Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Existența metalelor emise de radiațiile cu microunde este controversată deoarece metalele se aprind ușor.Dar ceea ce este interesant este că cercetătorii au descoperit că fenomenul de descărcare a arcului oferă o cale promițătoare pentru sinteza nanomaterialelor prin scindarea moleculelor.Acest studiu dezvoltă o metodă sintetică într-un singur pas, dar accesibilă, care combină încălzirea cu microunde și un arc electric pentru a transforma uleiul de palmier brut în nanocarbon magnetic (MNC), care poate fi considerată o nouă alternativă pentru producția de ulei de palmier.Presupune sinteza unui mediu cu fir de oțel inoxidabil înfăşurat permanent (mediu dielectric) și ferocen (catalizator) în condiții parțial inerte.Această metodă a fost demonstrată cu succes pentru încălzire în intervalul de temperatură de la 190,9 la 472,0°C cu diferiți timpi de sinteză (10-20 min).MNC-urile proaspăt preparate au prezentat sfere cu o dimensiune medie de 20,38–31,04 nm, o structură mezoporoasă (SBET: 14,83–151,95 m2/g) și un conținut ridicat de carbon fix (52,79–71,24% în greutate), precum și D și G benzi (ID/g) 0,98–0,99.Formarea de noi vârfuri în spectrul FTIR (522,29–588,48 cm–1) mărturisește în favoarea prezenței compușilor FeO în ferocen.Magnetometrele arată o saturație mare de magnetizare (22,32–26,84 emu/g) în materiale feromagnetice.Utilizarea MNC-urilor în tratarea apelor uzate a fost demonstrată prin evaluarea capacității lor de adsorbție folosind un test de adsorbție cu albastru de metilen (MB) la diferite concentrații de la 5 la 20 ppm.MNC-urile obținute în timpul sintezei (20 min) au prezentat cea mai mare eficiență de adsorbție (10,36 mg/g) comparativ cu altele, iar rata de îndepărtare a colorantului MB a fost de 87,79%.Prin urmare, valorile Langmuir nu sunt optimiste în comparație cu valorile Freundlich, R2 fiind de aproximativ 0,80, 0,98 și 0,99 pentru MNC-urile sintetizate la 10 min (MNC10), 15 min (MNC15) și, respectiv, 20 min (MNC20).În consecință, sistemul de adsorbție este într-o stare eterogenă.Prin urmare, arcul cu microunde oferă o metodă promițătoare pentru conversia CPO în MNC, care poate elimina coloranții dăunători.
Radiația cu microunde poate încălzi părțile cele mai interioare ale materialelor prin interacțiunea moleculară a câmpurilor electromagnetice.Acest răspuns la microunde este unic prin faptul că promovează un răspuns termic rapid și uniform.Astfel, este posibilă accelerarea procesului de încălzire și intensificarea reacțiilor chimice2.În același timp, datorită timpului de reacție mai scurt, reacția cu microunde poate produce în cele din urmă produse de puritate ridicată și randament ridicat3,4.Datorită proprietăților sale uimitoare, radiațiile cu microunde facilitează sinteze interesante de microunde care sunt utilizate în multe studii, inclusiv reacții chimice și sinteza nanomaterialelor5,6.În timpul procesului de încălzire, proprietățile dielectrice ale acceptorului din interiorul mediului joacă un rol decisiv, deoarece creează un punct fierbinte în mediu, ceea ce duce la formarea de nanocarboni cu morfologii și proprietăți diferite.Un studiu realizat de Omoriyekomwan et al.Producția de nanofibre goale de carbon din sâmburi de palmier folosind cărbune activ și azot8.În plus, Fu și Hamid au determinat utilizarea unui catalizator pentru producția de cărbune activat din fibre de palmier ulei într-un cuptor cu microunde 350 W9.Prin urmare, o abordare similară poate fi utilizată pentru a converti uleiul de palmier brut în companii multinaționale prin introducerea de scavengers adecvați.
S-a observat un fenomen interesant între radiațiile cu microunde și metalele cu margini ascuțite, puncte sau neregularități submicroscopice10.Prezența acestor două obiecte va fi afectată de un arc electric sau scânteie (denumită în mod obișnuit o descărcare de arc)11,12.Arcul va promova formarea de puncte fierbinți mai localizate și va influența reacția, îmbunătățind astfel compoziția chimică a mediului13.Acest fenomen particular și interesant a atras diverse studii, cum ar fi îndepărtarea contaminanților14,15, cracarea gudronului de biomasă16, piroliza asistată la microunde17,18 și sinteza materialelor19,20,21.
Recent, nanocarburile precum nanotuburile de carbon, nanosferele de carbon și oxidul de grafen redus modificat au atras atenția datorită proprietăților lor.Aceste nanocarburi au un mare potențial pentru aplicații, de la generarea de energie până la purificarea sau decontaminarea apei23.În plus, sunt necesare proprietăți excelente ale carbonului, dar, în același timp, sunt necesare proprietăți magnetice bune.Acest lucru este foarte util pentru aplicații multifuncționale, inclusiv absorbția ridicată a ionilor metalici și a coloranților în tratarea apelor uzate, modificatori magnetici în biocombustibili și chiar absorbanți cu microunde de înaltă eficiență24,25,26,27,28.În același timp, acești carboni au un alt avantaj, inclusiv o creștere a suprafeței locului activ al probei.
În ultimii ani, cercetările privind materialele magnetice din nanocarbon au fost în creștere.În mod obișnuit, aceste nanocarburi magnetice sunt materiale multifuncționale care conțin materiale magnetice nanodimensionate care pot determina reacția catalizatorilor externi, cum ar fi câmpurile electrostatice externe sau magnetice alternative29.Datorită proprietăților lor magnetice, nanocarburile magnetice pot fi combinate cu o gamă largă de ingrediente active și structuri complexe pentru imobilizare30.Între timp, nanocarburile magnetice (MNC) prezintă o eficiență excelentă în absorbția poluanților din soluțiile apoase.În plus, suprafața specifică mare și porii formați în MNC-uri pot crește capacitatea de adsorbție31.Separatoarele magnetice pot separa MNC-urile de soluțiile foarte reactive, transformându-le într-un sorbent viabil și gestionabil32.
Mai mulți cercetători au demonstrat că nanocarburile de înaltă calitate pot fi produse folosind ulei de palmier brut33,34.Uleiul de palmier, cunoscut științific sub numele de Elais Guneensis, este considerat a fi unul dintre uleiurile comestibile importante, cu o producție de aproximativ 76,55 milioane de tone în 202135. Uleiul de palmier brut sau CPO conține un raport echilibrat de acizi grași nesaturați (AGE) și acizi grași saturati. (Autoritatea Monetară din Singapore).Majoritatea hidrocarburilor din CPO sunt trigliceride, o gliceridă compusă din trei componente de acetat de trigliceride și o componentă de glicerol36.Aceste hidrocarburi pot fi generalizate datorită conținutului lor uriaș de carbon, făcându-le potențiali precursori verzi pentru producția de nanocarboni37.Conform literaturii, CNT37,38,39,40, nanosferele de carbon33,41 și grafen34,42,43 sunt de obicei sintetizate folosind ulei de palmier brut sau ulei comestibil.Aceste nanocarburi au un mare potențial în aplicații, de la generarea de energie până la purificarea sau decontaminarea apei.
Sinteza termică precum CVD38 sau piroliza33 a devenit o metodă favorabilă pentru descompunerea uleiului de palmier.Din păcate, temperaturile ridicate din proces cresc costul de producție.Producerea materialului preferat 44 necesită proceduri lungi, plictisitoare și metode de curățare.Totuși, nevoia de separare fizică și fisurare este incontestabilă datorită stabilității bune a uleiului brut de palmier la temperaturi ridicate45.Prin urmare, sunt încă necesare temperaturi mai ridicate pentru a transforma uleiul de palmier brut în materiale carbonice.Arcul lichid poate fi considerat cel mai bun potențial și metoda nouă pentru sinteza nanocarbonului magnetic 46 .Această abordare oferă energie directă pentru precursori și soluții în stări extrem de excitate.O descărcare de arc poate provoca ruperea legăturilor de carbon din uleiul de palmier brut.Cu toate acestea, distanța dintre electrozi utilizată ar putea trebui să îndeplinească cerințe stricte, care vor limita scara industrială, așa că o metodă eficientă trebuie încă dezvoltată.
Din cunoștințele noastre, cercetările privind descărcarea arcului cu microunde ca metodă de sinteză a nanocarburilor sunt limitate.În același timp, utilizarea uleiului de palmier brut ca precursor nu a fost pe deplin explorată.Prin urmare, acest studiu își propune să exploreze posibilitatea producerii de nanocarboni magnetice din precursori cruzi ai uleiului de palmier folosind un arc electric folosind un cuptor cu microunde.Abundența uleiului de palmier ar trebui să se reflecte în produse și aplicații noi.Această nouă abordare a rafinării uleiului de palmier ar putea contribui la stimularea sectorului economic și ar putea fi o altă sursă de venit pentru producătorii de ulei de palmier, care au afectat în special plantațiile micilor fermieri de ulei de palmier.Potrivit unui studiu realizat de Ayompe și colab. asupra micilor fermieri africani, micii agricultori câștigă mai mulți bani doar dacă prelucrează ei înșiși ciorchine de fructe proaspete și vând ulei de palmier brut, mai degrabă decât să-l vândă intermediarilor, ceea ce este o muncă costisitoare și plictisitoare47.În același timp, o creștere a închiderilor de fabrici din cauza COVID-19 a afectat produsele de aplicare pe bază de ulei de palmier.Interesant, deoarece majoritatea gospodăriilor au acces la cuptoare cu microunde și metoda propusă în acest studiu poate fi considerată fezabilă și accesibilă, producția MNC poate fi considerată o alternativă la plantațiile de ulei de palmier la scară mică.Între timp, la scară mai mare, companiile pot investi în reactoare mari pentru a produce TNC-uri mari.
Acest studiu acoperă în principal procesul de sinteză folosind oțel inoxidabil ca mediu dielectric pentru diferite durate.Cele mai multe studii generale care utilizează microunde și nanocarboni sugerează un timp de sinteză acceptabil de 30 de minute sau mai mult33,34.Pentru a susține o idee practică accesibilă și fezabilă, acest studiu și-a propus să obțină MNC-uri cu timpi de sinteză sub medie.În același timp, studiul prezintă o imagine a nivelului de pregătire pentru tehnologie 3, deoarece teoria este dovedită și implementată la scară de laborator.Mai târziu, MNC-urile rezultate au fost caracterizate prin proprietățile lor fizice, chimice și magnetice.Albastrul de metilen a fost apoi folosit pentru a demonstra capacitatea de adsorbție a MNC-urilor rezultate.
Uleiul brut de palmier a fost obținut de la Moara Apas Balung, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, și este folosit ca precursor de carbon pentru sinteza.În acest caz, s-a folosit ca mediu dielectric un fir de oțel inoxidabil cu diametrul de 0,90 mm.Ferocenul (puritate 99%), obținut de la Sigma-Aldrich, SUA, a fost ales ca catalizator în această lucrare.Albastrul de metilen (Bendosen, 100 g) a fost utilizat suplimentar pentru experimentele de adsorbție.
În acest studiu, un cuptor cu microunde de uz casnic (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) a fost transformat într-un reactor cu microunde.În partea superioară a cuptorului cu microunde au fost făcute trei găuri pentru intrarea și ieșirea gazului și un termocuplu.Sondele de termocuplu au fost izolate cu tuburi ceramice și plasate în aceleași condiții pentru fiecare experiment pentru a preveni accidentele.Între timp, un reactor din sticlă borosilicată cu un capac cu trei găuri a fost folosit pentru a găzdui probele și traheea.O diagramă schematică a unui reactor cu microunde poate fi menționată în Figura suplimentară 1.
Folosind uleiul de palmier brut ca precursor de carbon și ferocenul ca catalizator, au fost sintetizate nanocarburi magnetice.Aproximativ 5% în greutate catalizator ferocen a fost preparat prin metoda catalizatorului în suspensie.Ferocenul a fost amestecat cu 20 ml ulei de palmier brut la 60 rpm timp de 30 de minute.Amestecul a fost apoi transferat într-un creuzet de alumină și un fir de oțel inoxidabil de 30 cm lungime a fost încolăcit și plasat vertical în interiorul creuzetului.Puneți creuzetul de alumină în reactorul de sticlă și fixați-l bine în cuptorul cu microunde cu un capac de sticlă sigilat.Azotul a fost suflat în cameră cu 5 minute înainte de începerea reacției pentru a îndepărta aerul nedorit din cameră.Puterea microundelor a fost crescută la 800W, deoarece aceasta este puterea maximă a microundelor care poate menține o pornire bună a arcului.Prin urmare, acest lucru poate contribui la crearea unor condiții favorabile pentru reacțiile sintetice.În același timp, acesta este, de asemenea, un interval de putere utilizat pe scară largă în wați pentru reacțiile de fuziune cu microunde48,49.Amestecul a fost încălzit timp de 10, 15 sau 20 de minute în timpul reacţiei.După terminarea reacţiei, reactorul şi cuptorul cu microunde au fost răcite în mod natural la temperatura camerei.Produsul final din creuzetul de alumină a fost un precipitat negru cu fire elicoidale.
Precipitatul negru a fost colectat și spălat de mai multe ori alternativ cu etanol, izopropanol (70%) și apă distilată.După spălare și curățare, produsul este uscat peste noapte la 80°C într-un cuptor convențional pentru a evapora impuritățile nedorite.Produsul a fost apoi colectat pentru caracterizare.Probele etichetate MNC10, MNC15 și MNC20 au fost folosite pentru a sintetiza nanocarboni magnetice timp de 10 min, 15 min și 20 min.
Observați morfologia MNC cu un microscop electronic cu scanare cu emisie de câmp sau FESEM (modelul Zeiss Auriga) la o mărire de 100 până la 150 kX.În același timp, compoziția elementară a fost analizată prin spectroscopie cu raze X cu dispersie de energie (EDS).Analiza EMF a fost efectuată la o distanță de lucru de 2,8 mm și o tensiune de accelerare de 1 kV.Aria specifică a suprafeței și valorile porilor MNC au fost măsurate prin metoda Brunauer-Emmett-Teller (BET), inclusiv izoterma de adsorbție-desorbție a N2 la 77 K. Analiza a fost efectuată folosind un model de contor de suprafață (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Cristalinitatea și faza nanocarburilor magnetice au fost determinate prin difracție de raze X pe pulbere sau XRD (Burker D8 Advance) la λ = 0,154 nm.Difractogramele au fost înregistrate între 2θ = 5 și 85° la o rată de scanare de 2° min-1.În plus, structura chimică a MNC-urilor a fost investigată folosind spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier (FTIR).Analiza a fost efectuată utilizând un Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 cu viteze de scanare cuprinse între 4000 și 400 cm-1.În studierea caracteristicilor structurale ale nanocarburilor magnetice, spectroscopia Raman a fost efectuată folosind un laser dopat cu neodim (532 nm) în spectroscopie U-RAMAN cu un obiectiv de 100X.
Un magnetometru vibrant sau VSM (serie Lake Shore 7400) a fost folosit pentru a măsura saturația magnetică a oxidului de fier în MNC.S-a folosit un câmp magnetic de aproximativ 8 kOe și s-au obținut 200 de puncte.
La studierea potențialului MNC ca adsorbanți în experimentele de adsorbție, a fost utilizat colorantul cationic albastru de metilen (MB).MNC-urile (20 mg) au fost adăugate la 20 ml dintr-o soluție apoasă de albastru de metilen cu concentrații standard în intervalul 5-20 mg/L50.pH-ul soluției a fost stabilit la un pH neutru de 7 pe tot parcursul studiului.Soluția a fost agitată mecanic la 150 rpm și 303,15 K pe un agitator rotativ (Lab Companion: SI-300R).MNC-urile sunt apoi separate folosind un magnet.Utilizați un spectrofotometru UV-vizibil (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) pentru a observa concentrația soluției de MB înainte și după experimentul de adsorbție și consultați curba standard de albastru de metilen la o lungime de undă maximă de 664 nm.Experimentul a fost repetat de trei ori și s-a dat valoarea medie.Eliminarea MG din soluție a fost calculată utilizând ecuația generală pentru cantitatea de MC adsorbită la echilibru qe și procentul de îndepărtare %.
Experimentele asupra izotermei de adsorbție au fost, de asemenea, efectuate cu agitare a diferitelor concentrații (5–20 mg/l) de soluții de MG și 20 mg de adsorbant la o temperatură constantă de 293,15 K. mg pentru toate MNC-urile.
Fierul și carbonul magnetic au fost studiate pe larg în ultimele decenii.Aceste materiale magnetice pe bază de carbon atrag o atenție din ce în ce mai mare datorită proprietăților lor electromagnetice excelente, ceea ce duce la diverse potențiale aplicații tehnologice, în special în aparatele electrice și tratarea apei.În acest studiu, nanocarburile au fost sintetizate prin cracarea hidrocarburilor în uleiul de palmier brut folosind o descărcare de microunde.Sinteza a fost efectuată la timpi diferiți, de la 10 la 20 min, la un raport fix (5:1) de precursor și catalizator, folosind un colector de curent metalic (SS răsucit) și parțial inert (aer nedorit purjat cu azot la începutul experimentului).Depozitele carbonice rezultate sunt sub formă de pulbere solidă neagră, așa cum se arată în Fig. 2a suplimentară.Randamentele de carbon precipitat au fost de aproximativ 5,57%, 8,21% și 11,67% la timpi de sinteză de 10 minute, 15 minute și, respectiv, 20 de minute.Acest scenariu sugerează că timpii de sinteză mai lungi contribuie la randamente mai mari51 — randamente scăzute, cel mai probabil datorită timpilor scurti de reacție și activității scăzute a catalizatorului.
Între timp, o diagramă a temperaturii de sinteză în funcție de timp pentru nanocarburile obținute poate fi menționată în Figura suplimentară 2b.Cele mai ridicate temperaturi obținute pentru MNC10, MNC15 și MNC20 au fost 190,9°C, 434,5°C și, respectiv, 472°C.Pentru fiecare curbă se poate observa o pantă abruptă, indicând o creștere constantă a temperaturii în interiorul reactorului datorită căldurii generate în timpul arcului metalic.Acest lucru poate fi văzut la 0-2 min, 0-5 min și 0-8 min pentru MNC10, MNC15 și, respectiv, MNC20.După atingerea unui anumit punct, panta continuă să plutească la cea mai ridicată temperatură, iar panta devine moderată.
Microscopia electronică cu scanare cu emisie de câmp (FESEM) a fost utilizată pentru a observa topografia suprafeței probelor MNC.După cum se arată în fig.1, nanocarburile magnetice au o structură morfologică ușor diferită la un moment diferit de sinteză.Imaginile FESEM MNC10 din fig.1a,b arată că formarea sferelor de carbon constă din micro și nanosfere încurcate și atașate datorită tensiunii superficiale ridicate.În același timp, prezența forțelor van der Waals duce la agregarea sferelor de carbon52.Creșterea timpului de sinteză a dus la dimensiuni mai mici și o creștere a numărului de sfere din cauza reacțiilor de cracare mai lungi.Pe fig.1c arată că MNC15 are o formă sferică aproape perfectă.Cu toate acestea, sferele agregate pot forma în continuare mezopori, care mai târziu pot deveni locuri bune pentru adsorbția albastrului de metilen.La o mărire mare de 15.000 de ori în Fig. 1d pot fi văzute mai multe sfere de carbon aglomerate cu o dimensiune medie de 20,38 nm.
Imagini FESEM ale nanocarburilor sintetizate după 10 min (a, b), 15 min (c, d) și 20 min (e-g) la o mărire de 7000 și 15000 de ori.
Pe fig.1e–g MNC20 descrie dezvoltarea porilor cu sfere mici pe suprafața carbonului magnetic și reasambla morfologia carbonului magnetic activat53.Porii de diferite diametre și lățimi sunt localizați aleatoriu pe suprafața carbonului magnetic.Prin urmare, acest lucru poate explica de ce MNC20 a arătat o suprafață și un volum de pori mai mari, așa cum a arătat analiza BET, deoarece pe suprafața sa s-au format mai mulți pori decât în alte momente sintetice.Micrografiile realizate la o mărire mare de 15.000 de ori au arătat dimensiuni neomogene ale particulelor și forme neregulate, așa cum se arată în Fig. 1g.Când timpul de creștere a crescut la 20 de minute, s-au format mai multe sfere aglomerate.
Interesant este că în aceeași zonă s-au găsit și fulgi de carbon răsucite.Diametrul sferelor a variat de la 5,18 la 96,36 nm.Această formare se poate datora apariției nucleării diferențiale, care este facilitată de temperatură ridicată și microunde.Mărimea sferei calculate a MNC-urilor pregătite a fost în medie de 20,38 nm pentru MNC10, 24,80 nm pentru MNC15 și 31,04 nm pentru MNC20.Distribuția mărimii sferelor este prezentată în fig.3.
Figura suplimentară 4 prezintă spectrele EDS și rezumatele compoziției elementare ale MNC10, MNC15 și, respectiv, MNC20.Conform spectrelor, s-a observat că fiecare nanocarbonă conține o cantitate diferită de C, O și Fe.Acest lucru se datorează diferitelor reacții de oxidare și cracare care au loc în timpul suplimentar de sinteză.Se crede că o cantitate mare de C provine din precursorul carbonului, uleiul de palmier brut.Între timp, procentul scăzut de O se datorează procesului de oxidare în timpul sintezei.În același timp, Fe este atribuit oxidului de fier depus pe suprafața nanocarbonului după descompunerea ferocenului.În plus, Figura suplimentară 5a–c arată maparea elementelor MNC10, MNC15 și MNC20.Pe baza cartografierii fundamentale, s-a observat că Fe este bine distribuit pe suprafața MNC.
Analiza de adsorbție-desorbție a azotului oferă informații despre mecanismul de adsorbție și structura poroasă a materialului.Izotermele de adsorbție N2 și graficele suprafeței MNC BET sunt prezentate în Fig.2. Pe baza imaginilor FESEM, comportamentul de adsorbție este de așteptat să prezinte o combinație de structuri microporoase și mezoporoase datorită agregării.Cu toate acestea, graficul din Fig. 2 arată că adsorbantul seamănă cu izoterma de tip IV și bucla de histerezis de tip H2 a IUPAC55.Acest tip de izotermă este adesea similar cu cel al materialelor mezoporoase.Comportamentul de adsorbție al mezoporilor este de obicei determinat de interacțiunea reacțiilor de adsorbție-adsorbție cu moleculele materiei condensate.Izotermele de adsorbție în formă de S sau în formă de S sunt de obicei cauzate de adsorbția cu un singur strat-multistrat, urmată de un fenomen în care gazul se condensează într-o fază lichidă în pori la presiuni sub presiunea de saturație a lichidului în vrac, cunoscut sub numele de condensare a porilor 56. Condensarea capilară în pori are loc la presiuni relative (p/po) peste 0,50.Între timp, structura complexă a porilor prezintă histerezis de tip H2, care este atribuit blocării sau scurgerii porilor într-o gamă îngustă de pori.
Parametrii fizici ai suprafeței obținuți în urma testelor BET sunt prezentați în Tabelul 1. Aria suprafeței BET și volumul total al porilor au crescut semnificativ odată cu creșterea timpului de sinteză.Dimensiunile medii ale porilor MNC10, MNC15 și MNC20 sunt 7,2779 nm, 7,6275 nm și, respectiv, 7,8223 nm.Conform recomandărilor IUPAC, acești pori intermediari pot fi clasificați ca materiale mezoporoase.Structura mezoporoasă poate face albastrul de metilen mai ușor permeabil și adsorbabil de către MNC57.Timpul maxim de sinteză (MNC20) a arătat cea mai mare suprafață, urmat de MNC15 și MNC10.Suprafața BET mai mare poate îmbunătăți performanța de adsorbție, deoarece sunt disponibile mai multe locuri de surfactant.
Modelele de difracție de raze X ale MNC-urilor sintetizate sunt prezentate în Fig. 3. La temperaturi ridicate, ferocenul, de asemenea, crapă și formează oxid de fier.Pe fig.3a prezintă modelul XRD al MNC10.Prezintă două vârfuri la 2θ, 43,0° și 62,32°, care sunt atribuite lui ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).În același timp, Fe3O4 are un vârf tensionat la 2θ: 35,27°.Pe de altă parte, în modelul de difracție MHC15 din Fig. 3b se prezintă noi vârfuri, care sunt cel mai probabil asociate cu o creștere a temperaturii și a timpului de sinteză.Deși vârful 2θ: 26,202° este mai puțin intens, modelul de difracție este în concordanță cu fișierul JCPDS de grafit (JCPDS #75–1621), indicând prezența cristalelor de grafit în nanocarbon.Acest vârf este absent în MNC10, posibil din cauza temperaturii scăzute a arcului în timpul sintezei.La 2θ există trei vârfuri de timp: 30,082°, 35,502°, 57,422° atribuite Fe3O4.De asemenea, arată două vârfuri care indică prezența ɣ-Fe2O3 la 2θ: 43,102° și 62,632°.Pentru MNC sintetizat timp de 20 de minute (MNC20), așa cum se arată în Fig. 3c, un model de difracție similar poate fi observat în MNK15.Vârful grafic la 26.382° poate fi văzut și în MNC20.Cele trei vârfuri ascuțite prezentate la 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° sunt pentru Fe3O4.În plus, prezența ε-Fe2O3 este prezentată la 2θ: 42,972° și 62,61.Prezența compușilor de oxid de fier în MNC-urile rezultate poate avea un efect pozitiv asupra capacității de adsorbție a albastrului de metilen în viitor.
Caracteristicile legăturii chimice din probele MNC și CPO au fost determinate din spectrele de reflectare FTIR din Figura suplimentară 6. Inițial, cele șase vârfuri importante ale uleiului de palmier brut reprezentau patru componente chimice diferite, așa cum este descris în Tabelul suplimentar 1. Picurile fundamentale identificate în CPO sunt 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 și 1463,34 cm-1, care se referă la vibrațiile de întindere CH ale alcanilor și ale altor grupări CH2 sau CH3 alifatice.Pădurarii de vârf identificați sunt 1740,85 cm-1 și 1160,83 cm-1.Vârful la 1740,85 cm-1 este o legătură C=O extinsă de esterul carbonil al grupării funcționale trigliceride.Între timp, vârful la 1160,83 cm-1 este amprenta grupului ester CO58.59 extins.Între timp, vârful la 813,54 cm-1 este amprenta grupului alcan.
Prin urmare, unele vârfuri de absorbție în uleiul de palmier brut au dispărut pe măsură ce timpul de sinteză a crescut.Vârfurile la 2913,81 cm-1 și 2840 cm-1 pot fi încă observate în MNC10, dar este interesant că în MNC15 și MNC20 vârfurile tind să dispară din cauza oxidării.Între timp, analiza FTIR a nanocarburilor magnetice a relevat vârfuri de absorbție nou formate reprezentând cinci grupuri funcționale diferite de MNC10-20.Aceste vârfuri sunt, de asemenea, enumerate în Tabelul suplimentar 1. Vârful la 2325,91 cm-1 este întinderea asimetrică CH a grupului alifatic CH360.Vârful la 1463,34-1443,47 cm-1 arată îndoirea CH2 și CH a grupărilor alifatice, cum ar fi uleiul de palmier, dar vârful începe să scadă cu timpul.Vârful de la 813,54–875,35 cm–1 este o amprentă a grupării aromatice CH-alcan.
Între timp, vârfurile la 2101,74 cm-1 și 1589,18 cm-1 reprezintă legături CC 61 formând C=C alchină și, respectiv, inele aromatice.Un mic vârf la 1695,15 cm-1 arată legătura C=O a acidului gras liber din grupa carbonil.Se obține din CPO carbonil și ferocen în timpul sintezei.Picurile nou formate în intervalul de la 539,04 la 588,48 cm-1 aparțin legăturii vibraționale Fe-O a ferocenului.Pe baza vârfurilor prezentate în Figura suplimentară 4, se poate observa că timpul de sinteză poate reduce mai multe vârfuri și re-legarea în nanocarburile magnetice.
Analiza spectroscopică a împrăștierii Raman a nanocarburilor magnetice obținute la diferite momente de sinteză folosind un laser incident cu o lungime de undă de 514 nm este prezentată în Figura 4. Toate spectrele MNC10, MNC15 și MNC20 constau din două benzi intense asociate cu carbon sp3 scăzut, de obicei găsit în cristaliți de nanografit cu defecte în modurile vibraționale ale speciilor de carbon sp262.Primul vârf, situat în regiunea de 1333–1354 cm–1, reprezintă banda D, care este nefavorabilă pentru grafitul ideal și corespunde tulburărilor structurale și altor impurități63,64.Al doilea cel mai important vârf în jurul 1537–1595 cm-1 apare din întinderea legăturilor în plan sau din formele cristaline și ordonate de grafit.Cu toate acestea, vârful s-a deplasat cu aproximativ 10 cm-1 în comparație cu banda G de grafit, indicând faptul că MNC-urile au o ordine scăzută de stivuire a foilor și o structură defectă.Intensitățile relative ale benzilor D și G (ID/IG) sunt utilizate pentru a evalua puritatea cristalitelor și a probelor de grafit.Conform analizei spectroscopice Raman, toate MNC-urile au avut valori ID/IG în intervalul 0,98-0,99, indicând defecte structurale datorate hibridizării Sp3.Această situație poate explica prezența unor vârfuri 2θ mai puțin intense în spectrele XPA: 26,20 ° pentru MNK15 și 26,28 ° pentru MNK20, așa cum se arată în Fig. 4, care este atribuit vârfului de grafit din fișierul JCPDS.Rapoartele ID/IG MNC obținute în această lucrare sunt în intervalul altor nanocarburi magnetice, de exemplu, 0,85–1,03 pentru metoda hidrotermală și 0,78–0,9665,66 pentru metoda pirolitică.Prin urmare, acest raport indică faptul că prezenta metodă sintetică poate fi utilizată pe scară largă.
Caracteristicile magnetice ale MNC-urilor au fost analizate cu ajutorul unui magnetometru vibrant.Histerezisul rezultat este prezentat în Fig.5.De regulă, MNC-urile își dobândesc magnetismul din ferocen în timpul sintezei.Aceste proprietăți magnetice suplimentare pot crește capacitatea de adsorbție a nanocarbonilor în viitor.După cum se arată în Figura 5, probele pot fi identificate ca materiale superparamagnetice.Potrivit Wahajuddin & Arora67, starea superparamagnetică este că proba este magnetizată la magnetizare de saturație (MS) atunci când este aplicat un câmp magnetic extern.Ulterior, interacțiunile magnetice reziduale nu mai apar în probe67.Este de remarcat faptul că magnetizarea de saturație crește odată cu timpul de sinteză.Interesant este că MNC15 are cea mai mare saturație magnetică, deoarece formarea magnetică puternică (magnetizarea) poate fi cauzată de timpul optim de sinteză în prezența unui magnet extern.Acest lucru se poate datora prezenței Fe3O4, care are proprietăți magnetice mai bune în comparație cu alți oxizi de fier, cum ar fi ɣ-Fe2O.Ordinea momentului de saturație de adsorbție pe unitatea de masă a MNC-urilor este MNC15>MNC10>MNC20.Parametrii magnetici obținuți sunt dați în tabel.2.
Valoarea minimă a saturației magnetice atunci când se utilizează magneți convenționali în separare magnetică este de aproximativ 16,3 emu g-1.Capacitatea MNC-urilor de a elimina contaminanții precum coloranții din mediul acvatic și ușurința de îndepărtare a MNC-urilor au devenit factori suplimentari pentru nanocarburile obținute.Studiile au arătat că saturația magnetică a LSM este considerată a fi ridicată.Astfel, toate probele au atins valori de saturație magnetică mai mult decât suficiente pentru procedura de separare magnetică.
Recent, benzile sau firele metalice au atras atenția ca catalizatori sau dielectrici în procesele de fuziune cu microunde.Reacțiile cu microunde ale metalelor provoacă temperaturi ridicate sau reacții în interiorul reactorului.Acest studiu susține că vârful și firul de oțel inoxidabil condiționat (încolăcit) facilitează descărcarea la microunde și încălzirea metalului.Oțelul inoxidabil are o rugozitate pronunțată la vârf, ceea ce duce la valori ridicate ale densității de sarcină la suprafață și ale câmpului electric extern.Când sarcina a câștigat suficientă energie cinetică, particulele încărcate vor sări din oțel inoxidabil, provocând ionizarea mediului, producând o descărcare sau scânteie 68 .Descărcările de metal au o contribuție semnificativă la reacțiile de fisurare a soluției însoțite de puncte fierbinți de temperatură ridicată.Conform hărții de temperatură din Fig. 2b suplimentară, temperatura crește rapid, indicând prezența punctelor fierbinți de temperatură înaltă în plus față de fenomenul de descărcare puternică.
În acest caz, se observă un efect termic, deoarece electronii slab legați se pot mișca și se pot concentra pe suprafață și pe vârf69.Când oțelul inoxidabil este înfășurat, suprafața mare a metalului în soluție ajută la inducerea de curenți turbionari pe suprafața materialului și menține efectul de încălzire.Această condiție ajută în mod eficient la scindarea lanțurilor lungi de carbon ale CPO și ferocenului și ferocenului.După cum se arată în Fig. 2b suplimentară, o rată constantă a temperaturii indică faptul că se observă un efect de încălzire uniform în soluție.
Un mecanism propus pentru formarea MNC-urilor este prezentat în figura suplimentară 7. Lanțurile lungi de carbon ale CPO și ferocen încep să crape la temperatură ridicată.Uleiul se descompune pentru a forma hidrocarburi divizate care devin precursori de carbon cunoscuți sub numele de globule în imaginea FESEM MNC1070.Datorită energiei mediului şi presiunii 71 în condiţii atmosferice.În același timp, ferocenul crapă și el, formând un catalizator din atomii de carbon depuși pe Fe.Apoi are loc nuclearea rapidă și miezul de carbon se oxidează pentru a forma un strat de carbon amorf și grafitic deasupra miezului.Pe măsură ce timpul crește, dimensiunea sferei devine mai precisă și uniformă.În același timp, forțele van der Waals existente duc și la aglomerarea de sfere52.În timpul reducerii ionilor de Fe la Fe3O4 și ɣ-Fe2O3 (conform analizei de fază cu raze X), pe suprafața nanocarburilor se formează diferite tipuri de oxizi de fier, ceea ce duce la formarea de nanocarburi magnetice.Cartografierea EDS a arătat că atomii de Fe au fost puternic distribuiți pe suprafața MNC, așa cum se arată în figurile suplimentare 5a-c.
Diferența este că la un timp de sinteză de 20 de minute are loc agregarea carbonului.Formează pori mai mari pe suprafața MNC-urilor, sugerând că MNC-urile pot fi considerate carbon activat, așa cum se arată în imaginile FESEM din Fig. 1e-g.Această diferență în dimensiunile porilor poate fi legată de contribuția oxidului de fier din ferocen.În același timp, din cauza temperaturii ridicate atinse, apar solzi deformați.Nanocarburile magnetice prezintă morfologii diferite la momente diferite de sinteză.Nanocarburile au mai multe șanse să formeze forme sferice cu timpi de sinteză mai scurti.În același timp, porii și scuamele sunt realizabile, deși diferența de timp de sinteză este de numai 5 minute.
Nanocarburile magnetice pot elimina poluanții din mediul acvatic.Capacitatea lor de a fi îndepărtate cu ușurință după utilizare este un factor suplimentar pentru utilizarea nanocarburilor obținute în această lucrare ca adsorbanți.În studierea proprietăților de adsorbție ale nanocarburilor magnetice, am investigat capacitatea MNC-urilor de a decolora soluțiile de albastru de metilen (MB) la 30 ° C fără nicio ajustare a pH-ului.Mai multe studii au concluzionat că performanța absorbanților de carbon în intervalul de temperatură de 25-40 °C nu joacă un rol important în determinarea eliminării MC.Deși valorile extreme ale pH-ului joacă un rol important, la suprafața grupurilor funcționale se pot forma încărcături, ceea ce duce la perturbarea interacțiunii adsorbat-adsorbant și afectează adsorbția.Prin urmare, condițiile de mai sus au fost alese în acest studiu luând în considerare aceste situații și necesitatea epurării tipice a apelor uzate.
În această lucrare, a fost efectuat un experiment de adsorbție în loturi prin adăugarea a 20 mg de MNC la 20 ml de soluție apoasă de albastru de metilen cu diferite concentrații inițiale standard (5-20 ppm) la un timp de contact fix60.Figura suplimentară 8 arată starea diferitelor concentrații (5-20 ppm) de soluții de albastru de metilen înainte și după tratamentul cu MNC10, MNC15 și MNC20.La utilizarea diferitelor MNC-uri, nivelul de culoare al soluțiilor MB a scăzut.Interesant, s-a constatat că MNC20 a decolorat cu ușurință soluțiile de MB la o concentrație de 5 ppm.Între timp, MNC20 a scăzut și nivelul de culoare al soluției MB în comparație cu alte MNC.Spectrul UV vizibil al MNC10-20 este prezentat în figura suplimentară 9. Între timp, viteza de îndepărtare și informațiile de adsorbție sunt prezentate în figura 9. 6 și, respectiv, în tabelul 3.
Picuri puternice de albastru de metilen pot fi găsite la 664 nm și 600 nm.De regulă, intensitatea vârfului scade treptat odată cu scăderea concentrației inițiale a soluției de MG.În Fig. 9a suplimentară sunt prezentate spectrele UV-vizibile ale soluțiilor de MB de diferite concentrații după tratamentul cu MNC10, care a modificat doar puțin intensitatea vârfurilor.Pe de altă parte, vârfurile de absorbție ale soluțiilor de MB au scăzut semnificativ după tratamentul cu MNC15 și MNC20, așa cum se arată în figurile suplimentare 9b și, respectiv, c.Aceste modificări sunt vizibile în mod clar pe măsură ce concentrația soluției de MG scade.Cu toate acestea, modificările spectrale realizate de toți cei trei atomi de carbon magnetic au fost suficiente pentru a îndepărta colorantul de albastru de metilen.
Pe baza tabelului 3, rezultatele pentru cantitatea de MC adsorbită și procentul de MC adsorbite sunt prezentate în Fig. 3. 6. Adsorbția MG a crescut odată cu utilizarea concentrațiilor inițiale mai mari pentru toate MNC-urile.Între timp, procentul de adsorbție sau rata de îndepărtare a MB (MBR) a arătat o tendință opusă atunci când concentrația inițială a crescut.La concentrații inițiale mai mici de MC, locurile active neocupate au rămas pe suprafața adsorbantului.Pe măsură ce concentrația de colorant crește, numărul de locuri active neocupate disponibile pentru adsorbția moleculelor de colorant va scădea.Alții au ajuns la concluzia că în aceste condiții se va realiza saturarea situsurilor active de biosorbție72.
Din păcate pentru MNC10, MBR a crescut și a scăzut după 10 ppm de soluție MB.În același timp, doar o parte foarte mică din MG este adsorbită.Aceasta indică faptul că 10 ppm este concentrația optimă pentru adsorbția MNC10.Pentru toate CMN-urile studiate în această lucrare, ordinea capacităților de adsorbție a fost următoarea: MNC20 > MNC15 > MNC10, valorile medii au fost 10,36 mg/g, 6,85 mg/g și 0,71 mg/g, eliminarea medie a ratelor de MG. a fost de 87, 79%, 62,26% și 5,75%.Astfel, MNC20 a demonstrat cele mai bune caracteristici de adsorbție dintre nanocarburile magnetice sintetizate, ținând cont de capacitatea de adsorbție și de spectrul UV-vizibil.Deși capacitatea de adsorbție este mai mică în comparație cu alte nanocarburi magnetice, cum ar fi compozitul magnetic MWCNT (11,86 mg/g) și nanoparticulele Fe3O4 din nanotuburi de haloysit (18,44 mg/g), acest studiu nu necesită utilizarea suplimentară a unui stimulent.Substanțele chimice acționează ca catalizatori.furnizarea de metode sintetice curate și fezabile73,74.
După cum arată valorile SBET ale MNC-urilor, o suprafață specifică ridicată oferă mai multe locuri active pentru adsorbția soluției de MB.Aceasta devine una dintre caracteristicile fundamentale ale nanocarburilor sintetice.În același timp, datorită dimensiunii reduse a MNC-urilor, timpul de sinteză este scurt și acceptabil, ceea ce corespunde principalelor calități ale adsorbanților promițători75.În comparație cu adsorbanții naturali convenționali, MNC-urile sintetizate sunt saturate magnetic și pot fi îndepărtate cu ușurință din soluție sub acțiunea unui câmp magnetic extern76.Astfel, timpul necesar întregului proces de tratament este redus.
Izotermele de adsorbție sunt esențiale pentru a înțelege procesul de adsorbție și apoi pentru a demonstra cum se împarte adsorbatul între fazele lichide și solide atunci când este atins echilibrul.Ecuațiile Langmuir și Freundlich sunt utilizate ca ecuații izoterme standard, care explică mecanismul de adsorbție, așa cum se arată în Figura 7. Modelul Langmuir arată bine formarea unui singur strat de adsorbat pe suprafața exterioară a adsorbantului.Izotermele sunt cel mai bine descrise ca suprafețe de adsorbție omogene.În același timp, izoterma Freundlich afirmă cel mai bine participarea mai multor regiuni adsorbante și energia de adsorbție la presarea adsorbatului pe o suprafață neomogenă.
Model izotermă pentru izoterma Langmuir (a–c) și izotermă Freundlich (d–f) pentru MNC10, MNC15 și MNC20.
Izotermele de adsorbție la concentrații scăzute de solut sunt de obicei liniare77.Reprezentarea liniară a modelului izoterm Langmuir poate fi exprimată într-o ecuație.1 Determinați parametrii de adsorbție.
KL (l/mg) este o constantă Langmuir care reprezintă afinitatea de legare a MB la MNC.Între timp, qmax este capacitatea maximă de adsorbție (mg/g), qe este concentrația adsorbită de MC (mg/g) și Ce este concentrația de echilibru a soluției de MC.Expresia liniară a modelului izotermei Freundlich poate fi descrisă după cum urmează:
Ora postării: 16-feb-2023