ponadto duża powierzchnia właściwa i pory utworzone w MNC mogą zwiększyć zdolność adsorpcji31.Separatory magnetyczne mogą oddzielać MNC od wysoce reaktywnych roztworów, zamieniając je w opłacalny i łatwy w zarządzaniu sorbent32.
Kilku badaczy wykazało, że przy użyciu surowego oleju palmowego można wytwarzać wysokiej jakości nanowęgle33,34.Olej palmowy, naukowo znany jako Elais Guneensis, jest uważany za jeden z najważniejszych olejów jadalnych, którego produkcja w 2021 r. wyniesie około 76,55 mln ton35. Surowy olej palmowy, czyli CPO, zawiera zrównoważony stosunek nienasyconych kwasów tłuszczowych (EFA) i nasyconych kwasów tłuszczowych (Singapurski Urząd Monetarny).Większość węglowodorów w CPO to triglicerydy, gliceryd składający się z trzech składników w postaci octanu triglicerydów i jednego składnika gliceryny36.Węglowodory te można uogólnić ze względu na ich ogromną zawartość węgla, co czyni je potencjalnymi ekologicznymi prekursorami do produkcji nanowęglowodorów37.Według literatury CNT37,38,39,40, nanosfery węglowe33,41 i grafen34,42,43 syntetyzuje się najczęściej z wykorzystaniem surowego oleju palmowego lub oleju jadalnego.Te nanowęglowodory mają ogromny potencjał w zastosowaniach, od wytwarzania energii po oczyszczanie i odkażanie wody.
Synteza termiczna, taka jak CVD38 lub piroliza33, stała się korzystną metodą rozkładu oleju palmowego.Niestety wysokie temperatury w procesie zwiększają koszty produkcji.Wytwarzanie preferowanego materiału 44 wymaga długich, żmudnych procedur i metod czyszczenia.Jednakże niezaprzeczalna jest potrzeba fizycznej separacji i krakingu ze względu na dobrą stabilność surowego oleju palmowego w wysokich temperaturach45.Dlatego do przekształcenia surowego oleju palmowego w materiały zawierające węgiel nadal wymagane są wyższe temperatury.Łuk ciekły można uznać za najlepszy potencjał i nową metodę syntezy nanowęgla magnetycznego 46 .Podejście to zapewnia bezpośrednią energię dla prekursorów i roztworów w stanach silnie wzbudzonych.Wyładowanie łukowe może spowodować zerwanie wiązań węglowych w surowym oleju palmowym.Jednakże zastosowany odstęp między elektrodami może wymagać spełnienia rygorystycznych wymagań, co ograniczy skalę przemysłową, dlatego nadal należy opracować skuteczną metodę.
Według naszej najlepszej wiedzy badania nad wyładowaniami łukowymi z wykorzystaniem mikrofal jako metody syntezy nanowęglowodorów są ograniczone.Jednocześnie nie zbadano w pełni wykorzystania surowego oleju palmowego jako prekursora.Dlatego też niniejsze badanie ma na celu zbadanie możliwości wytwarzania nanowęgli magnetycznych z prekursorów surowego oleju palmowego za pomocą łuku elektrycznego i kuchenki mikrofalowej.Bogactwo oleju palmowego powinno znaleźć odzwierciedlenie w nowych produktach i zastosowaniach.To nowe podejście do rafinacji oleju palmowego mogłoby pomóc pobudzić sektor gospodarczy i stanowić kolejne źródło dochodu dla producentów oleju palmowego, szczególnie dotkniętych plantacjami oleju palmowego należącymi do drobnych rolników.Według badania przeprowadzonego na afrykańskich drobnych gospodarstwach rolnych przez Ayompe i in. drobni producenci rolni zarabiają więcej pieniędzy tylko wtedy, gdy sami przetwarzają skupiska świeżych owoców i sprzedają surowy olej palmowy, zamiast sprzedawać go pośrednikom, co jest kosztowną i żmudną pracą47.Jednocześnie wzrost liczby zamknięć fabryk z powodu COVID-19 wpłynął na produkty na bazie oleju palmowego.Co ciekawe, ponieważ większość gospodarstw domowych ma dostęp do kuchenek mikrofalowych, a metodę zaproponowaną w tym badaniu można uznać za wykonalną i niedrogą, produkcję MNC można uznać za alternatywę dla małych plantacji oleju palmowego.Tymczasem na większą skalę firmy mogą inwestować w duże reaktory, aby produkować duże TNK.
Niniejsze badanie obejmuje głównie proces syntezy z wykorzystaniem stali nierdzewnej jako ośrodka dielektrycznego przez różne okresy czasu.Większość ogólnych badań z wykorzystaniem mikrofal i nanowęgli sugeruje, że akceptowalny czas syntezy wynosi 30 minut lub więcej33,34.Aby wesprzeć dostępny i wykonalny pomysł praktyczny, celem tego badania było uzyskanie MNC o czasach syntezy poniżej średniej.Jednocześnie badanie przedstawia obraz poziomu gotowości technologicznej 3, w miarę jak teoria jest sprawdzana i wdrażana w skali laboratoryjnej.Później powstałe MNC scharakteryzowano na podstawie ich właściwości fizycznych, chemicznych i magnetycznych.Następnie zastosowano błękit metylenowy do wykazania zdolności adsorpcyjnej powstałych MNC.
Surowy olej palmowy otrzymano z Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau i jest stosowany jako prekursor węgla w syntezie.W tym przypadku jako ośrodek dielektryczny zastosowano drut ze stali nierdzewnej o średnicy 0,90 mm.Jako katalizator w tej pracy wybrano ferrocen (czystość 99%) uzyskany z firmy Sigma-Aldrich, USA.Błękit metylenowy (Bendosen, 100 g) użyto dalej do eksperymentów adsorpcji.
W tym badaniu domową kuchenkę mikrofalową (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) przekształcono w reaktor mikrofalowy.W górnej części kuchenki mikrofalowej wykonano trzy otwory na wlot i wylot gazu oraz termoparę.Sondy termopary zaizolowano rurkami ceramicznymi i umieszczono w tych samych warunkach podczas każdego eksperymentu, aby zapobiec wypadkom.W międzyczasie do pomieszczenia próbek i tchawicy zastosowano reaktor ze szkła borokrzemowego z pokrywą z trzema otworami.Schemat ideowy reaktora mikrofalowego można znaleźć na rysunku uzupełniającym 1.
Wykorzystując surowy olej palmowy jako prekursor węgla i ferrocen jako katalizator, zsyntetyzowano nanowęgle magnetyczne.Metodą katalizatora zawiesinowego wytworzono około 5% wagowych katalizatora ferrocenowego.Ferrocen zmieszano z 20 ml surowego oleju palmowego przy 60 obrotach na minutę przez 30 minut.Następnie mieszaninę przeniesiono do tygla z tlenku glinu, zwinięto drut ze stali nierdzewnej o długości 30 cm i umieszczono pionowo wewnątrz tygla.Umieścić tygiel z tlenku glinu w szklanym reaktorze i zabezpieczyć go wewnątrz kuchenki mikrofalowej za pomocą uszczelnionej szklanej pokrywy.Do komory wdmuchnięto azot na 5 minut przed rozpoczęciem reakcji w celu usunięcia niepożądanego powietrza z komory.Moc mikrofal została zwiększona do 800 W, ponieważ jest to maksymalna moc mikrofal, która umożliwia dobre zajarzenie łuku.Może to zatem przyczynić się do stworzenia korzystnych warunków dla reakcji syntezy.Jednocześnie jest to również szeroko stosowany zakres mocy w watach w reakcjach syntezy mikrofalowej48,49.Podczas reakcji mieszaninę ogrzewano przez 10, 15 lub 20 minut.Po zakończeniu reakcji reaktor i kuchenkę mikrofalową naturalnie ochłodzono do temperatury pokojowej.Produktem końcowym w tyglu z tlenku glinu był czarny osad ze spiralnymi drutami.
Czarny osad zebrano i przemyto kilka razy na przemian etanolem, izopropanolem (70%) i wodą destylowaną.Po umyciu i oczyszczeniu produkt suszy się przez noc w temperaturze 80°C w konwencjonalnym piecu w celu odparowania niepożądanych zanieczyszczeń.Następnie produkt zebrano do charakteryzacji.Próbki oznaczone MNC10, MNC15 i MNC20 wykorzystano do syntezy nanowęgli magnetycznych przez 10 minut, 15 minut i 20 minut.
Obserwuj morfologię MNC za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową lub FESEM (model Zeiss Auriga) przy powiększeniu od 100 do 150 kX.Jednocześnie analizowano skład pierwiastkowy metodą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS).Analizę pola elektromagnetycznego przeprowadzono przy odległości roboczej 2,8 mm i napięciu przyspieszającym 1 kV.Powierzchnię właściwą oraz wartości porów MNC zmierzono metodą Brunauera-Emmetta-Tellera (BET) z uwzględnieniem izotermy adsorpcji-desorpcji N2 w temperaturze 77 K. Analizę przeprowadzono za pomocą modelowego miernika powierzchni (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Krystaliczność i fazę magnetycznych nanowęgli określono metodą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej lub XRD (Burker D8 Advance) przy λ = 0,154 nm.Dyfraktogramy rejestrowano pomiędzy 2θ = 5 a 85° przy szybkości skanowania 2° min-1.Ponadto zbadano strukturę chemiczną MNC za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR).Analizę przeprowadzono przy użyciu Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 z szybkością skanowania w zakresie od 4000 do 400 cm-1.Podczas badania cech strukturalnych nanowęgli magnetycznych przeprowadzono spektroskopię Ramana przy użyciu lasera domieszkowanego neodymem (532 nm) w spektroskopii U-RAMAN z obiektywem 100X.
Do pomiaru nasycenia magnetycznego tlenku żelaza w MNC wykorzystano magnetometr wibracyjny, czyli VSM (seria Lake Shore 7400).Zastosowano pole magnetyczne o wartości około 8 kOe i uzyskano 200 punktów.
Do badania potencjału MNC jako adsorbentów w eksperymentach adsorpcyjnych wykorzystano kationowy barwnik błękitu metylenowego (MB).MNC (20 mg) dodano do 20 ml wodnego roztworu błękitu metylenowego o standardowych stężeniach w zakresie 5–20 mg/L50.Przez całe badanie pH roztworu ustawiono na neutralne pH wynoszące 7.Roztwór mieszano mechanicznie przy 150 obr./min. i 303,15 K na wytrząsarce obrotowej (Lab Companion: SI-300R).Następnie MNC oddziela się za pomocą magnesu.Za pomocą spektrofotometru widzialnego w zakresie UV (spektrofotometr UV-Varian Cary 50) obserwuj stężenie roztworu MB przed i po eksperymencie adsorpcji i odnieś się do krzywej wzorcowej błękitu metylenowego przy maksymalnej długości fali 664 nm.Doświadczenie powtórzono trzykrotnie i podano wartość średnią.Usuwanie MG z roztworu obliczono przy użyciu ogólnego równania na ilość MC zaadsorbowanego w równowadze qe i procent usunięcia.
Przeprowadzono także badania izotermy adsorpcji, mieszając różne stężenia (5–20 mg/l) roztworów MG i 20 mg adsorbentu w stałej temperaturze 293,15 K. mg dla wszystkich MNC.
W ciągu ostatnich kilku dekad szeroko badano żelazo i węgiel magnetyczny.Te materiały magnetyczne na bazie węgla cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na swoje doskonałe właściwości elektromagnetyczne, co prowadzi do różnych potencjalnych zastosowań technologicznych, głównie w urządzeniach elektrycznych i uzdatnianiu wody.W tym badaniu nanowęgle zsyntetyzowano poprzez krakowanie węglowodorów w surowym oleju palmowym przy użyciu wyładowania mikrofalowego.Syntezę prowadzono w różnym czasie, od 10 do 20 min, przy stałym stosunku (5:1) prekursora i katalizatora, stosując metalowy kolektor prądu (skręcony SS) i częściowo obojętny (niepożądane powietrze przedmuchane azotem na końcu początek eksperymentu).Powstałe osady węglowe mają postać czarnego stałego proszku, jak pokazano na dodatkowej ryc. 2a.Wydajność wytrąconego węgla wynosiła w przybliżeniu 5,57%, 8,21% i 11,67% przy czasach syntezy odpowiednio 10 minut, 15 minut i 20 minut.Scenariusz ten sugeruje, że dłuższe czasy syntezy przyczyniają się do wyższych wydajności51 – niskich wydajności, najprawdopodobniej z powodu krótkich czasów reakcji i niskiej aktywności katalizatora.
Tymczasem wykres temperatury syntezy w funkcji czasu dla otrzymanych nanowęgli można zapoznać się z dodatkowym rysunkiem 2b.Najwyższe temperatury uzyskane dla MNC10, MNC15 i MNC20 wyniosły odpowiednio 190,9°C, 434,5°C i 472°C.Dla każdej krzywej widać strome nachylenie, wskazujące na stały wzrost temperatury wewnątrz reaktora w wyniku ciepła wytwarzanego podczas łuku metalowego.Można to zaobserwować odpowiednio przy 0–2 min, 0–5 min i 0–8 min dla MNC10, MNC15 i MNC20.Po osiągnięciu pewnego punktu nachylenie nadal oscyluje w kierunku najwyższej temperatury, a nachylenie staje się umiarkowane.
Do obserwacji topografii powierzchni próbek MNC zastosowano skaningową mikroskopię elektronową z emisją polową (FESEM).Jak pokazano na ryc.1, nanowęgle magnetyczne mają nieco inną strukturę morfologiczną w różnym czasie syntezy.Obrazy FESEM MNC10 na ryc.1a, b pokazują, że tworzenie się kulek węglowych składa się ze splątanych i przyczepionych mikro- i nanosfer w wyniku wysokiego napięcia powierzchniowego.Jednocześnie obecność sił van der Waalsa prowadzi do agregacji kulek węglowych52.Wydłużenie czasu syntezy spowodowało zmniejszenie rozmiarów i zwiększenie liczby kulek w wyniku dłuższych reakcji krakowania.Na ryc.1c pokazuje, że MNC15 ma prawie idealny kształt kulisty.Jednakże zagregowane kulki mogą nadal tworzyć mezopory, które później mogą stać się dobrymi miejscami do adsorpcji błękitu metylenowego.Przy dużym powiększeniu 15 000 razy na ryc. 1d można zobaczyć więcej aglomerowanych kulek węgla o średniej wielkości 20,38 nm.
Obrazy FESEM zsyntetyzowanych nanowęgli po 10 minutach (a, b), 15 minutach (c, d) i 20 minutach (e–g) przy powiększeniu 7000 i 15000 razy.
Na ryc.1e – g MNC20 przedstawia rozwój porów z małymi kulkami na powierzchni węgla magnetycznego i ponownie składa morfologię magnetycznego węgla aktywnego53.Na powierzchni węgla magnetycznego rozmieszczone są losowo pory o różnych średnicach i szerokościach.Może to zatem wyjaśniać, dlaczego MNC20 wykazywał większe pole powierzchni i objętość porów, jak wykazała analiza BET, ponieważ na jego powierzchni utworzyło się więcej porów niż w innych okresach syntezy.Mikrofotografie wykonane przy dużym powiększeniu 15 000 razy wykazały niejednorodne rozmiary cząstek i nieregularne kształty, jak pokazano na ryc. 1g.Gdy czas wzrostu zwiększono do 20 minut, utworzyło się więcej zaglomerowanych kulek.
Co ciekawe, w tym samym obszarze znaleziono również skręcone płatki węgla.Średnica kulek wahała się od 5,18 do 96,36 nm.Powstawanie to może wynikać z występowania różnicowego zarodkowania, któremu sprzyja wysoka temperatura i mikrofale.Obliczona wielkość kulek przygotowanych MNC wynosiła średnio 20,38 nm dla MNC10, 24,80 nm dla MNC15 i 31,04 nm dla MNC20.Rozkład wielkości kul pokazano na rysunku uzupełniającym.3.
Dodatkowy rysunek 4 pokazuje widma EDS i podsumowania składu pierwiastkowego odpowiednio MNC10, MNC15 i MNC20.Na podstawie widm zauważono, że każdy nanowęgiel zawiera inną ilość C, O i Fe.Dzieje się tak na skutek różnych reakcji utleniania i krakingu zachodzących w dodatkowym czasie syntezy.Uważa się, że duża ilość C pochodzi z prekursora węgla, surowego oleju palmowego.Tymczasem niski procent O wynika z procesu utleniania podczas syntezy.Jednocześnie Fe przypisuje się tlenkowi żelaza osadzonemu na powierzchni nanowęgla po rozkładzie ferrocenu.Ponadto dodatkowy rysunek 5a – c pokazuje mapowanie elementów MNC10, MNC15 i MNC20.Na podstawie mapowania fundamentalnego zaobserwowano, że Fe jest dobrze rozmieszczone na powierzchni MNC.
Analiza adsorpcji i desorpcji azotu dostarcza informacji o mechanizmie adsorpcji i porowatej strukturze materiału.Izotermy adsorpcji N2 oraz wykresy powierzchni MNC BET przedstawiono na rys.2. Na podstawie obrazów FESEM oczekuje się, że zachowanie adsorpcji będzie wykazywać kombinację struktur mikroporowatych i mezoporowatych w wyniku agregacji.Jednakże wykres na rys. 2 pokazuje, że adsorbent przypomina izotermę typu IV i pętlę histerezy typu H2 IUPAC55.Ten typ izotermy jest często podobny do izoterm materiałów mezoporowatych.Zachowanie adsorpcyjne mezoporów jest zwykle określane przez interakcję reakcji adsorpcji-adsorpcji z cząsteczkami skondensowanej materii.Izotermy adsorpcji w kształcie litery S lub S są zwykle spowodowane jednowarstwową, wielowarstwową adsorpcją, po której następuje zjawisko, w którym gaz skrapla się do fazy ciekłej w porach pod ciśnieniem poniżej ciśnienia nasycenia cieczy w masie, znane jako kondensacja porów 56. Kondensacja kapilarna w porach zachodzi przy ciśnieniach względnych (p/po) powyżej 0,50.Tymczasem złożona struktura porów wykazuje histerezę typu H2, co przypisuje się zatykaniu porów lub wyciekom w wąskim zakresie porów.
Parametry fizyczne powierzchni uzyskane w badaniach BET przedstawiono w tabeli 1. Pole powierzchni BET i całkowita objętość porów znacząco wzrastały wraz ze wzrostem czasu syntezy.Średnie rozmiary porów MNC10, MNC15 i MNC20 wynoszą odpowiednio 7,2779 nm, 7,6275 nm i 7,8223 nm.Zgodnie z zaleceniami IUPAC te pory pośrednie można zaliczyć do materiałów mezoporowatych.Mezoporowata struktura może sprawić, że błękit metylenowy będzie łatwiej przepuszczalny i adsorbowany przez MNC57.Maksymalny czas syntezy (MNC20) wykazał największą powierzchnię, a następnie MNC15 i MNC10.Większa powierzchnia BET może poprawić wydajność adsorpcji, ponieważ dostępnych jest więcej miejsc środka powierzchniowo czynnego.
Wzory dyfrakcji promieni rentgenowskich zsyntetyzowanych MNC pokazano na ryc. 3. W wysokich temperaturach ferrocen również pęka i tworzy tlenek żelaza.Na ryc.3a przedstawia wzór XRD MNC10.Pokazuje dwa piki przy 2θ, 43,0° i 62,32°, które są przypisane ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).Jednocześnie Fe3O4 ma napięty pik przy 2θ: 35,27°.Z kolei na obrazie dyfrakcyjnym MHC15 na rys. 3b widać nowe piki, które najprawdopodobniej są związane ze wzrostem temperatury i czasu syntezy.Chociaż pik 2θ: 26,202° jest mniej intensywny, wzór dyfrakcyjny jest zgodny z grafitowym plikiem JCPDS (JCPDS #75–1621), wskazującym na obecność kryształów grafitu w nanowęglu.Piku tego nie ma w MNC10, prawdopodobnie z powodu niskiej temperatury łuku podczas syntezy.Przy 2θ występują trzy piki czasowe: 30,082°, 35,502°, 57,422° przypisane Fe3O4.Pokazuje także dwa piki wskazujące na obecność ɣ-Fe2O3 przy 2θ: 43,102° i 62,632°.W przypadku MNC syntetyzowanych przez 20 minut (MNC20), jak pokazano na ryc. 3c, podobny wzór dyfrakcyjny można zaobserwować w MNK15.Graficzny pik przy 26,382° można także zobaczyć na MNC20.Trzy ostre piki pokazane przy 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° dotyczą Fe3O4.Dodatkowo wykazano obecność ε-Fe2O3 przy 2θ: 42,972° i 62,61.Obecność związków tlenku żelaza w otrzymanych MNC może mieć pozytywny wpływ na zdolność do adsorpcji błękitu metylenowego w przyszłości.
Charakterystykę wiązań chemicznych w próbkach MNC i CPO określono na podstawie widm odbicia FTIR na rysunku dodatkowym 6. Początkowo sześć ważnych pików surowego oleju palmowego reprezentowało cztery różne składniki chemiczne, jak opisano w tabeli dodatkowej 1. Podstawowe piki zidentyfikowane w CPO wynoszą 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 i 1463,34 cm-1, które odnoszą się do drgań rozciągających CH alkanów i innych alifatycznych grup CH2 lub CH3.Zidentyfikowane szczyty leśników to 1740,85 cm-1 i 1160,83 cm-1.Pik przy 1740,85 cm-1 oznacza wiązanie C=O przedłużone przez karbonylową grupę estrową triglicerydowej grupy funkcyjnej.Tymczasem pik przy 1160,83 cm-1 jest odciskiem rozszerzonej grupy estrowej CO58,59.Tymczasem pik przy 813,54 cm-1 jest odciskiem grupy alkanowej.
Dlatego też niektóre piki absorpcji w surowym oleju palmowym zanikły wraz ze wzrostem czasu syntezy.Piki przy 2913,81 cm-1 i 2840 cm-1 można nadal obserwować w MNC10, ale interesujące jest to, że w MNC15 i MNC20 piki mają tendencję do zanikania z powodu utleniania.Tymczasem analiza FTIR nanowęgli magnetycznych ujawniła nowo powstałe piki absorpcji reprezentujące pięć różnych grup funkcyjnych MNC10-20.Piki te są również wymienione w tabeli dodatkowej 1. Pik przy 2325,91 cm-1 jest asymetrycznym odcinkiem CH grupy alifatycznej CH360.Pik przy 1463,34-1443,47 cm-1 pokazuje zaginanie CH2 i CH grup alifatycznych, takich jak olej palmowy, ale pik zaczyna z czasem maleć.Pik przy 813,54–875,35 cm–1 jest odciskiem aromatycznej grupy CH-alkanowej.
Tymczasem piki przy 2101,74 cm-1 i 1589,18 cm-1 reprezentują wiązania CC 61 tworzące odpowiednio pierścienie C=C alkinowy i aromatyczny.Mały pik przy 1695,15 cm-1 pokazuje wiązanie C=O wolnego kwasu tłuszczowego z grupy karbonylowej.Otrzymuje się go podczas syntezy z karbonylu CPO i ferrocenu.Nowo utworzone piki w zakresie od 539,04 do 588,48 cm-1 należą do wiązania wibracyjnego Fe-O ferrocenu.Na podstawie pików pokazanych na rysunku dodatkowym 4 można zauważyć, że czas syntezy może zmniejszyć kilka pików i ponowne wiązanie w nanowęglach magnetycznych.
Analizę spektroskopową rozpraszania Ramana nanowęgli magnetycznych uzyskanych w różnych momentach syntezy przy użyciu padającego lasera o długości fali 514 nm przedstawiono na rysunku 4. Wszystkie widma MNC10, MNC15 i MNC20 składają się z dwóch intensywnych pasm związanych z niską zawartością węgla sp3, powszechnie znalezione w krystalitach nanografitu z defektami modów wibracyjnych gatunków węgla sp262.Pierwszy pik, mieszczący się w przedziale 1333–1354 cm–1, reprezentuje pasmo D, które jest niekorzystne dla grafitu idealnego i odpowiada zaburzeniom strukturalnym oraz innym zanieczyszczeniom63,64.Drugi najważniejszy pik w okolicach 1537–1595 cm-1 powstaje w wyniku rozciągania wiązań w płaszczyźnie lub w postaci krystalicznej i uporządkowanej grafitu.Jednakże pik przesunął się o około 10 cm-1 w porównaniu z pasmem grafitu G, co wskazuje, że MNC mają niski porządek ułożenia arkuszy i wadliwą strukturę.Do oceny czystości próbek krystalitów i grafitu wykorzystuje się względne intensywności pasm D i G (ID/IG).Według analizy spektroskopowej Ramana wszystkie MNC miały wartości ID/IG w zakresie 0,98–0,99, co wskazuje na defekty strukturalne spowodowane hybrydyzacją Sp3.Ta sytuacja może wyjaśniać obecność mniej intensywnych pików 2θ w widmach XPA: 26,20° dla MNK15 i 26,28° dla MNK20, jak pokazano na rys. 4, który jest przypisany pikowi grafitu w pliku JCPDS.Uzyskane w tej pracy współczynniki ID/IG MNC mieszczą się w przedziale innych nanowęgli magnetycznych, np. 0,85–1,03 dla metody hydrotermalnej i 0,78–0,9665,66 dla metody pirolitycznej.Zatem stosunek ten wskazuje, że niniejsza metoda syntezy może mieć szerokie zastosowanie.
Właściwości magnetyczne MNC analizowano za pomocą wibrującego magnetometru.Wynikową histerezę pokazano na rys.5.Z reguły MNC uzyskują swój magnetyzm z ferrocenu podczas syntezy.Te dodatkowe właściwości magnetyczne mogą w przyszłości zwiększyć zdolność adsorpcji nanowęglowodorów.Jak pokazano na rysunku 5, próbki można zidentyfikować jako materiały superparamagnetyczne.Według Wahajuddina i Arory67 stan superparamagnetyczny polega na namagnesowaniu próbki do namagnesowania nasycenia (MS), gdy przyłożone zostanie zewnętrzne pole magnetyczne.Później w próbkach nie pojawiają się już resztkowe oddziaływania magnetyczne67.Warto zauważyć, że namagnesowanie nasycenia wzrasta wraz z czasem syntezy.Co ciekawe, MNC15 ma najwyższe nasycenie magnetyczne, ponieważ silne powstawanie pola magnetycznego (namagnesowanie) może być spowodowane optymalnym czasem syntezy w obecności magnesu zewnętrznego.Może to wynikać z obecności Fe3O4, który ma lepsze właściwości magnetyczne w porównaniu do innych tlenków żelaza, takich jak ɣ-Fe2O.Kolejność momentu adsorpcji nasycenia na jednostkę masy MNC jest następująca: MNC15>MNC10>MNC20.Uzyskane parametry magnetyczne podano w tabeli.2.
Minimalna wartość nasycenia magnetycznego przy zastosowaniu magnesów konwencjonalnych w separacji magnetycznej wynosi około 16,3 emu g-1.Zdolność MNC do usuwania zanieczyszczeń, takich jak barwniki, w środowisku wodnym oraz łatwość usuwania MNC stały się dodatkowymi czynnikami w przypadku otrzymywanych nanowęglowodorów.Badania wykazały, że nasycenie magnetyczne LSM uważa się za wysokie.Zatem wszystkie próbki osiągnęły wartości nasycenia magnetycznego więcej niż wystarczające do procedury separacji magnetycznej.
Ostatnio uwagę przyciągnęły metalowe paski lub druty jako katalizatory lub dielektryki w procesach stapiania mikrofalowego.Reakcje mikrofalowe metali powodują wysokie temperatury lub reakcje w reaktorze.W badaniu tym stwierdzono, że końcówka i kondycjonowany (zwinięty) drut ze stali nierdzewnej ułatwiają wyładowanie mikrofalowe i nagrzewanie metalu.Stal nierdzewna ma wyraźną chropowatość na końcu, co prowadzi do wysokich wartości gęstości ładunku powierzchniowego i zewnętrznego pola elektrycznego.Kiedy ładunek uzyska wystarczającą energię kinetyczną, naładowane cząstki wyskoczą ze stali nierdzewnej, powodując jonizację środowiska, powodując wyładowanie lub iskrę 68 .Wyładowania metali w znaczący sposób przyczyniają się do reakcji pękania roztworu, którym towarzyszą gorące punkty o wysokiej temperaturze.Zgodnie z mapą temperatur na ryc. uzupełniającym 2b, temperatura szybko rośnie, co wskazuje na obecność gorących punktów o wysokiej temperaturze oprócz silnego zjawiska wyładowania.
W tym przypadku obserwuje się efekt termiczny, gdyż słabo związane elektrony mogą przemieszczać się i skupiać na powierzchni oraz na końcówce69.Podczas nawijania stali nierdzewnej duża powierzchnia metalu w roztworze pomaga indukować prądy wirowe na powierzchni materiału i utrzymuje efekt ogrzewania.Warunek ten skutecznie pomaga rozszczepić długie łańcuchy węglowe CPO i ferrocenu i ferrocenu.Jak pokazano na dodatkowej ryc. 2b, stała szybkość temperatury wskazuje, że w roztworze obserwuje się równomierny efekt ogrzewania.
Proponowany mechanizm powstawania MNC pokazano na dodatkowym rysunku 7. Długie łańcuchy węglowe CPO i ferrocenu zaczynają pękać w wysokiej temperaturze.Olej rozpada się, tworząc rozszczepione węglowodory, które stają się prekursorami węgla, znanymi jako kuleczki na obrazie FESEM MNC1070.Ze względu na energię otoczenia i ciśnienie 71 w warunkach atmosferycznych.Jednocześnie ferrocen również pęka, tworząc katalizator z atomów węgla osadzonych na Fe.Następnie następuje szybkie zarodkowanie i rdzeń węglowy utlenia się, tworząc amorficzną i grafitową warstwę węgla na wierzchu rdzenia.W miarę upływu czasu wielkość kuli staje się bardziej precyzyjna i jednolita.Jednocześnie istniejące siły van der Waalsa również prowadzą do aglomeracji sfer52.Podczas redukcji jonów Fe do Fe3O4 i ɣ-Fe2O3 (wg rentgenowskiej analizy fazowej) na powierzchni nanowęgli powstają różnego rodzaju tlenki żelaza, co prowadzi do powstania nanowęgli magnetycznych.Mapowanie EDS pokazało, że atomy Fe były silnie rozmieszczone na powierzchni MNC, jak pokazano na rysunkach uzupełniających 5a-c.
Różnica polega na tym, że przy czasie syntezy wynoszącym 20 minut następuje agregacja węgla.Tworzy większe pory na powierzchni MNC, co sugeruje, że MNC można uznać za węgiel aktywny, jak pokazano na obrazach FESEM na ryc. 1e – g.Ta różnica w wielkości porów może być związana z udziałem tlenku żelaza z ferrocenu.Jednocześnie na skutek osiągniętej wysokiej temperatury dochodzi do zdeformowania łusek.Nanowęgle magnetyczne wykazują różną morfologię w różnych czasach syntezy.Nanowęgle częściej tworzą kuliste kształty przy krótszym czasie syntezy.Jednocześnie możliwe jest uzyskanie porów i łusek, chociaż różnica w czasie syntezy wynosi tylko 5 minut.
Nanowęgle magnetyczne mogą usuwać zanieczyszczenia ze środowiska wodnego.Dodatkowym czynnikiem przemawiającym za wykorzystaniem otrzymanych w tej pracy nanowęglowodorów jako adsorbentów jest ich łatwość usuwania po użyciu.Badając właściwości adsorpcyjne nanowęgli magnetycznych, zbadaliśmy zdolność MNC do odbarwiania roztworów błękitu metylenowego (MB) w temperaturze 30°C bez konieczności regulacji pH.W kilku badaniach stwierdzono, że działanie absorbentów węgla w zakresie temperatur 25–40 ° C nie odgrywa istotnej roli w określaniu usuwania MC.Chociaż ekstremalne wartości pH odgrywają ważną rolę, na powierzchni grup funkcyjnych mogą tworzyć się ładunki, co prowadzi do zakłócenia interakcji adsorbat-adsorbent i wpływa na adsorpcję.Dlatego też w niniejszym opracowaniu wybrano powyższe warunki, biorąc pod uwagę te sytuacje oraz potrzebę typowego oczyszczania ścieków.
W pracy przeprowadzono eksperyment adsorpcji okresowej poprzez dodanie 20 mg MNC do 20 ml wodnego roztworu błękitu metylenowego o różnych standardowych stężeniach początkowych (5–20 ppm) w ustalonym czasie kontaktu60.Dodatkowy rysunek 8 przedstawia stan różnych stężeń (5–20 ppm) roztworów błękitu metylenowego przed i po traktowaniu MNC10, MNC15 i MNC20.Podczas stosowania różnych MNC poziom barwy rozwiązań MB spadł.Co ciekawe, stwierdzono, że MNC20 łatwo odbarwia roztwory MB w stężeniu 5 ppm.Tymczasem MNC20 obniżył również poziom koloru rozwiązania MB w porównaniu do innych MNC.Widmo UV MNC10-20 pokazano na dodatkowym rysunku 9. Tymczasem informacje o szybkości usuwania i adsorpcji pokazano odpowiednio na rysunku 9.6 i tabeli 3.
Silne piki błękitu metylenowego można znaleźć przy 664 nm i 600 nm.Z reguły intensywność piku stopniowo maleje wraz ze zmniejszaniem się początkowego stężenia roztworu MG.Na dodatkowym ryc. 9a przedstawiono widma w zakresie widzialnym UV roztworów MB o różnych stężeniach po obróbce MNC10, które tylko nieznacznie zmieniły intensywność pików.Z drugiej strony piki absorpcji roztworów MB znacznie spadły po leczeniu MNC15 i MNC20, jak pokazano odpowiednio na dodatkowych rysunkach 9b i c.Zmiany te są wyraźnie widoczne w miarę zmniejszania się stężenia roztworu MG.Jednakże zmiany widmowe osiągnięte przez wszystkie trzy węgle magnetyczne były wystarczające, aby usunąć barwnik błękitu metylenowego.
Na podstawie tabeli 3 wyniki dotyczące ilości zaadsorbowanego MC i procentu zaadsorbowanego MC przedstawiono na rys. 3. 6. Adsorpcja MG wzrastała wraz ze wzrostem stężeń początkowych dla wszystkich MNC.Tymczasem procent adsorpcji lub szybkość usuwania MB (MBR) wykazywał odwrotną tendencję, gdy początkowe stężenie wzrastało.Przy niższych początkowych stężeniach MC na powierzchni adsorbentu pozostały niezajęte miejsca aktywne.Wraz ze wzrostem stężenia barwnika liczba niezajętych miejsc aktywnych dostępnych do adsorpcji cząsteczek barwnika będzie się zmniejszać.Inni doszli do wniosku, że w tych warunkach nastąpi nasycenie miejsc aktywnych biosorpcji72.
Niestety dla MNC10, MBR wzrósł i spadł po 10 ppm roztworu MB.Jednocześnie adsorbowana jest tylko bardzo mała część MG.Oznacza to, że optymalne stężenie dla adsorpcji MNC10 wynosi 10 ppm.Dla wszystkich MNC badanych w tej pracy kolejność zdolności adsorpcyjnych była następująca: MNC20 > MNC15 > MNC10, średnie wartości wynosiły 10,36 mg/g, 6,85 mg/g i 0,71 mg/g, średnie usuwanie szybkości MG wyniósł 87, 79%, 62,26% i 5,75%.Zatem MNC20 wykazał najlepszą charakterystykę adsorpcji spośród syntetyzowanych nanowęgli magnetycznych, biorąc pod uwagę zdolność adsorpcji i widmo widzialne UV.Chociaż zdolność adsorpcji jest niższa w porównaniu do innych nanowęgli magnetycznych, takich jak kompozyt magnetyczny MWCNT (11,86 mg/g) i nanorurki haloizytowo-magnetyczne nanocząstki Fe3O4 (18,44 mg/g), badanie to nie wymaga dodatkowego stosowania stymulanta.Substancje chemiczne działają jak katalizatory.zapewnienie czystych i wykonalnych metod syntetycznych73,74.
Jak pokazują wartości SBET MNC, wysoka powierzchnia właściwa zapewnia więcej miejsc aktywnych do adsorpcji roztworu MB.Staje się to jedną z podstawowych cech syntetycznych nanowęgli.Jednocześnie, ze względu na małe rozmiary MNC, czas syntezy jest krótki i akceptowalny, co odpowiada głównym cechom obiecujących adsorbentów75.W porównaniu do konwencjonalnych naturalnych adsorbentów, zsyntetyzowane MNC są nasycone magnetycznie i można je łatwo usunąć z roztworu pod działaniem zewnętrznego pola magnetycznego76.Dzięki temu skraca się czas całego procesu leczenia.
Izotermy adsorpcji są niezbędne do zrozumienia procesu adsorpcji, a następnie do wykazania, w jaki sposób adsorbat rozdziela się pomiędzy fazę ciekłą i stałą po osiągnięciu równowagi.Równania Langmuira i Freundlicha służą jako standardowe równania izoterm, które wyjaśniają mechanizm adsorpcji, jak pokazano na rysunku 7. Model Langmuira dobrze pokazuje powstawanie pojedynczej warstwy adsorbatu na zewnętrznej powierzchni adsorbentu.Izotermy najlepiej opisać jako jednorodne powierzchnie adsorpcyjne.Jednocześnie izoterma Freundlicha najlepiej określa udział kilku obszarów adsorbentu i energię adsorpcji w dociskaniu adsorbatu do niejednorodnej powierzchni.
Izoterma modelowa dla izotermy Langmuira (a–c) i izotermy Freundlicha (d–f) dla MNC10, MNC15 i MNC20.
Izotermy adsorpcji przy niskich stężeniach substancji rozpuszczonych są zwykle liniowe77.Liniową reprezentację modelu izotermy Langmuira można wyrazić w równaniu.1 Wyznacz parametry adsorpcji.
KL (l/mg) to stała Langmuira reprezentująca powinowactwo wiązania MB do MNC.Tymczasem qmax to maksymalna zdolność adsorpcji (mg/g), qe to zaadsorbowane stężenie MC (mg/g), a Ce to stężenie równowagowe roztworu MC.Liniowe wyrażenie modelu izotermy Freundlicha można opisać w następujący sposób:
Czas publikacji: 16 lutego 2023 r