Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Eksistensen af metaller udsendt af mikrobølgestråling er kontroversiel, fordi metaller let antændes.Men det interessante er, at forskerne fandt ud af, at bueudladningsfænomenet tilbyder en lovende vej til syntese af nanomaterialer ved at spalte molekyler.Denne undersøgelse udvikler en et-trins, men overkommelig syntetisk metode, der kombinerer mikrobølgeopvarmning og en elektrisk lysbue til at omdanne rå palmeolie til magnetisk nanocarbon (MNC), som kan betragtes som et nyt alternativ til palmeolieproduktion.Det involverer syntese af et medium med permanent viklet rustfri ståltråd (dielektrisk medium) og ferrocen (katalysator) under delvist inerte forhold.Denne metode er med succes blevet demonstreret til opvarmning i temperaturområdet fra 190,9 til 472,0°C med forskellige syntesetider (10-20 min).Frisk fremstillede MNC'er viste kugler med en gennemsnitlig størrelse på 20,38-31,04 nm, en mesoporøs struktur (SBET: 14,83-151,95 m2/g) og et højt indhold af fast kulstof (52,79-71,24 vægt-%) samt D og G bånd (ID/g) 0,98-0,99.Dannelsen af nye toppe i FTIR-spektret (522,29-588,48 cm-1) vidner til fordel for tilstedeværelsen af FeO-forbindelser i ferrocen.Magnetometre viser høj magnetiseringsmætning (22,32-26,84 emu/g) i ferromagnetiske materialer.Brugen af MNC'er til spildevandsbehandling er blevet påvist ved at evaluere deres adsorptionskapacitet ved hjælp af en methylenblåt (MB) adsorptionstest ved forskellige koncentrationer fra 5 til 20 ppm.MNC'er opnået ved syntesetiden (20 min) viste den højeste adsorptionseffektivitet (10,36 mg/g) sammenlignet med andre, og MB farvefjernelseshastigheden var 87,79%.Derfor er Langmuir-værdier ikke optimistiske sammenlignet med Freundlich-værdier, hvor R2 er omkring 0,80, 0,98 og 0,99 for MNC'er syntetiseret ved henholdsvis 10 min (MNC10), 15 min (MNC15) og 20 min (MNC20).Følgelig er adsorptionssystemet i en heterogen tilstand.Derfor tilbyder mikrobølgebuedannelse en lovende metode til at konvertere CPO til MNC, som kan fjerne skadelige farvestoffer.
Mikrobølgestråling kan opvarme de inderste dele af materialer gennem den molekylære interaktion af elektromagnetiske felter.Denne mikrobølgerespons er unik ved, at den fremmer en hurtig og ensartet termisk respons.Det er således muligt at fremskynde opvarmningsprocessen og fremme kemiske reaktioner2.På samme tid kan mikrobølgereaktionen på grund af den kortere reaktionstid i sidste ende producere produkter med høj renhed og højt udbytte3,4.På grund af dens fantastiske egenskaber letter mikrobølgestråling interessante mikrobølgesynteser, der bruges i mange undersøgelser, herunder kemiske reaktioner og syntese af nanomaterialer5,6.Under opvarmningsprocessen spiller de dielektriske egenskaber af acceptoren inde i mediet en afgørende rolle, da det skaber et hot spot i mediet, hvilket fører til dannelsen af nanocarboner med forskellige morfologier og egenskaber.En undersøgelse af Omoriyekomwan et al.Produktion af hule kulstof nanofibre fra palmekerner ved hjælp af aktivt kul og nitrogen8.Derudover bestemte Fu og Hamid brugen af en katalysator til produktion af oliepalmefiber aktiveret kul i en 350 W9 mikrobølgeovn.Derfor kan en lignende tilgang bruges til at konvertere rå palmeolie til MNC'er ved at introducere egnede rensemidler.
Der er observeret et interessant fænomen mellem mikrobølgestråling og metaller med skarpe kanter, prikker eller submikroskopiske uregelmæssigheder10.Tilstedeværelsen af disse to genstande vil blive påvirket af en elektrisk lysbue eller gnist (almindeligvis omtalt som en bueudladning)11,12.Lysbuen vil fremme dannelsen af mere lokaliserede hot spots og påvirke reaktionen og derved forbedre den kemiske sammensætning af miljøet13.Dette særlige og interessante fænomen har tiltrukket forskellige undersøgelser såsom fjernelse af forurenende stoffer14,15, biomassetjæreknækning16, mikrobølgeassisteret pyrolyse17,18 og materialesyntese19,20,21.
For nylig har nanocarboner såsom kulstofnanorør, kulstofnanosfærer og modificeret reduceret grafenoxid tiltrukket sig opmærksomhed på grund af deres egenskaber.Disse nanocarboner rummer et stort potentiale til anvendelser lige fra elproduktion til vandrensning eller dekontaminering23.Derudover kræves fremragende kulstofegenskaber, men samtidig kræves gode magnetiske egenskaber.Dette er meget nyttigt til multifunktionelle applikationer, herunder høj adsorption af metalioner og farvestoffer i spildevandsbehandling, magnetiske modifikatorer i biobrændstoffer og endda højeffektive mikrobølgeabsorbere24,25,26,27,28.Samtidig har disse kulstoffer en anden fordel, herunder en stigning i overfladearealet af prøvens aktive sted.
I de senere år har forskning i magnetiske nanocarbonmaterialer været stigende.Typisk er disse magnetiske nanocarboner multifunktionelle materialer, der indeholder magnetiske materialer i nanostørrelse, som kan få eksterne katalysatorer til at reagere, såsom eksterne elektrostatiske eller vekslende magnetiske felter29.På grund af deres magnetiske egenskaber kan magnetiske nanocarboner kombineres med en lang række aktive ingredienser og komplekse strukturer til immobilisering30.I mellemtiden viser magnetiske nanocarboner (MNC'er) fremragende effektivitet i at adsorbere forurenende stoffer fra vandige opløsninger.Derudover kan det høje specifikke overfladeareal og porerne dannet i MNC'er øge adsorptionskapaciteten31.Magnetiske separatorer kan adskille MNC'er fra meget reaktive løsninger og gøre dem til en levedygtig og håndterbar sorbent32.
Flere forskere har påvist, at nanocarboner af høj kvalitet kan fremstilles ved hjælp af rå palmeolie33,34.Palmeolie, videnskabeligt kendt som Elais Guneensis, anses for at være en af de vigtige spiselige olier med en produktion på omkring 76,55 millioner tons i 202135. Rå palmeolie eller CPO indeholder et afbalanceret forhold mellem umættede fedtsyrer (EFA) og mættede fedtsyrer (Singapores monetære myndighed).De fleste af kulbrinterne i CPO er triglycerider, et glycerid bestående af tre triglyceridacetatkomponenter og en glycerolkomponent36.Disse kulbrinter kan generaliseres på grund af deres enorme kulstofindhold, hvilket gør dem til potentielle grønne forløbere for nanocarbonproduktion37.Ifølge litteraturen syntetiseres CNT37,38,39,40, kulstofnanosfærer33,41 og grafen34,42,43 normalt ved hjælp af rå palmeolie eller spiselig olie.Disse nanocarboner har et stort potentiale i applikationer lige fra elproduktion til vandrensning eller dekontaminering.
Termisk syntese som CVD38 eller pyrolyse33 er blevet en gunstig metode til nedbrydning af palmeolie.Desværre øger de høje temperaturer i processen produktionsomkostningerne.Fremstilling af det foretrukne materiale 44 kræver langvarige, kedelige procedurer og rengøringsmetoder.Behovet for fysisk adskillelse og revnedannelse er imidlertid ubestrideligt på grund af den gode stabilitet af rå palmeolie ved høje temperaturer45.Derfor kræves der stadig højere temperaturer for at omdanne rå palmeolie til kulstofholdige materialer.Væskebuen kan betragtes som det bedste potentiale og nye metode til syntese af magnetisk nanocarbon 46 .Denne tilgang giver direkte energi til prækursorer og løsninger i stærkt ophidsede tilstande.En lysbueudledning kan få kulstofbindingerne i rå palmeolie til at bryde.Imidlertid skal den anvendte elektrodeafstand muligvis opfylde strenge krav, hvilket vil begrænse den industrielle skala, så en effektiv metode mangler stadig at blive udviklet.
Så vidt vi ved, er forskning i lysbueudladning ved brug af mikrobølger som metode til at syntetisere nanocarboner begrænset.Samtidig er brugen af rå palmeolie som forløber ikke fuldt ud undersøgt.Derfor sigter denne undersøgelse på at undersøge muligheden for at producere magnetiske nanocarboner fra rå palmeolieprækursorer ved hjælp af en lysbue ved hjælp af en mikrobølgeovn.Overfloden af palmeolie bør afspejles i nye produkter og applikationer.Denne nye tilgang til palmeolieraffinering kan hjælpe med at sætte skub i den økonomiske sektor og være endnu en indtægtskilde for palmeolieproducenter, især ramt af små landmænds palmeolieplantager.Ifølge en undersøgelse af afrikanske småbønder af Ayompe et al. tjener småbønder kun flere penge, hvis de selv behandler frisk frugtklynger og sælger rå palmeolie i stedet for at sælge den til mellemhandlere, hvilket er et dyrt og kedeligt job47.Samtidig har en stigning i fabrikslukninger på grund af COVID-19 påvirket palmeoliebaserede applikationsprodukter.Interessant nok, da de fleste husholdninger har adgang til mikrobølgeovne, og den metode, der foreslås i denne undersøgelse, kan betragtes som mulig og overkommelig, kan MNC-produktion betragtes som et alternativ til småskala palmeolieplantager.I mellemtiden kan virksomheder i større skala investere i store reaktorer for at producere store TNC'er.
Denne undersøgelse dækker hovedsageligt synteseprocessen ved anvendelse af rustfrit stål som det dielektriske medium i forskellige varigheder.De fleste generelle undersøgelser, der anvender mikrobølger og nanocarboner, tyder på en acceptabel syntesetid på 30 minutter eller mere33,34.For at understøtte en tilgængelig og gennemførlig praktisk idé, sigtede denne undersøgelse på at opnå MNC'er med under gennemsnittet syntesetider.Samtidig tegner undersøgelsen et billede af teknologisk parathed niveau 3, da teorien er bevist og implementeret i laboratorieskala.Senere blev de resulterende MNC'er karakteriseret ved deres fysiske, kemiske og magnetiske egenskaber.Methylenblåt blev derefter brugt til at demonstrere adsorptionskapaciteten af de resulterende MNC'er.
Rå palmeolie blev opnået fra Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, og bruges som kulstofprækursor til syntese.I dette tilfælde blev der anvendt en rustfri ståltråd med en diameter på 0,90 mm som et dielektrisk medium.Ferrocen (renhed 99%), opnået fra Sigma-Aldrich, USA, blev valgt som katalysator i dette arbejde.Methylenblåt (Bendosen, 100 g) blev yderligere anvendt til adsorptionsforsøg.
I denne undersøgelse blev en husholdningsmikrobølgeovn (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) omdannet til en mikrobølgereaktor.Der blev lavet tre huller i den øverste del af mikrobølgeovnen til ind- og udløb af gas og et termoelement.Termoelementproberne blev isoleret med keramiske rør og placeret under de samme betingelser for hvert eksperiment for at forhindre ulykker.I mellemtiden blev en borosilikatglasreaktor med et tre-hullers låg brugt til at rumme prøverne og luftrøret.Et skematisk diagram af en mikrobølgereaktor kan henvises til i supplerende figur 1.
Ved at bruge rå palmeolie som kulstofprækursor og ferrocen som katalysator blev magnetiske nanocarboner syntetiseret.Ca. 5 vægt% af ferrocenkatalysatoren blev fremstillet ved opslæmningskatalysatormetoden.Ferrocen blev blandet med 20 ml rå palmeolie ved 60 rpm i 30 minutter.Blandingen blev derefter overført til en aluminiumoxiddigel, og en 30 cm lang rustfri ståltråd blev viklet og placeret lodret inde i diglen.Placer aluminiumoxiddigelen i glasreaktoren og fastgør den sikkert inde i mikrobølgeovnen med et forseglet glaslåg.Nitrogen blev blæst ind i kammeret 5 minutter før starten af reaktionen for at fjerne uønsket luft fra kammeret.Mikrobølgeeffekten er øget til 800W, fordi dette er den maksimale mikrobølgeeffekt, der kan opretholde en god lysbuestart.Derfor kan dette bidrage til at skabe gunstige betingelser for syntetiske reaktioner.Samtidig er dette også et meget brugt effektområde i watt til mikrobølgefusionsreaktioner48,49.Blandingen blev opvarmet i 10, 15 eller 20 minutter under reaktionen.Efter afslutning af reaktionen blev reaktoren og mikroovnen naturligt afkølet til stuetemperatur.Slutproduktet i aluminiumoxiddigelen var et sort bundfald med spiralformede tråde.
Det sorte bundfald blev opsamlet og vasket flere gange skiftevis med ethanol, isopropanol (70%) og destilleret vand.Efter vask og rengøring tørres produktet natten over ved 80°C i en konventionel ovn for at fordampe uønskede urenheder.Produktet blev derefter opsamlet til karakterisering.Prøver mærket MNC10, MNC15 og MNC20 blev brugt til at syntetisere magnetiske nanocarboner i 10 minutter, 15 minutter og 20 minutter.
Observer MNC-morfologi med et feltemissionsscanningselektronmikroskop eller FESEM (Zeiss Auriga-model) ved 100 til 150 kX forstørrelse.Samtidig blev grundstofsammensætningen analyseret ved energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS).EMF-analysen blev udført ved en arbejdsafstand på 2,8 mm og en accelerationsspænding på 1 kV.Specifikt overfladeareal og MNC-poreværdier blev målt ved Brunauer-Emmett-Teller (BET) metoden, inklusive adsorptions-desorptionsisotermen af N2 ved 77 K. Analysen blev udført ved hjælp af en modeloverfladearealmåler (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Krystalliniteten og fasen af de magnetiske nanocarboner blev bestemt ved røntgenpulverdiffraktion eller XRD (Burker D8 Advance) ved λ = 0,154 nm.Diffraktogrammer blev optaget mellem 2θ = 5 og 85° ved en scanningshastighed på 2° min-1.Derudover blev den kemiske struktur af MNC'er undersøgt ved hjælp af Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR).Analysen blev udført under anvendelse af en Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 med scanningshastigheder fra 4000 til 400 cm-1.Ved at studere de strukturelle træk ved magnetiske nanocarboner blev Raman-spektroskopi udført ved hjælp af en neodym-doteret laser (532 nm) i U-RAMAN-spektroskopi med et 100X objektiv.
Et vibrerende magnetometer eller VSM (Lake Shore 7400-serien) blev brugt til at måle den magnetiske mætning af jernoxid i MNC'er.Et magnetfelt på ca. 8 kOe blev brugt og 200 point blev opnået.
Når man studerede potentialet af MNC'er som adsorbenter i adsorptionsforsøg, blev det kationiske farvestof methylenblåt (MB) brugt.MNC'er (20 mg) blev tilsat til 20 ml af en vandig opløsning af methylenblåt med standardkoncentrationer i området 5-20 mg/L50.Opløsningens pH blev sat til en neutral pH på 7 gennem hele undersøgelsen.Opløsningen blev omrørt mekanisk ved 150 rpm og 303,15 K på en roterende ryster (Lab Companion: SI-300R).MNC'erne adskilles derefter ved hjælp af en magnet.Brug et UV-synligt spektrofotometer (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) til at observere koncentrationen af MB-opløsningen før og efter adsorptionseksperimentet, og referer til methylenblå-standardkurven ved en maksimal bølgelængde på 664 nm.Forsøget blev gentaget tre gange, og gennemsnitsværdien blev givet.Fjernelsen af MG fra opløsningen blev beregnet under anvendelse af den generelle ligning for mængden af MC adsorberet ved ligevægt qe og procentdelen af fjernelse.
Eksperimenter med adsorptionsisotermen blev også udført med omrøring af forskellige koncentrationer (5-20 mg/l) af MG-opløsninger og 20 mg af adsorbenten ved en konstant temperatur på 293,15 K. mg for alle MNC'er.
Jern og magnetisk kulstof er blevet grundigt undersøgt i løbet af de sidste par årtier.Disse kulstofbaserede magnetiske materialer tiltrækker sig stigende opmærksomhed på grund af deres fremragende elektromagnetiske egenskaber, hvilket fører til forskellige potentielle teknologiske anvendelser, hovedsageligt inden for elektriske apparater og vandbehandling.I denne undersøgelse blev nanocarboner syntetiseret ved at knække kulbrinter i rå palmeolie ved hjælp af en mikrobølgeudledning.Syntesen blev udført på forskellige tidspunkter, fra 10 til 20 minutter, ved et fast forhold (5:1) af forstadiet og katalysatoren ved anvendelse af en metalstrømkollektor (snoet SS) og delvist inert (uønsket luft renset med nitrogen ved begyndelsen af eksperimentet).De resulterende carbonholdige aflejringer er i form af et sort fast pulver, som vist i Supplerende Fig. 2a.De udfældede kulstofudbytter var ca. 5,57 %, 8,21 % og 11,67 % ved syntesetider på henholdsvis 10 minutter, 15 minutter og 20 minutter.Dette scenarie antyder, at længere syntesetider bidrager til højere udbytter51 - lave udbytter, højst sandsynligt på grund af korte reaktionstider og lav katalysatoraktivitet.
I mellemtiden kan et plot af syntesetemperatur versus tid for de opnåede nanocarboner henvises til i supplerende figur 2b.De højeste temperaturer opnået for MNC10, MNC15 og MNC20 var henholdsvis 190,9°C, 434,5°C og 472°C.For hver kurve kan der ses en stejl hældning, hvilket indikerer en konstant stigning i temperaturen inde i reaktoren på grund af den varme, der genereres under metalbuen.Dette kan ses ved 0-2 min, 0-5 min og 0-8 min for henholdsvis MNC10, MNC15 og MNC20.Efter at have nået et bestemt punkt fortsætter hældningen med at svæve til den højeste temperatur, og hældningen bliver moderat.
Felt emission scanning elektronmikroskopi (FESEM) blev brugt til at observere overfladetopografien af MNC prøverne.Som vist i fig.1, har magnetiske nanocarboner en lidt anderledes morfologisk struktur på et andet syntesetidspunkt.Billeder af FESEM MNC10 i fig.1a,b viser, at dannelsen af kulstofkugler består af sammenfiltrede og fastgjorte mikro- og nanosfærer på grund af høj overfladespænding.Samtidig fører tilstedeværelsen af van der Waals-kræfter til aggregering af kulstofkugler52.Forøgelsen i syntesetid resulterede i mindre størrelser og en stigning i antallet af kugler på grund af længere revnereaktioner.På fig.1c viser, at MNC15 har en næsten perfekt sfærisk form.De aggregerede kugler kan dog stadig danne mesoporer, som senere kan blive gode steder for methylenblåt adsorption.Ved en høj forstørrelse på 15.000 gange i fig. 1d kan flere kulstofkugler ses agglomereret med en gennemsnitlig størrelse på 20,38 nm.
FESEM-billeder af syntetiserede nanocarboner efter 10 min (a, b), 15 min (c, d) og 20 min (e-g) ved 7000 og 15000 gange forstørrelse.
På fig.1e–g MNC20 skildrer udviklingen af porer med små kugler på overfladen af magnetisk kul og samler morfologien af magnetisk aktivt kul53.Porer med forskellige diametre og bredder er tilfældigt placeret på overfladen af magnetisk kulstof.Derfor kan dette forklare, hvorfor MNC20 viste et større overfladeareal og porevolumen som vist ved BET-analyse, da der dannedes flere porer på dens overflade end på andre syntetiske tidspunkter.Mikrofotografier taget ved en høj forstørrelse på 15.000 gange viste inhomogene partikelstørrelser og uregelmæssige former, som vist i fig. 1g.Når væksttiden blev øget til 20 minutter, blev der dannet mere agglomererede kugler.
Interessant nok blev der også fundet snoede kulstofflager i samme område.Kuglernes diameter varierede fra 5,18 til 96,36 nm.Denne dannelse kan skyldes forekomsten af differentiel nukleering, som lettes af høj temperatur og mikrobølger.Den beregnede kuglestørrelse af de forberedte MNC'er var i gennemsnit 20,38 nm for MNC10, 24,80 nm for MNC15 og 31,04 nm for MNC20.Størrelsesfordelingen af kugler er vist i den supplerende fig.3.
Supplerende figur 4 viser EDS-spektrene og sammensætningen af grundstofsammensætninger af henholdsvis MNC10, MNC15 og MNC20.Ifølge spektrene blev det bemærket, at hver nanocarbon indeholder en forskellig mængde C, O og Fe.Dette skyldes de forskellige oxidations- og krakningsreaktioner, der forekommer under den yderligere syntesetid.En stor mængde C menes at komme fra kulstofprækursoren, rå palmeolie.I mellemtiden skyldes den lave procentdel af O oxidationsprocessen under syntesen.Samtidig tilskrives Fe jernoxid aflejret på nanocarbon-overfladen efter ferrocennedbrydning.Derudover viser Supplerende figur 5a-c kortlægningen af MNC10-, MNC15- og MNC20-elementer.Baseret på grundlæggende kortlægning blev det observeret, at Fe er godt fordelt over MNC-overfladen.
Nitrogenadsorptions-desorptionsanalyse giver information om adsorptionsmekanismen og materialets porøse struktur.N2-adsorptionsisotermer og grafer for MNC BET-overfladen er vist i fig.2. Baseret på FESEM-billederne forventes adsorptionsadfærden at udvise en kombination af mikroporøse og mesoporøse strukturer på grund af aggregering.Imidlertid viser grafen i fig. 2, at adsorbenten ligner type IV isotermen og type H2 hysterese loop af IUPAC55.Denne type isoterm ligner ofte den for mesoporøse materialer.Mesoporernes adsorptionsadfærd bestemmes sædvanligvis af interaktionen af adsorptions-adsorptionsreaktioner med molekylerne i det kondenserede stof.S-formede eller S-formede adsorptionsisotermer er normalt forårsaget af enkeltlags-flerlagsadsorption efterfulgt af et fænomen, hvor gas kondenserer til en flydende fase i porerne ved tryk under mætningstrykket af bulkvæsken, kendt som porekondensation 56. Kapillær kondensation i porer sker ved relative tryk (p/po) over 0,50.I mellemtiden udviser den komplekse porestruktur hysterese af H2-typen, som tilskrives poretilstopning eller lækage i et snævert udvalg af porer.
De fysiske parametre for overfladen opnået fra BET-testene er vist i tabel 1. BET-overfladearealet og det totale porevolumen steg signifikant med stigende syntesetid.De gennemsnitlige porestørrelser af MNC10, MNC15 og MNC20 er henholdsvis 7,2779 nm, 7,6275 nm og 7,8223 nm.Ifølge IUPAC-anbefalingerne kan disse mellemporer klassificeres som mesoporøse materialer.Den mesoporøse struktur kan gøre methylenblåt lettere permeabelt og adsorberbart af MNC57.Maksimal syntesetid (MNC20) viste det højeste overfladeareal, efterfulgt af MNC15 og MNC10.Højere BET-overfladeareal kan forbedre adsorptionsydelsen, da flere overfladeaktive steder er tilgængelige.
Røntgendiffraktionsmønstre for de syntetiserede MNC'er er vist i fig. 3. Ved høje temperaturer revner ferrocen også og danner jernoxid.På fig.3a viser XRD-mønsteret af MNC10.Den viser to toppe ved 2θ, 43,0° og 62,32°, som er tildelt ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39-1346).Samtidig har Fe3O4 en spændt top ved 2θ: 35,27°.På den anden side viser diffraktionsmønsteret i MHC15 i fig. 3b nye toppe, som højst sandsynligt er forbundet med en stigning i temperatur og syntesetid.Selvom 2θ: 26.202°-toppen er mindre intens, er diffraktionsmønsteret i overensstemmelse med grafit-JCPDS-filen (JCPDS #75-1621), hvilket indikerer tilstedeværelsen af grafitkrystaller i nanocarbonet.Denne top er fraværende i MNC10, muligvis på grund af den lave lysbuetemperatur under syntese.Ved 2θ er der tre tidstoppe: 30.082°, 35.502°, 57.422° tilskrevet Fe3O4.Den viser også to toppe, der indikerer tilstedeværelsen af ɣ-Fe2O3 ved 2θ: 43.102° og 62.632°.For MNC syntetiseret i 20 minutter (MNC20), som vist i fig. 3c, kan et lignende diffraktionsmønster observeres i MNK15.Den grafiske top på 26.382° kan også ses i MNC20.De tre skarpe toppe vist ved 2θ: 30.102°, 35.612°, 57.402° er for Fe3O4.Derudover er tilstedeværelsen af ε-Fe2O3 vist ved 2θ: 42,972° og 62,61.Tilstedeværelsen af jernoxidforbindelser i de resulterende MNC'er kan have en positiv effekt på evnen til at adsorbere methylenblåt i fremtiden.
De kemiske bindingsegenskaber i MNC- og CPO-prøverne blev bestemt ud fra FTIR-reflektansspektrene i Supplerende Figur 6. Til at begynde med repræsenterede de seks vigtige toppe af rå palmeolie fire forskellige kemiske komponenter som beskrevet i Supplerende Tabel 1. De fundamentale toppe identificeret i CPO er 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 og 1463,34 cm-1, som refererer til CH-strækningsvibrationerne af alkaner og andre alifatiske CH2- eller CH3-grupper.De identificerede peak skovbrugere er 1740,85 cm-1 og 1160,83 cm-1.Toppen ved 1740,85 cm-1 er en C=O-binding forlænget med estercarbonylen fra den triglyceridfunktionelle gruppe.I mellemtiden er toppen ved 1160,83 cm-1 aftrykket af den udvidede CO58,59-estergruppe.I mellemtiden er toppen ved 813,54 cm-1 aftrykket af alkangruppen.
Derfor forsvandt nogle absorptionstoppe i rå palmeolie, efterhånden som syntesetiden steg.Toppe ved 2913,81 cm-1 og 2840 cm-1 kan stadig observeres i MNC10, men det er interessant, at i MNC15 og MNC20 har toppene en tendens til at forsvinde på grund af oxidation.I mellemtiden afslørede FTIR-analyse af magnetiske nanocarboner nydannede absorptionstoppe, der repræsenterer fem forskellige funktionelle grupper af MNC10-20.Disse toppe er også anført i den supplerende tabel 1. Toppen ved 2325,91 cm-1 er den asymmetriske CH-strækning af den alifatiske CH360-gruppe.Toppen ved 1463,34-1443,47 cm-1 viser CH2 og CH bøjning af alifatiske grupper såsom palmeolie, men toppen begynder at falde med tiden.Toppen ved 813,54-875,35 cm-1 er et aftryk af den aromatiske CH-alkangruppe.
I mellemtiden repræsenterer toppene ved 2101,74 cm-1 og 1589,18 cm-1 CC 61-bindinger, der danner henholdsvis C=C-alkyn- og aromatiske ringe.En lille top ved 1695,15 cm-1 viser C=O-bindingen af den frie fedtsyre fra carbonylgruppen.Det opnås fra CPO carbonyl og ferrocen under syntese.De nydannede toppe i området fra 539,04 til 588,48 cm-1 tilhører Fe-O vibrationsbindingen af ferrocen.Baseret på toppene vist i Supplerende Figur 4, kan det ses, at syntesetiden kan reducere flere toppe og genbinding i magnetiske nanocarboner.
Spektroskopisk analyse af Raman-spredning af magnetiske nanocarboner opnået på forskellige tidspunkter af syntese ved hjælp af en indfaldende laser med en bølgelængde på 514 nm er vist i figur 4. Alle spektre af MNC10, MNC15 og MNC20 består af to intense bånd forbundet med lav sp3 kulstof, almindeligvis fundet i nanografitkrystallitter med defekter i vibrationstilstande af kulstofarter sp262.Den første top, der ligger i området 1333-1354 cm-1, repræsenterer D-båndet, som er ugunstigt for ideel grafit og svarer til strukturel uorden og andre urenheder63,64.Den næstvigtigste top omkring 1537-1595 cm-1 stammer fra strækning af binding i planet eller krystallinske og ordnede grafitformer.Toppen skiftede dog med omkring 10 cm-1 sammenlignet med grafit G-båndet, hvilket indikerer, at MNC'erne har en lav arkstablingsrækkefølge og en defekt struktur.De relative intensiteter af D- og G-båndene (ID/IG) bruges til at evaluere renheden af krystallitter og grafitprøver.Ifølge Raman spektroskopisk analyse havde alle MNC'er ID/IG-værdier i området 0,98-0,99, hvilket indikerer strukturelle defekter på grund af Sp3-hybridisering.Denne situation kan forklare tilstedeværelsen af mindre intense 2θ-toppe i XPA-spektrene: 26,20° for MNK15 og 26,28° for MNK20, som vist i fig. 4, som er tildelt grafit-toppen i JCPDS-filen.ID/IG MNC-forhold opnået i dette arbejde er i området for andre magnetiske nanocarboner, for eksempel 0,85-1,03 for den hydrotermiske metode og 0,78-0,9665,66 for den pyrolytiske metode.Derfor indikerer dette forhold, at den foreliggende syntetiske metode kan anvendes bredt.
MNC'ernes magnetiske egenskaber blev analyseret ved hjælp af et vibrerende magnetometer.Den resulterende hysterese er vist i fig.Som regel erhverver MNC'er deres magnetisme fra ferrocen under syntese.Disse yderligere magnetiske egenskaber kan øge adsorptionskapaciteten af nanocarboner i fremtiden.Som vist i figur 5 kan prøverne identificeres som superparamagnetiske materialer.Ifølge Wahajuddin & Arora67 er den superparamagnetiske tilstand, at prøven magnetiseres til mætningsmagnetisering (MS), når et eksternt magnetfelt påføres.Senere forekommer resterende magnetiske interaktioner ikke længere i prøverne67.Det er bemærkelsesværdigt, at mætningsmagnetiseringen stiger med syntesetiden.Interessant nok har MNC15 den højeste magnetiske mætning, fordi stærk magnetisk dannelse (magnetisering) kan være forårsaget af optimal syntesetid i nærvær af en ekstern magnet.Dette kan skyldes tilstedeværelsen af Fe3O4, som har bedre magnetiske egenskaber sammenlignet med andre jernoxider såsom ɣ-Fe2O.Rækkefølgen af adsorptionsmætningsmomentet pr. masseenhed af MNC'er er MNC15>MNC10>MNC20.De opnåede magnetiske parametre er angivet i tabel.2.
Minimumsværdien af magnetisk mætning ved anvendelse af konventionelle magneter i magnetisk adskillelse er omkring 16,3 emu g-1.MNC'ers evne til at fjerne forurenende stoffer såsom farvestoffer i vandmiljøet og den nemme fjernelse af MNC'er er blevet yderligere faktorer for de opnåede nanocarboner.Undersøgelser har vist, at den magnetiske mætning af LSM anses for at være høj.Således nåede alle prøver magnetiske mætningsværdier mere end tilstrækkelige til den magnetiske separationsprocedure.
For nylig har metalstrimler eller ledninger tiltrukket sig opmærksomhed som katalysatorer eller dielektrikum i mikrobølgefusionsprocesser.Mikrobølgereaktioner af metaller forårsager høje temperaturer eller reaktioner i reaktoren.Denne undersøgelse hævder, at spidsen og den konditionerede (oprullede) rustfri ståltråd letter mikrobølgeudledning og metalopvarmning.Rustfrit stål har en udtalt ruhed i spidsen, hvilket fører til høje værdier af overfladeladningstæthed og eksternt elektrisk felt.Når ladningen har fået tilstrækkelig kinetisk energi, vil de ladede partikler springe ud af det rustfri stål, hvilket får omgivelserne til at ionisere, hvilket producerer en udladning eller gnist 68 .Metaludledning yder et væsentligt bidrag til opløsningsrevnereaktioner ledsaget af varme pletter ved høje temperaturer.Ifølge temperaturkortet i Supplerende Fig. 2b stiger temperaturen hurtigt, hvilket indikerer tilstedeværelsen af højtemperatur-hot spots ud over det stærke udledningsfænomen.
I dette tilfælde observeres en termisk effekt, da svagt bundne elektroner kan bevæge sig og koncentrere sig på overfladen og på spidsen69.Når rustfrit stål vikles, hjælper det store overfladeareal af metallet i opløsning med at inducere hvirvelstrømme på overfladen af materialet og opretholder varmeeffekten.Denne tilstand hjælper effektivt med at spalte de lange kulstofkæder af CPO og ferrocen og ferrocen.Som vist i Supplerende Fig. 2b indikerer en konstant temperaturhastighed, at der observeres en ensartet opvarmningseffekt i opløsningen.
En foreslået mekanisme til dannelse af MNC'er er vist i supplerende figur 7. De lange kulstofkæder af CPO og ferrocen begynder at revne ved høj temperatur.Olien nedbrydes og danner spaltede kulbrinter, der bliver kulstofprækursorer kendt som kugler i FESEM MNC1070-billedet.På grund af miljøets energi og tryk 71 under atmosfæriske forhold.Samtidig revner ferrocen også og danner en katalysator fra kulstofatomer aflejret på Fe.Hurtig nukleering sker derefter, og kulstofkernen oxiderer og danner et amorft og grafitisk kulstoflag oven på kernen.Efterhånden som tiden stiger, bliver kuglens størrelse mere præcis og ensartet.Samtidig fører de eksisterende van der Waals-kræfter også til agglomerering af sfærer52.Under reduktionen af Fe-ioner til Fe3O4 og ɣ-Fe2O3 (ifølge røntgenfaseanalyse) dannes der forskellige typer jernoxider på overfladen af nanocarboner, hvilket fører til dannelsen af magnetiske nanocarboner.EDS-kortlægning viste, at Fe-atomerne var stærkt fordelt over MNC-overfladen, som vist i supplerende figurer 5a-c.
Forskellen er, at der ved en syntesetid på 20 minutter sker kulstofaggregation.Det danner større porer på overfladen af MNC'er, hvilket tyder på, at MNC'er kan betragtes som aktivt kul, som vist på FESEM-billederne i fig. 1e-g.Denne forskel i porestørrelser kan være relateret til bidraget af jernoxid fra ferrocen.På samme tid, på grund af den nåede høje temperatur, er der deforme skalaer.Magnetiske nanocarboner udviser forskellige morfologier på forskellige syntesetidspunkter.Nanocarboner er mere tilbøjelige til at danne sfæriske former med kortere syntesetider.Samtidig er porer og skæl opnåelige, selvom forskellen i syntesetid kun er inden for 5 minutter.
Magnetiske nanocarboner kan fjerne forurenende stoffer fra vandmiljøet.Deres evne til let at blive fjernet efter brug er en yderligere faktor for at bruge nanocarbonerne opnået i dette arbejde som adsorbenter.Ved at studere adsorptionsegenskaberne af magnetiske nanocarboner undersøgte vi MNC'ers evne til at affarve methylenblå (MB) opløsninger ved 30 °C uden nogen pH-justering.Adskillige undersøgelser har konkluderet, at ydeevnen af carbonabsorbenter i temperaturområdet 25-40 °C ikke spiller en vigtig rolle ved bestemmelse af MC-fjernelse.Selvom ekstreme pH-værdier spiller en vigtig rolle, kan ladninger dannes på overfladens funktionelle grupper, hvilket fører til forstyrrelse af adsorbat-adsorbent-interaktionen og påvirker adsorptionen.Derfor blev ovenstående forhold valgt i denne undersøgelse under hensyntagen til disse situationer og behovet for typisk spildevandsrensning.
I dette arbejde blev et batch-adsorptionseksperiment udført ved at tilsætte 20 mg MNC'er til 20 ml af en vandig opløsning af methylenblåt med forskellige standard-startkoncentrationer (5-20 ppm) ved en fast kontakttid60.Supplerende figur 8 viser status for forskellige koncentrationer (5-20 ppm) af methylenblå opløsninger før og efter behandling med MNC10, MNC15 og MNC20.Ved brug af forskellige MNC'er faldt farveniveauet af MB-opløsninger.Interessant nok blev det fundet, at MNC20 let misfarvede MB-opløsninger ved en koncentration på 5 ppm.I mellemtiden sænkede MNC20 også farveniveauet for MB-opløsningen sammenlignet med andre MNC'er.Det UV-synlige spektrum af MNC10-20 er vist i Supplerende Figur 9. I mellemtiden er oplysninger om fjernelseshastighed og adsorption vist i henholdsvis Figur 9. 6 og Tabel 3.
Stærke methylenblå toppe kan findes ved 664 nm og 600 nm.Som regel falder intensiteten af toppen gradvist med faldende initialkoncentration af MG-opløsningen.I den yderligere figur 9a viser de UV-synlige spektre af MB-opløsninger af forskellige koncentrationer efter behandling med MNC10, hvilket kun ændrede en smule intensiteten af toppene.På den anden side faldt absorptionstoppene for MB-opløsninger signifikant efter behandling med MNC15 og MNC20, som vist i henholdsvis supplerende figurer 9b og c.Disse ændringer ses tydeligt, når koncentrationen af MG-opløsningen falder.Imidlertid var de spektrale ændringer opnået af alle tre magnetiske carbonatomer tilstrækkelige til at fjerne methylenblåt farvestof.
Baseret på tabel 3 er resultaterne for mængden af adsorberet MC og procentdelen af adsorberet MC vist i fig. 3. 6. Adsorptionen af MG steg med anvendelsen af højere initialkoncentrationer for alle MNC'er.I mellemtiden viste adsorptionsprocenten eller MB-fjernelseshastigheden (MBR) en modsat tendens, når den initiale koncentration steg.Ved lavere initiale MC-koncentrationer forblev ubesatte aktive steder på den adsorberende overflade.Når farvestofkoncentrationen stiger, vil antallet af ledige aktive steder, der er tilgængelige for adsorption af farvestofmolekyler, falde.Andre har konkluderet, at under disse betingelser vil mætning af de aktive steder for biosorption blive opnået72.
Desværre for MNC10 steg og faldt MBR efter 10 ppm MB-opløsning.Samtidig adsorberes kun en meget lille del af MG.Dette indikerer, at 10 ppm er den optimale koncentration for MNC10-adsorption.For alle MNC'er undersøgt i dette arbejde var rækkefølgen af adsorptionskapaciteter som følger: MNC20 > MNC15 > MNC10, gennemsnitsværdierne var 10,36 mg/g, 6,85 mg/g og 0,71 mg/g, den gennemsnitlige fjernelse af MG-hastigheder var 87, 79 %, 62,26 % og 5,75 %.Således demonstrerede MNC20 de bedste adsorptionsegenskaber blandt de syntetiserede magnetiske nanocarboner under hensyntagen til adsorptionskapaciteten og det UV-synlige spektrum.Selvom adsorptionskapaciteten er lavere sammenlignet med andre magnetiske nanocarboner såsom MWCNT magnetisk komposit (11,86 mg/g) og halloysit nanorør-magnetiske Fe3O4 nanopartikler (18,44 mg/g), kræver denne undersøgelse ikke yderligere brug af et stimulans.Kemikalier fungerer som katalysatorer.leverer rene og gennemførlige syntetiske metoder73,74.
Som vist af SBET-værdierne for MNC'erne giver en høj specifik overflade mere aktive steder til adsorption af MB-løsningen.Dette er ved at blive et af de grundlæggende træk ved syntetiske nanocarboner.Samtidig er syntesetiden kort og acceptabel på grund af den lille størrelse af MNC'er, hvilket svarer til de vigtigste kvaliteter af lovende adsorbenter75.Sammenlignet med konventionelle naturlige adsorbenter er de syntetiserede MNC'er magnetisk mættede og kan let fjernes fra opløsning under påvirkning af et eksternt magnetfelt76.Dermed reduceres den tid, der kræves til hele behandlingsprocessen.
Adsorptionsisotermer er essentielle for at forstå adsorptionsprocessen og derefter for at demonstrere, hvordan adsorbatet fordeler sig mellem den flydende og faste fase, når ligevægt er nået.Langmuir- og Freundlich-ligningerne bruges som standard isoterm-ligninger, som forklarer adsorptionsmekanismen, som vist i figur 7. Langmuir-modellen viser dannelsen af et enkelt adsorbatlag på den ydre overflade af adsorbenten.Isotermer beskrives bedst som homogene adsorptionsoverflader.Samtidig angiver Freundlich-isotermen bedst deltagelse af flere adsorbentområder og adsorptionsenergien i at presse adsorbatet til en inhomogen overflade.
Modelisoterm for Langmuir isoterm (a–c) og Freundlich isoterm (d–f) for MNC10, MNC15 og MNC20.
Adsorptionsisotermer ved lave koncentrationer af opløst stof er normalt lineære77.Den lineære repræsentation af Langmuir-isotermmodellen kan udtrykkes i en ligning.1 Bestem adsorptionsparametre.
KL (l/mg) er en Langmuir-konstant, der repræsenterer bindingsaffiniteten af MB til MNC.I mellemtiden er qmax den maksimale adsorptionskapacitet (mg/g), qe er den adsorberede koncentration af MC (mg/g), og Ce er ligevægtskoncentrationen af MC-opløsningen.Det lineære udtryk for Freundlich isotermmodellen kan beskrives som følger:
Indlægstid: 16. februar 2023