Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Existence kovů emitovaných mikrovlnným zářením je kontroverzní, protože kovy se snadno vznítí.Zajímavé ale je, že výzkumníci zjistili, že fenomén obloukového výboje nabízí slibnou cestu pro syntézu nanomateriálů štěpením molekul.Tato studie vyvíjí jednokrokovou, ale cenově dostupnou syntetickou metodu, která kombinuje mikrovlnný ohřev a elektrický oblouk k přeměně surového palmového oleje na magnetický nanokarbon (MNC), který lze považovat za novou alternativu pro výrobu palmového oleje.Zahrnuje syntézu média s trvale navinutým nerezovým drátem (dielektrické médium) a ferocenem (katalyzátor) za částečně inertních podmínek.Tato metoda byla úspěšně demonstrována pro ohřev v teplotním rozsahu od 190,9 do 472,0 °C s různými dobami syntézy (10-20 min).Čerstvě připravené MNC vykazovaly koule s průměrnou velikostí 20,38–31,04 nm, mezoporézní strukturou (SBET: 14,83–151,95 m2/g) a vysokým obsahem pevného uhlíku (52,79–71,24 hm. %), stejně jako D a G pásma (ID/g) 0,98–0,99.Vznik nových píků ve spektru FTIR (522,29–588,48 cm–1) svědčí ve prospěch přítomnosti sloučenin FeO ve ferrocenu.Magnetometry vykazují vysokou magnetizační saturaci (22,32–26,84 emu/g) ve feromagnetických materiálech.Použití MNC při čištění odpadních vod bylo prokázáno vyhodnocením jejich adsorpční kapacity pomocí adsorpčního testu methylenové modři (MB) při různých koncentracích od 5 do 20 ppm.MNC získané v době syntézy (20 minut) vykazovaly nejvyšší adsorpční účinnost (10,36 mg/g) ve srovnání s ostatními a rychlost odstraňování MB barviva byla 87,79 %.Proto Langmuirovy hodnoty nejsou optimistické ve srovnání s Freundlichovými hodnotami, přičemž R2 je asi 0,80, 0,98 a 0,99 pro MNC syntetizované po 10 minutách (MNC10), 15 minutách (MNC15) a 20 minutách (MNC20).V důsledku toho je adsorpční systém v heterogenním stavu.Mikrovlnný oblouk proto nabízí slibnou metodu přeměny CPO na MNC, která dokáže odstranit škodlivá barviva.
Mikrovlnné záření může ohřívat nejvnitřnější části materiálů prostřednictvím molekulární interakce elektromagnetických polí.Tato mikrovlnná odezva je jedinečná v tom, že podporuje rychlou a rovnoměrnou tepelnou odezvu.Tak je možné urychlit proces ohřevu a posílit chemické reakce2.Současně, díky kratší reakční době, může mikrovlnná reakce nakonec produkovat produkty vysoké čistoty a vysokého výtěžku3,4.Díky svým úžasným vlastnostem umožňuje mikrovlnné záření zajímavé mikrovlnné syntézy, které se používají v mnoha studiích, včetně chemických reakcí a syntézy nanomateriálů5,6.Během procesu ohřevu hrají rozhodující roli dielektrické vlastnosti akceptoru uvnitř média, protože vytváří horké místo v médiu, které vede k tvorbě nanouhlíků s různými morfologiemi a vlastnostmi.Studie Omoriyekomwan et al.Výroba dutých uhlíkových nanovláken z palmových jader pomocí aktivního uhlí a dusíku8.Kromě toho Fu a Hamid určili použití katalyzátoru pro výrobu aktivního uhlí z palmových vláken v mikrovlnné troubě 350 W9.Proto lze podobný přístup použít k přeměně surového palmového oleje na nadnárodní společnosti zavedením vhodných lapačů.
Zajímavý jev byl pozorován mezi mikrovlnným zářením a kovy s ostrými hranami, tečkami nebo submikroskopickými nepravidelnostmi10.Přítomnost těchto dvou předmětů bude ovlivněna elektrickým obloukem nebo jiskrou (běžně označovanou jako obloukový výboj)11,12.Oblouk podpoří tvorbu více lokalizovaných horkých míst a ovlivní reakci, čímž zlepší chemické složení prostředí13.Tento zvláštní a zajímavý fenomén přilákal různé studie, jako je odstraňování kontaminantů14,15, krakování biomasy dehtu16, mikrovlnná pyrolýza17,18 a syntéza materiálů19,20,21.
V poslední době přitahují pozornost díky svým vlastnostem nanokarbony, jako jsou uhlíkové nanotrubice, uhlíkové nanokuličky a modifikovaný redukovaný oxid grafenu.Tyto nanokarbony mají velký potenciál pro aplikace od výroby energie po čištění vody nebo dekontaminaci23.Kromě toho jsou požadovány vynikající vlastnosti uhlíku, ale zároveň jsou vyžadovány dobré magnetické vlastnosti.To je velmi užitečné pro multifunkční aplikace včetně vysoké adsorpce kovových iontů a barviv při čištění odpadních vod, magnetických modifikátorů v biopalivech a dokonce i vysoce účinných mikrovlnných absorbérů24,25,26,27,28.Tyto uhlíky mají zároveň další výhodu, včetně zvětšení plochy aktivního místa vzorku.
V posledních letech je výzkum magnetických nanokarbonových materiálů na vzestupu.Tyto magnetické nanokarbony jsou obvykle multifunkční materiály obsahující nanorozměrové magnetické materiály, které mohou způsobit reakci externích katalyzátorů, jako jsou vnější elektrostatická nebo střídavé magnetické pole29.Magnetické nanokarbony lze díky svým magnetickým vlastnostem kombinovat s širokou škálou účinných látek a komplexních struktur pro imobilizaci30.Mezitím magnetické nanokarbony (MNC) vykazují vynikající účinnost při adsorpci znečišťujících látek z vodných roztoků.Kromě toho může vysoký specifický povrch a póry vytvořené v MNC zvýšit adsorpční kapacitu31.Magnetické separátory mohou oddělit MNC od vysoce reaktivních roztoků a přeměnit je na životaschopný a ovladatelný sorbent32.
Několik výzkumníků prokázalo, že vysoce kvalitní nanokarbony lze vyrábět za použití surového palmového oleje33,34.Palmový olej, vědecky známý jako Elais Guneensis, je považován za jeden z důležitých jedlých olejů s produkcí kolem 76,55 milionů tun v roce 202135. Surový palmový olej neboli CPO obsahuje vyvážený poměr nenasycených mastných kyselin (EFA) a nasycených mastných kyselin (Singapurský měnový úřad).Většina uhlovodíků v CPO jsou triglyceridy, glycerid složený ze tří složek triglyceridacetátu a jedné složky glycerolu36.Tyto uhlovodíky lze zobecnit kvůli jejich obrovskému obsahu uhlíku, což z nich činí potenciální zelené prekurzory pro výrobu nanokarbonů37.Podle literatury jsou CNT37,38,39,40, uhlíkové nanosféry33,41 a grafen34,42,43 obvykle syntetizovány pomocí surového palmového oleje nebo jedlého oleje.Tyto nanokarbony mají velký potenciál v aplikacích od výroby energie po čištění vody nebo dekontaminaci.
Tepelná syntéza, jako je CVD38 nebo pyrolýza33, se stala vhodnou metodou pro rozklad palmového oleje.Bohužel vysoké teploty v procesu zvyšují náklady na výrobu.Výroba preferovaného materiálu 44 vyžaduje zdlouhavé, únavné postupy a metody čištění.Potřeba fyzické separace a krakování je však nepopiratelná kvůli dobré stabilitě surového palmového oleje při vysokých teplotách45.K přeměně surového palmového oleje na uhlíkaté materiály jsou proto stále nutné vyšší teploty.Kapalný oblouk lze považovat za nejlepší potenciál a novou metodu pro syntézu magnetického nanokarbonu 46 .Tento přístup poskytuje přímou energii prekurzorům a roztokům ve vysoce excitovaných stavech.Obloukový výboj může způsobit přerušení uhlíkových vazeb v surovém palmovém oleji.Použitá vzdálenost elektrod však možná bude muset splňovat přísné požadavky, které omezí průmyslové měřítko, takže je stále třeba vyvinout účinnou metodu.
Podle našich nejlepších znalostí je výzkum obloukového výboje pomocí mikrovln jako metody syntézy nanokarbonů omezený.Zároveň nebylo plně prozkoumáno použití surového palmového oleje jako prekurzoru.Tato studie si proto klade za cíl prozkoumat možnost výroby magnetických nanokarbonů z prekurzorů surového palmového oleje pomocí elektrického oblouku pomocí mikrovlnné trouby.Hojnost palmového oleje by se měla odrazit v nových produktech a aplikacích.Tento nový přístup k rafinaci palmového oleje by mohl pomoci oživit ekonomický sektor a být dalším zdrojem příjmů pro producenty palmového oleje, zejména postižené palmové plantáže malých farmářů.Podle studie Ayompe et al. o afrických malopěstitelích vydělávají drobní pěstitelé více peněz pouze tehdy, když sami zpracovávají klastry čerstvého ovoce a prodávají surový palmový olej, místo aby jej prodávali zprostředkovatelům, což je nákladná a únavná práce47.Aplikační produkty na bázi palmového oleje zároveň ovlivnil nárůst počtu zavírání továren kvůli COVID-19.Je zajímavé, že protože většina domácností má přístup k mikrovlnným troubám a metodu navrženou v této studii lze považovat za proveditelnou a dostupnou, lze produkci MNC považovat za alternativu k malým plantážím palmového oleje.Mezitím mohou společnosti ve větším měřítku investovat do velkých reaktorů pro výrobu velkých TNC.
Tato studie pokrývá především proces syntézy využívající nerezovou ocel jako dielektrické médium po různé doby trvání.Většina obecných studií využívajících mikrovlny a nanokarbony navrhuje přijatelnou dobu syntézy 30 minut nebo více33,34.Za účelem podpory dostupné a proveditelné praktické myšlenky se tato studie zaměřila na získání nadnárodních společností s podprůměrnými časy syntézy.Studie zároveň vykresluje obraz technologické připravenosti úrovně 3, protože teorie je ověřena a implementována v laboratorním měřítku.Později byly výsledné MNC charakterizovány svými fyzikálními, chemickými a magnetickými vlastnostmi.Methylenová modř byla poté použita k prokázání adsorpční kapacity výsledných MNC.
Surový palmový olej byl získán z Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, a používá se jako uhlíkový prekurzor pro syntézu.V tomto případě byl jako dielektrické médium použit nerezový drát o průměru 0,90 mm.Jako katalyzátor v této práci byl zvolen ferrocen (čistota 99 %), získaný od Sigma-Aldrich, USA.Pro adsorpční experimenty byla dále použita methylenová modř (Bendosen, 100 g).
V této studii byla domácí mikrovlnná trouba (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) přeměněna na mikrovlnný reaktor.V horní části mikrovlnné trouby byly vytvořeny tři otvory pro vstup a výstup plynu a termočlánek.Termočlánkové sondy byly izolovány keramickými trubičkami a umístěny za stejných podmínek pro každý experiment, aby se předešlo nehodám.Mezitím byl použit reaktor z borosilikátového skla s víkem se třemi otvory pro umístění vzorků a průdušnice.Schematický diagram mikrovlnného reaktoru je uveden na doplňkovém obrázku 1.
Za použití surového palmového oleje jako uhlíkového prekurzoru a ferrocenu jako katalyzátoru byly syntetizovány magnetické nanokarbony.Asi 5 % hmotnostních ferocenového katalyzátoru bylo připraveno metodou suspenzního katalyzátoru.Ferocen byl smíchán s 20 ml surového palmového oleje při 60 otáčkách za minutu po dobu 30 minut.Směs byla poté přenesena do kelímku z oxidu hlinitého a 30 cm dlouhý drát z nerezové oceli byl stočen a umístěn svisle dovnitř kelímku.Umístěte kelímek z oxidu hlinitého do skleněného reaktoru a bezpečně jej zajistěte v mikrovlnné troubě pomocí utěsněného skleněného víka.Dusík byl vháněn do komory 5 minut před začátkem reakce, aby se odstranil nežádoucí vzduch z komory.Mikrovlnný výkon byl zvýšen na 800 W, protože to je maximální mikrovlnný výkon, který dokáže udržet dobrý start oblouku.To může přispět k vytvoření příznivých podmínek pro syntetické reakce.Zároveň je to také široce používaný výkonový rozsah ve wattech pro mikrovlnné fúzní reakce48,49.Směs byla během reakce zahřívána po dobu 10, 15 nebo 20 minut.Po dokončení reakce byly reaktor a mikrovlny přirozeně ochlazeny na teplotu místnosti.Konečným produktem v kelímku z oxidu hlinitého byla černá sraženina se spirálovitými dráty.
Černá sraženina se sebere a promyje se několikrát střídavě ethanolem, isopropanolem (70 %) a destilovanou vodou.Po umytí a vyčištění se produkt suší přes noc při 80 °C v běžné sušárně, aby se odpařily nežádoucí nečistoty.Produkt byl poté shromážděn pro charakterizaci.Vzorky označené MNC10, MNC15 a MNC20 byly použity k syntéze magnetických nanokarbonů po dobu 10 minut, 15 minut a 20 minut.
Pozorujte morfologii MNC pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu s emisí pole nebo FESEM (model Zeiss Auriga) při zvětšení 100 až 150 kX.Současně bylo analyzováno elementární složení pomocí energeticky disperzní rentgenové spektroskopie (EDS).Analýza EMF byla provedena při pracovní vzdálenosti 2,8 mm a urychlovacím napětí 1 kV.Specifický povrch a hodnoty pórů MNC byly měřeny metodou Brunauer-Emmett-Teller (BET), včetně adsorpčně-desorpční izotermy N2 při 77 K. Analýza byla provedena pomocí modelového měřiče povrchové plochy (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Krystalinita a fáze magnetických nanokarbonů byly stanoveny práškovou rentgenovou difrakcí nebo XRD (Burker D8 Advance) při λ = 0,154 nm.Difraktogramy byly zaznamenány mezi 29 = 5 a 85° při rychlosti skenování 2° min-1.Kromě toho byla chemická struktura MNC zkoumána pomocí infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR).Analýza byla provedena pomocí Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 s rychlostí skenování v rozmezí od 4000 do 400 cm-1.Při studiu strukturních rysů magnetických nanokarbonů byla provedena Ramanova spektroskopie pomocí neodymem dopovaného laseru (532 nm) v U-RAMAN spektroskopii s objektivem 100X.
K měření magnetické saturace oxidu železa v MNC byl použit vibrační magnetometr nebo VSM (řada Lake Shore 7400).Bylo použito magnetické pole asi 8 kOe a bylo získáno 200 bodů.
Při studiu potenciálu MNC jako adsorbentů v adsorpčních experimentech bylo použito kationtové barvivo methylenová modř (MB).MNC (20 mg) byly přidány do 20 ml vodného roztoku methylenové modři se standardními koncentracemi v rozmezí 5–20 mg/l50.pH roztoku bylo v průběhu studie nastaveno na neutrální pH 7.Roztok byl mechanicky míchán při 150 otáčkách za minutu a 303,15 K na rotační třepačce (Lab Companion: SI-300R).MNC se pak oddělí pomocí magnetu.Pomocí UV-viditelného spektrofotometru (Varian Cary 50 UV-Vis spektrofotometr) pozorujte koncentraci roztoku MB před a po adsorpčním experimentu a podívejte se na standardní křivku methylenové modři při maximální vlnové délce 664 nm.Pokus se opakoval třikrát a byla uvedena průměrná hodnota.Odstranění MG z roztoku bylo vypočteno pomocí obecné rovnice pro množství MC adsorbované v rovnováze qe a procento odstranění %.
Experimenty na adsorpční izotermě byly také prováděny za míchání různých koncentrací (5–20 mg/l) roztoků MG a 20 mg adsorbentu při konstantní teplotě 293,15 K. mg pro všechny MNC.
Železo a magnetický uhlík byly v posledních několika desetiletích rozsáhle studovány.Tyto magnetické materiály na bázi uhlíku přitahují stále větší pozornost díky svým vynikajícím elektromagnetickým vlastnostem, což vede k různým potenciálním technologickým aplikacím, zejména v elektrických spotřebičích a úpravě vody.V této studii byly nanokarbony syntetizovány krakováním uhlovodíků v surovém palmovém oleji pomocí mikrovlnného výboje.Syntéza byla prováděna v různých časech, od 10 do 20 minut, v pevném poměru (5:1) prekurzoru a katalyzátoru, za použití kovového sběrače proudu (twisted SS) a částečně inertního (nežádoucí vzduch propláchnutý dusíkem v začátek experimentu).Výsledné uhlíkaté usazeniny jsou ve formě černého pevného prášku, jak je znázorněno na doplňkovém obrázku 2a.Výtěžky vysráženého uhlíku byly přibližně 5,57 %, 8,21 % a 11,67 % při dobách syntézy 10 minut, 15 minut a 20 minut, v daném pořadí.Tento scénář naznačuje, že delší doby syntézy přispívají k vyšším výtěžkům51 – nízkým výtěžkům, s největší pravděpodobností kvůli krátkým reakčním dobám a nízké aktivitě katalyzátoru.
Mezitím lze na doplňkovém obrázku 2b odkazovat na graf teploty syntézy v závislosti na čase pro získané nanokarbony.Nejvyšší teploty získané pro MNC10, MNC15 a MNC20 byly 190,9 °C, 434,5 °C a 472 °C.U každé křivky je vidět strmý sklon, který ukazuje konstantní nárůst teploty uvnitř reaktoru v důsledku tepla generovaného během kovového oblouku.To lze vidět po 0–2 minutách, 0–5 minutách a 0–8 minutách pro MNC10, MNC15 a MNC20.Po dosažení určitého bodu se sklon nadále vznáší na nejvyšší teplotu a sklon se stává mírným.
Pro pozorování povrchové topografie vzorků MNC byla použita polní emisní rastrovací elektronová mikroskopie (FESEM).Jak je znázorněno na Obr.1, magnetické nanokarbony mají v jiné době syntézy mírně odlišnou morfologickou strukturu.Obrázky FESEM MNC10 na obr.1a,b ukazují, že tvorba uhlíkových kuliček sestává z propletených a připojených mikro- a nanokuliček v důsledku vysokého povrchového napětí.Zároveň přítomnost van der Waalsových sil vede k agregaci uhlíkových koulí52.Prodloužení doby syntézy mělo za následek menší velikosti a zvýšení počtu kuliček v důsledku delších krakovacích reakcí.Na Obr.1c ukazuje, že MNC15 má téměř dokonalý kulový tvar.Agregované koule však mohou stále tvořit mezopóry, které se později mohou stát dobrými místy pro adsorpci methylenové modři.Při velkém 15 000násobném zvětšení na obr. 1d lze vidět více kuliček uhlíku aglomerovaných s průměrnou velikostí 20,38 nm.
Snímky FESEM syntetizovaných nanokarbonů po 10 minutách (a, b), 15 minutách (c, d) a 20 minutách (e–g) při 7000 a 15000násobném zvětšení.
Na Obr.1e–g MNC20 zobrazuje vývoj pórů s malými kuličkami na povrchu magnetického uhlíku a znovu sestavuje morfologii magnetického aktivního uhlíku53.Na povrchu magnetického uhlíku jsou náhodně umístěny póry různých průměrů a šířek.Proto to může vysvětlovat, proč MNC20 vykazoval větší plochu povrchu a objem pórů, jak ukazuje analýza BET, protože se na jeho povrchu vytvořilo více pórů než v jiných syntetických časech.Mikrofotografie pořízené při vysokém 15 000násobném zvětšení vykazovaly nehomogenní velikosti částic a nepravidelné tvary, jak je znázorněno na obr. 1g.Když se doba růstu zvýšila na 20 minut, vytvořilo se více aglomerovaných kuliček.
Zajímavé je, že ve stejné oblasti byly nalezeny také zkroucené uhlíkové vločky.Průměr kuliček se pohyboval od 5,18 do 96,36 nm.Tato tvorba může být způsobena výskytem diferenciální nukleace, která je usnadněna vysokou teplotou a mikrovlnami.Vypočtená velikost koulí připravených MNC byla v průměru 20,38 nm pro MNC10, 24,80 nm pro MNC15 a 31,04 nm pro MNC20.Rozložení velikosti kuliček je znázorněno na doplňkovém obr.3.
Doplňkový obrázek 4 ukazuje EDS spektra a souhrny elementárního složení MNC10, MNC15 a MNC20, v daném pořadí.Podle spekter bylo zjištěno, že každý nanokarbon obsahuje jiné množství C, O a Fe.To je způsobeno různými oxidačními a krakovacími reakcemi, ke kterým dochází během dodatečné doby syntézy.Předpokládá se, že velké množství C pochází z uhlíkového prekurzoru, surového palmového oleje.Mezitím nízké procento O je způsobeno oxidačním procesem během syntézy.Fe je zároveň připisováno oxidu železa usazenému na povrchu nanokarbonu po rozkladu ferrocenu.Kromě toho, doplňkový obrázek 5a–c ukazuje mapování prvků MNC10, MNC15 a MNC20.Na základě základního mapování bylo pozorováno, že Fe je dobře distribuováno po povrchu MNC.
Analýza adsorpce-desorpce dusíku poskytuje informace o adsorpčním mechanismu a porézní struktuře materiálu.Adsorpční izotermy N2 a grafy povrchu MNC BET jsou uvedeny na Obr.2. Na základě snímků FESEM se očekává, že adsorpční chování bude vykazovat kombinaci mikroporézních a mezoporézních struktur v důsledku agregace.Graf na obr. 2 však ukazuje, že adsorbent připomíná izotermu typu IV a hysterezní smyčku typu H2 IUPAC55.Tento typ izotermy je často podobný jako u mezoporézních materiálů.Adsorpční chování mezopórů je obvykle určeno interakcí adsorpčně-adsorpčních reakcí s molekulami kondenzované hmoty.Adsorpční izotermy ve tvaru S nebo S jsou obvykle způsobeny jednovrstvou vícevrstvou adsorpcí následovanou jevem, při kterém plyn kondenzuje do kapalné fáze v pórech při tlacích nižších, než je tlak nasycení objemové kapaliny, známý jako kondenzace pórů 56. Ke kapilární kondenzaci v pórech dochází při relativních tlacích (p/po) nad 0,50.Mezitím složitá struktura pórů vykazuje hysterezi typu H2, která je připisována ucpávání nebo prosakování pórů v úzkém rozsahu pórů.
Fyzikální parametry povrchu získané z testů BET jsou uvedeny v tabulce 1. Plocha povrchu BET a celkový objem pórů se významně zvětšovaly s rostoucí dobou syntézy.Průměrné velikosti pórů MNC10, MNC15 a MNC20 jsou 7,2779 nm, 7,6275 nm, respektive 7,8223 nm.Podle doporučení IUPAC lze tyto střední póry klasifikovat jako mezoporézní materiály.Mezoporézní struktura může učinit methylenovou modř snadněji propustnou a adsorbovatelnou pomocí MNC57.Maximální doba syntézy (MNC20) ukázala nejvyšší plochu povrchu, následovaná MNC15 a MNC10.Vyšší povrch BET může zlepšit adsorpční výkon, protože je k dispozici více povrchově aktivních míst.
Rentgenové difrakční obrazce syntetizovaných MNC jsou znázorněny na obr. 3. Při vysokých teplotách ferrocen také praská a tvoří oxid železa.Na Obr.3a ukazuje XRD obrazec MNC10.Ukazuje dva píky při 2θ, 43,0° a 62,32°, které jsou přiřazeny ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).Současně má Fe3O4 napnutý pík při 29: 35,27°.Na druhou stranu v difrakčním obrazci MHC15 na obr. 3b jsou patrné nové píky, které jsou s největší pravděpodobností spojeny se zvýšením teploty a doby syntézy.Ačkoli je pík 29: 26,202° méně intenzivní, difrakční obrazec je konzistentní s grafitovým souborem JCPDS (JCPDS #75–1621), což ukazuje na přítomnost grafitových krystalů v nanokarbonu.Tento pík v MNC10 chybí, pravděpodobně kvůli nízké teplotě oblouku během syntézy.Při 29 jsou tři časové píky: 30,082°, 35,502°, 57,422° připisované Fe304.Ukazuje také dva píky indikující přítomnost ɣ-Fe2O3 při 20: 43,102° a 62,632°.Pro MNC syntetizované po dobu 20 minut (MNC20), jak je znázorněno na obr. 3c, lze pozorovat podobný difrakční obrazec v MNK15.Grafický vrchol na 26,382° je také vidět na MNC20.Tři ostré píky zobrazené při 29: 30,102°, 35,612°, 57,402° jsou pro Fe304.Kromě toho je přítomnost e-Fe203 ukázána na 29: 42,972° a 62,61.Přítomnost sloučenin oxidu železa ve výsledných MNC může mít v budoucnu pozitivní vliv na schopnost adsorbovat methylenovou modř.
Charakteristiky chemických vazeb ve vzorcích MNC a CPO byly stanoveny ze spekter odrazivosti FTIR na doplňkovém obrázku 6. Zpočátku šest důležitých píků surového palmového oleje představovalo čtyři různé chemické složky, jak je popsáno v doplňkové tabulce 1. Základní píky identifikované v CPO jsou 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 a 1463,34 cm-1, které se týkají CH natahovacích vibrací alkanů a dalších alifatických skupin CH2 nebo CH3.Zjištěné vrcholové lesníky jsou 1740,85 cm-1 a 1160,83 cm-1.Pík při 1740,85 cm-1 je vazba C=O prodloužená esterovým karbonylem triglyceridové funkční skupiny.Mezitím je vrchol při 1160,83 cm-1 otiskem rozšířené esterové skupiny CO58,59.Mezitím je vrchol při 813,54 cm-1 otiskem alkanové skupiny.
Proto některé absorpční píky v surovém palmovém oleji zmizely, když se prodloužila doba syntézy.V MNC10 lze stále pozorovat píky při 2913,81 cm-1 a 2840 cm-1, ale je zajímavé, že v MNC15 a MNC20 mají píky tendenci mizet v důsledku oxidace.Mezitím FTIR analýza magnetických nanokarbonů odhalila nově vytvořené absorpční píky představující pět různých funkčních skupin MNC10-20.Tyto píky jsou také uvedeny v doplňkové tabulce 1. Pík při 2325,91 cm-1 je asymetrický úsek CH CH360 alifatické skupiny.Vrchol při 1463,34-1443,47 cm-1 ukazuje ohyb CH2 a CH alifatických skupin, jako je palmový olej, ale vrchol začíná s časem klesat.Pík při 813,54–875,35 cm–1 je otiskem aromatické CH-alkanové skupiny.
Mezitím píky při 2101,74 cm-1 a 1589,18 cm-1 představují CC61 vazby tvořící C=C alkynové a aromatické kruhy, v daném pořadí.Malý pík při 1695,15 cm-1 ukazuje vazbu C=O volné mastné kyseliny z karbonylové skupiny.Získává se z CPO karbonylu a ferrocenu během syntézy.Nově vzniklé píky v rozmezí od 539,04 do 588,48 cm-1 patří k Fe-O vibrační vazbě ferrocenu.Na základě píků zobrazených na doplňkovém obrázku 4 lze vidět, že doba syntézy může snížit několik píku a opětovné navázání v magnetických nanokarbonech.
Spektroskopická analýza Ramanova rozptylu magnetických nanokarbonů získaných v různých časech syntézy pomocí dopadajícího laseru o vlnové délce 514 nm je znázorněna na obrázku 4. Všechna spektra MNC10, MNC15 a MNC20 se skládají ze dvou intenzivních pásů spojených s nízkým obsahem uhlíku sp3, běžně nalezený v krystalitech nanografitu s defekty ve vibračních módech uhlíkatých druhů sp262.První pík nacházející se v oblasti 1333–1354 cm–1 představuje pásmo D, které je pro ideální grafit nepříznivé a odpovídá strukturálnímu nepořádku a dalším nečistotám63,64.Druhý nejvýznamnější pík kolem 1537–1595 cm-1 vzniká roztažením vazby v rovině nebo krystalickými a uspořádanými grafitovými formami.Vrchol se však posunul asi o 10 cm-1 ve srovnání s grafitovým G pásem, což naznačuje, že MNC mají nízké pořadí stohování archů a defektní strukturu.Relativní intenzity D a G pásů (ID/IG) se používají k hodnocení čistoty krystalitů a vzorků grafitu.Podle Ramanovy spektroskopické analýzy měly všechny MNC hodnoty ID/IG v rozmezí 0,98–0,99, což ukazuje na strukturální defekty v důsledku hybridizace Sp3.Tato situace může vysvětlit přítomnost méně intenzivních 29 píku ve spektrech XPA: 26,20° pro MNK15 a 26,28° pro MNK20, jak je znázorněno na obr. 4, který je přiřazen grafitovému píku v souboru JCPDS.Poměry ID/IG MNC získané v této práci jsou v rozmezí jiných magnetických nanouhlovodíků, například 0,85–1,03 pro hydrotermální metodu a 0,78–0,9665,66 pro pyrolytickou metodu.Proto tento poměr ukazuje, že předložený syntetický způsob může být široce používán.
Magnetické charakteristiky MNC byly analyzovány pomocí vibračního magnetometru.Výsledná hystereze je na obr.5.MNC zpravidla získávají svůj magnetismus z ferrocenu během syntézy.Tyto dodatečné magnetické vlastnosti mohou v budoucnu zvýšit adsorpční kapacitu nanokarbonů.Jak ukazuje obrázek 5, vzorky lze identifikovat jako superparamagnetické materiály.Podle Wahajuddina & Arora67 je superparamagnetický stav takový, že vzorek je zmagnetizován do saturační magnetizace (MS), když je aplikováno vnější magnetické pole.Později se již zbytkové magnetické interakce ve vzorcích neobjevují67.Je pozoruhodné, že saturační magnetizace se zvyšuje s dobou syntézy.Je zajímavé, že MNC15 má nejvyšší magnetickou saturaci, protože silná magnetická formace (magnetizace) může být způsobena optimální dobou syntézy v přítomnosti externího magnetu.To může být způsobeno přítomností Fe3O4, který má lepší magnetické vlastnosti ve srovnání s jinými oxidy železa, jako je ɣ-Fe2O.Řád adsorpčního momentu nasycení na jednotku hmotnosti MNC je MNC15>MNC10>MNC20.Získané magnetické parametry jsou uvedeny v tabulce.2.
Minimální hodnota magnetické saturace při použití konvenčních magnetů v magnetické separaci je cca 16,3 emu g-1.Schopnost MNC odstraňovat kontaminanty, jako jsou barviva, ve vodním prostředí a snadnost odstranění MNC se staly dalšími faktory pro získané nanokarbony.Studie ukázaly, že magnetická saturace LSM je považována za vysokou.Všechny vzorky tak dosáhly hodnot magnetické saturace více než dostatečných pro proceduru magnetické separace.
V poslední době přitahují pozornost kovové pásy nebo dráty jako katalyzátory nebo dielektrika v procesech mikrovlnné fúze.Mikrovlnné reakce kovů způsobují vysoké teploty nebo reakce uvnitř reaktoru.Tato studie tvrdí, že hrot a upravený (svinutý) drát z nerezové oceli usnadňují mikrovlnný výboj a ohřev kovu.Nerezová ocel má výraznou drsnost na špičce, což vede k vysokým hodnotám hustoty povrchového náboje a vnějšího elektrického pole.Když náboj získá dostatečnou kinetickou energii, nabité částice vyskočí z nerezové oceli a způsobí ionizaci prostředí, čímž vznikne výboj nebo jiskra 68 .Kovový výboj významně přispívá k reakcím krakování v roztoku doprovázeným vysokými teplotami horkých míst.Podle teplotní mapy na doplňkovém obr. 2b teplota rychle stoupá, což ukazuje na přítomnost vysokoteplotních horkých míst kromě jevu silného výboje.
V tomto případě je pozorován tepelný efekt, protože slabě vázané elektrony se mohou pohybovat a koncentrovat na povrchu a na hrotu69.Když je nerezová ocel navinuta, velká povrchová plocha kovu v roztoku pomáhá indukovat vířivé proudy na povrchu materiálu a udržuje tepelný efekt.Tento stav účinně napomáhá štěpení dlouhých uhlíkových řetězců CPO a ferrocenu a ferrocenu.Jak je znázorněno na doplňkovém obrázku 2b, konstantní rychlost teploty ukazuje, že v roztoku je pozorován rovnoměrný účinek zahřívání.
Navrhovaný mechanismus tvorby MNC je znázorněn na doplňkovém obrázku 7. Dlouhé uhlíkové řetězce CPO a ferrocenu začínají praskat při vysoké teplotě.Olej se rozkládá za vzniku štěpených uhlovodíků, které se stávají uhlíkovými prekurzory známými jako globule na snímku FESEM MNC1070.Vlivem energie prostředí a tlaku 71 v atmosférických podmínkách.Současně také praská ferrocen, který tvoří katalyzátor z atomů uhlíku uložených na Fe.Poté dojde k rychlé nukleaci a uhlíkové jádro oxiduje za vzniku amorfní a grafitické uhlíkové vrstvy na vrcholu jádra.S přibývajícím časem se velikost koule stává přesnější a jednotnější.Současně existující van der Waalsovy síly vedou také k aglomeraci koulí52.Při redukci iontů Fe na Fe3O4 a ɣ-Fe2O3 (podle rentgenové fázové analýzy) se na povrchu nanouhlovodíků tvoří různé druhy oxidů železa, což vede ke vzniku magnetických nanouhlovodíků.Mapování EDS ukázalo, že atomy Fe byly silně distribuovány po povrchu MNC, jak je znázorněno na doplňkových obrázcích 5a-c.
Rozdíl je v tom, že při době syntézy 20 minut dochází k agregaci uhlíku.Tvoří větší póry na povrchu MNC, což naznačuje, že MNC lze považovat za aktivní uhlí, jak je znázorněno na snímcích FESEM na obr. 1e–g.Tento rozdíl ve velikosti pórů může souviset s příspěvkem oxidu železa z ferrocenu.Zároveň dochází vlivem dosažené vysoké teploty k deformovaným šupinám.Magnetické nanokarbony vykazují různé morfologie v různých dobách syntézy.Nanokarbony s větší pravděpodobností tvoří kulové tvary s kratší dobou syntézy.Současně jsou dosažitelné póry a šupiny, i když rozdíl v době syntézy je pouze do 5 minut.
Magnetické nanokarbony mohou odstraňovat znečišťující látky z vodního prostředí.Jejich schopnost snadného odstranění po použití je dalším faktorem pro použití nanouhlíků získaných v této práci jako adsorbentů.Při studiu adsorpčních vlastností magnetických nanokarbonů jsme zkoumali schopnost MNC odbarvovat roztoky methylenové modři (MB) při 30 °C bez jakékoli úpravy pH.Několik studií dospělo k závěru, že výkonnost uhlíkových absorbentů v teplotním rozsahu 25–40 °C nehraje důležitou roli při určování odstranění MC.Přestože extrémní hodnoty pH hrají důležitou roli, na povrchových funkčních skupinách se mohou tvořit náboje, což vede k narušení interakce adsorbát-adsorbent a ovlivňuje adsorpci.Proto byly v této studii zvoleny výše uvedené podmínky s ohledem na tyto situace a potřebu typického čištění odpadních vod.
V této práci byl proveden dávkový adsorpční experiment přidáním 20 mg MNC do 20 ml vodného roztoku methylenové modři s různými standardními počátečními koncentracemi (5–20 ppm) při pevném kontaktním čase60.Doplňkový obrázek 8 ukazuje stav různých koncentrací (5–20 ppm) roztoků methylenové modři před a po ošetření MNC10, MNC15 a MNC20.Při použití různých MNC se úroveň barev roztoků MB snížila.Je zajímavé, že bylo zjištěno, že MNC20 snadno odbarvil MB roztoky v koncentraci 5 ppm.Mezitím MNC20 také snížil úroveň barev řešení MB ve srovnání s jinými MNC.UV viditelné spektrum MNC10-20 je zobrazeno na doplňkovém obrázku 9. Mezitím jsou informace o rychlosti odstraňování a adsorpci zobrazeny na obrázku 9. 6 a v tabulce 3, v tomto pořadí.
Silné píky methylenové modři lze nalézt při 664 nm a 600 nm.Intenzita píku zpravidla postupně klesá s klesající počáteční koncentrací roztoku MG.Na dalším obr. 9a jsou znázorněna UV-viditelná spektra MB roztoků různých koncentrací po ošetření MNC10, která jen mírně změnila intenzitu píku.Na druhé straně se absorpční píky roztoků MB významně snížily po ošetření MNC15 a MNC20, jak je znázorněno na doplňkových obrázcích 9b a c, v daném pořadí.Tyto změny jsou jasně patrné, když koncentrace roztoku MG klesá.Nicméně spektrální změny dosažené všemi třemi magnetickými uhlíky byly dostatečné k odstranění barviva methylenové modři.
Na základě tabulky 3 jsou výsledky pro množství adsorbované MC a procento adsorbované MC ukázány na obr. 3. 6. Adsorpce MG se zvýšila s použitím vyšších počátečních koncentrací pro všechny MNC.Mezitím procento adsorpce nebo rychlost odstraňování MB (MBR) vykazovaly opačný trend, když se počáteční koncentrace zvýšila.Při nižších počátečních koncentracích MC zůstala na povrchu adsorbentu neobsazená aktivní místa.S rostoucí koncentrací barviva se bude snižovat počet neobsazených aktivních míst dostupných pro adsorpci molekul barviva.Jiní dospěli k závěru, že za těchto podmínek bude dosaženo saturace aktivních míst biosorpce72.
Bohužel pro MNC10 se MBR zvýšil a snížil po 10 ppm roztoku MB.Přitom se adsorbuje jen velmi malá část MG.To ukazuje, že 10 ppm je optimální koncentrace pro adsorpci MNC10.Pro všechny MNC studované v této práci bylo pořadí adsorpčních kapacit následující: MNC20 > MNC15 > MNC10, průměrné hodnoty byly 10,36 mg/g, 6,85 mg/g a 0,71 mg/g, průměrné rychlosti odstraňování MG bylo 87, 79 %, 62,26 % a 5,75 %.MNC20 tedy prokázal nejlepší adsorpční vlastnosti mezi syntetizovanými magnetickými nanouhlovodíky, s přihlédnutím k adsorpční kapacitě a UV-viditelnému spektru.Ačkoli je adsorpční kapacita nižší ve srovnání s jinými magnetickými nanokarbony, jako je magnetický kompozit MWCNT (11,86 mg/g) a halloysitové nanotrubice-magnetické nanočástice Fe3O4 (18,44 mg/g), tato studie nevyžaduje další použití stimulantu.Chemikálie působí jako katalyzátory.poskytování čistých a proveditelných syntetických metod73,74.
Jak ukazují hodnoty SBET MNC, vysoký specifický povrch poskytuje aktivnější místa pro adsorpci roztoku MB.To se stává jedním ze základních rysů syntetických nanokarbonů.Zároveň je doba syntézy vzhledem k malé velikosti MNC krátká a přijatelná, což odpovídá hlavním kvalitám perspektivních adsorbentů75.Ve srovnání s konvenčními přírodními adsorbenty jsou syntetizované MNC magneticky nasycené a lze je snadno odstranit z roztoku působením vnějšího magnetického pole76.Tím se zkracuje čas potřebný pro celý proces ošetření.
Adsorpční izotermy jsou nezbytné pro pochopení adsorpčního procesu a pro demonstraci toho, jak se adsorbát rozděluje mezi kapalnou a pevnou fázi, když je dosaženo rovnováhy.Langmuirovy a Freundlichovy rovnice jsou použity jako standardní izotermické rovnice, které vysvětlují mechanismus adsorpce, jak je znázorněno na obrázku 7. Langmuirův model dobře ukazuje tvorbu jediné vrstvy adsorbátu na vnějším povrchu adsorbentu.Izotermy jsou nejlépe popsány jako homogenní adsorpční povrchy.Freundlichova izoterma přitom nejlépe vyjadřuje účast několika adsorbčních oblastí a adsorpční energii při lisování adsorbátu na nehomogenní povrch.
Modelová izoterma pro Langmuirovu izotermu (a–c) a Freundlichova izoterma (d–f) pro MNC10, MNC15 a MNC20.
Adsorpční izotermy při nízkých koncentracích rozpuštěné látky jsou obvykle lineární77.Lineární reprezentace Langmuirova modelu izotermy může být vyjádřena rovnicí.1 Určete parametry adsorpce.
KL (l/mg) je Langmuirova konstanta představující vazebnou afinitu MB k MNC.Mezitím qmax je maximální adsorpční kapacita (mg/g), qe je adsorbovaná koncentrace MC (mg/g) a Ce je rovnovážná koncentrace roztoku MC.Lineární vyjádření modelu Freundlichovy izotermy lze popsat následovně:
Čas odeslání: 16. února 2023