Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Postojanje metala koje emituje mikrotalasno zračenje je kontroverzno jer se metali lako zapale.Ali ono što je zanimljivo je da su istraživači otkrili da fenomen lučnog pražnjenja nudi obećavajući put za sintezu nanomaterijala cijepanjem molekula.Ova studija razvija sintetičku metodu u jednom koraku, ali pristupačnu, koja kombinuje mikrotalasno grijanje i električni luk za pretvaranje sirovog palminog ulja u magnetni nanougljik (MNC), koji se može smatrati novom alternativom za proizvodnju palminog ulja.Uključuje sintezu medija s trajno namotanom žicom od nehrđajućeg čelika (dielektrični medij) i ferocenom (katalizator) u djelomično inertnim uvjetima.Ova metoda je uspješno demonstrirana za zagrijavanje u temperaturnom rasponu od 190,9 do 472,0°C uz različita vremena sinteze (10-20 min).Svježe pripremljeni MNC su pokazali sfere prosječne veličine 20,38–31,04 nm, mezoporoznu strukturu (SBET: 14,83–151,95 m2/g) i visok sadržaj fiksnog ugljika (52,79–71,24 tež.%), kao i D i G trake (ID/g) 0,98–0,99.Formiranje novih pikova u FTIR spektru (522,29–588,48 cm–1) svedoči u prilog prisutnosti jedinjenja FeO u ferocenu.Magnetometri pokazuju visoku zasićenost magnetizacije (22,32–26,84 emu/g) u feromagnetnim materijalima.Upotreba MNC-a u tretmanu otpadnih voda je demonstrirana procjenom njihovog kapaciteta adsorpcije korištenjem testa adsorpcije metilen plavog (MB) pri različitim koncentracijama od 5 do 20 ppm.MNC dobijeni u vremenu sinteze (20 min) pokazali su najveću efikasnost adsorpcije (10,36 mg/g) u poređenju sa ostalima, a stopa uklanjanja MB boje iznosila je 87,79%.Stoga, Langmuir vrijednosti nisu optimistične u usporedbi s Freundlichovim vrijednostima, pri čemu je R2 oko 0,80, 0,98 i 0,99 za MNC sintetizirane na 10 min (MNC10), 15 min (MNC15) i 20 min (MNC20) respektivno.Shodno tome, sistem adsorpcije je u heterogenom stanju.Stoga, mikrovalni luk nudi obećavajuću metodu za pretvaranje CPO u MNC, koji može ukloniti štetne boje.
Mikrovalno zračenje može zagrijati najnutarnjije dijelove materijala kroz molekularnu interakciju elektromagnetnih polja.Ovaj mikrotalasni odgovor je jedinstven po tome što promoviše brz i ujednačen termalni odgovor.Tako je moguće ubrzati proces zagrijavanja i pojačati kemijske reakcije2.Istovremeno, zbog kraćeg vremena reakcije, mikrovalna reakcija može u konačnici proizvesti proizvode visoke čistoće i visokog prinosa3,4.Zbog svojih nevjerovatnih svojstava, mikrovalno zračenje olakšava zanimljive mikrovalne sinteze koje se koriste u mnogim studijama, uključujući kemijske reakcije i sintezu nanomaterijala5,6.Tokom procesa zagrijavanja, dielektrična svojstva akceptora unutar medija igraju odlučujuću ulogu, jer stvara vruću tačku u mediju, što dovodi do stvaranja nanougljika različitih morfologija i svojstava.Studija Omoriyekomwan et al.Proizvodnja šupljih ugljičnih nanovlakna od palminih koštica korištenjem aktivnog ugljena i dušika8.Osim toga, Fu i Hamid su utvrdili upotrebu katalizatora za proizvodnju aktivnog ugljena od uljanih palminih vlakana u mikrovalnoj pećnici od 350 W9.Stoga se sličan pristup može koristiti za pretvaranje sirovog palminog ulja u MNK uvođenjem odgovarajućih čistača.
Zanimljiva je pojava uočena između mikrovalnog zračenja i metala oštrih rubova, tačaka ili submikroskopskih nepravilnosti10.Na prisutnost ova dva objekta utječe električni luk ili iskra (koja se obično naziva lučno pražnjenje)11,12.Luk će promovirati formiranje više lokaliziranih vrućih tačaka i utjecati na reakciju, poboljšavajući tako kemijski sastav okoliša13.Ovaj poseban i zanimljiv fenomen privukao je različite studije kao što su uklanjanje zagađivača14,15, pucanje katrana iz biomase16, piroliza uz pomoć mikrovalne pećnice17,18 i sinteza materijala19,20,21.
Nedavno su nanougljici kao što su ugljične nanocijevi, ugljične nanosfere i modificirani reducirani grafen oksid privukli pažnju zbog svojih svojstava.Ovi nanougljici imaju veliki potencijal za primjene u rasponu od proizvodnje energije do pročišćavanja ili dekontaminacije vode23.Osim toga, potrebna su odlična svojstva ugljika, ali su u isto vrijeme potrebna i dobra magnetna svojstva.Ovo je vrlo korisno za multifunkcionalne primjene uključujući visoku adsorpciju metalnih jona i boja u tretmanu otpadnih voda, magnetne modifikatore u biogorivima, pa čak i visokoefikasne mikrovalne apsorbere24,25,26,27,28.U isto vrijeme, ovi ugljici imaju još jednu prednost, uključujući povećanje površine aktivnog mjesta uzorka.
Posljednjih godina, istraživanja magnetnih nanokarbonskih materijala su u porastu.Tipično, ovi magnetni nanougljici su multifunkcionalni materijali koji sadrže magnetne materijale nano veličine koji mogu uzrokovati reakciju vanjskih katalizatora, kao što su vanjska elektrostatička ili naizmjenična magnetna polja29.Zbog svojih magnetnih svojstava, magnetni nanougljici se mogu kombinovati sa širokim spektrom aktivnih sastojaka i složenih struktura za imobilizaciju30.U međuvremenu, magnetni nanougljici (MNC) pokazuju odličnu efikasnost u adsorbovanju zagađivača iz vodenih rastvora.Osim toga, visoka specifična površina i pore formirane u MNC mogu povećati kapacitet adsorpcije31.Magnetski separatori mogu odvojiti MNC od visoko reaktivnih rješenja, pretvarajući ih u održiv i upravljiv sorbent32.
Nekoliko istraživača je pokazalo da se visokokvalitetni nanougljici mogu proizvesti korištenjem sirovog palminog ulja33,34.Palmino ulje, naučno poznato kao Elais Guneensis, smatra se jednim od važnih jestivih ulja sa proizvodnjom od oko 76,55 miliona tona u 202135. Sirovo palmino ulje ili CPO sadrži uravnotežen omjer nezasićenih masnih kiselina (EFA) i zasićenih masnih kiselina (Monetarna uprava Singapura).Većina ugljovodonika u CPO su trigliceridi, glicerid koji se sastoji od tri komponente triglicerid acetata i jedne komponente glicerola36.Ovi ugljikovodici se mogu generalizirati zbog njihovog ogromnog sadržaja ugljika, što ih čini potencijalnim zelenim prekursorima za proizvodnju nanougljika37.Prema literaturi, CNT37,38,39,40, ugljične nanosfere33,41 i grafen34,42,43 obično se sintetiziraju korištenjem sirovog palminog ili jestivog ulja.Ovi nanougljici imaju veliki potencijal u primjenama u rasponu od proizvodnje energije do prečišćavanja ili dekontaminacije vode.
Termička sinteza kao što je CVD38 ili piroliza33 postala je povoljan metod za razgradnju palminog ulja.Nažalost, visoke temperature u procesu povećavaju troškove proizvodnje.Proizvodnja željenog materijala 44 zahtijeva dugotrajne, zamorne procedure i metode čišćenja.Međutim, potreba za fizičkim odvajanjem i pucanjem je neosporna zbog dobre stabilnosti sirovog palminog ulja na visokim temperaturama45.Stoga su još uvijek potrebne više temperature da bi se sirovo palmino ulje pretvorilo u ugljične materijale.Tečni luk se može smatrati najboljim potencijalom i novom metodom za sintezu magnetnog nanougljika 46 .Ovaj pristup obezbjeđuje direktnu energiju za prekursore i rješenja u visoko pobuđenim stanjima.Lučno pražnjenje može uzrokovati pucanje ugljičnih veza u sirovom palminom ulju.Međutim, razmak između elektroda koji se koristi možda treba da ispuni stroge zahtjeve, što će ograničiti industrijsku skalu, tako da je potrebno razviti efikasnu metodu.
Koliko nam je poznato, istraživanje lučnog pražnjenja korištenjem mikrovalnih pećnica kao metode za sintetizaciju nanougljika je ograničeno.Istovremeno, upotreba sirovog palminog ulja kao prekursora nije u potpunosti istražena.Stoga, ova studija ima za cilj istražiti mogućnost proizvodnje magnetnih nanougljika iz sirovih prekursora palminog ulja korištenjem električnog luka pomoću mikrovalne pećnice.Obilje palminog ulja trebalo bi se odraziti na nove proizvode i aplikacije.Ovaj novi pristup preradi palminog ulja mogao bi pomoći u jačanju ekonomskog sektora i biti još jedan izvor prihoda za proizvođače palminog ulja, posebno pogođene plantažama palminog ulja malih farmera.Prema studiji afričkih malih posjednika koju su proveli Ayompe et al., mali posjednici zarađuju više novca samo ako sami prerađuju grozdove svježeg voća i prodaju sirovo palmino ulje umjesto da ga prodaju posrednicima, što je skup i zamoran posao47.U isto vrijeme, povećanje zatvaranja tvornica zbog COVID-19 utjecalo je na proizvode na bazi palminog ulja.Zanimljivo je da većina domaćinstava ima pristup mikrotalasnim pećnicama i da se metoda predložena u ovoj studiji može smatrati izvodljivom i pristupačnom, proizvodnja MNC može se smatrati alternativom malim plantažama palminog ulja.U međuvremenu, u većem obimu, kompanije mogu ulagati u velike reaktore za proizvodnju velikih TNC-ova.
Ova studija uglavnom pokriva proces sinteze koristeći nehrđajući čelik kao dielektrični medij za različita trajanja.Većina općih studija koje koriste mikrovalne pećnice i nanougljike sugeriraju prihvatljivo vrijeme sinteze od 30 minuta ili više33,34.Kako bi se podržala pristupačna i izvodljiva praktična ideja, ova studija je imala za cilj da dobije MNK sa ispodprosječnim vremenima sinteze.Istovremeno, studija daje sliku 3. nivoa tehnološke spremnosti dok se teorija dokazuje i implementira u laboratorijskoj skali.Kasnije su dobijeni MNC-ovi karakterizirani svojim fizičkim, kemijskim i magnetskim svojstvima.Metilensko plavo je zatim korišteno da se demonstrira kapacitet adsorpcije rezultirajućih MNC.
Sirovo palmino ulje je dobijeno iz Apas Balung Mill-a, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, i koristi se kao prekursor ugljika za sintezu.U ovom slučaju kao dielektrični medij korištena je žica od nehrđajućeg čelika promjera 0,90 mm.Kao katalizator u ovom radu izabran je ferocen (čistoća 99%), dobijen od Sigma-Aldrich, SAD.Metilensko plavo (Bendosen, 100 g) je dalje korišteno za eksperimente adsorpcije.
U ovoj studiji, mikrovalna pećnica za domaćinstvo (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) pretvorena je u mikrovalni reaktor.U gornjem dijelu mikrovalne pećnice napravljene su tri rupe za ulaz i izlaz plina i termoelement.Sonde termoparova izolovane su keramičkim cevima i postavljene pod istim uslovima za svaki eksperiment kako bi se sprečile nezgode.U međuvremenu, reaktor od borosilikatnog stakla s poklopcem s tri rupe korišten je za smještaj uzoraka i dušnika.Šematski dijagram mikrovalnog reaktora može se pozvati na dodatnu sliku 1.
Koristeći sirovo palmino ulje kao prethodnik ugljika i ferocen kao katalizator, sintetizirani su magnetni nanougljici.Oko 5% težinski ferocen katalizatora je pripremljeno metodom suspenzije katalizatora.Ferocen je miješan sa 20 ml sirovog palminog ulja na 60 o/min 30 minuta.Smjesa je zatim prebačena u lončić od glinice, a žica od nehrđajućeg čelika dužine 30 cm je smotana i postavljena okomito unutar lončića.Stavite glinicu lončić u stakleni reaktor i sigurno ga učvrstite u mikrotalasnoj pećnici sa zatvorenim staklenim poklopcem.Azot je upuhan u komoru 5 minuta prije početka reakcije kako bi se uklonio neželjeni zrak iz komore.Snaga mikrovalne pećnice je povećana na 800W jer je to maksimalna snaga mikrovalne pećnice koja može održati dobar početak luka.Stoga to može doprinijeti stvaranju povoljnih uslova za sintetičke reakcije.U isto vrijeme, ovo je također široko korišten raspon snage u vatima za reakcije mikrovalne fuzije48,49.Smjesa je zagrijavana tokom reakcije 10, 15 ili 20 minuta.Nakon završetka reakcije, reaktor i mikrovalna pećnica su prirodno ohlađeni na sobnu temperaturu.Konačni proizvod u lončiću od glinice bio je crni talog sa spiralnim žicama.
Crni talog je sakupljen i ispran nekoliko puta naizmjenično etanolom, izopropanolom (70%) i destilovanom vodom.Nakon pranja i čišćenja, proizvod se suši preko noći na 80°C u klasičnoj pećnici kako bi se isparile neželjene nečistoće.Proizvod je zatim sakupljen za karakterizaciju.Uzorci označeni MNC10, MNC15 i MNC20 korišteni su za sintezu magnetnih nanougljika u trajanju od 10 min, 15 min i 20 min.
Posmatrajte MNC morfologiju pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa za emisiju polja ili FESEM (Zeiss Auriga model) pri uvećanju od 100 do 150 kX.Istovremeno, elementarni sastav je analiziran energetski disperzivnom rendgenskom spektroskopijom (EDS).EMF analiza je provedena na radnoj udaljenosti od 2,8 mm i naponu ubrzanja od 1 kV.Specifična površina i vrijednosti MNC pora mjerene su Brunauer-Emmett-Teller (BET) metodom, uključujući adsorpciono-desorpcijsku izotermu N2 na 77 K. Analiza je izvršena korištenjem merača površine modela (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Kristaliničnost i faza magnetnih nanougljika određeni su rendgenskom difrakcijom praha ili XRD (Burker D8 Advance) na λ = 0,154 nm.Difraktogrami su snimljeni između 2θ = 5 i 85° pri brzini skeniranja od 2° min-1.Pored toga, hemijska struktura MNC-a je istražena korišćenjem Fourierove transformacije infracrvene spektroskopije (FTIR).Analiza je izvršena pomoću Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 sa brzinama skeniranja u rasponu od 4000 do 400 cm-1.U proučavanju strukturnih karakteristika magnetnih nanougljika, Ramanova spektroskopija je izvedena korišćenjem lasera dopiranog neodimijumom (532 nm) u U-RAMAN spektroskopiji sa 100X objektivom.
Vibracioni magnetometar ili VSM (Lake Shore 7400 serija) korišten je za mjerenje magnetske zasićenosti željeznog oksida u MNC.Korišteno je magnetsko polje od oko 8 kOe i dobijeno je 200 tačaka.
Prilikom proučavanja potencijala MNC kao adsorbenata u adsorpcijskim eksperimentima korištena je kationska boja metilen plavo (MB).MNK (20 mg) su dodani u 20 ml vodenog rastvora metilen plavog sa standardnim koncentracijama u rasponu od 5-20 mg/L50.pH rastvora je postavljen na neutralni pH od 7 tokom čitave studije.Rastvor je mehanički miješan na 150 rpm i 303,15 K na rotacionoj mućkalici (Lab Companion: SI-300R).MNC-ovi se zatim odvajaju pomoću magneta.Upotrijebite UV-vidljivi spektrofotometar (Varian Cary 50 UV-Vis spektrofotometar) da promatrate koncentraciju otopine MB prije i poslije eksperimenta adsorpcije i pogledajte standardnu krivu metilen plavog na maksimalnoj talasnoj dužini od 664 nm.Eksperiment je ponovljen tri puta i data je prosječna vrijednost.Uklanjanje MG iz rastvora izračunato je korišćenjem opšte jednačine za količinu adsorbovanog MC u ravnoteži qe i procenat uklanjanja %.
Eksperimenti na adsorpcionoj izotermi su takođe izvedeni uz mešanje različitih koncentracija (5-20 mg/l) rastvora MG i 20 mg adsorbenta na konstantnoj temperaturi od 293,15 K. mg za sve MNK.
Gvožđe i magnetni ugljik su opsežno proučavani u posljednjih nekoliko decenija.Ovi magnetni materijali na bazi ugljika privlače sve veću pažnju zbog svojih odličnih elektromagnetnih svojstava, što dovodi do različitih potencijalnih tehnoloških primjena, uglavnom u električnim uređajima i tretmanu vode.U ovoj studiji, nanougljikovodici su sintetizirani krekiranjem ugljikovodika u sirovom palminom ulju korištenjem mikrovalnog pražnjenja.Sinteza je vršena u različito vrijeme, od 10 do 20 minuta, u fiksnom odnosu (5:1) prekursora i katalizatora, korištenjem metalnog kolektora struje (upleteni SS) i djelomično inertnog (nepoželjan zrak pročišćen dušikom na početak eksperimenta).Rezultirajuće karbonske naslage su u obliku crnog čvrstog praha, kao što je prikazano na dodatnoj slici 2a.Prinosi istaloženog ugljika bili su približno 5,57%, 8,21% i 11,67% u vremenima sinteze od 10 minuta, 15 minuta i 20 minuta, respektivno.Ovaj scenarij sugerira da duže vrijeme sinteze doprinosi većim prinosima51 – niskim prinosima, najvjerovatnije zbog kratkog vremena reakcije i niske aktivnosti katalizatora.
U međuvremenu, dijagram temperature sinteze u odnosu na vrijeme za dobijene nanougljike može se pozvati na dodatnu sliku 2b.Najviše temperature dobijene za MNC10, MNC15 i MNC20 bile su 190,9°C, 434,5°C i 472°C, respektivno.Za svaku krivu se može vidjeti strm nagib, što ukazuje na konstantan porast temperature unutar reaktora zbog topline koja se stvara tokom metalnog luka.Ovo se može vidjeti na 0–2 min, 0–5 min i 0–8 min za MNC10, MNC15 i MNC20, respektivno.Nakon dostizanja određene tačke, nagib nastavlja da lebdi do najviše temperature, a nagib postaje umjeren.
Za promatranje površinske topografije MNC uzoraka korištena je emisiona skening elektronska mikroskopija (FESEM).Kao što je prikazano na sl.1, magnetni nanougljici imaju malo drugačiju morfološku strukturu u različito vrijeme sinteze.Slike FESEM MNC10 na sl.1a,b pokazuju da se formiranje ugljičnih sfera sastoji od isprepletenih i pričvršćenih mikro- i nanosfera zbog visoke površinske napetosti.Istovremeno, prisustvo van der Waalsovih sila dovodi do agregacije ugljičnih sfera52.Povećanje vremena sinteze rezultiralo je manjim veličinama i povećanjem broja sfera zbog dužih reakcija pucanja.Na sl.1c pokazuje da MNC15 ima gotovo savršen sferni oblik.Međutim, agregirane sfere još uvijek mogu formirati mezopore, koje kasnije mogu postati dobra mjesta za adsorpciju metilen plavog.Pri velikom uvećanju od 15.000 puta na slici 1d može se vidjeti više ugljičnih sfera aglomeriranih prosječne veličine od 20,38 nm.
FESEM slike sintetiziranih nanougljika nakon 10 min (a, b), 15 min (c, d) i 20 min (e–g) uz povećanje od 7000 i 15000 puta.
Na sl.1e–g MNC20 prikazuje razvoj pora sa malim sferama na površini magnetnog uglja i ponovo sastavlja morfologiju magnetskog aktivnog uglja53.Pore različitih promjera i širina nasumično su locirane na površini magnetskog ugljika.Stoga, ovo može objasniti zašto je MNC20 pokazao veću površinu i volumen pora kao što je prikazano BET analizom, jer se na njegovoj površini formiralo više pora nego u drugim sintetičkim vremenima.Mikrofotografije snimljene pri velikom uvećanju od 15.000 puta pokazale su nehomogene veličine čestica i nepravilne oblike, kao što je prikazano na slici 1g.Kada je vrijeme rasta povećano na 20 minuta, formiralo se više aglomeriranih sfera.
Zanimljivo je da su na istom području pronađene i uvrnute karbonske pahuljice.Prečnik sfera varirao je od 5,18 do 96,36 nm.Ovo formiranje može biti posljedica pojave diferencijalne nukleacije, što je olakšano visokim temperaturama i mikrovalovima.Izračunata veličina sfere pripremljenih MNC je u prosjeku bila 20,38 nm za MNC10, 24,80 nm za MNC15 i 31,04 nm za MNC20.Distribucija sfera po veličini prikazana je na dodatnoj slici.3.
Dodatna slika 4 prikazuje EDS spektre i sažetke elementarnog sastava MNC10, MNC15 i MNC20, respektivno.Prema spektrima, uočeno je da svaki nanougljenik sadrži različitu količinu C, O i Fe.To je zbog različitih reakcija oksidacije i pucanja koje se javljaju tijekom dodatnog vremena sinteze.Vjeruje se da velika količina C dolazi iz prekursora ugljika, sirovog palminog ulja.U međuvremenu, nizak procenat O je posledica procesa oksidacije tokom sinteze.U isto vrijeme, Fe se pripisuje željeznom oksidu taloženom na površini nanougljika nakon raspadanja ferocena.Osim toga, dodatna slika 5a–c prikazuje mapiranje MNC10, MNC15 i MNC20 elemenata.Na osnovu fundamentalnog mapiranja, uočeno je da je Fe dobro raspoređen po površini MNC.
Analiza adsorpcije-desorpcije dušika daje informacije o mehanizmu adsorpcije i poroznoj strukturi materijala.Izoterme adsorpcije N2 i grafovi površine MNC BET prikazani su na Sl.2. Na osnovu FESEM slika, očekuje se da adsorpciono ponašanje pokazuje kombinaciju mikroporoznih i mezoporoznih struktura zbog agregacije.Međutim, grafikon na slici 2 pokazuje da adsorbens podseća na izotermu tipa IV i histereznu petlju tipa H2 IUPAC55.Ova vrsta izoterme je često slična onoj kod mezoporoznih materijala.Adsorpciono ponašanje mezopora obično je određeno interakcijom adsorpciono-adsorpcionih reakcija sa molekulima kondenzovane materije.Izoterme adsorpcije u obliku slova S ili S obično su uzrokovane jednoslojnom višeslojnom adsorpcijom praćenom fenomenom u kojem se plin kondenzira u tečnu fazu u porama pri pritiscima ispod tlaka zasićenja tečnosti u rasutom stanju, poznatom kao kondenzacija pora 56. Do kapilarne kondenzacije u porama dolazi pri relativnim pritiscima (p/po) iznad 0,50.U međuvremenu, složena struktura pora pokazuje histerezu tipa H2, koja se pripisuje začepljenju pora ili curenju u uskom rasponu pora.
Fizički parametri površine dobiveni BET testovima prikazani su u tablici 1. BET površina i ukupni volumen pora značajno su se povećali s povećanjem vremena sinteze.Prosječna veličina pora MNC10, MNC15 i MNC20 je 7,2779 nm, 7,6275 nm, odnosno 7,8223 nm.Prema preporukama IUPAC-a, ove srednje pore se mogu klasificirati kao mezoporozni materijali.Mezoporozna struktura može učiniti metilensko plavo lakšim propusnim i adsorbirajućim pomoću MNC57.Maksimalno vrijeme sinteze (MNC20) je pokazalo najveću površinu, a slijede MNC15 i MNC10.Veća BET površina može poboljšati performanse adsorpcije jer je dostupno više površinski aktivnih mjesta.
Difrakcioni uzorci rendgenskih zraka sintetiziranih MNC prikazani su na slici 3. Na visokim temperaturama, ferocen također puca i formira željezni oksid.Na sl.3a prikazuje XRD uzorak MNC10.Pokazuje dva vrha na 2θ, 43,0° i 62,32°, koji su pripisani ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).Istovremeno, Fe3O4 ima napeti vrh na 2θ: 35,27°.S druge strane, u MHC15 difrakcijskom uzorku na slici 3b prikazani su novi pikovi, koji su najvjerovatnije povezani sa povećanjem temperature i vremena sinteze.Iako je vrh 2θ: 26,202° manje intenzivan, difrakcijski uzorak je u skladu sa grafitnom JCPDS datotekom (JCPDS #75–1621), što ukazuje na prisustvo kristala grafita unutar nanougljika.Ovaj pik je odsutan u MNC10, vjerovatno zbog niske temperature luka tokom sinteze.Na 2θ postoje tri vremenska pika: 30,082°, 35,502°, 57,422° pripisana Fe3O4.Takođe pokazuje dva vrha koji ukazuju na prisustvo ɣ-Fe2O3 na 2θ: 43,102° i 62,632°.Za MNC sintetiziran u trajanju od 20 minuta (MNC20), kao što je prikazano na slici 3c, sličan uzorak difrakcije može se uočiti u MNK15.Grafički vrh na 26,382° se takođe može videti na MNC20.Tri oštra vrha prikazana na 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° su za Fe3O4.Pored toga, prisustvo ε-Fe2O3 je prikazano na 2θ: 42,972° i 62,61.Prisustvo spojeva željeznog oksida u nastalim MNC može imati pozitivan učinak na sposobnost adsorbiranja metilenskog plavog u budućnosti.
Karakteristike hemijske veze u uzorcima MNC i CPO određene su iz spektra FTIR refleksije na Dodatnoj slici 6. U početku, šest važnih pikova sirovog palminog ulja predstavljalo je četiri različite hemijske komponente kao što je opisano u Dodatnoj tabeli 1. Osnovni vrhovi identifikovani u CPO su 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 i 1463,34 cm-1, koji se odnose na CH istezne vibracije alkana i drugih alifatskih CH2 ili CH3 grupa.Identifikovani vršni šumari su 1740,85 cm-1 i 1160,83 cm-1.Vrh na 1740,85 cm-1 je C=O veza produžena esterskim karbonilom funkcionalne grupe triglicerida.U međuvremenu, vrh na 1160,83 cm-1 je otisak proširene CO58,59 estarske grupe.U međuvremenu, vrh na 813,54 cm-1 je otisak alkanske grupe.
Stoga su neki vrhovi apsorpcije u sirovom palminom ulju nestali kako se vrijeme sinteze povećavalo.Pikovi na 2913,81 cm-1 i 2840 cm-1 se i dalje mogu uočiti u MNC10, ali je zanimljivo da kod MNC15 i MNC20 pikovi imaju tendenciju da nestanu zbog oksidacije.U međuvremenu, FTIR analiza magnetnih nanougljika otkrila je novoformirane apsorpcione vrhove koji predstavljaju pet različitih funkcionalnih grupa MNC10-20.Ovi vrhovi su takođe navedeni u Dodatnoj tabeli 1. Pik na 2325,91 cm-1 je asimetrična CH deonica alifatske grupe CH360.Vrh na 1463,34-1443,47 cm-1 pokazuje CH2 i CH savijanje alifatskih grupa kao što je palmino ulje, ali vrh počinje da se smanjuje s vremenom.Pik na 813,54–875,35 cm–1 je otisak aromatične CH-alkan grupe.
U međuvremenu, pikovi na 2101,74 cm-1 i 1589,18 cm-1 predstavljaju CC 61 veze koje formiraju C=C alkinske i aromatične prstenove, respektivno.Mali vrh na 1695,15 cm-1 pokazuje C=O vezu slobodne masne kiseline iz karbonilne grupe.Dobija se iz CPO karbonila i ferocena tokom sinteze.Novonastali pikovi u rasponu od 539,04 do 588,48 cm-1 pripadaju Fe-O vibracijskoj vezi ferocena.Na osnovu vrhova prikazanih na Dodatnoj slici 4, može se vidjeti da vrijeme sinteze može smanjiti nekoliko vrhova i ponovno povezivanje u magnetnim nanougljicima.
Spektroskopska analiza Ramanskog rasejanja magnetnih nanougljika dobijenih u različitim vremenima sinteze korišćenjem upadnog lasera talasne dužine od 514 nm prikazana je na slici 4. Svi spektri MNC10, MNC15 i MNC20 sastoje se od dve intenzivne trake povezane sa niskim sp3 ugljenikom, obično pronađeni u kristalitima nanografita sa defektima u vibracionim modovima vrsta ugljenika sp262.Prvi vrh, koji se nalazi u području 1333–1354 cm–1, predstavlja D traku, koja je nepovoljna za idealni grafit i odgovara strukturnom poremećaju i drugim nečistoćama63,64.Drugi najvažniji vrh oko 1537–1595 cm-1 proizlazi iz rastezanja veze u ravni ili kristalnih i uređenih oblika grafita.Međutim, vrh se pomaknuo za oko 10 cm-1 u poređenju sa grafitnom G trakom, što ukazuje da MNC-ovi imaju nizak red slaganja listova i defektnu strukturu.Relativni intenziteti D i G traka (ID/IG) koriste se za procjenu čistoće kristalita i uzoraka grafita.Prema Ramanovoj spektroskopskoj analizi, sve MNC imale su ID/IG vrijednosti u rasponu od 0,98-0,99, što ukazuje na strukturne defekte zbog Sp3 hibridizacije.Ova situacija može objasniti prisustvo manje intenzivnih 2θ pikova u XPA spektrima: 26,20° za MNK15 i 26,28° za MNK20, kao što je prikazano na slici 4, koji je dodijeljen piku grafita u JCPDS datoteci.Omjeri ID/IG MNC dobiveni u ovom radu su u rasponu od drugih magnetnih nanougljika, na primjer, 0,85–1,03 za hidrotermalnu metodu i 0,78–0,9665,66 za pirolitičku metodu.Stoga, ovaj omjer ukazuje da se sadašnja sintetička metoda može široko koristiti.
Magnetske karakteristike MNC-a analizirane su pomoću vibracionog magnetometra.Rezultirajuća histereza je prikazana na Sl.5.Po pravilu, MNK svoj magnetizam stiču od ferocena tokom sinteze.Ova dodatna magnetna svojstva mogu povećati kapacitet adsorpcije nanougljika u budućnosti.Kao što je prikazano na slici 5, uzorci se mogu identifikovati kao superparamagnetni materijali.Prema Wahajuddin & Arora67, superparamagnetno stanje je da je uzorak magnetiziran do magnetizacije zasićenja (MS) kada se primjenjuje vanjsko magnetsko polje.Kasnije se zaostale magnetne interakcije više ne pojavljuju u uzorcima67.Važno je napomenuti da se magnetizacija zasićenja povećava s vremenom sinteze.Zanimljivo je da MNC15 ima najveću magnetnu zasićenost jer jaka magnetna formacija (magnetizacija) može biti uzrokovana optimalnim vremenom sinteze u prisustvu vanjskog magneta.Ovo može biti zbog prisustva Fe3O4, koji ima bolja magnetna svojstva u odnosu na druge okside željeza kao što je ɣ-Fe2O.Red adsorpcionog momenta zasićenja po jedinici mase MNC je MNC15>MNC10>MNC20.Dobijeni magnetni parametri dati su u tabeli.2.
Minimalna vrijednost magnetske zasićenosti kada se koriste konvencionalni magneti u magnetnoj separaciji je oko 16,3 emu g-1.Sposobnost MNK da uklone zagađivače kao što su boje u vodenoj sredini i lakoća uklanjanja MNK postali su dodatni faktori za dobijene nanougljike.Istraživanja su pokazala da se magnetna zasićenost LSM-a smatra visokom.Tako su svi uzorci dostigli vrijednosti magnetskog zasićenja više nego dovoljne za postupak magnetske separacije.
Nedavno su metalne trake ili žice privukle pažnju kao katalizatori ili dielektrici u procesima mikrovalne fuzije.Mikrovalne reakcije metala uzrokuju visoke temperature ili reakcije unutar reaktora.Ova studija tvrdi da vrh i kondicionirana (namotana) žica od nehrđajućeg čelika olakšavaju mikrovalno pražnjenje i zagrijavanje metala.Nehrđajući čelik ima izraženu hrapavost na vrhu, što dovodi do visokih vrijednosti površinske gustine naboja i vanjskog električnog polja.Kada punjenje dobije dovoljnu kinetičku energiju, nabijene čestice će iskočiti iz nehrđajućeg čelika, uzrokujući ionizaciju okoline, stvarajući pražnjenje ili iskru 68 .Metalno pražnjenje daje značajan doprinos reakcijama pucanja rastvora koje su praćene vrućim tačkama visoke temperature.Prema temperaturnoj karti na dodatnoj slici 2b, temperatura brzo raste, što ukazuje na prisustvo vrućih tačaka visoke temperature pored fenomena jakog pražnjenja.
U ovom slučaju se opaža toplinski efekat, jer se slabo vezani elektroni mogu kretati i koncentrirati na površini i na vrhu69.Kada je nehrđajući čelik namotan, velika površina metala u otopini pomaže induciranju vrtložnih struja na površini materijala i održava učinak grijanja.Ovo stanje efikasno pomaže u cijepanju dugih ugljičnih lanaca CPO i ferocena i ferocena.Kao što je prikazano na dodatnoj slici 2b, konstantna stopa temperature pokazuje da se u otopini opaža ujednačen učinak grijanja.
Predloženi mehanizam za formiranje MNC-a prikazan je na dodatnoj slici 7. Dugi ugljični lanci CPO i ferocena počinju pucati na visokoj temperaturi.Ulje se razgrađuje i formira podijeljene ugljikovodike koji postaju prekursori ugljika poznati kao globule na slici FESEM MNC1070.Zbog energije okoline i pritiska 71 u atmosferskim uslovima.U isto vrijeme, ferocen također puca, formirajući katalizator od atoma ugljika taloženih na Fe.Tada dolazi do brze nukleacije i ugljična jezgra oksidira i formira amorfni i grafitni sloj ugljika na vrhu jezgre.Kako se vrijeme povećava, veličina sfere postaje preciznija i ujednačenija.U isto vrijeme, postojeće van der Waalsove sile također dovode do aglomeracije sfera52.Prilikom redukcije Fe iona na Fe3O4 i ɣ-Fe2O3 (prema rendgenskom faznoj analizi), na površini nanougljika nastaju različite vrste oksida željeza, što dovodi do stvaranja magnetnih nanougljika.EDS mapiranje je pokazalo da su atomi Fe snažno raspoređeni po površini MNC, kao što je prikazano na dodatnim slikama 5a-c.
Razlika je u tome što u vremenu sinteze od 20 minuta dolazi do agregacije ugljika.Formira veće pore na površini MNC-a, sugerirajući da se MNC-ovi mogu smatrati aktivnim ugljenom, kao što je prikazano na FESEM slikama na slici 1e–g.Ova razlika u veličini pora može biti povezana sa doprinosom željeznog oksida iz ferocena.Istovremeno, zbog dostignute visoke temperature dolazi do deformisanih ljuskica.Magnetski nanougljici pokazuju različite morfologije u različitim vremenima sinteze.Vjerovatnije je da nanougljici formiraju sferne oblike sa kraćim vremenom sinteze.Istovremeno, pore i ljuske su dostižne, iako je razlika u vremenu sinteze samo unutar 5 minuta.
Magnetni nanougljici mogu ukloniti zagađivače iz vodenog okoliša.Njihova sposobnost lakog uklanjanja nakon upotrebe je dodatni faktor za korištenje nanougljika dobijenih u ovom radu kao adsorbenata.Proučavajući svojstva adsorpcije magnetnih nanougljika, istražili smo sposobnost MNC-a da obezboje otopine metilen plavog (MB) na 30°C bez ikakvog podešavanja pH.Nekoliko studija je zaključilo da performanse ugljičnih apsorbenata u temperaturnom rasponu od 25-40 °C ne igraju važnu ulogu u određivanju uklanjanja MC.Iako ekstremne pH vrijednosti igraju važnu ulogu, na površini se mogu formirati naboji funkcionalnih grupa, što dovodi do prekida interakcije adsorbat-adsorbent i utiče na adsorpciju.Stoga su gore navedeni uvjeti odabrani u ovoj studiji s obzirom na ove situacije i potrebu za tipičnim tretmanom otpadnih voda.
U ovom radu proveden je šaržni eksperiment adsorpcije dodavanjem 20 mg MNC u 20 ml vodene otopine metilen plavog s različitim standardnim početnim koncentracijama (5-20 ppm) u fiksnom vremenu kontakta60.Dodatna slika 8 prikazuje status različitih koncentracija (5-20 ppm) otopina metilen plavog prije i nakon tretmana s MNC10, MNC15 i MNC20.Pri korištenju različitih MNC-a smanjena je razina boje MB rješenja.Zanimljivo je da je otkriveno da MNC20 lako mijenja boju otopine MB pri koncentraciji od 5 ppm.U međuvremenu, MNC20 je takođe smanjio nivo boje MB rešenja u poređenju sa drugim MNC-ovima.UV vidljivi spektar MNC10-20 prikazan je na dodatnoj slici 9. U međuvremenu, informacije o brzini uklanjanja i adsorpciji prikazane su na slici 9. 6 i u tabeli 3, respektivno.
Jaki vrhovi metilen plavog mogu se naći na 664 nm i 600 nm.U pravilu, intenzitet pika postepeno opada sa smanjenjem početne koncentracije otopine MG.Na dodatnoj slici 9a prikazani su UV-vidljivi spektri MB rastvora različitih koncentracija nakon tretmana sa MNC10, što je samo neznatno promenilo intenzitet pikova.S druge strane, vrhovi apsorpcije MB otopina značajno su se smanjili nakon tretmana s MNC15 i MNC20, kao što je prikazano na dodatnim slikama 9b i c, respektivno.Ove promjene se jasno vide kako se koncentracija otopine MG smanjuje.Međutim, spektralne promjene koje su postigla sva tri magnetna ugljika bile su dovoljne da uklone metilen plavu boju.
Na osnovu tabele 3, rezultati za količinu adsorbovanog MC i procenat adsorbovanog MC prikazani su na slici 3. 6. Adsorpcija MG je porasla korišćenjem viših početnih koncentracija za sve MNK.U međuvremenu, postotak adsorpcije ili brzina uklanjanja MB (MBR) pokazao je suprotan trend kada se početna koncentracija povećala.Pri nižim početnim koncentracijama MC, nezauzeta aktivna mjesta su ostala na površini adsorbenta.Kako se koncentracija boje povećava, broj nezauzetih aktivnih mjesta dostupnih za adsorpciju molekula boje će se smanjiti.Drugi su zaključili da će se pod ovim uslovima postići zasićenje aktivnih mesta biosorpcije72.
Nažalost za MNC10, MBR se povećao i smanjio nakon 10 ppm MB rješenja.U isto vrijeme, samo vrlo mali dio MG je adsorbiran.Ovo ukazuje da je 10 ppm optimalna koncentracija za adsorpciju MNC10.Za sve MNK proučavane u ovom radu, redoslijed adsorpcionih kapaciteta bio je sljedeći: MNC20 > MNC15 > MNC10, prosječne vrijednosti su bile 10,36 mg/g, 6,85 mg/g i 0,71 mg/g, prosječne brzine uklanjanja MG iznosio je 87, 79%, 62,26% i 5,75%.Tako je MNC20 pokazao najbolje karakteristike adsorpcije među sintetizovanim magnetnim nanougljicima, uzimajući u obzir kapacitet adsorpcije i UV-vidljivi spektar.Iako je kapacitet adsorpcije manji u odnosu na druge magnetne nanougljike kao što su MWCNT magnetni kompozit (11,86 mg/g) i nanočestice nanočestice nanocijev-magnet Fe3O4 (18,44 mg/g), ovo istraživanje ne zahtijeva dodatnu upotrebu stimulansa.Hemikalije djeluju kao katalizatori.pružanje čistih i izvodljivih sintetičkih metoda73,74.
Kao što pokazuju SBET vrijednosti MNC-a, visoka specifična površina pruža aktivnija mjesta za adsorpciju MB otopine.Ovo postaje jedna od osnovnih karakteristika sintetičkih nanougljika.Istovremeno, zbog male veličine MNC-a, vrijeme sinteze je kratko i prihvatljivo, što odgovara glavnim kvalitetama perspektivnih adsorbenata75.U poređenju sa konvencionalnim prirodnim adsorbentima, sintetizovani MNC su magnetski zasićeni i mogu se lako ukloniti iz rastvora pod dejstvom spoljašnjeg magnetnog polja76.Time se smanjuje vrijeme potrebno za cijeli proces liječenja.
Izoterme adsorpcije su ključne za razumijevanje procesa adsorpcije, a zatim i za pokazivanje kako se adsorbat dijeli između tekuće i čvrste faze kada se postigne ravnoteža.Kao standardne izotermne jednadžbe koriste se Langmuir i Freundlich jednadžbe, koje objašnjavaju mehanizam adsorpcije, kao što je prikazano na slici 7. Langmuir model dobro pokazuje formiranje jednog sloja adsorbata na vanjskoj površini adsorbenta.Izoterme se najbolje opisuju kao homogene adsorpcijske površine.Istovremeno, Freundlichova izoterma najbolje pokazuje učešće nekoliko adsorbentskih regiona i adsorpcionu energiju u pritisku adsorbata na nehomogenu površinu.
Model izoterme za Langmuirovu izotermu (a–c) i Freundlichovu izotermu (d–f) za MNC10, MNC15 i MNC20.
Izoterme adsorpcije pri niskim koncentracijama otopljenih tvari su obično linearne77.Linearni prikaz Langmuirovog modela izoterme može se izraziti jednadžbom.1 Odredite parametre adsorpcije.
KL (l/mg) je Langmuirova konstanta koja predstavlja afinitet vezivanja MB za MNC.U međuvremenu, qmax je maksimalni kapacitet adsorpcije (mg/g), qe je adsorbirana koncentracija MC (mg/g), a Ce je ravnotežna koncentracija otopine MC.Linearni izraz Freundlichovog modela izoterme može se opisati na sljedeći način:
Vrijeme objave: Feb-16-2023