Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Postojanje metala koje emitira mikrovalno 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 kombinira mikrovalno zagrijavanje i električni luk za pretvaranje sirovog palminog ulja u magnetski 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 ferocena (katalizator) u djelomično inertnim uvjetima.Ova metoda je uspješno demonstrirana za zagrijavanje u temperaturnom rasponu od 190,9 do 472,0°C s različitim vremenima sinteze (10-20 min).Svježe pripremljene MNC pokazale su kuglice prosječne veličine 20,38–31,04 nm, mezoporoznu strukturu (SBET: 14,83–151,95 m2/g) i visok sadržaj vezanog 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) svjedoči u prilog prisutnosti FeO spojeva u ferocenu.Magnetometri pokazuju visoko zasićenje magnetizacije (22,32–26,84 emu/g) u feromagnetskim materijalima.Upotreba MNC-a u pročišćavanju otpadnih voda dokazana je procjenom njihovog adsorpcijskog kapaciteta pomoću adsorpcijskog testa metilensko modrilo (MB) pri različitim koncentracijama od 5 do 20 ppm.MNC dobiveni u vremenu sinteze (20 min) pokazali su najveću učinkovitost adsorpcije (10,36 mg/g) u usporedbi s ostalima, a stopa uklanjanja MB boje bila je 87,79%.Stoga Langmuirove vrijednosti nisu optimistične u usporedbi s Freundlichovim vrijednostima, pri čemu je R2 oko 0,80, 0,98 i 0,99 za MNC sintetizirane nakon 10 minuta (MNC10), 15 minuta (MNC15) odnosno 20 minuta (MNC20).Zbog toga je adsorpcijski sustav u heterogenom stanju.Stoga, mikrovalni luk nudi obećavajuću metodu za pretvaranje CPO u MNC, koja može ukloniti štetne boje.
Mikrovalno zračenje može zagrijati najdublje dijelove materijala putem molekularne interakcije elektromagnetskih polja.Ovaj mikrovalni odziv jedinstven je po tome što potiče brz i ujednačen toplinski odziv.Tako je moguće ubrzati proces zagrijavanja i pojačati kemijske reakcije2.U isto vrijeme, zbog kraćeg vremena reakcije, mikrovalna reakcija u konačnici može proizvesti proizvode visoke čistoće i visokog prinosa3,4.Zbog svojih nevjerojatnih svojstava, mikrovalno zračenje omogućuje zanimljive mikrovalne sinteze koje se koriste u mnogim studijama, uključujući kemijske reakcije i sintezu nanomaterijala5,6.Tijekom procesa zagrijavanja odlučujuću ulogu imaju dielektrična svojstva akceptora unutar medija, budući da stvara vruću točku u mediju, što dovodi do stvaranja nanougljika različitih morfologija i svojstava.Studija Omoriyekomwan i sur.Proizvodnja šupljih ugljikovih nanovlakana iz palminih koštica pomoću aktivnog ugljena i dušika8.Osim toga, Fu i Hamid odredili su upotrebu katalizatora za proizvodnju aktivnog ugljena od palminog ulja u mikrovalnoj pećnici 350 W9.Stoga se sličan pristup može koristiti za pretvaranje sirovog palminog ulja u MNC uvođenjem odgovarajućih čistača.
Uočen je zanimljiv fenomen između mikrovalnog zračenja i metala s oštrim rubovima, točkicama ili submikroskopskim nepravilnostima10.Na prisutnost ova dva objekta utjecat će električni luk ili iskra (koja se obično naziva lučno pražnjenje)11,12.Luk će pospješiti stvaranje više lokaliziranih vrućih točaka i utjecati na reakciju, čime se poboljšava kemijski sastav okoliša13.Ovaj poseban i zanimljiv fenomen privukao je razne studije kao što su uklanjanje onečišćenja14,15, krekiranje katrana biomase16, piroliza potpomognuta mikrovalovima17,18 i sinteza materijala19,20,21.
Nedavno su nanougljici kao što su ugljikove nanocijevi, ugljikove nanosfere i modificirani reducirani grafen oksid privukli pozornost zbog svojih svojstava.Ovi nanougljici imaju veliki potencijal za primjenu u rasponu od proizvodnje električne energije do pročišćavanja vode ili dekontaminacije23.Osim toga, potrebna su izvrsna svojstva ugljika, ali su u isto vrijeme potrebna i dobra magnetska svojstva.Ovo je vrlo korisno za višenamjenske primjene, uključujući visoku adsorpciju metalnih iona i bojila u obradi otpadnih voda, magnetske modifikatore u biogorivima, pa čak i visokoučinkovite mikrovalne apsorbere24,25,26,27,28.U isto vrijeme, ti ugljici imaju još jednu prednost, uključujući povećanje površine aktivnog mjesta uzorka.
Posljednjih godina istraživanje magnetskih nanougljičnih materijala je u porastu.Tipično, ti magnetski nanougljici su višenamjenski materijali koji sadrže magnetske materijale nanoveličine koji mogu izazvati reakciju vanjskih katalizatora, kao što su vanjska elektrostatička ili izmjenična magnetska polja29.Zbog svojih magnetskih svojstava, magnetski nanougljici mogu se kombinirati sa širokim rasponom aktivnih sastojaka i složenih struktura za imobilizaciju30.U međuvremenu, magnetski nanougljici (MNC) pokazuju izvrsnu učinkovitost u adsorpciji zagađivača iz vodenih otopina.Osim toga, velika specifična površina i pore formirane u MNC mogu povećati adsorpcijski kapacitet31.Magnetski separatori mogu odvojiti MNC od visoko reaktivnih otopina, pretvarajući ih u održiv i upravljiv sorbent32.
Nekoliko je istraživača pokazalo da se visokokvalitetni nanougljici mogu proizvesti korištenjem sirovog palminog ulja33,34.Palmino ulje, znanstveno poznato kao Elais Guneensis, smatra se jednim od važnih jestivih ulja s proizvodnjom od oko 76,55 milijuna tona u 202135. Sirovo palmino ulje ili CPO sadrži uravnotežen omjer nezasićenih masnih kiselina (EFA) i zasićenih masnih kiselina (Singapurska monetarna uprava).Većina ugljikovodika u CPO su trigliceridi, gliceridi koji se sastoje od tri komponente triglicerid acetata i jedne komponente glicerola36.Ovi se ugljikovodici mogu generalizirati zbog svog ogromnog sadržaja ugljika, što ih čini potencijalnim zelenim prethodnicima za proizvodnju nanougljika37.Prema literaturi, CNT37,38,39,40, ugljikove nanosfere33,41 i grafen34,42,43 obično se sintetiziraju korištenjem sirovog palminog ili jestivog ulja.Ovi nanougljici imaju velik potencijal u primjenama u rasponu od proizvodnje električne energije do pročišćavanja vode ili dekontaminacije.
Toplinska sinteza kao što je CVD38 ili piroliza33 postala je povoljna metoda za razgradnju palminog ulja.Nažalost, visoke temperature u procesu povećavaju troškove proizvodnje.Proizvodnja željenog materijala 44 zahtijeva dugotrajne, zamorne postupke i metode čišćenja.Međutim, potreba za fizičkim odvajanjem i krekiranjem je neporeciva zbog dobre stabilnosti sirovog palminog ulja na visokim temperaturama45.Stoga su još uvijek potrebne više temperature za pretvaranje sirovog palminog ulja u materijale koji sadrže ugljik.Tekući luk se može smatrati najboljim potencijalom i novom metodom za sintezu magnetskog nanougljika 46 .Ovaj pristup osigurava izravnu energiju za prekursore i otopine u visoko pobuđenim stanjima.Lučno pražnjenje može uzrokovati kidanje ugljikovih veza u sirovom palminom ulju.Međutim, korišteni razmak između elektroda možda će morati zadovoljiti stroge zahtjeve, što će ograničiti industrijsku ljestvicu, tako da još uvijek treba razviti učinkovitu metodu.
Koliko nam je poznato, istraživanje lučnog pražnjenja korištenjem mikrovalova kao metode za sintezu nanougljika je ograničeno.U isto vrijeme, upotreba sirovog palminog ulja kao prekursora nije u potpunosti istražena.Stoga je cilj ove studije istražiti mogućnost proizvodnje magnetskih nanougljika iz sirovih prekursora palminog ulja pomoću električnog luka pomoću mikrovalne pećnice.Obilje palminog ulja trebalo bi se odraziti na nove proizvode i primjene.Ovaj novi pristup rafiniranju palminog ulja mogao bi pomoći u jačanju gospodarskog sektora i biti još jedan izvor prihoda za proizvođače palminog ulja, posebno pogođene plantaže palminog ulja malih farmera.Prema studiji o afričkim malim posjednicima koju su proveli Ayompe i dr., mali vlasnici zarađuju više novca samo ako sami prerađuju grozdove svježeg voća i prodaju sirovo palmino ulje umjesto da ga prodaju posrednicima, što je skup i dosadan posao47.U isto vrijeme, povećanje broja zatvaranja tvornica zbog bolesti COVID-19 utjecalo je na proizvode na bazi palminog ulja.Zanimljivo, budući da većina kućanstava ima pristup mikrovalnim pećnicama i da se metoda predložena u ovoj studiji može smatrati izvedivom i pristupačnom, proizvodnja MNC-a može se smatrati alternativom malim plantažama palminog ulja.U međuvremenu, u većem opsegu, tvrtke mogu ulagati u velike reaktore za proizvodnju velikih TNC-a.
Ova studija uglavnom pokriva proces sinteze korištenjem nehrđajućeg čelika kao dielektričnog medija u različitim trajanjima.Većina općih studija koje koriste mikrovalove i nanougljike sugeriraju prihvatljivo vrijeme sinteze od 30 minuta ili više33,34.Kako bi se poduprla pristupačna i izvediva praktična ideja, ova je studija imala za cilj dobiti MNC s ispodprosječnim vremenom sinteze.U isto vrijeme, studija daje sliku razine 3 tehnološke spremnosti jer se teorija dokazuje i provodi u laboratorijskim razmjerima.Kasnije su dobivene MNC karakterizirane njihovim fizičkim, kemijskim i magnetskim svojstvima.Zatim je korišteno metilensko plavo da se pokaže adsorpcijski kapacitet dobivenih MNC.
Sirovo palmino ulje dobiveno je od Apas Balung Mill, 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 odabran je ferocen (čistoće 99%), dobiven od Sigma-Aldrich, SAD.Metilen modrilo (Bendosen, 100 g) dalje je korišteno za adsorpcijske eksperimente.
U ovoj studiji, kućna mikrovalna pećnica (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) pretvorena je u mikrovalni reaktor.U gornjem dijelu mikrovalne pećnice napravljene su tri rupe za ulaz i izlaz plina i termoelementa.Sonde za termoelemente izolirane su keramičkim cijevima i postavljene pod iste uvjete za svaki eksperiment kako bi se spriječile nezgode.U međuvremenu, reaktor od borosilikatnog stakla s poklopcem s tri rupe korišten je za smještaj uzoraka i dušnika.Na shematski dijagram mikrovalnog reaktora može se uputiti na Dodatnu sliku 1.
Korištenjem sirovog palminog ulja kao prekursora ugljika i ferocena kao katalizatora, sintetizirani su magnetski nanougljici.Oko 5% mase ferocenskog katalizatora pripravljeno je postupkom katalizatora u mulj.Ferocen je miješan s 20 ml sirovog palminog ulja pri 60 okretaja u minuti tijekom 30 minuta.Smjesa je zatim prebačena u lončić od aluminijevog oksida, a 30 cm duga žica od nehrđajućeg čelika smotana je i postavljena okomito unutar lončića.Stavite lončić od aluminijevog oksida u stakleni reaktor i čvrsto ga učvrstite u mikrovalnoj pećnici zatvorenim staklenim poklopcem.Dušik je upuhan u komoru 5 minuta prije početka reakcije kako bi se uklonio neželjeni zrak iz komore.Snaga mikrovalova povećana je na 800 W jer je to maksimalna snaga mikrovalova koja može održati dobar početak luka.Stoga to može pridonijeti stvaranju povoljnih uvjeta za sintetske reakcije.U isto vrijeme, ovo je također široko korišten raspon snage u vatima za mikrovalne fuzijske reakcije48,49.Smjesa je zagrijavana 10, 15 ili 20 minuta tijekom reakcije.Nakon završetka reakcije, reaktor i mikrovalna pećnica su prirodno ohlađeni na sobnu temperaturu.Konačni proizvod u lončiću aluminijevog oksida bio je crni talog sa spiralnim žicama.
Crni talog je sakupljen i ispran nekoliko puta naizmjenično s etanolom, izopropanolom (70%) i destiliranom vodom.Nakon pranja i čišćenja, proizvod se suši preko noći na 80°C u konvencionalnoj pećnici kako bi isparile neželjene nečistoće.Produkt je zatim sakupljen za karakterizaciju.Uzorci označeni MNC10, MNC15 i MNC20 korišteni su za sintezu magnetskih nanougljika 10 minuta, 15 minuta i 20 minuta.
Promatrajte morfologiju MNC-a skenirajućim elektronskim mikroskopom s emisijom polja ili FESEM-om (model Zeiss Auriga) pri povećanju od 100 do 150 kX.Istodobno je analiziran elementarni sastav energijsko-disperzijske rendgenske spektroskopije (EDS).EMF analiza je provedena na radnoj udaljenosti od 2,8 mm i ubrzavajućem naponu od 1 kV.Vrijednosti specifične površine i MNC pora izmjerene su metodom Brunauer-Emmett-Teller (BET), uključujući adsorpcijsko-desorpcijsku izotermu N2 na 77 K. Analiza je provedena pomoću modelnog mjerača površine (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Kristalnost i faza magnetskih 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.Osim toga, kemijska struktura MNC-a istražena je pomoću Fourierove transformacije infracrvene spektroskopije (FTIR).Analiza je provedena pomoću Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 s brzinama skeniranja u rasponu od 4000 do 400 cm-1.U proučavanju strukturnih značajki magnetskih nanougljika, Ramanova spektroskopija je provedena pomoću lasera dopiranog neodimijem (532 nm) u U-RAMAN spektroskopiji s objektivom 100X.
Vibrirajući magnetometar ili VSM (serija Lake Shore 7400) korišten je za mjerenje magnetske zasićenosti željeznog oksida u MNC-ima.Korišteno je magnetsko polje od oko 8 kOe i dobiveno je 200 točaka.
Pri proučavanju potencijala MNC kao adsorbenata u adsorpcijskim eksperimentima korišteno je kationsko bojilo metilensko modrilo (MB).MNC (20 mg) dodani su u 20 ml vodene otopine metilenskog modrila sa standardnim koncentracijama u rasponu od 5-20 mg/L50.pH otopine postavljen je na neutralni pH od 7 tijekom studije.Otopina je mehanički miješana pri 150 okretaja u minuti i 303,15 K na rotacijskoj tresilici (Lab Companion: SI-300R).MNC se zatim odvajaju pomoću magneta.Upotrijebite UV-vidljivi spektrofotometar (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) za promatranje koncentracije MB otopine prije i nakon adsorpcijskog eksperimenta i pogledajte standardnu krivulju metilensko modrila pri najvećoj valnoj duljini od 664 nm.Eksperiment je ponovljen tri puta i dana je prosječna vrijednost.Uklanjanje MG iz otopine izračunato je pomoću opće jednadžbe za količinu MC adsorbiranog u ravnoteži qe i postotak uklanjanja %.
Provedeni su i pokusi na izotermi adsorpcije uz miješanje različitih koncentracija (5–20 mg/l) otopina MG i 20 mg adsorbensa pri konstantnoj temperaturi od 293,15 K. mg za sve MNK.
Željezo i magnetski ugljik opsežno su proučavani tijekom posljednjih nekoliko desetljeća.Ovi magnetski materijali na bazi ugljika privlače sve veću pozornost zbog svojih izvrsnih elektromagnetskih svojstava, što dovodi do različitih potencijalnih tehnoloških primjena, uglavnom u električnim uređajima i obradi vode.U ovoj studiji, nanougljici su sintetizirani krekiranjem ugljikovodika u sirovom palminom ulju korištenjem mikrovalnog pražnjenja.Sinteza je provedena u različitim vremenima, od 10 do 20 min, pri fiksnom omjeru (5:1) prekursora i katalizatora, koristeći metalni kolektor struje (upredeni SS) i djelomično inertni (neželjeni zrak pročišćen dušikom na početak eksperimenta).Rezultirajuće naslage ugljika su u obliku crnog krutog praha, kao što je prikazano na Dodatnoj slici 2a.Prinosi istaloženog ugljika bili su približno 5,57%, 8,21% i 11,67% u vremenu sinteze od 10 minuta, 15 minuta, odnosno 20 minuta.Ovaj scenarij sugerira da duža vremena sinteze pridonose većim prinosima51—niskim prinosima, najvjerojatnije zbog kratkog vremena reakcije i niske aktivnosti katalizatora.
U međuvremenu, dijagram temperature sinteze u odnosu na vrijeme za dobivene nanougljike može se pogledati na dodatnoj slici 2b.Najviše dobivene temperature za MNC10, MNC15 i MNC20 bile su 190,9°C, 434,5°C i 472°C, redom.Za svaku krivulju može se vidjeti strmi nagib, što ukazuje na stalni porast temperature unutar reaktora zbog topline koja se stvara tijekom metalnog luka.To se može vidjeti na 0–2 min, 0–5 min, odnosno 0–8 min za MNC10, MNC15 i MNC20.Nakon što se postigne određena točka, nagib nastavlja lebdjeti do najviše temperature, a nagib postaje umjeren.
Za promatranje topografije površine MNC uzoraka korištena je skenirajuća elektronska mikroskopija s emisijom polja (FESEM).Kao što je prikazano na sl.1, magnetski nanougljici imaju nešto drugačiju morfološku strukturu u različito vrijeme sinteze.Slike FESEM MNC10 na sl.Slike 1a,b pokazuju da se formiranje ugljikovih kuglica sastoji od isprepletenih i spojenih mikro- i nanosfera zbog visoke površinske napetosti.U isto vrijeme, prisutnost van der Waalsovih sila dovodi do agregacije ugljikovih kuglica52.Povećanje vremena sinteze rezultiralo je manjim veličinama i povećanjem broja kuglica zbog duljih reakcija pucanja.Na sl.1c pokazuje da MNC15 ima gotovo savršen sferni oblik.Međutim, agregirane kuglice još uvijek mogu formirati mezopore, koje kasnije mogu postati dobra mjesta za adsorpciju metilenskog plavog.Pri velikom povećanju od 15 000 puta na slici 1d može se vidjeti više ugljikovih kuglica aglomeriranih prosječne veličine 20,38 nm.
FESEM slike sintetiziranih nanougljika nakon 10 minuta (a, b), 15 minuta (c, d) i 20 minuta (e–g) pri povećanju od 7000 i 15000 puta.
Na sl.1e–g MNC20 prikazuje razvoj pora s malim kuglicama na površini magnetskog ugljika i ponovno sastavlja morfologiju magnetskog aktivnog ugljena53.Pore različitih promjera i širina nasumično su smještene 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 formira više pora nego u drugim sintetskim vremenima.Mikrografije snimljene pri velikom povećanju od 15 000 puta pokazale su nehomogene veličine čestica i nepravilne oblike, kao što je prikazano na slici 1g.Kada se vrijeme rasta povećalo na 20 minuta, formiralo se više aglomeriranih kuglica.
Zanimljivo je da su na istom području pronađene i uvijene karbonske pahuljice.Promjer kuglica je varirao od 5,18 do 96,36 nm.Ova formacija može biti posljedica pojave diferencijalne nukleacije, koju pospješuju visoka temperatura i mikrovalovi.Izračunata veličina sfere pripremljenih MNC bila je u prosjeku 20,38 nm za MNC10, 24,80 nm za MNC15 i 31,04 nm za MNC20.Raspodjela veličina sfera prikazana je na dodatnoj slici.3.
Dodatna slika 4 prikazuje EDS spektre i sažetke elementarnog sastava MNC10, MNC15 i MNC20.Prema spektrima, uočeno je da svaki nanougljik sadrži različitu količinu C, O i Fe.To je zbog raznih reakcija oksidacije i pucanja koje se javljaju tijekom dodatnog vremena sinteze.Vjeruje se da velika količina C dolazi od prekursora ugljika, sirovog palminog ulja.U međuvremenu, nizak postotak O posljedica je procesa oksidacije tijekom sinteze.Istodobno, Fe se pripisuje željeznom oksidu taloženom na površini nanougljika nakon razgradnje ferocena.Osim toga, dodatna slika 5a–c prikazuje mapiranje elemenata MNC10, MNC15 i MNC20.Na temelju temeljnog mapiranja, uočeno je da je Fe dobro raspoređeno po površini MNC-a.
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 temelju FESEM slika, očekuje se da adsorpcijsko ponašanje pokazuje kombinaciju mikroporoznih i mezoporoznih struktura zbog agregacije.Međutim, grafikon na slici 2 pokazuje da adsorbent nalikuje izotermi tipa IV i petlji histereze tipa H2 IUPAC55.Ova vrsta izoterme često je slična onoj kod mezoporoznih materijala.Adsorpcijsko ponašanje mezopora obično je određeno interakcijom adsorpcijsko-adsorpcijskih reakcija s molekulama kondenzirane tvari.Adsorpcijske izoterme u obliku slova S ili u obliku slova S obično su uzrokovane jednoslojnom-višeslojnom adsorpcijom praćenom pojavom u kojoj plin kondenzira u tekuću fazu u porama pri tlakovima ispod tlaka zasićenja velike tekućine, poznatom kao kondenzacija pora 56. Kapilarna kondenzacija u porama događa se pri relativnim tlakovima (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.
Fizikalni parametri površine dobiveni BET testovima prikazani su u tablici 1. BET površina i ukupni volumen pora značajno su porasli 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 međupore se mogu klasificirati kao mezoporozni materijali.Mezoporozna struktura može učiniti metilensko modrilo lakšim propusnim i adsorpcijskim za MNC57.Maksimalno vrijeme sinteze (MNC20) pokazalo je najveću površinu, a slijede ga MNC15 i MNC10.Veća BET površina može poboljšati performanse adsorpcije jer je dostupno više mjesta površinski aktivnih tvari.
Difrakcijski uzorci X-zraka sintetiziranih MNC prikazani su na slici 3. Na visokim temperaturama, ferocen također puca i stvara željezni oksid.Na sl.Slika 3a prikazuje XRD uzorak MNC10.Prikazuje dva vrha na 2θ, 43,0° i 62,32°, koji su pripisani ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).U isto vrijeme, Fe3O4 ima deformirani vrh na 2θ: 35,27°.S druge strane, u MHC15 difrakcijskom uzorku na slici 3b prikazani su novi vrhovi, koji su najvjerojatnije povezani s povećanjem temperature i vremena sinteze.Iako je vrh 2θ: 26,202° manje intenzivan, difrakcijski uzorak je u skladu s grafitnom JCPDS datotekom (JCPDS #75-1621), što ukazuje na prisutnost kristala grafita unutar nanougljika.Ovaj vrh je odsutan u MNC10, vjerojatno zbog niske temperature luka tijekom sinteze.Na 2θ postoje tri vremenska vrhunca: 30,082°, 35,502°, 57,422° pripisana Fe3O4.Također pokazuje dva vrha koji ukazuju na prisutnost ɣ-Fe2O3 na 2θ: 43,102° i 62,632°.Za MNC sintetiziran tijekom 20 minuta (MNC20), kao što je prikazano na slici 3c, sličan difrakcijski uzorak može se uočiti u MNK15.Grafički vrh na 26,382° također se može vidjeti u MNC20.Tri oštra vrha prikazana na 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° su za Fe3O4.Osim toga, prisutnost ε-Fe2O3 prikazana je na 2θ: 42,972° i 62,61.Prisutnost spojeva željeznog oksida u nastalim MNC može imati pozitivan učinak na sposobnost adsorpcije metilenskog modrila u budućnosti.
Karakteristike kemijske veze u uzorcima MNC i CPO određene su iz FTIR spektra refleksije na Dodatnoj slici 6. U početku je šest važnih vrhova sirovog palminog ulja predstavljalo četiri različite kemijske komponente kao što je opisano u Dodatnoj tablici 1. Temeljni vrhovi identificirani u CPO su 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 i 1463,34 cm-1, što se odnosi na CH rastezne vibracije alkana i drugih alifatskih CH2 ili CH3 skupina.Identificirani vršni šumari su 1740,85 cm-1 i 1160,83 cm-1.Vrh na 1740,85 cm-1 je C=O veza produžena ester karbonilom trigliceridne funkcionalne skupine.U međuvremenu, vrh na 1160.83 cm-1 je otisak proširene CO58.59 esterske skupine.U međuvremenu, vrh na 813,54 cm-1 je otisak alkanske skupine.
Stoga su neki vrhovi apsorpcije u sirovom palminom ulju nestali kako se vrijeme sinteze povećavalo.Vrhovi na 2913,81 cm-1 i 2840 cm-1 još uvijek se mogu uočiti u MNC10, ali je zanimljivo da u MNC15 i MNC20 vrhovi imaju tendenciju nestajanja zbog oksidacije.U međuvremenu, FTIR analiza magnetskih nanougljika otkrila je novoformirane apsorpcijske vrhove koji predstavljaju pet različitih funkcionalnih skupina MNC10-20.Ovi vrhovi su također navedeni u Dodatnoj tablici 1. Vrh na 2325,91 cm-1 je asimetrično CH rastezanje CH360 alifatske skupine.Vrh na 1463,34-1443,47 cm-1 pokazuje CH2 i CH savijanje alifatskih skupina kao što je palmino ulje, ali se vrh počinje smanjivati s vremenom.Vrh na 813,54–875,35 cm–1 je otisak aromatske CH-alkanske skupine.
U međuvremenu, vrhovi na 2101,74 cm-1 i 1589,18 cm-1 predstavljaju CC 61 veze koje tvore C=C alkinske odnosno aromatske prstenove.Mali vrh na 1695,15 cm-1 pokazuje C=O vezu slobodne masne kiseline iz karbonilne skupine.Dobiva se iz CPO karbonila i ferocena tijekom sinteze.Novonastali vrhovi u rasponu od 539,04 do 588,48 cm-1 pripadaju Fe-O vibracijskoj vezi ferocena.Na temelju vršnih vrijednosti prikazanih na Dodatnoj slici 4, može se vidjeti da vrijeme sinteze može smanjiti nekoliko vršnih vrijednosti i ponovnog povezivanja u magnetskim nanougljicima.
Spektroskopska analiza Ramanovog raspršenja magnetskih nanougljika dobivenih u različitim vremenima sinteze pomoću upadnog lasera valne duljine od 514 nm prikazana je na slici 4. Svi spektri MNC10, MNC15 i MNC20 sastoje se od dvije intenzivne trake povezane s niskim sp3 ugljikom, obično pronađeni u nanografitnim kristalitima s defektima u vibracijskim modovima vrsta ugljika sp262.Prvi vrh, smješten u području 1333–1354 cm–1, predstavlja D vrpcu, koja je nepovoljna za idealni grafit i odgovara strukturnom poremećaju i drugim nečistoćama63,64.Drugi najvažniji vrh oko 1537–1595 cm-1 proizlazi iz istezanja veze u ravnini ili kristalnih i uređenih oblika grafita.Međutim, vrh se pomaknuo za oko 10 cm-1 u usporedbi s grafitnom G vrpcom, što ukazuje da MNC imaju nizak redoslijed slaganja listova i neispravnu strukturu.Relativni intenziteti D i G vrpci (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 nedostatke zbog Sp3 hibridizacije.Ova situacija može objasniti prisutnost manje intenzivnih 2θ vrhova u XPA spektrima: 26,20° za MNK15 i 26,28° za MNK20, kao što je prikazano na slici 4, koji je dodijeljen grafitnom vrhu u JCPDS datoteci.Omjeri ID/IG MNC dobiveni u ovom radu su u rasponu drugih magnetskih nanougljika, na primjer, 0,85–1,03 za hidrotermalnu metodu i 0,78–0,9665,66 za pirolitičku metodu.Stoga ovaj omjer pokazuje da se sadašnja sintetska metoda može široko koristiti.
Magnetske karakteristike MNC-a analizirane su pomoću vibrirajućeg magnetometra.Rezultirajuća histereza prikazana je na sl.5.U pravilu, MNC dobivaju svoj magnetizam od ferocena tijekom sinteze.Ova dodatna magnetska svojstva mogu povećati adsorpcijski kapacitet nanougljika u budućnosti.Kao što je prikazano na slici 5, uzorci se mogu identificirati kao superparamagnetski materijali.Prema Wahajuddinu i Arori67, superparamagnetsko stanje je da je uzorak magnetiziran do magnetizacije zasićenja (MS) kada se primijeni vanjsko magnetsko polje.Kasnije se zaostale magnetske interakcije više ne pojavljuju u uzorcima67.Važno je napomenuti da se magnetizacija zasićenja povećava s vremenom sinteze.Zanimljivo je da MNC15 ima najveću magnetsku zasićenost jer jaka magnetska formacija (magnetizacija) može biti uzrokovana optimalnim vremenom sinteze u prisutnosti vanjskog magneta.To može biti zbog prisutnosti Fe3O4, koji ima bolja magnetska svojstva u usporedbi s drugim željeznim oksidima kao što je ɣ-Fe2O.Redoslijed adsorpcijskog momenta zasićenja po jedinici mase MNC je MNC15>MNC10>MNC20.Dobiveni magnetski parametri dati su u tablici.2.
Minimalna vrijednost magnetske zasićenosti pri korištenju konvencionalnih magneta u magnetskoj separaciji je oko 16,3 emu g-1.Sposobnost MNC-a da uklone kontaminante kao što su boje u vodenom okolišu i lakoća uklanjanja MNC-a postali su dodatni čimbenici za dobivene nanougljike.Studije su pokazale da se magnetsko zasićenje LSM-a smatra visokim.Tako su svi uzorci dosegli vrijednosti magnetske zasićenosti više nego dovoljne za postupak magnetske separacije.
Nedavno su metalne trake ili žice privukle pozornost 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 gustoće naboja i vanjskog električnog polja.Kada naboj dobije dovoljnu kinetičku energiju, nabijene čestice će iskočiti iz nehrđajućeg čelika, uzrokujući ionizaciju okoline, stvarajući pražnjenje ili iskru 68 .Pražnjenje metala daje značajan doprinos reakcijama pucanja otopine praćenim vrućim točkama visoke temperature.Prema temperaturnoj mapi na Dodatnoj slici 2b, temperatura brzo raste, što ukazuje na prisutnost visokotemperaturnih vrućih točaka uz fenomen snažnog pražnjenja.
U tom se slučaju opaža toplinski učinak, jer se slabo vezani elektroni mogu kretati i koncentrirati na površini i na vrhu69.Kada se nehrđajući čelik namota, velika površina metala u otopini pomaže u induciranju vrtložnih struja na površini materijala i održava učinak zagrijavanja.Ovo stanje učinkovito pomaže u cijepanju dugih ugljikovih lanaca CPO i ferocena i ferocena.Kao što je prikazano na Dodatnoj slici 2b, konstantna stopa temperature ukazuje da se u otopini opaža jednoličan učinak zagrijavanja.
Predloženi mehanizam za stvaranje MNC-a prikazan je na dodatnoj slici 7. Dugi ugljikovi lanci CPO i ferocena počinju pucati na visokoj temperaturi.Ulje se razgrađuje i stvara razdvojene ugljikovodike koji postaju prekursori ugljika poznati kao globule na slici FESEM MNC1070.Zbog energije okoline i tlaka 71 u atmosferskim uvjetima.U isto vrijeme, ferocen također puca, stvarajući katalizator od ugljikovih atoma taloženih na Fe.Zatim dolazi do brze nukleacije i ugljična jezgra oksidira kako bi se formirao amorfni i grafitni sloj ugljika na vrhu jezgre.Kako vrijeme prolazi, veličina sfere postaje preciznija i ujednačenija.U isto vrijeme, postojeće van der Waalsove sile također dovode do aglomeracije kuglica52.Tijekom redukcije Fe iona u Fe3O4 i ɣ-Fe2O3 (prema rendgenskoj faznoj analizi), na površini nanougljika nastaju različite vrste željeznih oksida, što dovodi do stvaranja magnetskih nanougljika.EDS mapiranje pokazalo je da su atomi Fe snažno raspoređeni po MNC površini, kao što je prikazano na dodatnim slikama 5a-c.
Razlika je u tome što u vremenu sinteze od 20 minuta dolazi do agregacije ugljika.On stvara veće pore na površini MNC-a, što sugerira da se MNC-i mogu smatrati aktivnim ugljenom, kao što je prikazano na FESEM slikama na sl. 1e-g.Ova razlika u veličini pora može biti povezana s doprinosom željeznog oksida iz ferocena.Istodobno, zbog postignute visoke temperature, dolazi do deformiranih ljuskica.Magnetski nanougljici pokazuju različite morfologije u različitim vremenima sinteze.Vjerojatnije je da će nanougljici formirati sferne oblike s kraćim vremenima sinteze.U isto vrijeme, pore i ljuske su mogući, iako je razlika u vremenu sinteze samo unutar 5 minuta.
Magnetski nanougljici mogu ukloniti zagađivače iz vodenog okoliša.Njihova sposobnost lakog uklanjanja nakon uporabe dodatni je faktor za korištenje nanougljika dobivenih u ovom radu kao adsorbenata.U proučavanju adsorpcijskih svojstava magnetskih nanougljika, istraživali smo sposobnost MNC-a da obezboje otopine metilen plavog (MB) na 30°C bez ikakvog podešavanja pH.Nekoliko je studija zaključilo da učinak apsorbenata ugljika u temperaturnom rasponu od 25–40 °C ne igra važnu ulogu u određivanju uklanjanja MC-a.Iako ekstremne pH vrijednosti igraju važnu ulogu, na površinskim funkcionalnim skupinama mogu se stvoriti naboji, što dovodi do poremećaja interakcije adsorbat-adsorbent i utječe na adsorpciju.Stoga su gore navedeni uvjeti odabrani u ovoj studiji uzimajući u obzir te situacije i potrebu za tipičnim pročišćavanjem otpadnih voda.
U ovom radu proveden je šaržni adsorpcijski eksperiment dodavanjem 20 mg MNC-a u 20 ml vodene otopine metilenskog modrila 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-ova, razina boja MB rješenja se smanjila.Zanimljivo je da je otkriveno da MNC20 lako obezboji otopine MB pri koncentraciji od 5 ppm.U međuvremenu, MNC20 također je smanjio razinu boja MB rješenja u usporedbi s drugim MNC-ovima.UV vidljivi spektar MNC10-20 prikazan je na dodatnoj slici 9. U međuvremenu, podaci o brzini uklanjanja i adsorpciji prikazani su na slici 9.6 odnosno u tablici 3.
Jaki vrhovi metilen plavog mogu se pronaći na 664 nm i 600 nm.U pravilu, intenzitet pika postupno opada sa smanjenjem početne koncentracije MG otopine.Na dodatnoj slici 9a prikazani su UV-vidljivi spektri MB otopina različitih koncentracija nakon tretmana s MNC10, koji je samo neznatno promijenio intenzitet vrhova.S druge strane, vrhovi apsorpcije otopina MB značajno su se smanjili nakon tretmana s MNC15 i MNC20, kao što je prikazano na dodatnim slikama 9b odnosno c.Ove promjene se jasno vide kako se koncentracija MG otopine smanjuje.Međutim, spektralne promjene koje su postigle sva tri magnetska ugljika bile su dovoljne za uklanjanje metilen plave boje.
Na temelju tablice 3, rezultati za količinu adsorbiranog MC-a i postotak adsorbiranog MC-a prikazani su na slici 3. 6. Adsorpcija MG-a se povećala s korištenjem viših početnih koncentracija za sve MNC-e.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 ostala su na površini adsorbensa.Kako koncentracija bojila raste, smanjit će se broj slobodnih aktivnih mjesta dostupnih za adsorpciju molekula bojila.Drugi su zaključili da će pod tim uvjetima biti postignuto zasićenje aktivnih mjesta biosorpcije72.
Nažalost za MNC10, MBR se povećao i smanjio nakon 10 ppm otopine MB.U isto vrijeme, samo vrlo mali dio MG se adsorbira.To znači da je 10 ppm optimalna koncentracija za adsorpciju MNC10.Za sve MNC proučavane u ovom radu, redoslijed adsorpcijskih kapaciteta bio je sljedeći: MNC20 > MNC15 > MNC10, prosječne vrijednosti bile su 10,36 mg/g, 6,85 mg/g i 0,71 mg/g, prosječna brzina uklanjanja MG bio je 87, 79%, 62,26% i 5,75%.Stoga je MNC20 pokazao najbolja adsorpcijska svojstva među sintetiziranim magnetskim nanougljicima, uzimajući u obzir adsorpcijski kapacitet i UV-vidljivi spektar.Iako je adsorpcijski kapacitet niži u usporedbi s drugim magnetskim nanougljicima kao što su magnetski kompozit MWCNT (11,86 mg/g) i magnetske nanočestice Fe3O4 nanocijev halojzita (18,44 mg/g), ovo istraživanje ne zahtijeva dodatnu upotrebu stimulansa.Kemikalije djeluju kao katalizatori.pružanje čistih i izvedivih sintetskih metoda73,74.
Kao što pokazuju SBET vrijednosti MNC-a, visoka specifična površina osigurava više aktivnih mjesta za adsorpciju otopine MB.Ovo postaje jedna od temeljnih značajki sintetičkih nanougljika.U isto vrijeme, zbog male veličine MNC-a, vrijeme sinteze je kratko i prihvatljivo, što odgovara glavnim kvalitetama obećavajućih adsorbenata75.U usporedbi s konvencionalnim prirodnim adsorbensima, sintetizirani MNC su magnetski zasićeni i mogu se lako ukloniti iz otopine pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja76.Time se smanjuje vrijeme potrebno za cijeli proces liječenja.
Adsorpcijske izoterme bitne su za razumijevanje procesa adsorpcije i zatim za demonstraciju kako se adsorbat dijeli između tekuće i krute faze kada se postigne ravnoteža.Langmuirove i Freundlichove jednadžbe koriste se kao standardne izotermne jednadžbe, koje objašnjavaju mehanizam adsorpcije, kao što je prikazano na slici 7. Langmuirov model dobro pokazuje stvaranje jednog sloja adsorbata na vanjskoj površini adsorbensa.Izoterme se najbolje opisuju kao homogene adsorpcijske površine.Istodobno, Freundlichova izoterma najbolje govori o sudjelovanju više područja adsorpcije i adsorpcijskoj energiji u pritiskanju 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 otopljene tvari obično su linearne77.Linearni prikaz modela Langmuirove izoterme može se izraziti jednadžbom.1 Odredite parametre adsorpcije.
KL (l/mg) je Langmuirova konstanta koja predstavlja afinitet vezanja MB na MNC.U međuvremenu, qmax je maksimalni adsorpcijski kapacitet (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: 16. veljače 2023