Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
Obstoj kovin, ki jih oddaja mikrovalovno sevanje, je sporen, ker se kovine zlahka vnamejo.Zanimivo pa je, da so raziskovalci ugotovili, da pojav obločne razelektritve ponuja obetavno pot za sintezo nanomaterialov z cepljenjem molekul.Ta študija razvija enostopenjsko, a cenovno dostopno sintetično metodo, ki združuje mikrovalovno segrevanje in električni oblok za pretvorbo surovega palmovega olja v magnetni nanoogljik (MNC), ki se lahko šteje za novo alternativo za proizvodnjo palmovega olja.Vključuje sintezo medija s trajno navito žico iz nerjavečega jekla (dielektrični medij) in ferocena (katalizator) v delno inertnih pogojih.Ta metoda je bila uspešno dokazana za segrevanje v temperaturnem območju od 190,9 do 472,0 °C z različnimi časi sinteze (10-20 min).Sveže pripravljene MNC so pokazale krogle s povprečno velikostjo 20,38–31,04 nm, mezoporozno strukturo (SBET: 14,83–151,95 m2/g) in visoko vsebnostjo vezanega ogljika (52,79–71,24 mas.%) ter D in G pasovi (ID/g) 0,98–0,99.Nastanek novih vrhov v FTIR spektru (522,29–588,48 cm–1) priča v prid prisotnosti spojin FeO v ferocenu.Magnetometri kažejo visoko nasičenost magnetizacije (22,32–26,84 emu/g) v feromagnetnih materialih.Uporaba MNC pri čiščenju odpadne vode je bila dokazana z vrednotenjem njihove adsorpcijske sposobnosti z uporabo adsorpcijskega testa z metilen modrim (MB) pri različnih koncentracijah od 5 do 20 ppm.MNC, pridobljeni v času sinteze (20 min), so pokazali najvišjo adsorpcijsko učinkovitost (10,36 mg/g) v primerjavi z drugimi, stopnja odstranitve barvila MB pa je bila 87,79 %.Zato Langmuirjeve vrednosti niso optimistične v primerjavi z Freundlichovimi vrednostmi, pri čemer je R2 približno 0,80, 0,98 in 0,99 za MNC, sintetizirane pri 10 minutah (MNC10), 15 minutah (MNC15) oziroma 20 minutah (MNC20).Posledično je adsorpcijski sistem v heterogenem stanju.Zato mikrovalovni oblok ponuja obetavno metodo za pretvorbo CPO v MNC, ki lahko odstrani škodljiva barvila.
Mikrovalovno sevanje lahko segreje najbolj notranje dele materialov z molekularno interakcijo elektromagnetnih polj.Ta mikrovalovni odziv je edinstven v tem, da spodbuja hiter in enoten toplotni odziv.Tako je mogoče pospešiti proces segrevanja in okrepiti kemične reakcije2.Hkrati pa lahko zaradi krajšega reakcijskega časa mikrovalovna reakcija na koncu proizvede izdelke visoke čistosti in visokega izkoristka3,4.Zaradi svojih osupljivih lastnosti mikrovalovno sevanje omogoča zanimive mikrovalovne sinteze, ki se uporabljajo v številnih študijah, vključno s kemičnimi reakcijami in sintezo nanomaterialov5,6.Med procesom segrevanja imajo dielektrične lastnosti akceptorja v mediju odločilno vlogo, saj ustvarja vročo točko v mediju, kar vodi do tvorbe nanoogljikovodikov z različnimi morfologijami in lastnostmi.Študija Omoriyekomwan et al.Proizvodnja votlih ogljikovih nanovlaken iz palmovih jedrc z uporabo aktivnega oglja in dušika8.Poleg tega sta Fu in Hamid določila uporabo katalizatorja za proizvodnjo aktivnega oglja iz palmovih vlaken v mikrovalovni pečici 350 W9.Zato se lahko podoben pristop uporabi za pretvorbo surovega palmovega olja v MNC z uvedbo ustreznih čistilcev.
Med mikrovalovnim sevanjem in kovinami z ostrimi robovi, pikami ali submikroskopskimi nepravilnostmi so opazili zanimiv pojav10.Na prisotnost teh dveh predmetov bo vplival električni oblok ali iskra (običajno imenovana obločna razelektritev)11,12.Oblok bo spodbujal nastanek bolj lokaliziranih vročih točk in vplival na reakcijo ter tako izboljšal kemično sestavo okolja13.Ta poseben in zanimiv pojav je pritegnil različne študije, kot so odstranjevanje kontaminantov 14, 15, krekiranje katrana biomase 16, piroliza s pomočjo mikrovalovne pečice 17, 18 in sinteza materialov 19, 20, 21.
Nedavno so nanoogljikovodiki, kot so ogljikove nanocevke, ogljikove nanosfere in modificirani reducirani grafenov oksid, pritegnili pozornost zaradi svojih lastnosti.Ti nanoogljikovodiki imajo velik potencial za aplikacije, ki segajo od proizvodnje energije do čiščenja vode ali dekontaminacije23.Poleg tega so potrebne odlične lastnosti ogljika, hkrati pa dobre magnetne lastnosti.To je zelo uporabno za večnamenske aplikacije, vključno z visoko adsorpcijo kovinskih ionov in barvil pri čiščenju odpadne vode, magnetnimi modifikatorji v biogorivih in celo visoko učinkovitimi mikrovalovnimi absorberji 24, 25, 26, 27, 28.Hkrati imajo ti ogljiki še eno prednost, vključno s povečanjem površine aktivnega mesta vzorca.
V zadnjih letih so raziskave magnetnih nanoogljikovih materialov v porastu.Običajno so ti magnetni nanoogljikovodiki večnamenski materiali, ki vsebujejo magnetne materiale nano velikosti, ki lahko povzročijo reakcijo zunanjih katalizatorjev, kot so zunanja elektrostatična ali izmenična magnetna polja29.Zaradi svojih magnetnih lastnosti je mogoče magnetne nanoogljikovodike kombinirati s široko paleto aktivnih sestavin in kompleksnih struktur za imobilizacijo30.Medtem magnetni nanoogljikovodiki (MNC) kažejo odlično učinkovitost pri adsorpciji onesnaževal iz vodnih raztopin.Poleg tega lahko visoka specifična površina in pore, oblikovane v MNC, povečajo adsorpcijsko zmogljivost31.Magnetni separatorji lahko ločijo MNC od zelo reaktivnih raztopin in jih spremenijo v uspešen in obvladljiv sorbent32.
Več raziskovalcev je pokazalo, da je mogoče visokokakovostne nanoogljikovodike proizvesti z uporabo surovega palmovega olja33,34.Palmovo olje, znanstveno znano kot Elais Guneensis, velja za eno izmed pomembnih jedilnih olj s proizvodnjo okoli 76,55 milijona ton leta 202135. Surovo palmovo olje ali CPO vsebuje uravnoteženo razmerje nenasičenih maščobnih kislin (EFA) in nasičenih maščobnih kislin (Singapurska monetarna uprava).Večina ogljikovodikov v CPO je trigliceridov, glicerid, sestavljen iz treh komponent triglicerid acetata in ene komponente glicerola36.Te ogljikovodike je mogoče posplošiti zaradi velike vsebnosti ogljika, zaradi česar so potencialni zeleni predhodniki za proizvodnjo nanoogljikov37.Glede na literaturo se CNT37,38,39,40, ogljikove nanosfere33,41 in grafen34,42,43 običajno sintetizirajo z uporabo surovega palmovega olja ali jedilnega olja.Ti nanoogljikovodiki imajo velik potencial v aplikacijah, od proizvodnje električne energije do čiščenja vode ali dekontaminacije.
Termična sinteza, kot je CVD38 ali piroliza33, je postala ugodna metoda za razgradnjo palmovega olja.Na žalost visoke temperature v procesu povečajo stroške proizvodnje.Proizvodnja želenega materiala 44 zahteva dolgotrajne, dolgočasne postopke in metode čiščenja.Vendar pa je potreba po fizičnem ločevanju in razpokanju nesporna zaradi dobre stabilnosti surovega palmovega olja pri visokih temperaturah45.Zato so za pretvorbo surovega palmovega olja v materiale, ki vsebujejo ogljik, še vedno potrebne višje temperature.Tekoči oblok se lahko šteje za najboljši potencial in novo metodo za sintezo magnetnega nanoogljika 46 .Ta pristop zagotavlja neposredno energijo za prekurzorje in raztopine v visoko vzbujenih stanjih.Obločna razelektritev lahko povzroči prekinitev ogljikovih vezi v surovem palmovem olju.Vendar pa bo uporabljeni razmik elektrod morda moral izpolnjevati stroge zahteve, kar bo omejilo industrijski obseg, zato je še vedno treba razviti učinkovito metodo.
Kolikor nam je znano, so raziskave obločne razelektritve z uporabo mikrovalov kot metode za sintezo nanoogljikovodikov omejene.Hkrati pa uporaba surovega palmovega olja kot predhodne sestavine ni bila v celoti raziskana.Zato je cilj te študije raziskati možnost proizvodnje magnetnih nanoogljikovodikov iz predhodnikov surovega palmovega olja z uporabo električnega obloka z uporabo mikrovalovne pečice.Obilje palmovega olja bi se moralo odražati v novih izdelkih in aplikacijah.Ta nov pristop k rafiniranju palmovega olja bi lahko pomagal spodbuditi gospodarski sektor in bil še en vir dohodka za proizvajalce palmovega olja, kar je še posebej prizadelo nasade palmovega olja malih kmetov.Glede na študijo o afriških malih kmetovalcih, ki so jo izvedli Ayompe et al., mali lastniki zaslužijo več denarja samo, če sami predelajo grozde svežega sadja in prodajajo surovo palmovo olje, namesto da bi ga prodajali posrednikom, kar je drago in dolgočasno delo47.Hkrati je povečanje števila zaprtj tovarn zaradi COVID-19 vplivalo na izdelke za nanašanje na osnovi palmovega olja.Zanimivo je, da ima večina gospodinjstev dostop do mikrovalovnih pečic in da se metoda, predlagana v tej študiji, lahko šteje za izvedljivo in cenovno dostopno, lahko proizvodnjo MNC obravnavamo kot alternativo majhnim nasadom palmovega olja.Medtem pa lahko podjetja v večjem obsegu vlagajo v velike reaktorje za proizvodnjo velikih TNC.
Ta študija zajema predvsem proces sinteze z uporabo nerjavečega jekla kot dielektričnega medija za različna obdobja.Večina splošnih študij z uporabo mikrovalov in nanoogljikovodikov kaže na sprejemljiv čas sinteze 30 minut ali več33,34.Da bi podprli dostopno in izvedljivo praktično idejo, je bila ta študija namenjena pridobivanju MNC s podpovprečnimi časi sinteze.Obenem študija prikazuje sliko 3. stopnje tehnološke pripravljenosti, saj je teorija dokazana in implementirana v laboratorijskem merilu.Kasneje so bile nastale MNC označene z njihovimi fizikalnimi, kemičnimi in magnetnimi lastnostmi.Nato smo uporabili metilensko modro za prikaz adsorpcijske sposobnosti nastalih MNC.
Surovo palmovo olje je bilo pridobljeno iz Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, in se uporablja kot predhodnik ogljika za sintezo.V tem primeru je bila kot dielektrični medij uporabljena žica iz nerjavečega jekla s premerom 0,90 mm.Za katalizator pri tem delu je bil izbran ferocen (čistost 99 %), pridobljen pri Sigma-Aldrich, ZDA.Za adsorpcijske poskuse smo nadalje uporabili metilensko modro (Bendosen, 100 g).
V tej študiji je bila gospodinjska mikrovalovna pečica (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) spremenjena v mikrovalovni reaktor.V zgornjem delu mikrovalovne pečice smo naredili tri luknje za dovod in odvod plina in termoelement.Sonde termočlenov so bile izolirane s keramičnimi cevmi in postavljene pod enake pogoje za vsak poskus, da bi preprečili nesreče.Medtem je bil za namestitev vzorcev in sapnika uporabljen reaktor iz borosilikatnega stekla s pokrovom s tremi luknjami.Shematski diagram mikrovalovnega reaktorja je prikazan na dodatni sliki 1.
Z uporabo surovega palmovega olja kot predhodnika ogljika in ferocena kot katalizatorja so bili sintetizirani magnetni nanoogljikovodiki.Približno 5 mas. % ferocenskega katalizatorja smo pripravili z metodo katalizatorja v obliki gnojevke.Ferocen smo mešali z 20 ml surovega palmovega olja pri 60 obratih na minuto 30 minut.Zmes smo nato prenesli v lonček iz aluminijevega oksida in 30 cm dolgo žico iz nerjavečega jekla zvili in postavili navpično v lonček.Postavite lonček iz aluminijevega oksida v stekleni reaktor in ga varno pritrdite v mikrovalovno pečico z zaprtim steklenim pokrovom.5 minut pred začetkom reakcije smo v komoro vpihali dušik, da smo iz komore odstranili nezaželen zrak.Moč mikrovalov je bila povečana na 800 W, ker je to največja moč mikrovalov, ki lahko vzdržuje dober zagon obloka.Zato lahko to prispeva k ustvarjanju ugodnih pogojev za sintetične reakcije.Hkrati je to tudi široko uporabljeno območje moči v vatih za mikrovalovne fuzijske reakcije 48, 49.Zmes smo med reakcijo segrevali 10, 15 ali 20 minut.Po končani reakciji smo reaktor in mikrovalovno pečico naravno ohladili na sobno temperaturo.Končni produkt v lončku iz aluminijevega oksida je bila črna oborina s spiralnimi žicami.
Črno oborino smo zbrali in večkrat izmenično sprali z etanolom, izopropanolom (70 %) in destilirano vodo.Po pranju in čiščenju se izdelek čez noč suši pri 80°C v običajni pečici, da izparijo neželene nečistoče.Produkt je bil nato zbran za karakterizacijo.Vzorce z oznako MNC10, MNC15 in MNC20 smo uporabili za sintezo magnetnih nanoogljikovodikov 10 minut, 15 minut in 20 minut.
Opazujte morfologijo MNC z vrstičnim elektronskim mikroskopom s poljsko emisijo ali FESEM (model Zeiss Auriga) pri povečavi od 100 do 150 kX.Hkrati smo z energijsko disperzijsko rentgensko spektroskopijo (EDS) analizirali elementno sestavo.Analiza EMF je bila izvedena pri delovni razdalji 2,8 mm in pospeševalni napetosti 1 kV.Vrednosti specifične površine in MNC por so bile izmerjene z metodo Brunauer-Emmett-Teller (BET), vključno z adsorpcijsko-desorpcijsko izotermo N2 pri 77 K. Analiza je bila izvedena z modelnim merilnikom površin (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Kristalinost in fazo magnetnih nanoogljikovodikov smo določili z rentgensko praškovno difrakcijo ali XRD (Burker D8 Advance) pri λ = 0,154 nm.Difraktogrami so bili posneti med 2θ = 5 in 85° pri hitrosti skeniranja 2° min-1.Poleg tega je bila kemijska struktura MNC raziskana z infrardečo spektroskopijo s Fourierjevo transformacijo (FTIR).Analiza je bila izvedena z uporabo Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 s hitrostjo skeniranja v razponu od 4000 do 400 cm-1.Pri proučevanju strukturnih značilnosti magnetnih nanoogljikovodikov je bila Ramanova spektroskopija izvedena z uporabo laserja, dopiranega z neodimom (532 nm) v U-RAMAN spektroskopiji z objektivom 100X.
Za merjenje magnetne nasičenosti železovega oksida v MNC je bil uporabljen vibracijski magnetometer ali VSM (serija Lake Shore 7400).Uporabljeno je bilo magnetno polje približno 8 kOe in pridobljenih je bilo 200 točk.
Pri proučevanju potenciala MNC kot adsorbentov v adsorpcijskih poskusih je bilo uporabljeno kationsko barvilo metilensko modro (MB).MNC (20 mg) smo dodali 20 ml vodne raztopine metilen modrega s standardnimi koncentracijami v območju 5–20 mg/L50.pH raztopine je bil ves čas študije nastavljen na nevtralen pH 7.Raztopino smo mehansko mešali pri 150 obratih na minuto in 303,15 K na rotacijskem stresalniku (Lab Companion: SI-300R).MNC se nato ločijo z magnetom.Uporabite UV-vidni spektrofotometer (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) za opazovanje koncentracije raztopine MB pred in po adsorpcijskem poskusu ter upoštevajte standardno krivuljo metilen modrega pri največji valovni dolžini 664 nm.Poskus smo ponovili trikrat in podali povprečno vrednost.Odstranitev MG iz raztopine je bila izračunana z uporabo splošne enačbe za količino MC, adsorbiranega pri ravnotežju qe, in odstotek odstranitve %.
Izvedeni so bili tudi poskusi na adsorpcijski izotermi z mešanjem različnih koncentracij (5–20 mg/l) raztopin MG in 20 mg adsorbenta pri konstantni temperaturi 293,15 K. mg za vse MNK.
Železo in magnetni ogljik sta bila v zadnjih nekaj desetletjih obsežno raziskana.Ti magnetni materiali na osnovi ogljika pritegnejo vse večjo pozornost zaradi svojih odličnih elektromagnetnih lastnosti, kar vodi v različne potencialne tehnološke uporabe, predvsem v električnih napravah in obdelavi vode.V tej študiji so bili nanoogljikovodiki sintetizirani s krekiranjem ogljikovodikov v surovem palmovem olju z uporabo mikrovalovne razelektritve.Sinteza je bila izvedena ob različnih časih, od 10 do 20 minut, pri fiksnem razmerju (5:1) prekurzorja in katalizatorja, z uporabo kovinskega tokovnega zbiralnika (sukani SS) in delno inertnega (nezaželen zrak, prečiščen z dušikom pri začetek poskusa).Nastale ogljikove usedline so v obliki črnega trdnega prahu, kot je prikazano na dodatni sliki 2a.Dobitki oborjenega ogljika so bili približno 5,57 %, 8,21 % in 11,67 % pri času sinteze 10 minut, 15 minut oziroma 20 minut.Ta scenarij nakazuje, da daljši časi sinteze prispevajo k višjim izkoristkom51—nizkemu izkoristku, najverjetneje zaradi kratkih reakcijskih časov in nizke aktivnosti katalizatorja.
Medtem se lahko graf sintezne temperature glede na čas za pridobljene nanoogljike sklicuje na dodatno sliko 2b.Najvišje temperature, dobljene za MNC10, MNC15 in MNC20, so bile 190,9 °C, 434,5 °C in 472 °C.Za vsako krivuljo je mogoče opaziti strm naklon, ki kaže na konstanten dvig temperature v notranjosti reaktorja zaradi toplote, ki nastaja med kovinskim oblokom.To je mogoče videti pri 0–2 min, 0–5 min in 0–8 min za MNC10, MNC15 oziroma MNC20.Ko dosežemo določeno točko, naklon še naprej lebdi do najvišje temperature in naklon postane zmeren.
Za opazovanje površinske topografije vzorcev MNC je bila uporabljena vrstična elektronska mikroskopija z emisijo polja (FESEM).Kot je prikazano na sl.1 imajo magnetni nanoogljikovodiki nekoliko drugačno morfološko strukturo v drugačnem času sinteze.Slike FESEM MNC10 na sl.1a, b kažejo, da je tvorba ogljikovih krogel sestavljena iz zapletenih in pritrjenih mikro- in nanosfer zaradi visoke površinske napetosti.Hkrati prisotnost van der Waalsovih sil vodi do združevanja ogljikovih kroglic52.Podaljšanje časa sinteze je povzročilo manjše velikosti in povečanje števila kroglic zaradi daljših reakcij krekinga.Na sl.1c kaže, da ima MNC15 skoraj popolno sferično obliko.Vendar lahko agregirane krogle še vedno tvorijo mezopore, ki lahko kasneje postanejo dobra mesta za adsorpcijo metilen modrega.Pri veliki 15.000-kratni povečavi na sliki 1d je mogoče videti več ogljikovih kroglic, aglomeriranih s povprečno velikostjo 20,38 nm.
FESEM slike sintetiziranih nanoogljikovodikov po 10 minutah (a, b), 15 minutah (c, d) in 20 minutah (e–g) pri 7000 in 15000-kratni povečavi.
Na sl.1e–g MNC20 prikazuje razvoj por z majhnimi kroglicami na površini magnetnega ogljika in ponovno sestavlja morfologijo magnetnega aktivnega ogljika53.Na površini magnetnega ogljika so naključno razporejene pore različnih premerov in širin.Zato lahko to pojasni, zakaj je MNC20 pokazal večjo površino in volumen por, kot je pokazala analiza BET, saj je na njegovi površini nastalo več por kot v drugih sintetičnih časih.Mikrografi, posneti pri veliki povečavi 15.000-krat, so pokazali nehomogene velikosti delcev in nepravilne oblike, kot je prikazano na sliki 1g.Ko se je čas rasti povečal na 20 minut, je nastalo več aglomeriranih kroglic.
Zanimivo je, da so na istem območju našli tudi zvite ogljikove kosmiče.Premer krogel je variiral od 5,18 do 96,36 nm.Ta tvorba je lahko posledica pojava diferencialne nukleacije, ki jo spodbujajo visoka temperatura in mikrovalovi.Izračunana velikost krogle pripravljenih MNC je bila v povprečju 20,38 nm za MNC10, 24,80 nm za MNC15 in 31,04 nm za MNC20.Porazdelitev velikosti krogel je prikazana na dodatni sliki.3.
Dodatna slika 4 prikazuje spektre EDS in povzetke elementarne sestave MNC10, MNC15 in MNC20.Glede na spektre je bilo ugotovljeno, da vsak nanoogljik vsebuje drugačno količino C, O in Fe.To je posledica različnih reakcij oksidacije in razpok, ki se pojavljajo med dodatnim časom sinteze.Verjame se, da velika količina C prihaja iz predhodnika ogljika, surovega palmovega olja.Medtem je nizek odstotek O posledica oksidacijskega procesa med sintezo.Hkrati se Fe pripisuje železovemu oksidu, ki se nanese na površino nanoogljika po razpadu ferocena.Poleg tega dodatna slika 5a–c prikazuje preslikavo elementov MNC10, MNC15 in MNC20.Na podlagi temeljnega kartiranja je bilo ugotovljeno, da je Fe dobro porazdeljen po površini MNC.
Analiza adsorpcije-desorpcije dušika zagotavlja informacije o mehanizmu adsorpcije in porozni strukturi materiala.Izoterme adsorpcije N2 in grafi površine MNC BET so prikazani na sl.2. Na podlagi slik FESEM se pričakuje, da bo adsorpcijsko obnašanje pokazalo kombinacijo mikroporoznih in mezoporoznih struktur zaradi agregacije.Vendar pa graf na sliki 2 kaže, da je adsorbent podoben izotermi tipa IV in histerezni zanki tipa H2 IUPAC55.Ta vrsta izoterme je pogosto podobna tisti pri mezoporoznih materialih.Adsorpcijsko obnašanje mezopor je običajno določeno z interakcijo reakcij adsorpcije in adsorpcije z molekulami kondenzirane snovi.Adsorpcijske izoterme v obliki črke S ali v obliki črke S so običajno posledica enoslojne-večplastne adsorpcije, ki ji sledi pojav, pri katerem plin kondenzira v tekočo fazo v porah pri tlakih, ki so nižji od nasičenega tlaka tekočine v razsutem stanju, kar je znano kot kondenzacija por 56. Kapilarna kondenzacija v porah nastane pri relativnih tlakih (p/po) nad 0,50.Medtem kompleksna struktura por kaže histerezo tipa H2, ki jo pripisujejo zamašitvi por ali puščanju v ozkem obsegu por.
Fizikalni parametri površine, dobljeni s testi BET, so prikazani v tabeli 1. Površina BET in skupni volumen por sta se znatno povečala s povečevanjem časa sinteze.Povprečne velikosti por MNC10, MNC15 in MNC20 so 7,2779 nm, 7,6275 nm oziroma 7,8223 nm.Po priporočilih IUPAC lahko te vmesne pore uvrstimo med mezoporozne materiale.Zaradi mezoporozne strukture je lahko metilensko modro lažje prepustno in adsorpcijsko za MNC57.Največji čas sinteze (MNC20) je pokazal največjo površino, sledita MNC15 in MNC10.Večja površina BET lahko izboljša učinkovitost adsorpcije, saj je na voljo več površinsko aktivnih mest.
Rentgenski difrakcijski vzorci sintetiziranih MNC so prikazani na sliki 3. Pri visokih temperaturah tudi ferocen poči in tvori železov oksid.Na sl.3a prikazuje XRD vzorec MNC10.Prikazuje dva vrha pri 2θ, 43,0° in 62,32°, ki sta dodeljena ɣ-Fe2O3 (JCPDS št. 39–1346).Istočasno ima Fe3O4 napet vrh pri 2θ: 35,27°.Po drugi strani pa so v difrakcijskem vzorcu MHC15 na sliki 3b prikazani novi vrhovi, ki so najverjetneje povezani s povišanjem temperature in časa sinteze.Čeprav je vrh 2θ: 26,202° manj intenziven, je uklonski vzorec skladen z grafitno datoteko JCPDS (JCPDS #75–1621), kar kaže na prisotnost kristalov grafita v nanoogljiku.Tega vrha v MNC10 ni, verjetno zaradi nizke temperature obloka med sintezo.Pri 2θ so trije časovni vrhovi: 30,082°, 35,502°, 57,422°, pripisani Fe3O4.Prikazuje tudi dva vrhova, ki kažeta na prisotnost ɣ-Fe2O3 pri 2θ: 43,102° in 62,632°.Za MNC, sintetiziran 20 minut (MNC20), kot je prikazano na sliki 3c, lahko opazimo podoben difrakcijski vzorec pri MNK15.Grafični vrh pri 26,382° je viden tudi v MNC20.Trije ostri vrhovi, prikazani pri 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402°, so za Fe3O4.Poleg tega je prisotnost ε-Fe2O3 prikazana pri 2θ: 42,972° in 62,61.Prisotnost spojin železovega oksida v nastalih MNC lahko pozitivno vpliva na sposobnost adsorpcije metilen modrega v prihodnosti.
Značilnosti kemične vezi v vzorcih MNC in CPO so bile določene iz odbojnih spektrov FTIR na dodatni sliki 6. Sprva je šest pomembnih vrhov surovega palmovega olja predstavljalo štiri različne kemične komponente, kot je opisano v dodatni tabeli 1. Osnovni vrhovi, identificirani v CPO so 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 in 1463,34 cm-1, ki se nanašajo na CH raztezne vibracije alkanov in drugih alifatskih CH2 ali CH3 skupin.Identificirani vršni gozdarji znašajo 1740,85 cm-1 in 1160,83 cm-1.Vrh pri 1740,85 cm-1 je vez C=O, podaljšana z estrskim karbonilom trigliceridne funkcionalne skupine.Medtem je vrh pri 1160,83 cm-1 odtis razširjene estrske skupine CO58,59.Medtem je vrh pri 813,54 cm-1 odtis alkanske skupine.
Zato so nekateri vrhovi absorpcije v surovem palmovem olju izginili, ko se je čas sinteze podaljšal.V MNC10 je še vedno mogoče opaziti vrhove pri 2913,81 cm-1 in 2840 cm-1, vendar je zanimivo, da pri MNC15 in MNC20 vrhovi ponavadi izginejo zaradi oksidacije.Medtem je FTIR analiza magnetnih nanoogljikovodikov razkrila novo oblikovane absorpcijske vrhove, ki predstavljajo pet različnih funkcionalnih skupin MNC10-20.Ti vrhovi so navedeni tudi v Dodatni tabeli 1. Vrh pri 2325,91 cm-1 je asimetrični raztežaj CH alifatske skupine CH360.Vrh pri 1463,34-1443,47 cm-1 kaže upogibanje CH2 in CH alifatskih skupin, kot je palmovo olje, vendar se vrh s časom začne zmanjševati.Vrh pri 813,54–875,35 cm–1 je odtis aromatske CH-alkanske skupine.
Medtem pa vrhovi pri 2101,74 cm-1 in 1589,18 cm-1 predstavljajo vezi CC 61, ki tvorijo C=C alkinske oziroma aromatske obroče.Majhen vrh pri 1695,15 cm-1 prikazuje vez C=O proste maščobne kisline iz karbonilne skupine.Pridobiva se iz CPO karbonila in ferocena med sintezo.Novonastali vrhovi v območju od 539,04 do 588,48 cm-1 pripadajo Fe-O vibracijski vezi ferocena.Na podlagi vrhov, prikazanih na dodatni sliki 4, je razvidno, da lahko čas sinteze zmanjša več vrhov in ponovno vezavo v magnetnih nanoogljikih.
Spektroskopska analiza Ramanovega sipanja magnetnih nanoogljikovodikov, pridobljenih v različnih časih sinteze z uporabo vpadnega laserja z valovno dolžino 514 nm, je prikazana na sliki 4. Vsi spektri MNC10, MNC15 in MNC20 so sestavljeni iz dveh intenzivnih pasov, povezanih z nizkim sp3 ogljikom, običajno najdemo v nanografitnih kristalitih z napakami v vibracijskih načinih ogljikovih vrst sp262.Prvi vrh, ki se nahaja v območju 1333–1354 cm–1, predstavlja pas D, ki je neugoden za idealni grafit in ustreza strukturni motnji in drugim nečistočam 63,64.Drugi najpomembnejši vrh okoli 1537–1595 cm-1 izhaja iz raztezanja vezi v ravnini ali kristalnih in urejenih oblik grafita.Vendar se je vrh premaknil za približno 10 cm-1 v primerjavi z grafitnim pasom G, kar kaže, da imajo MNC nizek vrstni red zlaganja listov in pomanjkljivo strukturo.Relativne intenzivnosti pasov D in G (ID/IG) se uporabljajo za oceno čistosti kristalitov in vzorcev grafita.Po ramanski spektroskopski analizi so imele vse MNC vrednosti ID/IG v območju 0,98–0,99, kar kaže na strukturne napake zaradi hibridizacije Sp3.Ta situacija lahko pojasni prisotnost manj intenzivnih vrhov 2θ v spektrih XPA: 26,20° za MNK15 in 26,28° za MNK20, kot je prikazano na sliki 4, ki je dodeljen grafitnemu vrhu v datoteki JCPDS.Razmerja ID/IG MNC, pridobljena v tem delu, so v območju drugih magnetnih nanoogljikovodikov, na primer 0,85–1,03 za hidrotermalno metodo in 0,78–0,9665,66 za pirolitično metodo.Zato to razmerje kaže, da se lahko sedanja sintetična metoda široko uporablja.
Magnetne značilnosti MNC so bile analizirane z vibrirajočim magnetometrom.Nastala histereza je prikazana na sliki 5.MNC praviloma pridobijo svoj magnetizem iz ferocena med sintezo.Te dodatne magnetne lastnosti lahko v prihodnosti povečajo adsorpcijsko zmogljivost nanoogljikovodikov.Kot je prikazano na sliki 5, lahko vzorce identificiramo kot superparamagnetne materiale.Po Wahajuddin & Arora67 je superparamagnetno stanje, da je vzorec magnetiziran do nasičene magnetizacije (MS), ko je uporabljeno zunanje magnetno polje.Kasneje se preostale magnetne interakcije v vzorcih ne pojavljajo več67.Omeniti velja, da magnetizacija nasičenosti narašča s časom sinteze.Zanimivo je, da ima MNC15 največjo magnetno nasičenost, ker lahko močno magnetno tvorbo (magnetizacijo) povzroči optimalen čas sinteze v prisotnosti zunanjega magneta.To je lahko posledica prisotnosti Fe3O4, ki ima boljše magnetne lastnosti v primerjavi z drugimi železovimi oksidi, kot je ɣ-Fe2O.Vrstni red adsorpcijskega momenta nasičenja na enoto mase MNC je MNC15>MNC10>MNC20.Dobljeni magnetni parametri so podani v tabeli.2.
Najmanjša vrednost magnetne nasičenosti pri uporabi običajnih magnetov pri magnetnem ločevanju je približno 16,3 emu g-1.Sposobnost MNC za odstranjevanje kontaminantov, kot so barvila v vodnem okolju, in enostavnost odstranjevanja MNC sta postala dodatna dejavnika za pridobljene nanoogljikovodike.Študije so pokazale, da se magnetna nasičenost LSM šteje za visoko.Tako so vsi vzorci dosegli več kot zadostne vrednosti magnetne nasičenosti za postopek magnetne separacije.
V zadnjem času so kovinski trakovi ali žice pritegnili pozornost kot katalizatorji ali dielektriki v procesih mikrovalovne fuzije.Mikrovalovne reakcije kovin povzročajo visoke temperature ali reakcije v reaktorju.Ta študija trdi, da konica in kondicionirana (navita) žica iz nerjavečega jekla olajšata mikrovalovno razelektritev in segrevanje kovine.Nerjaveče jeklo ima izrazito hrapavost na konici, kar vodi do visokih vrednosti površinske gostote naboja in zunanjega električnega polja.Ko naboj pridobi dovolj kinetične energije, bodo nabiti delci skočili iz nerjavečega jekla, kar bo povzročilo ionizacijo okolja, kar bo povzročilo razelektritev ali iskro 68 .Kovinska razelektritev pomembno prispeva k reakcijam razpokanja raztopine, ki jih spremljajo vroče točke pri visoki temperaturi.Glede na temperaturni zemljevid na dodatni sliki 2b temperatura hitro narašča, kar kaže na prisotnost vročih točk z visoko temperaturo poleg močnega pojava praznjenja.
V tem primeru opazimo toplotni učinek, saj se lahko šibko vezani elektroni premikajo in koncentrirajo na površini in na konici69.Ko je nerjavno jeklo navito, velika površina kovine v raztopini pomaga inducirati vrtinčne tokove na površini materiala in ohranja učinek segrevanja.Ta pogoj učinkovito pomaga cepiti dolge ogljikove verige CPO ter ferocena in ferocena.Kot je prikazano na dodatni sliki 2b, konstantna stopnja temperature kaže, da je v raztopini opazen enakomeren učinek segrevanja.
Predlagani mehanizem za nastanek MNC je prikazan na dodatni sliki 7. Dolge ogljikove verige CPO in ferocena začnejo pokati pri visoki temperaturi.Olje se razgradi in tvori razcepljene ogljikovodike, ki postanejo predhodniki ogljika, znani kot kroglice na sliki FESEM MNC1070.Zaradi energije okolja in tlaka 71 v atmosferskih razmerah.Ob tem poči tudi ferocen, ki tvori katalizator iz ogljikovih atomov, ki so naloženi na Fe.Nato pride do hitre nukleacije in ogljikovo jedro oksidira, da nastane amorfna in grafitna ogljikova plast na vrhu jedra.Sčasoma postaja velikost krogle natančnejša in enotnejša.Hkrati obstoječe van der Waalsove sile vodijo tudi do aglomeracije krogel52.Med redukcijo Fe ionov v Fe3O4 in ɣ-Fe2O3 (glede na rentgensko fazno analizo) se na površini nanoogljikovodikov tvorijo različne vrste železovih oksidov, kar vodi do nastanka magnetnih nanoogljikovodikov.Preslikava EDS je pokazala, da so bili atomi Fe močno porazdeljeni po površini MNC, kot je prikazano na dodatnih slikah 5a-c.
Razlika je v tem, da pri času sinteze 20 minut pride do agregacije ogljika.Tvori večje pore na površini MNC, kar nakazuje, da se MNC lahko štejejo za aktivno oglje, kot je prikazano na slikah FESEM na sliki 1e-g.Ta razlika v velikosti por je lahko povezana s prispevkom železovega oksida iz ferocena.Hkrati pa zaradi dosežene visoke temperature pride do deformiranih lusk.Magnetni nanoogljikovodiki imajo različne morfologije v različnih časih sinteze.Nanoogljikovodiki bodo bolj verjetno oblikovali sferične oblike s krajšimi časi sinteze.Hkrati so pore in luske dosegljivi, čeprav je razlika v času sinteze le v 5 minutah.
Magnetni nanoogljikovodiki lahko odstranijo onesnaževala iz vodnega okolja.Njihova zmožnost enostavne odstranitve po uporabi je dodaten dejavnik za uporabo nanoogljikovodikov, pridobljenih v tem delu, kot adsorbentov.Pri proučevanju adsorpcijskih lastnosti magnetnih nanoogljikovodikov smo raziskali sposobnost MNC, da razbarvajo raztopine metilen modrega (MB) pri 30 °C brez prilagoditve pH.Več študij je pokazalo, da učinkovitost absorbentov ogljika v temperaturnem območju 25–40 °C ne igra pomembne vloge pri določanju odstranitve MC.Čeprav imajo ekstremne vrednosti pH pomembno vlogo, lahko na površinskih funkcionalnih skupinah nastanejo naboji, kar vodi do motenj v interakciji adsorbat-adsorbent in vpliva na adsorpcijo.Zato so bili zgornji pogoji izbrani v tej študiji ob upoštevanju teh situacij in potrebe po tipičnem čiščenju odpadne vode.
V tem delu je bil izveden šaržni adsorpcijski poskus z dodajanjem 20 mg MNC v 20 ml vodne raztopine metilen modrega z različnimi standardnimi začetnimi koncentracijami (5–20 ppm) pri določenem kontaktnem času60.Dodatna slika 8 prikazuje status različnih koncentracij (5–20 ppm) raztopin metilen modrega pred in po zdravljenju z MNC10, MNC15 in MNC20.Pri uporabi različnih MNC se je barvna raven rešitev MB zmanjšala.Zanimivo je bilo ugotovljeno, da je MNC20 zlahka razbarval raztopine MB pri koncentraciji 5 ppm.Medtem je MNC20 znižal tudi barvno raven rešitve MB v primerjavi z drugimi MNC.UV-vidni spekter MNC10-20 je prikazan na dodatni sliki 9. Medtem so informacije o hitrosti odstranitve in adsorpciji prikazane na sliki 9.6 oziroma v tabeli 3.
Močne vrhove metilen modrega lahko najdemo pri 664 nm in 600 nm.Intenzivnost vrha se praviloma postopoma zmanjšuje z zmanjševanjem začetne koncentracije raztopine MG.V dodatni sliki 9a so prikazani UV-vidni spektri raztopin MB različnih koncentracij po obdelavi z MNC10, ki je le malo spremenila intenziteto vrhov.Po drugi strani pa so se absorpcijski vrhovi raztopin MB znatno zmanjšali po zdravljenju z MNC15 in MNC20, kot je prikazano na dodatnih slikah 9b oziroma c.Te spremembe so jasno vidne, ko se koncentracija raztopine MG zmanjša.Vendar so bile spektralne spremembe, ki so jih dosegli vsi trije magnetni ogljiki, zadostne za odstranitev metilen modrega barvila.
Na podlagi tabele 3 so rezultati za količino adsorbiranega MC in odstotek adsorbiranega MC prikazani na sliki 3. 6. Adsorpcija MG se je povečala z uporabo višjih začetnih koncentracij za vse MNC.Medtem je odstotek adsorpcije ali stopnja odstranitve MB (MBR) pokazal nasprotni trend, ko se je začetna koncentracija povečala.Pri nižjih začetnih koncentracijah MC so na površini adsorbenta ostala nezasedena aktivna mesta.Ko se koncentracija barvila poveča, se zmanjša število nezasedenih aktivnih mest, ki so na voljo za adsorpcijo molekul barvila.Drugi so ugotovili, da bo pod temi pogoji dosežena nasičenost aktivnih mest biosorpcije72.
Na žalost za MNC10 se je MBR povečal in zmanjšal po 10 ppm raztopine MB.Hkrati se adsorbira le zelo majhen del MG.To pomeni, da je 10 ppm optimalna koncentracija za adsorpcijo MNC10.Za vse MNC, preučene v tem delu, je bil vrstni red adsorpcijskih zmogljivosti naslednji: MNC20 > MNC15 > MNC10, povprečne vrednosti so bile 10,36 mg/g, 6,85 mg/g in 0,71 mg/g, povprečna stopnja odstranitve MG je bil 87, 79 %, 62,26 % in 5,75 %.Tako je MNC20 pokazal najboljše adsorpcijske lastnosti med sintetiziranimi magnetnimi nanoogljikovodiki, upoštevajoč adsorpcijsko zmogljivost in UV-vidni spekter.Čeprav je adsorpcijska zmogljivost nižja v primerjavi z drugimi magnetnimi nanoogljikovodiki, kot so magnetni kompozit MWCNT (11,86 mg/g) in magnetni nanodelci Fe3O4 iz halozitnih nanocevk (18,44 mg/g), ta študija ne zahteva dodatne uporabe stimulansa.Kemikalije delujejo kot katalizatorji.zagotavljanje čistih in izvedljivih sintetičnih metod73,74.
Kot kažejo vrednosti SBET MNC, visoka specifična površina zagotavlja več aktivnih mest za adsorpcijo raztopine MB.To postaja ena temeljnih značilnosti sintetičnih nanoogljikovodikov.Hkrati je zaradi majhnosti MNC čas sinteze kratek in sprejemljiv, kar ustreza glavnim lastnostim obetavnih adsorbentov75.V primerjavi z običajnimi naravnimi adsorbenti so sintetizirani MNC magnetno nasičeni in jih je mogoče zlahka odstraniti iz raztopine pod delovanjem zunanjega magnetnega polja76.Tako se skrajša čas, potreben za celoten postopek zdravljenja.
Adsorpcijske izoterme so bistvene za razumevanje procesa adsorpcije in nato za prikaz, kako se adsorbat porazdeli med tekočo in trdno fazo, ko je doseženo ravnovesje.Langmuirjeva in Freundlichova enačba sta uporabljeni kot standardni izotermni enačbi, ki pojasnjujeta mehanizem adsorpcije, kot je prikazano na sliki 7. Langmuirjev model dobro prikazuje nastanek ene same adsorbatne plasti na zunanji površini adsorbenta.Izoterme najbolje opišemo kot homogene adsorpcijske površine.Hkrati pa Freundlichova izoterma najbolje pove sodelovanje več adsorbcijskih območij in adsorpcijsko energijo pri stiskanju adsorbata na nehomogeno površino.
Modelna izoterma za Langmuirjevo izotermo (a–c) in Freundlichovo izotermo (d–f) za MNC10, MNC15 in MNC20.
Adsorpcijske izoterme pri nizkih koncentracijah topljenca so običajno linearne77.Linearno predstavitev modela Langmuirjeve izoterme je mogoče izraziti v enačbi.1 Določite adsorpcijske parametre.
KL (l/mg) je Langmuirjeva konstanta, ki predstavlja afiniteto vezave MB na MNC.Medtem je qmax največja adsorpcijska kapaciteta (mg/g), qe je adsorbirana koncentracija MC (mg/g) in Ce je ravnotežna koncentracija raztopine MC.Linearni izraz modela Freundlichove izoterme je mogoče opisati na naslednji način:
Čas objave: 16. februarja 2023