Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Zobrazuje karusel troch snímok naraz.Pomocou tlačidiel Predchádzajúci a Ďalší sa môžete pohybovať po troch snímkach naraz alebo pomocou posúvacích tlačidiel na konci môžete prechádzať tromi snímkami naraz.
Existencia kovov emitovaných mikrovlnným žiarením je kontroverzná, pretože kovy sa ľahko vznietia.Čo je však zaujímavé, výskumníci zistili, že fenomén oblúkového výboja ponúka sľubnú cestu pre syntézu nanomateriálov štiepením molekúl.Táto štúdia vyvíja jednokrokovú, no cenovo dostupnú syntetickú metódu, ktorá kombinuje mikrovlnný ohrev a elektrický oblúk na premenu surového palmového oleja na magnetický nanokarbón (MNC), ktorý možno považovať za novú alternatívu výroby palmového oleja.Zahŕňa syntézu média s trvalo navinutým drôtom z nehrdzavejúcej ocele (dielektrické médium) a ferocénom (katalyzátor) za čiastočne inertných podmienok.Táto metóda bola úspešne demonštrovaná pre zahrievanie v teplotnom rozsahu od 190,9 do 472,0 °C s rôznymi časmi syntézy (10-20 min).Čerstvo pripravené MNC vykazovali guľôčky s priemernou veľkosťou 20,38 – 31,04 nm, mezoporéznu štruktúru (SBET: 14,83 – 151,95 m2/g) a vysoký obsah fixovaného uhlíka (52,79 – 71,24 hmotn. %), ako aj D a G pásma (ID/g) 0,98–0,99.Vznik nových píkov v spektre FTIR (522,29–588,48 cm–1) svedčí v prospech prítomnosti zlúčenín FeO vo ferocéne.Magnetometre vykazujú vysokú magnetizačnú saturáciu (22,32–26,84 emu/g) vo feromagnetických materiáloch.Použitie MNC pri čistení odpadových vôd bolo preukázané vyhodnotením ich adsorpčnej kapacity pomocou adsorpčného testu metylénovej modrej (MB) pri rôznych koncentráciách od 5 do 20 ppm.MNC získané v čase syntézy (20 minút) vykazovali najvyššiu adsorpčnú účinnosť (10,36 mg/g) v porovnaní s ostatnými a miera odstránenia MB farbiva bola 87,79 %.Preto Langmuirove hodnoty nie sú optimistické v porovnaní s Freundlichovými hodnotami, pričom R2 je približne 0,80, 0,98 a 0,99 pre MNC syntetizované za 10 minút (MNC10), 15 minút (MNC15) a 20 minút (MNC20).V dôsledku toho je adsorpčný systém v heterogénnom stave.Mikrovlnný oblúk preto ponúka sľubnú metódu premeny CPO na MNC, ktorá dokáže odstrániť škodlivé farbivá.
Mikrovlnné žiarenie môže ohrievať najvnútornejšie časti materiálov prostredníctvom molekulárnej interakcie elektromagnetických polí.Táto mikrovlnná odozva je jedinečná v tom, že podporuje rýchlu a rovnomernú tepelnú odozvu.Takto je možné urýchliť proces ohrevu a posilniť chemické reakcie2.Zároveň vďaka kratšiemu reakčnému času môže mikrovlnná reakcia v konečnom dôsledku produkovať produkty vysokej čistoty a vysokého výťažku3,4.Vďaka svojim úžasným vlastnostiam umožňuje mikrovlnné žiarenie zaujímavé mikrovlnné syntézy, ktoré sa využívajú v mnohých štúdiách vrátane chemických reakcií a syntézy nanomateriálov5,6.Počas procesu zahrievania zohrávajú rozhodujúcu úlohu dielektrické vlastnosti akceptora vo vnútri média, pretože vytvára horúce miesto v médiu, čo vedie k tvorbe nanokarbónov s rôznymi morfológiami a vlastnosťami.Štúdia Omoriyekomwana a kol.Výroba dutých uhlíkových nanovlákien z palmových jadier pomocou aktívneho uhlia a dusíka8.Okrem toho Fu a Hamid určili použitie katalyzátora na výrobu aktívneho uhlia z palmového oleja v mikrovlnnej rúre 350 W9.Preto je možné použiť podobný prístup na konverziu surového palmového oleja na nadnárodné spoločnosti zavedením vhodných lapačov.
Zaujímavý jav bol pozorovaný medzi mikrovlnným žiarením a kovmi s ostrými hranami, bodkami alebo submikroskopickými nepravidelnosťami10.Prítomnosť týchto dvoch predmetov bude ovplyvnená elektrickým oblúkom alebo iskrou (bežne označovaná ako oblúkový výboj)11,12.Oblúk podporí tvorbu viac lokalizovaných horúcich miest a ovplyvní reakciu, čím zlepší chemické zloženie prostredia13.Tento konkrétny a zaujímavý fenomén pritiahol rôzne štúdie, ako je odstraňovanie kontaminantov14,15, krakovanie biomasového dechtu16, mikrovlnná pyrolýza17,18 a syntéza materiálov19,20,21.
V poslednej dobe priťahujú pozornosť nanokarbóny ako uhlíkové nanorúrky, uhlíkové nanosféry a modifikovaný redukovaný oxid grafénu vďaka svojim vlastnostiam.Tieto nanokarbóny majú veľký potenciál pre aplikácie od výroby energie až po čistenie vody alebo dekontamináciu23.Okrem toho sú potrebné vynikajúce vlastnosti uhlíka, no zároveň sú potrebné dobré magnetické vlastnosti.To je veľmi užitočné pre multifunkčné aplikácie vrátane vysokej adsorpcie kovových iónov a farbív pri čistení odpadových vôd, magnetických modifikátorov v biopalivách a dokonca aj vysoko účinných mikrovlnných absorbérov24,25,26,27,28.Zároveň majú tieto uhlíky ďalšiu výhodu, vrátane zväčšenia plochy aktívneho miesta vzorky.
V posledných rokoch je na vzostupe výskum magnetických nanokarbónových materiálov.Tieto magnetické nanokarbóny sú zvyčajne multifunkčné materiály obsahujúce nanorozmerové magnetické materiály, ktoré môžu spôsobiť reakciu vonkajších katalyzátorov, ako sú vonkajšie elektrostatické alebo striedavé magnetické polia29.Magnetické nanokarbóny je možné vďaka svojim magnetickým vlastnostiam kombinovať so širokou škálou účinných látok a komplexných štruktúr na imobilizáciu30.Medzitým magnetické nanokarbóny (MNC) vykazujú vynikajúcu účinnosť pri adsorpcii znečisťujúcich látok z vodných roztokov.Okrem toho vysoký špecifický povrch a póry vytvorené v MNC môžu zvýšiť adsorpčnú kapacitu31.Magnetické separátory môžu oddeliť MNC od vysoko reaktívnych roztokov a premeniť ich na životaschopný a spravovateľný sorbent32.
Niekoľko výskumníkov preukázalo, že vysokokvalitné nanokarbóny je možné vyrobiť pomocou surového palmového oleja33,34.Palmový olej, vedecky známy ako Elais Guneensis, je považovaný za jeden z dôležitých jedlých olejov s produkciou okolo 76,55 milióna ton v roku 202135. Surový palmový olej alebo CPO obsahuje vyvážený pomer nenasýtených mastných kyselín (EFA) a nasýtených mastných kyselín (Singapurský menový úrad).Väčšina uhľovodíkov v CPO sú triglyceridy, glycerid zložený z troch triglyceridacetátových zložiek a jednej glycerolovej zložky36.Tieto uhľovodíky možno zovšeobecniť vďaka ich obrovskému obsahu uhlíka, čo z nich robí potenciálne zelené prekurzory na výrobu nanokarbónov37.Podľa literatúry sa CNT37,38,39,40, uhlíkové nanosféry33,41 a grafén34,42,43 zvyčajne syntetizujú pomocou surového palmového oleja alebo jedlého oleja.Tieto nanokarbóny majú veľký potenciál v aplikáciách od výroby energie až po čistenie vody alebo dekontamináciu.
Tepelná syntéza ako CVD38 alebo pyrolýza33 sa stala vhodnou metódou na rozklad palmového oleja.Bohužiaľ, vysoké teploty v procese zvyšujú výrobné náklady.Výroba preferovaného materiálu 44 vyžaduje zdĺhavé, únavné postupy a spôsoby čistenia.Potreba fyzikálnej separácie a krakovania je však nepopierateľná kvôli dobrej stabilite surového palmového oleja pri vysokých teplotách45.Na premenu surového palmového oleja na uhlíkaté materiály sú preto stále potrebné vyššie teploty.Kvapalný oblúk možno považovať za najlepší potenciál a novú metódu syntézy magnetického nanokarbónu 46 .Tento prístup poskytuje priamu energiu pre prekurzory a roztoky vo vysoko excitovaných stavoch.Oblúkový výboj môže spôsobiť prerušenie uhlíkových väzieb v surovom palmovom oleji.Použitý rozstup elektród však môže vyžadovať splnenie prísnych požiadaviek, ktoré obmedzia priemyselný rozsah, takže je stále potrebné vyvinúť účinnú metódu.
Podľa našich najlepších vedomostí je výskum oblúkového výboja pomocou mikrovĺn ako metódy na syntézu nanokarbónov obmedzený.Zároveň nebolo úplne preskúmané používanie surového palmového oleja ako prekurzora.Cieľom tejto štúdie je preto preskúmať možnosť výroby magnetických nanokarbónov zo surového prekurzora palmového oleja pomocou elektrického oblúka pomocou mikrovlnnej rúry.Množstvo palmového oleja by sa malo prejaviť v nových produktoch a aplikáciách.Tento nový prístup k rafinácii palmového oleja by mohol pomôcť oživiť ekonomický sektor a byť ďalším zdrojom príjmov pre výrobcov palmového oleja, najmä postihnutých plantáží malých farmárov s palmovým olejom.Podľa štúdie Ayompe et al. o afrických malých farmároch zarábajú drobní farmári viac peňazí len vtedy, ak sami spracúvajú klastre čerstvého ovocia a predávajú surový palmový olej namiesto toho, aby ho predávali sprostredkovateľom, čo je nákladná a únavná práca47.Nárast počtu zatváraní tovární v dôsledku COVID-19 zároveň ovplyvnil aplikačné produkty na báze palmového oleja.Je zaujímavé, že keďže väčšina domácností má prístup k mikrovlnným rúram a metódu navrhovanú v tejto štúdii možno považovať za uskutočniteľnú a cenovo dostupnú, produkciu MNC možno považovať za alternatívu k malým plantážam palmového oleja.Medzitým môžu spoločnosti vo väčšom rozsahu investovať do veľkých reaktorov na výrobu veľkých TNC.
Táto štúdia sa zaoberá hlavne procesom syntézy s použitím nehrdzavejúcej ocele ako dielektrického média na rôzne doby trvania.Väčšina všeobecných štúdií s použitím mikrovĺn a nanokarbónov naznačuje prijateľný čas syntézy 30 minút alebo viac33,34.S cieľom podporiť dostupnú a uskutočniteľnú praktickú myšlienku sa táto štúdia zamerala na získanie nadnárodných spoločností s podpriemernými časmi syntézy.Štúdia zároveň vytvára obraz technologickej pripravenosti úrovne 3, keďže teória je overená a implementovaná v laboratórnom meradle.Neskôr boli výsledné MNC charakterizované svojimi fyzikálnymi, chemickými a magnetickými vlastnosťami.Na demonštráciu adsorpčnej kapacity výsledných MNC sa potom použila metylénová modrá.
Surový palmový olej bol získaný z Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau a používa sa ako uhlíkový prekurzor na syntézu.V tomto prípade bol ako dielektrické médium použitý drôt z nehrdzavejúcej ocele s priemerom 0,90 mm.Ako katalyzátor v tejto práci bol zvolený ferocén (čistota 99 %), získaný od Sigma-Aldrich, USA.Na adsorpčné experimenty sa ďalej použila metylénová modrá (Bendosen, 100 g).
V tejto štúdii bola mikrovlnná rúra pre domácnosť (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) premenená na mikrovlnný reaktor.V hornej časti mikrovlnnej rúry boli vytvorené tri otvory pre vstup a výstup plynu a termočlánok.Termočlánkové sondy boli izolované keramickými rúrkami a umiestnené za rovnakých podmienok pre každý experiment, aby sa predišlo nehodám.Medzitým sa na umiestnenie vzoriek a priedušnice použil reaktor z borosilikátového skla s vekom s tromi otvormi.Schematický diagram mikrovlnného reaktora môže byť uvedený na doplnkovom obrázku 1.
Použitím surového palmového oleja ako uhlíkového prekurzora a ferocénu ako katalyzátora boli syntetizované magnetické nanokarbóny.Asi 5 % hmotnostných ferocénového katalyzátora sa pripravilo metódou suspenzného katalyzátora.Ferocén sa miešal s 20 ml surového palmového oleja pri 60 otáčkach za minútu počas 30 minút.Zmes sa potom preniesla do téglika z oxidu hlinitého a 30 cm dlhý drôt z nehrdzavejúcej ocele sa navial a umiestnil vertikálne do téglika.Umiestnite téglik z oxidu hlinitého do skleneného reaktora a bezpečne ho zaistite v mikrovlnnej rúre pomocou utesneného skleneného veka.Dusík sa vháňal do komory 5 minút pred začiatkom reakcie, aby sa z komory odstránil nežiaduci vzduch.Mikrovlnný výkon sa zvýšil na 800 W, pretože toto je maximálny mikrovlnný výkon, ktorý dokáže udržať dobrý štart oblúka.Preto to môže prispieť k vytvoreniu priaznivých podmienok pre syntetické reakcie.Zároveň je to tiež široko používaný rozsah výkonu vo wattoch pre reakcie mikrovlnnej fúzie48,49.Zmes sa počas reakcie zahrievala 10, 15 alebo 20 minút.Po dokončení reakcie sa reaktor a mikrovlnka prirodzene ochladili na teplotu miestnosti.Konečným produktom v tégliku z oxidu hlinitého bola čierna zrazenina so špirálovitými drôtmi.
Čierna zrazenina sa oddelila a premyla niekoľkokrát striedavo etanolom, izopropanolom (70 %) a destilovanou vodou.Po umytí a vyčistení sa produkt suší cez noc pri teplote 80 °C v bežnej peci, aby sa odparili nežiaduce nečistoty.Produkt sa potom zhromaždil na charakterizáciu.Vzorky označené MNC10, MNC15 a MNC20 sa použili na syntézu magnetických nanokarbónov počas 10 minút, 15 minút a 20 minút.
Pozorujte morfológiu MNC pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu s emisiou poľa alebo FESEM (model Zeiss Auriga) pri 100 až 150 kX zväčšení.Súčasne sa analyzovalo elementárne zloženie pomocou energiovo-disperznej röntgenovej spektroskopie (EDS).Analýza EMF sa uskutočnila pri pracovnej vzdialenosti 2,8 mm a urýchľovacom napätí 1 kV.Špecifický povrch a hodnoty pórov MNC boli merané metódou Brunauer-Emmett-Teller (BET), vrátane adsorpčnej-desorpčnej izotermy N2 pri 77 K. Analýza sa uskutočnila pomocou modelového merača povrchovej plochy (MICROMERITIC ASAP 2020). .
Kryštalicita a fáza magnetických nanokarbónov boli stanovené rôntgenovou práškovou difrakciou alebo XRD (Burker D8 Advance) pri λ = 0,154 nm.Difraktogramy boli zaznamenané medzi 29 = 5 a 85° pri rýchlosti skenovania 2° min-1.Okrem toho sa chemická štruktúra MNC skúmala pomocou infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (FTIR).Analýza sa uskutočnila s použitím Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 s rýchlosťou skenovania v rozsahu od 4000 do 400 cm-1.Pri štúdiu štrukturálnych vlastností magnetických nanokarbónov sa Ramanova spektroskopia uskutočňovala pomocou lasera dopovaného neodýmom (532 nm) v U-RAMAN spektroskopii so 100-násobným objektívom.
Na meranie magnetickej saturácie oxidu železa v MNC sa použil vibračný magnetometer alebo VSM (séria Lake Shore 7400).Použilo sa magnetické pole asi 8 kOe a získalo sa 200 bodov.
Pri štúdiu potenciálu MNC ako adsorbentov v adsorpčných experimentoch sa použilo katiónové farbivo metylénová modrá (MB).MNC (20 mg) sa pridali do 20 ml vodného roztoku metylénovej modrej so štandardnými koncentráciami v rozmedzí 5–20 mg/l50.pH roztoku bolo počas štúdie nastavené na neutrálne pH 7.Roztok sa mechanicky miešal pri 150 otáčkach za minútu a 303,15 K na rotačnej trepačke (Lab Companion: SI-300R).MNC sa potom oddelia pomocou magnetu.Na pozorovanie koncentrácie MB roztoku pred a po adsorpčnom experimente použite UV-viditeľný spektrofotometer (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) a pozrite si štandardnú krivku metylénovej modrej pri maximálnej vlnovej dĺžke 664 nm.Experiment sa opakoval trikrát a bola uvedená priemerná hodnota.Odstránenie MG z roztoku sa vypočítalo pomocou všeobecnej rovnice pre množstvo MC adsorbovanej v rovnováhe qe a percento odstránenia %.
Experimenty na adsorpčnej izoterme boli tiež uskutočnené s miešaním rôznych koncentrácií (5–20 mg/l) roztokov MG a 20 mg adsorbentu pri konštantnej teplote 293,15 K. mg pre všetky MNC.
Železo a magnetický uhlík boli v posledných desaťročiach intenzívne študované.Tieto magnetické materiály na báze uhlíka priťahujú čoraz väčšiu pozornosť vďaka svojim vynikajúcim elektromagnetickým vlastnostiam, čo vedie k rôznym potenciálnym technologickým aplikáciám, najmä v elektrických spotrebičoch a úprave vody.V tejto štúdii boli nanokarbóny syntetizované krakovaním uhľovodíkov v surovom palmovom oleji pomocou mikrovlnného výboja.Syntéza sa uskutočňovala v rôznych časoch, od 10 do 20 minút, pri pevnom pomere (5:1) prekurzora a katalyzátora, s použitím kovového zberača prúdu (twisted SS) a čiastočne inertného (nežiaduceho vzduchu prepláchnutého dusíkom na začiatok experimentu).Výsledné uhlíkové usadeniny sú vo forme čierneho pevného prášku, ako je znázornené na doplnkovom obrázku 2a.Výťažky precipitovaného uhlíka boli približne 5,57 %, 8,21 % a 11,67 % pri časoch syntézy 10 minút, 15 minút a 20 minút.Tento scenár naznačuje, že dlhšie časy syntézy prispievajú k vyšším výťažkom51 – nízkym výťažkom, s najväčšou pravdepodobnosťou v dôsledku krátkych reakčných časov a nízkej aktivity katalyzátora.
Medzitým je možné na doplnkovom obrázku 2b uviesť graf teploty syntézy v závislosti od času pre získané nanokarbóny.Najvyššie teploty získané pre MNC10, MNC15 a MNC20 boli 190,9 °C, 434,5 °C a 472 °C.Pre každú krivku je možné vidieť strmý sklon, čo naznačuje konštantný nárast teploty vo vnútri reaktora v dôsledku tepla generovaného počas kovového oblúka.Toto je možné vidieť po 0–2 minútach, 0–5 minútach a 0–8 minútach pre MNC10, MNC15 a MNC20.Po dosiahnutí určitého bodu sa sklon naďalej vznáša na najvyššiu teplotu a sklon sa stáva miernym.
Na pozorovanie topografie povrchu vzoriek MNC bola použitá poľná emisná skenovacia elektrónová mikroskopia (FESEM).Ako je znázornené na obr.1, magnetické nanokarbóny majú mierne odlišnú morfologickú štruktúru v inom čase syntézy.Obrázky FESEM MNC10 na obr.1a, b ukazujú, že tvorba uhlíkových guľôčok pozostáva zo zapletených a pripojených mikro- a nanosfér v dôsledku vysokého povrchového napätia.Prítomnosť van der Waalsových síl zároveň vedie k agregácii uhlíkových guľôčok52.Predĺženie času syntézy malo za následok menšie veľkosti a zvýšenie počtu guľôčok v dôsledku dlhších krakovacích reakcií.Na obr.1c ukazuje, že MNC15 má takmer dokonalý sférický tvar.Agregované gule však môžu stále vytvárať mezopóry, ktoré sa neskôr môžu stať dobrými miestami pre adsorpciu metylénovej modrej.Pri veľkom zväčšení 15 000-krát na Obr. 1d je možné vidieť viac uhlíkových guľôčok aglomerovaných s priemernou veľkosťou 20,38 nm.
Snímky FESEM syntetizovaných nanokarbónov po 10 minútach (a, b), 15 minútach (c, d) a 20 minútach (e–g) pri 7000 a 15000-násobnom zväčšení.
Na obr.1e–g MNC20 zobrazuje vývoj pórov s malými guľôčkami na povrchu magnetického uhlíka a znovu zostavuje morfológiu magnetického aktívneho uhlia53.Na povrchu magnetického uhlíka sú náhodne umiestnené póry rôznych priemerov a šírok.Preto to môže vysvetľovať, prečo MNC20 vykazoval väčšiu plochu povrchu a objem pórov, ako ukazuje analýza BET, pretože na jeho povrchu sa vytvorilo viac pórov ako v iných syntetických časoch.Mikrofotografie urobené pri vysokom zväčšení 15 000 krát ukázali nehomogénne veľkosti častíc a nepravidelné tvary, ako je znázornené na obr. 1g.Keď sa čas rastu zvýšil na 20 minút, vytvorilo sa viac aglomerovaných guľôčok.
Zaujímavé je, že v rovnakej oblasti sa našli aj skrútené uhlíkové vločky.Priemer guľôčok sa pohyboval od 5,18 do 96,36 nm.Táto tvorba môže byť spôsobená výskytom diferenciálnej nukleácie, ktorá je uľahčená vysokou teplotou a mikrovlnami.Vypočítaná veľkosť guľôčok pripravených MNC bola v priemere 20,38 nm pre MNC10, 24,80 nm pre MNC15 a 31,04 nm pre MNC20.Rozloženie veľkostí gúľ je znázornené na doplnkovom obr.3.
Doplnkový obrázok 4 ukazuje EDS spektrá a súhrny elementárneho zloženia MNC10, MNC15 a MNC20.Podľa spektier sa zistilo, že každý nanouhlík obsahuje iné množstvo C, O a Fe.Je to spôsobené rôznymi oxidačnými a krakovacími reakciami, ktoré sa vyskytujú počas dodatočného času syntézy.Predpokladá sa, že veľké množstvo C pochádza z uhlíkového prekurzora, surového palmového oleja.Medzitým je nízke percento O spôsobené oxidačným procesom počas syntézy.Zároveň sa Fe pripisuje oxidu železa uloženému na povrchu nanokarbónu po rozklade ferocénu.Okrem toho, doplnkový obrázok 5a–c zobrazuje mapovanie prvkov MNC10, MNC15 a MNC20.Na základe základného mapovania sa pozorovalo, že Fe je dobre distribuované po povrchu MNC.
Analýza adsorpcie a desorpcie dusíka poskytuje informácie o adsorpčnom mechanizme a poréznej štruktúre materiálu.Adsorpčné izotermy N2 a grafy povrchu MNC BET sú znázornené na obr.2. Na základe obrázkov FESEM sa očakáva, že adsorpčné správanie bude vykazovať kombináciu mikroporéznych a mezoporéznych štruktúr v dôsledku agregácie.Avšak graf na obr. 2 ukazuje, že adsorbent sa podobá izoterme typu IV a hysteréznej slučke typu H2 IUPAC55.Tento typ izotermy je často podobný ako u mezoporéznych materiálov.Adsorpčné správanie mezopórov je zvyčajne určené interakciou adsorpčno-adsorpčných reakcií s molekulami kondenzovanej hmoty.Adsorpčné izotermy v tvare S alebo S sú zvyčajne spôsobené jednovrstvovou viacvrstvovou adsorpciou, po ktorej nasleduje jav, pri ktorom plyn kondenzuje do kvapalnej fázy v póroch pri tlakoch nižších ako je saturačný tlak objemovej kvapaliny, známy ako kondenzácia pórov 56. Kapilárna kondenzácia v póroch nastáva pri relatívnych tlakoch (p/po) nad 0,50.Medzitým komplexná štruktúra pórov vykazuje hysterézu typu H2, ktorá sa pripisuje upchávaniu pórov alebo úniku v úzkom rozsahu pórov.
Fyzikálne parametre povrchu získané z testov BET sú uvedené v tabuľke 1. Plocha povrchu BET a celkový objem pórov sa významne zvýšili so zvyšujúcim sa časom syntézy.Priemerná veľkosť pórov MNC10, MNC15 a MNC20 je 7,2779 nm, 7,6275 nm a 7,8223 nm.Podľa odporúčaní IUPAC môžu byť tieto stredné póry klasifikované ako mezoporézne materiály.Mezoporézna štruktúra môže spôsobiť, že metylénová modrá bude ľahšie priepustná a adsorbovateľná pomocou MNC57.Maximálny čas syntézy (MNC20) ukázal najvyššiu plochu povrchu, po ktorej nasledovali MNC15 a MNC10.Vyššia plocha povrchu BET môže zlepšiť adsorpčný výkon, pretože je k dispozícii viac povrchovo aktívnych miest.
Röntgenové difrakčné obrazce syntetizovaných MNC sú znázornené na obr. 3. Pri vysokých teplotách ferocén tiež praská a vytvára oxid železa.Na obr.3a ukazuje XRD obrazec MNC10.Vykazuje dva píky pri 2θ, 43,0° a 62,32°, ktoré sú priradené ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).Súčasne má Fe3O4 napätý pík pri 29: 35,27°.Na druhej strane difrakčný obrazec MHC15 na obr. 3b ukazuje nové píky, ktoré sú s najväčšou pravdepodobnosťou spojené so zvýšením teploty a času syntézy.Aj keď je vrchol 29: 26,202 ° menej intenzívny, difrakčný obrazec je v súlade s grafitovým súborom JCPDS (JCPDS #75–1621), čo naznačuje prítomnosť grafitových kryštálov v nanokarbóne.Tento vrchol chýba v MNC10, pravdepodobne kvôli nízkej teplote oblúka počas syntézy.Pri 29 sú tri časové vrcholy: 30,082°, 35,502°, 57,422° pripisované Fe304.Ukazuje tiež dva píky indikujúce prítomnosť ɣ-Fe2O3 pri 29: 43,102° a 62,632°.Pre MNC syntetizované počas 20 minút (MNC20), ako je znázornené na obr. 3c, je možné pozorovať podobný difrakčný obrazec v MNK15.Grafický vrchol na 26,382° je možné vidieť aj v MNC20.Tri ostré píky zobrazené pri 29: 30,102°, 35,612°, 57,402° sú pre Fe304.Okrem toho je prítomnosť e-Fe203 znázornená pri 29: 42,972° a 62,61.Prítomnosť zlúčenín oxidu železa vo výsledných MNC môže mať v budúcnosti pozitívny vplyv na schopnosť adsorbovať metylénovú modrú.
Charakteristiky chemickej väzby vo vzorkách MNC a CPO boli stanovené zo spektier odrazu FTIR na doplnkovom obrázku 6. Spočiatku šesť dôležitých píkov surového palmového oleja predstavovalo štyri rôzne chemické zložky, ako je opísané v doplnkovej tabuľke 1. Základné píky identifikované v CPO sú 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 a 1463,34 cm-1, ktoré označujú CH naťahovacie vibrácie alkánov a iných alifatických CH2 alebo CH3 skupín.Zistené vrcholové lesy sú 1740,85 cm-1 a 1160,83 cm-1.Vrchol pri 1740,85 cm-1 je C=O väzba predĺžená esterovým karbonylom triglyceridovej funkčnej skupiny.Medzitým vrchol pri 1160,83 cm-1 je odtlačkom rozšírenej esterovej skupiny CO58,59.Medzitým vrchol pri 813,54 cm-1 je odtlačkom alkánovej skupiny.
Preto niektoré absorpčné vrcholy v surovom palmovom oleji zmizli so zvyšujúcim sa časom syntézy.Píky pri 2913,81 cm-1 a 2840 cm-1 možno stále pozorovať v MNC10, ale je zaujímavé, že v MNC15 a MNC20 majú píky tendenciu miznúť v dôsledku oxidácie.Medzitým FTIR analýza magnetických nanokarbónov odhalila novovytvorené absorpčné píky predstavujúce päť rôznych funkčných skupín MNC10-20.Tieto píky sú tiež uvedené v doplnkovej tabuľke 1. Pík pri 2325,91 cm-1 je asymetrický úsek CH CH360 alifatickej skupiny.Vrchol pri 1463,34-1443,47 cm-1 ukazuje ohýbanie CH2 a CH alifatických skupín, ako je palmový olej, ale vrchol začína časom klesať.Vrchol pri 813,54–875,35 cm–1 je odtlačkom aromatickej CH-alkánovej skupiny.
Medzitým píky pri 2101,74 cm-1 a 1589,18 cm-1 predstavujú CC61 väzby tvoriace C=C alkínové a aromatické kruhy, v danom poradí.Malý pík pri 1695,15 cm-1 ukazuje väzbu C=O voľnej mastnej kyseliny z karbonylovej skupiny.Získava sa z CPO karbonylu a ferocénu počas syntézy.Novovzniknuté píky v rozsahu od 539,04 do 588,48 cm-1 patria do Fe-O vibračnej väzby ferocénu.Na základe píkov zobrazených na doplnkovom obrázku 4 je možné vidieť, že čas syntézy môže znížiť niekoľko píkov a opätovné viazanie v magnetických nanokarbónoch.
Spektroskopická analýza Ramanovho rozptylu magnetických nanokarbónov získaných v rôznych časoch syntézy pomocou dopadajúceho lasera s vlnovou dĺžkou 514 nm je znázornená na obrázku 4. Všetky spektrá MNC10, MNC15 a MNC20 pozostávajú z dvoch intenzívnych pásov spojených s nízkym sp3 uhlíkom, bežne nachádzajúce sa v kryštalitoch nanografitu s defektmi vo vibračných režimoch uhlíkových druhov sp262.Prvý pík, nachádzajúci sa v oblasti 1333–1354 cm–1, predstavuje pás D, ktorý je pre ideálny grafit nepriaznivý a zodpovedá štruktúrnej poruche a iným nečistotám63,64.Druhý najvýznamnejší pík okolo 1537–1595 cm-1 vzniká natiahnutím väzby v rovine alebo kryštalickými a usporiadanými grafitovými formami.Avšak vrchol sa posunul o približne 10 cm-1 v porovnaní s grafitovým G pásom, čo naznačuje, že MNC majú nízke poradie stohovania listov a chybnú štruktúru.Relatívne intenzity D a G pásov (ID/IG) sa používajú na hodnotenie čistoty kryštalitov a vzoriek grafitu.Podľa Ramanovej spektroskopickej analýzy mali všetky MNC hodnoty ID / IG v rozsahu 0, 98–0, 99, čo naznačuje štrukturálne defekty v dôsledku hybridizácie Sp3.Táto situácia môže vysvetliť prítomnosť menej intenzívnych 29 píkov v XPA spektrách: 26,20° pre MNK15 a 26,28° pre MNK20, ako je znázornené na obr. 4, ktorý je priradený grafitovému píku v súbore JCPDS.Pomery ID/IG MNC získané v tejto práci sú v rozsahu iných magnetických nanokarbónov, napríklad 0,85–1,03 pre hydrotermálnu metódu a 0,78–0,9665,66 pre pyrolytickú metódu.Preto tento pomer naznačuje, že predložená syntetická metóda môže byť široko používaná.
Magnetické charakteristiky MNC boli analyzované pomocou vibračného magnetometra.Výsledná hysterézia je znázornená na obr.5.MNC spravidla získavajú svoj magnetizmus z ferocénu počas syntézy.Tieto dodatočné magnetické vlastnosti môžu v budúcnosti zvýšiť adsorpčnú kapacitu nanokarbónov.Ako je znázornené na obrázku 5, vzorky možno identifikovať ako superparamagnetické materiály.Podľa Wahajuddina a Arora67 je superparamagnetický stav taký, že vzorka je zmagnetizovaná do saturačnej magnetizácie (MS), keď sa aplikuje vonkajšie magnetické pole.Neskôr sa vo vzorkách už neobjavujú zvyškové magnetické interakcie67.Je pozoruhodné, že saturačná magnetizácia sa zvyšuje s časom syntézy.Je zaujímavé, že MNC15 má najvyššiu magnetickú saturáciu, pretože silná magnetická formácia (magnetizácia) môže byť spôsobená optimálnym časom syntézy v prítomnosti externého magnetu.Môže to byť spôsobené prítomnosťou Fe3O4, ktorý má lepšie magnetické vlastnosti v porovnaní s inými oxidmi železa, ako je ɣ-Fe2O.Poradie adsorpčného momentu nasýtenia na jednotku hmotnosti MNC je MNC15>MNC10>MNC20.Získané magnetické parametre sú uvedené v tabuľke.2.
Minimálna hodnota magnetickej saturácie pri použití konvenčných magnetov pri magnetickej separácii je cca 16,3 emu g-1.Schopnosť MNC odstraňovať kontaminanty, ako sú farbivá vo vodnom prostredí, a jednoduchosť odstraňovania MNC sa stali ďalšími faktormi pre získané nanokarbóny.Štúdie ukázali, že magnetická saturácia LSM sa považuje za vysokú.Všetky vzorky teda dosiahli hodnoty magnetickej saturácie viac ako dostatočné pre postup magnetickej separácie.
V poslednej dobe priťahujú pozornosť kovové pásy alebo drôty ako katalyzátory alebo dielektrika v procesoch mikrovlnnej fúzie.Mikrovlnné reakcie kovov spôsobujú vysoké teploty alebo reakcie v reaktore.Táto štúdia tvrdí, že hrot a upravený (vinutý) drôt z nehrdzavejúcej ocele uľahčujú mikrovlnný výboj a ohrev kovu.Nerezová oceľ má výraznú drsnosť na špičke, čo vedie k vysokým hodnotám hustoty povrchového náboja a vonkajšieho elektrického poľa.Keď náboj získa dostatočnú kinetickú energiu, nabité častice vyskočia z nehrdzavejúcej ocele, čo spôsobí ionizáciu prostredia, pričom vznikne výboj alebo iskra 68 .Kovový výboj významne prispieva k reakciám krakovania roztoku sprevádzaných vysokoteplotnými horúcimi miestami.Podľa teplotnej mapy na doplnkovom obrázku 2b teplota rýchlo stúpa, čo okrem silného výboja naznačuje prítomnosť vysokoteplotných horúcich miest.
V tomto prípade sa pozoruje tepelný efekt, pretože slabo viazané elektróny sa môžu pohybovať a koncentrovať na povrchu a na hrote69.Keď je nehrdzavejúca oceľ navinutá, veľká povrchová plocha kovu v roztoku pomáha indukovať vírivé prúdy na povrchu materiálu a udržuje zahrievací účinok.Tento stav účinne pomáha štiepiť dlhé uhlíkové reťazce CPO a ferocénu a ferocénu.Ako je znázornené na doplnkovom obrázku 2b, konštantná rýchlosť teploty naznačuje, že v roztoku je pozorovaný rovnomerný účinok zahrievania.
Navrhovaný mechanizmus tvorby MNC je znázornený na doplnkovom obrázku 7. Dlhé uhlíkové reťazce CPO a ferocénu začínajú praskať pri vysokej teplote.Olej sa rozkladá a vytvára štiepené uhľovodíky, ktoré sa stávajú uhlíkovými prekurzormi známymi ako globule na obrázku FESEM MNC1070.Vplyvom energie prostredia a tlaku 71 v atmosférických podmienkach.Zároveň praská aj ferocén, ktorý tvorí katalyzátor z uhlíkových atómov uložených na Fe.Potom dôjde k rýchlej nukleácii a uhlíkové jadro oxiduje za vzniku amorfnej a grafitickej uhlíkovej vrstvy na vrchu jadra.S pribúdajúcim časom sa veľkosť gule stáva presnejšou a rovnomernejšou.Súčasne existujúce van der Waalsove sily vedú aj k aglomerácii sfér52.Pri redukcii iónov Fe na Fe3O4 a ɣ-Fe2O3 (podľa RTG fázovej analýzy) vznikajú na povrchu nanouhľovodíkov rôzne druhy oxidov železa, čo vedie k tvorbe magnetických nanokarbónov.Mapovanie EDS ukázalo, že atómy Fe boli silne distribuované po povrchu MNC, ako je znázornené na doplnkových obrázkoch 5a-c.
Rozdiel je v tom, že v čase syntézy 20 minút dochádza k agregácii uhlíka.Vytvára väčšie póry na povrchu MNC, čo naznačuje, že MNC možno považovať za aktívne uhlie, ako je znázornené na obrázkoch FESEM na obr. 1e–g.Tento rozdiel vo veľkostiach pórov môže súvisieť s príspevkom oxidu železa z ferocénu.Zároveň v dôsledku dosiahnutej vysokej teploty dochádza k deformovaným šupinám.Magnetické nanokarbóny vykazujú rôzne morfológie v rôznych časoch syntézy.Nanokarbóny s väčšou pravdepodobnosťou vytvárajú sférické tvary s kratšími časmi syntézy.Zároveň sú dosiahnuteľné póry a šupiny, hoci rozdiel v čase syntézy je len do 5 minút.
Magnetické nanokarbóny dokážu odstrániť znečisťujúce látky z vodného prostredia.Ich schopnosť ľahko sa po použití odstrániť je ďalším faktorom pre použitie nanokarbónov získaných v tejto práci ako adsorbentov.Pri štúdiu adsorpčných vlastností magnetických nanokarbónov sme skúmali schopnosť MNC odfarbovať roztoky metylénovej modrej (MB) pri 30 °C bez akejkoľvek úpravy pH.Niekoľko štúdií dospelo k záveru, že výkonnosť uhlíkových absorbentov v teplotnom rozsahu 25–40 °C nehrá dôležitú úlohu pri určovaní odstraňovania MC.Aj keď extrémne hodnoty pH hrajú dôležitú úlohu, na povrchových funkčných skupinách sa môžu vytvárať náboje, čo vedie k narušeniu interakcie adsorbát-adsorbent a ovplyvňuje adsorpciu.Preto boli vyššie uvedené podmienky v tejto štúdii zvolené s ohľadom na tieto situácie a potrebu typického čistenia odpadových vôd.
V tejto práci sa uskutočnil dávkový adsorpčný experiment pridaním 20 mg MNC do 20 ml vodného roztoku metylénovej modrej s rôznymi štandardnými počiatočnými koncentráciami (5–20 ppm) pri pevnom kontaktnom čase60.Doplnkový obrázok 8 zobrazuje stav rôznych koncentrácií (5–20 ppm) roztokov metylénovej modrej pred a po ošetrení MNC10, MNC15 a MNC20.Pri použití rôznych MNC sa úroveň farieb MB roztokov znížila.Je zaujímavé, že sa zistilo, že MNC20 ľahko odfarbil MB roztoky pri koncentrácii 5 ppm.Medzitým MNC20 tiež znížil úroveň farieb roztoku MB v porovnaní s inými MNC.UV viditeľné spektrum MNC10-20 je zobrazené na doplnkovom obrázku 9. Medzitým sú informácie o rýchlosti odstraňovania a adsorpcii zobrazené na obrázku 9. 6 a v tabuľke 3, v tomto poradí.
Silné píky metylénovej modrej možno nájsť pri 664 nm a 600 nm.Intenzita píku spravidla postupne klesá s klesajúcou počiatočnou koncentráciou roztoku MG.Na dodatočnom obrázku 9a sú uvedené UV-viditeľné spektrá roztokov MB rôznych koncentrácií po spracovaní s MNC10, ktoré len mierne zmenili intenzitu píkov.Na druhej strane sa absorpčné píky roztokov MB výrazne znížili po ošetrení MNC15 a MNC20, ako je znázornené na doplnkových obrázkoch 9b a c.Tieto zmeny sú zreteľne viditeľné, keď sa koncentrácia roztoku MG znižuje.Avšak spektrálne zmeny dosiahnuté všetkými tromi magnetickými uhlíkmi boli dostatočné na odstránenie metylénovej modrej.
Na základe tabuľky 3 sú výsledky pre množstvo adsorbovanej MC a percento adsorbovanej MC znázornené na obr. 3. 6. Adsorpcia MG sa zvýšila pri použití vyšších počiatočných koncentrácií pre všetky MNC.Medzitým percento adsorpcie alebo rýchlosť odstraňovania MB (MBR) vykazovali opačný trend, keď sa počiatočná koncentrácia zvýšila.Pri nižších počiatočných koncentráciách MC zostali na povrchu adsorbenta neobsadené aktívne miesta.So zvyšujúcou sa koncentráciou farbiva sa počet neobsadených aktívnych miest dostupných na adsorpciu molekúl farbiva zníži.Iní dospeli k záveru, že za týchto podmienok sa dosiahne nasýtenie aktívnych miest biosorpcie72.
Nanešťastie pre MNC10 sa MBR zvýšil a znížil po 10 ppm roztoku MB.Zároveň sa adsorbuje len veľmi malá časť MG.To naznačuje, že 10 ppm je optimálna koncentrácia pre adsorpciu MNC10.Pre všetky MNC študované v tejto práci bolo poradie adsorpčných kapacít nasledovné: MNC20 > MNC15 > MNC10, priemerné hodnoty boli 10,36 mg/g, 6,85 mg/g a 0,71 mg/g, priemerné rýchlosti odstraňovania MG bolo 87, 79 %, 62,26 % a 5,75 %.MNC20 teda preukázal najlepšie adsorpčné charakteristiky medzi syntetizovanými magnetickými nanokarbónmi, berúc do úvahy adsorpčnú kapacitu a UV-viditeľné spektrum.Aj keď je adsorpčná kapacita nižšia v porovnaní s inými magnetickými nanokarbónmi, ako je magnetický kompozit MWCNT (11,86 mg/g) a halloysitové nanotrubice-magnetické nanočastice Fe3O4 (18,44 mg/g), táto štúdia si nevyžaduje ďalšie použitie stimulantu.Chemikálie pôsobia ako katalyzátory.poskytovanie čistých a realizovateľných syntetických metód73,74.
Ako ukazujú hodnoty SBET MNC, vysoký špecifický povrch poskytuje aktívnejšie miesta na adsorpciu roztoku MB.To sa stáva jednou zo základných vlastností syntetických nanokarbónov.Zároveň je čas syntézy vzhľadom na malú veľkosť MNC krátky a prijateľný, čo zodpovedá hlavným kvalitám perspektívnych adsorbentov75.V porovnaní s konvenčnými prírodnými adsorbentmi sú syntetizované MNC magneticky nasýtené a možno ich ľahko odstrániť z roztoku pôsobením vonkajšieho magnetického poľa76.Tým sa skracuje čas potrebný na celý proces úpravy.
Adsorpčné izotermy sú nevyhnutné na pochopenie adsorpčného procesu a potom na preukázanie toho, ako sa adsorbát rozdeľuje medzi kvapalnú a tuhú fázu, keď sa dosiahne rovnováha.Langmuirove a Freundlichove rovnice sa používajú ako štandardné izotermické rovnice, ktoré vysvetľujú mechanizmus adsorpcie, ako je znázornené na obrázku 7. Langmuirov model dobre ukazuje tvorbu jedinej vrstvy adsorbátu na vonkajšom povrchu adsorbentu.Izotermy sú najlepšie opísané ako homogénne adsorpčné povrchy.Freundlichova izoterma zároveň najlepšie vyjadruje účasť viacerých adsorbčných oblastí a adsorpčnú energiu na lisovaní adsorbátu na nehomogénny povrch.
Modelová izoterma pre Langmuirovu izotermu (a–c) a Freundlichova izoterma (d–f) pre MNC10, MNC15 a MNC20.
Adsorpčné izotermy pri nízkych koncentráciách rozpustenej látky sú zvyčajne lineárne77.Lineárne znázornenie modelu Langmuirovej izotermy môže byť vyjadrené v rovnici.1 Určite parametre adsorpcie.
KL (l/mg) je Langmuirova konštanta predstavujúca väzbovú afinitu MB k MNC.Medzitým qmax je maximálna adsorpčná kapacita (mg/g), qe je adsorbovaná koncentrácia MC (mg/g) a Ce je rovnovážna koncentrácia roztoku MC.Lineárne vyjadrenie modelu Freundlichovej izotermy možno opísať takto:
Čas odoslania: 16. február 2023