Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaicīgi parāda trīs slaidu karuseli.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Mikroviļņu starojuma radīto metālu esamība ir pretrunīga, jo metāli viegli aizdegas.Bet interesanti ir tas, ka pētnieki atklāja, ka loka izlādes fenomens piedāvā daudzsološu ceļu nanomateriālu sintēzei, sadalot molekulas.Šajā pētījumā tiek izstrādāta vienpakāpes, taču pieejamu sintētisko metodi, kas apvieno mikroviļņu sildīšanu un elektrisko loku, lai jēlpalmu eļļu pārvērstu magnētiskajā nanokarbonā (MNC), ko var uzskatīt par jaunu alternatīvu palmu eļļas ražošanai.Tas ietver vides sintēzi ar pastāvīgi uztītu nerūsējošā tērauda stiepli (dielektrisko vidi) un ferocēnu (katalizatoru) daļēji inertos apstākļos.Šī metode ir veiksmīgi demonstrēta karsēšanai temperatūras diapazonā no 190,9 līdz 472,0°C ar dažādiem sintēzes laikiem (10-20 min).Svaigi sagatavoti MNC uzrādīja sfēras ar vidējo izmēru 20,38–31,04 nm, mezoporainu struktūru (SBET: 14,83–151,95 m2/g) un augstu fiksētā oglekļa saturu (52,79–71,24 masas%), kā arī D un G joslas (ID/g) 0,98–0,99.Jaunu pīķu veidošanās FTIR spektrā (522, 29–588, 48 cm–1) liecina par labu FeO savienojumu klātbūtnei ferocēnā.Magnetometri uzrāda augstu magnetizācijas piesātinājumu (22,32–26,84 emu/g) feromagnētiskajos materiālos.MNC izmantošana notekūdeņu attīrīšanā ir pierādīta, novērtējot to adsorbcijas spēju, izmantojot metilēnzilā (MB) adsorbcijas testu dažādās koncentrācijās no 5 līdz 20 ppm.Sintēzes laikā (20 min.) iegūtie MNC uzrādīja augstāko adsorbcijas efektivitāti (10,36 mg/g), salīdzinot ar citiem, un MB krāsas noņemšanas ātrums bija 87,79%.Tāpēc Langmuir vērtības nav optimistiskas salīdzinājumā ar Freindliha vērtībām, jo R2 ir aptuveni 0,80, 0,98 un 0,99 MNC, kas sintezēti attiecīgi 10 min (MNC10), 15 min (MNC15) un 20 min (MNC20).Līdz ar to adsorbcijas sistēma ir neviendabīgā stāvoklī.Tāpēc mikroviļņu loka izmantošana piedāvā daudzsološu metodi CPO pārvēršanai par MNC, kas var noņemt kaitīgās krāsvielas.
Mikroviļņu starojums var sildīt materiālu visdziļākās daļas, izmantojot elektromagnētisko lauku molekulāro mijiedarbību.Šī mikroviļņu reakcija ir unikāla ar to, ka tā veicina ātru un vienmērīgu termisko reakciju.Tādējādi ir iespējams paātrināt karsēšanas procesu un pastiprināt ķīmiskās reakcijas2.Tajā pašā laikā īsākā reakcijas laika dēļ mikroviļņu reakcija galu galā var radīt augstas tīrības un augstas iznākuma produktus3,4.Pateicoties savām pārsteidzošajām īpašībām, mikroviļņu starojums veicina interesantas mikroviļņu sintēzes, kas tiek izmantotas daudzos pētījumos, tostarp ķīmiskajās reakcijās un nanomateriālu sintēzē5,6.Karsēšanas procesā noteicošā loma ir barotnes iekšienē esošā akceptora dielektriskajām īpašībām, jo tas vidē rada karsto punktu, kā rezultātā veidojas nanoogļūdeņraži ar dažādu morfoloģiju un īpašībām.Pētījums, ko veica Omoriyekomwan et al.Dobu oglekļa nanošķiedru ražošana no palmu kodoliem, izmantojot aktivēto ogli un slāpekli8.Turklāt Fu un Hamids noteica katalizatora izmantošanu eļļas palmu šķiedras aktīvās ogles ražošanai 350 W9 mikroviļņu krāsnī.Tāpēc līdzīgu pieeju var izmantot, lai jēlpalmu eļļu pārveidotu par MNC, ieviešot piemērotus tīrīšanas līdzekļus.
Interesanta parādība ir novērota starp mikroviļņu starojumu un metāliem ar asām malām, punktiem vai submikroskopiskiem nelīdzenumiem10.Šo divu objektu klātbūtni ietekmēs elektriskā loka vai dzirkstele (ko parasti dēvē par loka izlādi)11,12.Loka veicinās lokālāku karsto punktu veidošanos un ietekmēs reakciju, tādējādi uzlabojot vides ķīmisko sastāvu13.Šī īpašā un interesantā parādība ir piesaistījusi dažādus pētījumus, piemēram, piesārņotāju noņemšanu14,15, biomasas darvas krekinga procesu16, pirolīzi ar mikroviļņu palīdzību17,18 un materiālu sintēzi19,20,21.
Nesen nanoogļūdeņraži, piemēram, oglekļa nanocaurules, oglekļa nanosfēras un modificēts reducēts grafēna oksīds, ir piesaistījuši uzmanību to īpašību dēļ.Šiem nanoogļūdeņražiem ir liels potenciāls izmantošanai, sākot no elektroenerģijas ražošanas līdz ūdens attīrīšanai vai dekontaminācijai23.Turklāt ir nepieciešamas izcilas oglekļa īpašības, bet tajā pašā laikā ir nepieciešamas labas magnētiskās īpašības.Tas ir ļoti noderīgi daudzfunkcionāliem lietojumiem, tostarp augsta metāla jonu un krāsvielu adsorbcija notekūdeņu attīrīšanā, magnētiskie modifikatori biodegvielā un pat augstas efektivitātes mikroviļņu absorbētāji24,25,26,27,28.Tajā pašā laikā šiem oglēm ir vēl viena priekšrocība, tostarp parauga aktīvās vietas virsmas laukuma palielināšanās.
Pēdējos gados pieaug magnētisko nanooglekļa materiālu izpēte.Parasti šie magnētiskie nanoogļūdeņraži ir daudzfunkcionāli materiāli, kas satur nanoizmēra magnētiskos materiālus, kas var izraisīt ārējo katalizatoru reakciju, piemēram, ārējos elektrostatiskos vai mainīgos magnētiskos laukus29.Pateicoties to magnētiskajām īpašībām, magnētiskos nanoogļūdeņražus var kombinēt ar plašu aktīvo sastāvdaļu klāstu un sarežģītām struktūrām imobilizācijai30.Tikmēr magnētiskie nanoogļūdeņraži (MNC) uzrāda izcilu efektivitāti piesārņojošo vielu adsorbēšanā no ūdens šķīdumiem.Turklāt lielais īpatnējais virsmas laukums un poras, kas veidojas MNC, var palielināt adsorbcijas spēju31.Magnētiskie separatori var atdalīt MNC no ļoti reaģējošiem risinājumiem, pārvēršot tos dzīvotspējīgā un pārvaldāmā sorbentā32.
Vairāki pētnieki ir pierādījuši, ka augstas kvalitātes nanoogļūdeņražus var ražot, izmantojot neapstrādātu palmu eļļu33,34.Palmu eļļa, kas zinātniski pazīstama kā Elais Guneensis, tiek uzskatīta par vienu no svarīgākajām pārtikas eļļām, kas 2021. gadā saražoja aptuveni 76,55 miljonus tonnu35. Neapstrādāta palmu eļļa jeb CPO satur līdzsvarotu nepiesātināto taukskābju (EFA) un piesātināto taukskābju attiecību. (Singapūras monetārā iestāde).Lielākā daļa ogļūdeņražu CPO ir triglicerīdi, glicerīds, kas sastāv no trim triglicerīdu acetāta komponentiem un viena glicerīna komponenta36.Šos ogļūdeņražus var vispārināt to milzīgā oglekļa satura dēļ, padarot tos par potenciāliem zaļajiem prekursoriem nanooglekļa ražošanā37.Saskaņā ar literatūru CNT37,38,39,40, oglekļa nanosfēras33,41 un grafēnu34,42,43 parasti sintezē, izmantojot neapstrādātu palmu eļļu vai pārtikas eļļu.Šiem nanoogļūdeņražiem ir liels potenciāls lietojumos, sākot no elektroenerģijas ražošanas līdz ūdens attīrīšanai vai dekontaminācijai.
Termiskā sintēze, piemēram, CVD38 vai pirolīze33, ir kļuvusi par labvēlīgu metodi palmu eļļas sadalīšanai.Diemžēl augstā temperatūra procesā palielina ražošanas izmaksas.Vēlamā materiāla 44 ražošanai ir nepieciešamas ilgstošas, nogurdinošas procedūras un tīrīšanas metodes.Tomēr nepieciešamība pēc fiziskas atdalīšanas un plaisāšanas ir nenoliedzama, jo neapstrādātai palmu eļļai ir laba stabilitāte augstā temperatūrā45.Tāpēc, lai jēlpalmu eļļu pārvērstu par oglekli saturošiem materiāliem, joprojām ir nepieciešama augstāka temperatūra.Šķidruma loku var uzskatīt par labāko potenciālu un jaunu metodi magnētiskā nanooglekļa sintēzei 46 .Šī pieeja nodrošina tiešu enerģiju prekursoriem un risinājumiem ļoti ierosinātos stāvokļos.Loka izlāde var izraisīt oglekļa saišu pārrāvumu neapstrādātā palmu eļļā.Tomēr izmantotajam elektrodu attālumam var būt jāatbilst stingrām prasībām, kas ierobežos rūpniecisko mērogu, tāpēc vēl ir jāizstrādā efektīva metode.
Cik mums ir zināms, pētījumi par loka izlādi, izmantojot mikroviļņus kā nanooglekļa sintezēšanas metodi, ir ierobežoti.Tajā pašā laikā neapstrādātas palmu eļļas kā prekursora izmantošana nav pilnībā izpētīta.Tāpēc šī pētījuma mērķis ir izpētīt iespēju ražot magnētiskos nanoogļūdeņražus no neapstrādātiem palmu eļļas prekursoriem, izmantojot elektrisko loku, izmantojot mikroviļņu krāsni.Palmu eļļas pārpilnībai ir jāatspoguļojas jaunos produktos un lietojumos.Šī jaunā pieeja palmu eļļas rafinēšanai varētu palīdzēt veicināt ekonomikas sektoru un būt vēl viens ienākumu avots palmu eļļas ražotājiem, jo īpaši skartas mazo lauksaimnieku palmu eļļas plantācijas.Saskaņā ar Ayompe et al. pētījumu par Āfrikas sīksaimniekiem, sīksaimnieki nopelna vairāk naudas tikai tad, ja viņi paši apstrādā svaigu augļu kopas un pārdod neapstrādātu palmu eļļu, nevis pārdod to starpniekiem, kas ir dārgs un nogurdinošs darbs47.Tajā pašā laikā COVID-19 izraisītais rūpnīcu slēgšanas pieaugums ir ietekmējis uz palmu eļļas bāzes ražotus aplikācijas produktus.Interesanti, ka, tā kā lielākajai daļai mājsaimniecību ir pieejamas mikroviļņu krāsnis un šajā pētījumā piedāvāto metodi var uzskatīt par iespējamu un pieejamu, MNC ražošanu var uzskatīt par alternatīvu maza mēroga palmu eļļas plantācijām.Tikmēr plašākā mērogā uzņēmumi var ieguldīt lielos reaktoros, lai ražotu lielus TNC.
Šis pētījums galvenokārt aptver sintēzes procesu, izmantojot nerūsējošo tēraudu kā dielektrisku vidi dažādos ilgumos.Lielākā daļa vispārīgo pētījumu, kuros izmanto mikroviļņus un nanoogļūdeņražus, liecina par pieņemamu sintēzes laiku 30 minūtes vai ilgāk33,34.Lai atbalstītu pieejamu un īstenojamu praktisku ideju, šī pētījuma mērķis bija iegūt MNC ar zem vidējā sintēzes laikiem.Vienlaikus pētījums rada priekšstatu par tehnoloģiju gatavības 3. līmeni, jo teorija ir pierādīta un ieviesta laboratorijas mērogā.Vēlāk iegūtos MNC raksturoja to fizikālās, ķīmiskās un magnētiskās īpašības.Pēc tam tika izmantots metilēnzils, lai parādītu iegūto MNC adsorbcijas spēju.
Neapstrādāta palmu eļļa tika iegūta no Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, un tiek izmantots kā oglekļa prekursors sintēzei.Šajā gadījumā kā dielektriskā barotne tika izmantota nerūsējošā tērauda stieple ar diametru 0,90 mm.Par katalizatoru šajā darbā tika izvēlēts ferocēns (tīrība 99%), kas iegūts no Sigma-Aldrich, ASV.Adsorbcijas eksperimentos tālāk tika izmantots metilēnzils (Bendosen, 100 g).
Šajā pētījumā sadzīves mikroviļņu krāsns (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) tika pārveidota par mikroviļņu reaktoru.Mikroviļņu krāsns augšējā daļā tika izveidoti trīs caurumi gāzes un termopāra ieplūdei un izplūdei.Termopāra zondes tika izolētas ar keramikas caurulēm un novietotas vienādos apstākļos katram eksperimentam, lai novērstu negadījumus.Tikmēr paraugu un trahejas ievietošanai tika izmantots borsilikāta stikla reaktors ar trīs caurumu vāku.Mikroviļņu reaktora shematisku diagrammu var skatīt 1. papildu attēlā.
Izmantojot neapstrādātu palmu eļļu kā oglekļa prekursoru un ferocēnu kā katalizatoru, tika sintezēti magnētiskie nanoogļūdeņraži.Apmēram 5% ferocēna katalizatora tika sagatavoti ar vircas katalizatora metodi.Ferocēnu sajauca ar 20 ml neapstrādātas palmu eļļas ar ātrumu 60 apgr./min 30 minūtes.Pēc tam maisījumu pārnesa uz alumīnija oksīda tīģeli, un 30 cm gara nerūsējošā tērauda stieple tika satīta un novietota vertikāli tīģeļa iekšpusē.Ievietojiet alumīnija oksīda tīģeli stikla reaktorā un droši nostipriniet to mikroviļņu krāsnī ar noslēgtu stikla vāku.Slāpeklis tika iepūsts kamerā 5 minūtes pirms reakcijas sākuma, lai noņemtu nevēlamo gaisu no kameras.Mikroviļņu jauda ir palielināta līdz 800 W, jo tā ir maksimālā mikroviļņu jauda, kas var uzturēt labu loka palaišanu.Tāpēc tas var veicināt labvēlīgu apstākļu radīšanu sintētiskām reakcijām.Tajā pašā laikā šis ir arī plaši izmantots jaudas diapazons vatos mikroviļņu saplūšanas reakcijām48,49.Reakcijas laikā maisījumu karsēja 10, 15 vai 20 minūtes.Pēc reakcijas pabeigšanas reaktoru un mikroviļņu krāsni dabiski atdzesēja līdz istabas temperatūrai.Galaprodukts alumīnija oksīda tīģelī bija melnas nogulsnes ar spirālveida stieplēm.
Melnās nogulsnes tika savāktas un vairākas reizes mazgātas pārmaiņus ar etanolu, izopropanolu (70%) un destilētu ūdeni.Pēc mazgāšanas un tīrīšanas produkts tiek žāvēts uz nakti 80 ° C temperatūrā parastajā krāsnī, lai iztvaicētu nevēlamos piemaisījumus.Pēc tam produkts tika savākts raksturošanai.Paraugi, kas marķēti ar MNC10, MNC15 un MNC20, tika izmantoti, lai sintezētu magnētiskos nanoogļūdeņražus 10 minūtes, 15 minūtes un 20 minūtes.
Novērojiet MNC morfoloģiju ar lauka emisijas skenēšanas elektronu mikroskopu vai FESEM (Zeiss Auriga modelis) ar 100 līdz 150 kX palielinājumu.Tajā pašā laikā elementu sastāvs tika analizēts ar enerģiju izkliedējošu rentgena spektroskopiju (EDS).EML analīze tika veikta ar darba attālumu 2,8 mm un paātrinājuma spriegumu 1 kV.Īpatnējās virsmas un MNC poru vērtības tika mērītas ar Brunauera-Emmeta-Teller (BET) metodi, ieskaitot N2 adsorbcijas-desorbcijas izotermu 77 K temperatūrā. Analīze tika veikta, izmantojot modeļa virsmas laukuma mērītāju (MICROMERITIC ASAP 2020). .
Magnētisko nanoogļūdeņražu kristāliskums un fāze tika noteikta ar rentgenstaru pulvera difrakciju vai XRD (Burker D8 Advance) pie λ = 0,154 nm.Difraktogrammas tika reģistrētas no 2θ = 5 līdz 85° ar skenēšanas ātrumu 2° min-1.Turklāt MNC ķīmiskā struktūra tika pētīta, izmantojot Furjē transformācijas infrasarkano spektroskopiju (FTIR).Analīze tika veikta, izmantojot Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 ar skenēšanas ātrumu no 4000 līdz 400 cm-1.Pētot magnētisko nanooglekļa strukturālās iezīmes, Ramana spektroskopija tika veikta, izmantojot ar neodīmu leģētu lāzeru (532 nm) U-RAMAN spektroskopijā ar 100X objektīvu.
Dzelzs oksīda magnētiskā piesātinājuma mērīšanai MNC tika izmantots vibrējošs magnetometrs vai VSM (Lake Shore 7400 sērija).Tika izmantots aptuveni 8 kOe magnētiskais lauks un iegūti 200 punkti.
Pētot MNC kā adsorbentu potenciālu adsorbcijas eksperimentos, tika izmantota katjonu krāsviela metilēnzilais (MB).MNC (20 mg) tika pievienoti 20 ml metilēnzilā ūdens šķīduma ar standarta koncentrāciju diapazonā no 5 līdz 20 mg / L50.Visā pētījuma laikā šķīduma pH tika iestatīts uz neitrālu pH 7.Šķīdumu mehāniski maisīja ar ātrumu 150 apgr./min un 303,15 K uz rotācijas kratītāja (Lab Companion: SI-300R).Pēc tam MNC tiek atdalīti, izmantojot magnētu.Izmantojiet UV redzamo spektrofotometru (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer), lai novērotu MB šķīduma koncentrāciju pirms un pēc adsorbcijas eksperimenta, un skatiet metilēnzilo standarta līkni pie maksimālā viļņa garuma 664 nm.Eksperiments tika atkārtots trīs reizes un tika dota vidējā vērtība.MG atdalīšana no šķīduma tika aprēķināta, izmantojot vispārējo vienādojumu līdzsvara stāvoklī qe adsorbētajam MC daudzumam un atdalīšanas procentam.
Tika veikti arī adsorbcijas izotermas eksperimenti, maisot dažādu koncentrāciju (5–20 mg/l) MG šķīdumus un 20 mg adsorbenta nemainīgā temperatūrā 293,15 K. mg visiem MNC.
Pēdējo desmitgažu laikā dzelzs un magnētiskais ogleklis ir plaši pētīti.Šie uz oglekli balstīti magnētiskie materiāli piesaista arvien lielāku uzmanību to lielisko elektromagnētisko īpašību dēļ, kas rada dažādus iespējamos tehnoloģiskos pielietojumus, galvenokārt elektroierīcēs un ūdens attīrīšanā.Šajā pētījumā nanoogļūdeņraži tika sintezēti, krekinga ogļūdeņražus neapstrādātā palmu eļļā, izmantojot mikroviļņu izlādi.Sintēze tika veikta dažādos laikos, no 10 līdz 20 minūtēm, fiksētā prekursora un katalizatora attiecībā (5:1), izmantojot metāla strāvas kolektoru (savīti SS) un daļēji inertu (nevēlams gaiss, kas attīrīts ar slāpekli). eksperimenta sākums).Iegūtās oglekli saturošās nogulsnes ir melna cieta pulvera formā, kā parādīts 2.a papildu attēlā.Nogulsnētā oglekļa iznākums bija aptuveni 5,57%, 8,21% un 11,67% sintēzes laikā attiecīgi 10 minūtes, 15 minūtes un 20 minūtes.Šis scenārijs liecina, ka ilgāki sintēzes laiki veicina lielāku ražu51 — zemu ražu, visticamāk, īsa reakcijas laika un zemas katalizatora aktivitātes dēļ.
Tikmēr iegūto nanoogļūdeņražu sintēzes temperatūras un laika diagrammu var norādīt 2.b papildu attēlā.Augstākās iegūtās temperatūras MNC10, MNC15 un MNC20 bija attiecīgi 190,9°C, 434,5°C un 472°C.Katrai līknei var redzēt stāvu slīpumu, kas norāda uz pastāvīgu temperatūras paaugstināšanos reaktora iekšpusē metāla loka laikā radītā siltuma dēļ.To var redzēt attiecīgi pēc 0–2 min, 0–5 min un 0–8 min MNC10, MNC15 un MNC20.Sasniedzot noteiktu punktu, slīpums turpina svārstīties līdz augstākajai temperatūrai, un slīpums kļūst mērens.
Lai novērotu MNC paraugu virsmas topogrāfiju, tika izmantota lauka emisijas skenēšanas elektronu mikroskopija (FESEM).Kā parādīts attēlā.1, magnētiskajiem nanoogļūdeņražiem ir nedaudz atšķirīga morfoloģiskā struktūra atšķirīgā sintēzes laikā.FESEM MNC10 attēli attēlā.1a, b parāda, ka oglekļa sfēru veidošanās sastāv no sapinušām un piestiprinātām mikro un nanosfērām augstās virsmas spraiguma dēļ.Tajā pašā laikā van der Vālsa spēku klātbūtne izraisa oglekļa sfēru agregāciju52.Sintēzes laika palielināšanās izraisīja mazākus izmērus un sfēru skaita palielināšanos ilgāku krekinga reakciju dēļ.Uz att.1c attēlā redzams, ka MNC15 ir gandrīz ideāla sfēriska forma.Tomēr agregētās sfēras joprojām var veidot mezoporas, kas vēlāk var kļūt par labām vietām metilēnzilā adsorbcijai.Pie liela palielinājuma 15 000 reižu 1.d attēlā var redzēt vairāk oglekļa sfēru, kas aglomerētas ar vidējo izmēru 20,38 nm.
Sintezētu nanooglekļa FESEM attēli pēc 10 min (a, b), 15 min (c, d) un 20 min (e–g) ar 7000 un 15000 reižu palielinājumu.
Uz att.1e – g MNC20 attēlo poru attīstību ar mazām sfērām uz magnētiskās oglekļa virsmas un atkārtoti saliek magnētiskās aktīvās ogles morfoloģiju53.Uz magnētiskā oglekļa virsmas nejauši atrodas dažāda diametra un platuma poras.Tāpēc tas var izskaidrot, kāpēc MNC20 uzrādīja lielāku virsmas laukumu un poru tilpumu, kā parādīts BET analīzē, jo uz tā virsmas veidojās vairāk poru nekā citos sintētiskos laikos.Mikrogrāfijās, kas uzņemtas ar lielu palielinājumu 15 000 reižu, tika parādīti neviendabīgi daļiņu izmēri un neregulāras formas, kā parādīts 1.g attēlā.Palielinot augšanas laiku līdz 20 minūtēm, veidojās vairāk aglomerētas sfēras.
Interesanti, ka tajā pašā vietā tika atrastas arī savītas oglekļa pārslas.Sfēru diametrs svārstījās no 5,18 līdz 96,36 nm.Šāda veidošanās var būt saistīta ar diferenciālu kodolu veidošanos, ko veicina augsta temperatūra un mikroviļņi.Sagatavoto MNC aprēķinātais sfēras izmērs bija vidēji 20,38 nm MNC10, 24,80 nm MNC15 un 31,04 nm MNC20.Sfēru izmēru sadalījums ir parādīts papildu attēlā.3.
Papildu 4. attēlā parādīti attiecīgi MNC10, MNC15 un MNC20 EDS spektri un elementu sastāva kopsavilkumi.Saskaņā ar spektriem tika atzīmēts, ka katrs nanokarbons satur atšķirīgu daudzumu C, O un Fe.Tas ir saistīts ar dažādām oksidācijas un plaisāšanas reakcijām, kas notiek papildu sintēzes laikā.Tiek uzskatīts, ka liels daudzums C nāk no oglekļa prekursora, neapstrādātas palmu eļļas.Tikmēr zemais O procentuālais daudzums ir saistīts ar oksidācijas procesu sintēzes laikā.Tajā pašā laikā Fe tiek attiecināts uz dzelzs oksīdu, kas nogulsnēts uz nanooglekļa virsmas pēc ferocēna sadalīšanās.Turklāt papildu attēlā 5a–c parādīta MNC10, MNC15 un MNC20 elementu kartēšana.Pamatojoties uz fundamentālo kartēšanu, tika novērots, ka Fe ir labi sadalīts pa MNC virsmu.
Slāpekļa adsorbcijas-desorbcijas analīze sniedz informāciju par adsorbcijas mehānismu un materiāla poraino struktūru.N2 adsorbcijas izotermas un MNC BET virsmas grafiki ir parādīti 1.2. Pamatojoties uz FESEM attēliem, ir sagaidāms, ka agregācijas dēļ adsorbcijas uzvedība demonstrēs mikroporainu un mezoporu struktūru kombināciju.Tomēr grafiks 2. attēlā parāda, ka adsorbents atgādina IUPAC55 IV tipa izotermu un H2 tipa histerēzes cilpu.Šāda veida izoterma bieži ir līdzīga mezoporainu materiālu izotermai.Mezoporu adsorbcijas uzvedību parasti nosaka adsorbcijas-adsorbcijas reakciju mijiedarbība ar kondensētās vielas molekulām.S formas vai S formas adsorbcijas izotermas parasti izraisa viena slāņa daudzslāņu adsorbcija, kam seko parādība, kurā gāze kondensējas šķidrā fāzē porās ar spiedienu, kas ir zemāks par lielapjoma šķidruma piesātinājuma spiedienu, kas pazīstams kā poru kondensācija 56. Kapilārā kondensācija porās notiek pie relatīvā spiediena (p/po) virs 0,50.Tikmēr sarežģītajā poru struktūrā ir H2 tipa histerēze, kas tiek attiecināta uz poru aizsprostojumu vai noplūdi šaurā poru diapazonā.
BET testos iegūtie virsmas fizikālie parametri ir parādīti 1. tabulā. BET virsmas laukums un kopējais poru tilpums ievērojami palielinājās, palielinoties sintēzes laikam.MNC10, MNC15 un MNC20 vidējie poru izmēri ir attiecīgi 7,2779 nm, 7,6275 nm un 7,8223 nm.Saskaņā ar IUPAC ieteikumiem šīs starpposma poras var klasificēt kā mezoporainus materiālus.Mezoporainā struktūra var padarīt metilēnzilu vieglāk caurlaidīgu un adsorbējamu ar MNC57.Maksimālais sintēzes laiks (MNC20) uzrādīja lielāko virsmas laukumu, kam sekoja MNC15 un MNC10.Lielāks BET virsmas laukums var uzlabot adsorbcijas veiktspēju, jo ir pieejams vairāk virsmaktīvo vielu vietu.
Sintezēto MNC rentgenstaru difrakcijas modeļi ir parādīti 3. attēlā. Augstās temperatūrās ferocēns arī plaisā un veido dzelzs oksīdu.Uz att.3.a attēlā parādīts MNC10 XRD modelis.Tas parāda divus maksimumus pie 2θ, 43,0 ° un 62,32 °, kas ir piešķirti ɣ-Fe2O3 (JCPDS # 39–1346).Tajā pašā laikā Fe3O4 ir saspīlēts maksimums pie 2θ: 35,27 °.No otras puses, MHC15 difrakcijas shēmā 3.b attēlā ir redzami jauni maksimumi, kas, visticamāk, ir saistīti ar temperatūras un sintēzes laika paaugstināšanos.Lai gan 2θ: 26,202° maksimums ir mazāk intensīvs, difrakcijas modelis atbilst grafīta JCPDS failam (JCPDS # 75–1621), kas norāda uz grafīta kristālu klātbūtni nanooglekliņā.MNC10 šī pīķa nav, iespējams, zemās loka temperatūras dēļ sintēzes laikā.Pie 2θ ir trīs laika maksimumi: 30,082°, 35,502°, 57,422°, ko attiecina uz Fe3O4.Tas parāda arī divus maksimumus, kas norāda uz ɣ-Fe2O3 klātbūtni pie 2θ: 43,102 ° un 62,632 °.MNC, kas sintezēts 20 minūtes (MNC20), kā parādīts 3.c attēlā, līdzīgu difrakcijas modeli var novērot MNK15.Grafiskais maksimums pie 26,382° ir redzams arī MNC20.Trīs asās virsotnes, kas parādītas pie 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402°, attiecas uz Fe3O4.Turklāt ε-Fe2O3 klātbūtne ir parādīta pie 2θ: 42,972 ° un 62,61.Dzelzs oksīda savienojumu klātbūtne iegūtajos MNC var pozitīvi ietekmēt spēju adsorbēt metilēnzilu nākotnē.
Ķīmiskās saites raksturlielumi MNC un CPO paraugos tika noteikti no FTIR atstarošanas spektriem 6. papildu attēlā. Sākotnēji seši svarīgie neapstrādātas palmu eļļas pīķi pārstāvēja četrus dažādus ķīmiskos komponentus, kā aprakstīts 1. papildu tabulā. Pamata virsotnes, kas identificētas CPO ir 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 un 1463,34 cm-1, kas attiecas uz alkānu un citu alifātisko CH2 vai CH3 grupu CH stiepšanās vibrācijām.Identificētie virsotņu mežsargi ir 1740,85 cm-1 un 1160,83 cm-1.Pīķis pie 1740,85 cm-1 ir C=O saite, kas paplašināta ar triglicerīdu funkcionālās grupas karbonilesteru.Tikmēr maksimums pie 1160,83 cm-1 ir paplašinātās CO58,59 esteru grupas nospiedums.Tikmēr maksimums pie 813,54 cm-1 ir alkānu grupas nospiedums.
Tāpēc daži neapstrādātas palmu eļļas absorbcijas maksimumi pazuda, palielinoties sintēzes laikam.MNC10 joprojām var novērot maksimumus pie 2913,81 cm-1 un 2840 cm-1, taču interesanti, ka MNC15 un MNC20 maksimumiem ir tendence pazust oksidācijas dēļ.Tikmēr magnētisko nanooglekļa FTIR analīze atklāja jaunizveidotos absorbcijas maksimumus, kas pārstāv piecas dažādas MNC10-20 funkcionālās grupas.Šie maksimumi ir uzskaitīti arī 1. papildu tabulā. Pīķis pie 2325,91 cm-1 ir CH360 alifātiskās grupas asimetrisks CH posms.Pīķis pie 1463,34-1443,47 cm-1 parāda alifātisko grupu, piemēram, palmu eļļas, CH2 un CH lieces, bet maksimums laika gaitā sāk samazināties.Pīķis pie 813,54–875,35 cm–1 ir aromātiskās CH-alkānu grupas nospiedums.
Tikmēr maksimumi pie 2101,74 cm-1 un 1589,18 cm-1 apzīmē CC61 saites, kas veido attiecīgi C = C alkīna un aromātiskos gredzenus.Neliels maksimums pie 1695,15 cm-1 parāda brīvās taukskābes C=O saiti no karbonilgrupas.Sintēzes laikā to iegūst no CPO karbonilgrupas un ferocēna.Jaunizveidotās virsotnes diapazonā no 539,04 līdz 588,48 cm-1 pieder ferocēna Fe-O vibrācijas saitei.Pamatojoties uz pīķiem, kas parādīti 4. papildu attēlā, var redzēt, ka sintēzes laiks var samazināt vairākus pīķus un atkārtotu savienojumu magnētiskajos nanoogļūdeņražos.
Magnētisko nanooglekļa Ramana izkliedes spektroskopiskā analīze, kas iegūta dažādos sintēzes laikos, izmantojot krītošu lāzeru ar viļņa garumu 514 nm, ir parādīta 4. attēlā. Visi MNC10, MNC15 un MNC20 spektri sastāv no divām intensīvām joslām, kas saistītas ar zemu sp3 oglekli. atrasti nanografīta kristalītos ar oglekļa sugu sp262 vibrācijas režīmu defektiem.Pirmais maksimums, kas atrodas reģionā 1333–1354 cm–1, ir D josla, kas ir nelabvēlīga ideālam grafītam un atbilst strukturālajiem traucējumiem un citiem piemaisījumiem63, 64.Otrs svarīgākais maksimums ap 1537–1595 cm-1 rodas no plaknes saites stiepšanās vai kristāliskām un sakārtotām grafīta formām.Tomēr maksimums nobīdījās par aptuveni 10 cm-1, salīdzinot ar grafīta G joslu, norādot, ka MNC ir zema lokšņu sakraušanas secība un bojāta struktūra.D un G joslu relatīvās intensitātes (ID/IG) izmanto, lai novērtētu kristalītu un grafīta paraugu tīrību.Saskaņā ar Ramana spektroskopisko analīzi visiem MNC bija ID / IG vērtības diapazonā no 0, 98 līdz 0, 99, kas norāda uz strukturāliem defektiem Sp3 hibridizācijas dēļ.Šī situācija var izskaidrot mazāk intensīvu 2θ pīķu klātbūtni XPA spektros: 26,20° MNK15 un 26,28° MNK20, kā parādīts 4. attēlā, kas ir piešķirts grafīta maksimumam JCPDS failā.Šajā darbā iegūtās ID/IG MNC attiecības ir citu magnētisko nanoogļūdeņražu diapazonā, piemēram, 0,85–1,03 hidrotermālajai metodei un 0,78–0,9665,66 pirolītiskajai metodei.Tāpēc šī attiecība norāda, ka pašreizējo sintētisko metodi var plaši izmantot.
MNC magnētiskie raksturlielumi tika analizēti, izmantojot vibrējošu magnetometru.Iegūtā histerēze ir parādīta 5. att.Parasti MNC sintēzes laikā iegūst magnētismu no ferocēna.Šīs papildu magnētiskās īpašības nākotnē var palielināt nanooglekļa adsorbcijas spēju.Kā parādīts 5. attēlā, paraugus var identificēt kā superparamagnētiskus materiālus.Saskaņā ar Wahajuddin & Arora67 teikto, superparamagnētiskais stāvoklis ir tāds, ka paraugs tiek magnetizēts līdz piesātinājuma magnetizācijai (MS), kad tiek pielietots ārējs magnētiskais lauks.Vēlāk atlikušās magnētiskās mijiedarbības paraugos vairs neparādās67.Jāatzīmē, ka piesātinājuma magnetizācija palielinās līdz ar sintēzes laiku.Interesanti, ka MNC15 ir visaugstākais magnētiskais piesātinājums, jo spēcīgu magnētisko veidošanos (magnetizāciju) var izraisīt optimāls sintēzes laiks ārēja magnēta klātbūtnē.Tas var būt saistīts ar Fe3O4 klātbūtni, kam ir labākas magnētiskās īpašības salīdzinājumā ar citiem dzelzs oksīdiem, piemēram, ɣ-Fe2O.Piesātinājuma adsorbcijas momenta secība uz MNC masas vienību ir MNC15>MNC10>MNC20.Iegūtie magnētiskie parametri ir doti tabulā.2.
Magnētiskā piesātinājuma minimālā vērtība, magnētiskajā atdalīšanā izmantojot parastos magnētus, ir aptuveni 16,3 emu g-1.MNC spēja noņemt piesārņotājus, piemēram, krāsvielas ūdens vidē, un MNC noņemšanas vieglums ir kļuvuši par papildu faktoriem iegūtajiem nanoogļūdeņražiem.Pētījumi liecina, ka LSM magnētiskais piesātinājums tiek uzskatīts par augstu.Tādējādi visi paraugi sasniedza magnētiskās piesātinājuma vērtības, kas bija vairāk nekā pietiekamas magnētiskās atdalīšanas procedūrai.
Nesen metāla sloksnes vai stieples ir piesaistījušas uzmanību kā katalizatori vai dielektriķi mikroviļņu kodolsintēzes procesos.Metālu mikroviļņu reakcijas izraisa augstu temperatūru vai reakcijas reaktorā.Šis pētījums apgalvo, ka uzgalis un kondicionētā (tīta) nerūsējošā tērauda stieple atvieglo mikroviļņu izlādi un metāla sildīšanu.Nerūsējošā tērauda galā ir izteikts raupjums, kas rada augstas virsmas lādiņa blīvuma un ārējā elektriskā lauka vērtības.Kad lādiņš ir ieguvis pietiekamu kinētisko enerģiju, lādētās daļiņas izlēks no nerūsējošā tērauda, izraisot vides jonizāciju, radot izlādi vai dzirksteles 68 .Metāla izlāde sniedz būtisku ieguldījumu šķīduma plaisāšanas reakcijās, ko pavada augstas temperatūras karstie punkti.Saskaņā ar temperatūras karti 2.b papildu attēlā, temperatūra strauji paaugstinās, norādot uz augstas temperatūras karsto punktu klātbūtni papildus spēcīgai izlādes parādībai.
Šajā gadījumā tiek novērots termiskais efekts, jo vāji saistītie elektroni var pārvietoties un koncentrēties uz virsmas un gala69.Uztinot nerūsējošo tēraudu, lielais metāla virsmas laukums šķīdumā palīdz izraisīt virpuļstrāvas uz materiāla virsmas un saglabā sildīšanas efektu.Šis stāvoklis efektīvi palīdz sašķelt garās CPO un ferocēna un ferocēna oglekļa ķēdes.Kā parādīts 2.b papildu attēlā, nemainīgs temperatūras ātrums norāda, ka šķīdumā tiek novērots vienmērīgs sildīšanas efekts.
Piedāvātais MNC veidošanās mehānisms ir parādīts 7. papildu attēlā. CPO un ferocēna garās oglekļa ķēdes sāk plaisāt augstā temperatūrā.Eļļa sadalās, veidojot sadalītus ogļūdeņražus, kas kļūst par oglekļa prekursoriem, kas FESEM MNC1070 attēlā pazīstami kā lodītes.Sakarā ar vides enerģiju un spiedienu 71 atmosfēras apstākļos.Tajā pašā laikā ferocēns arī saplaisā, veidojot katalizatoru no oglekļa atomiem, kas nogulsnējas uz Fe.Pēc tam notiek ātra kodolu veidošanās, un oglekļa kodols oksidējas, veidojot amorfu un grafītu oglekļa slāni uz kodola.Laikam pieaugot, sfēras izmērs kļūst precīzāks un vienmērīgāks.Tajā pašā laikā esošie van der Vālsa spēki arī noved pie sfēru aglomerācijas52.Fe jonu reducēšanas laikā līdz Fe3O4 un ɣ-Fe2O3 (saskaņā ar rentgena fāzes analīzi) uz nanoogļūdeņražu virsmas veidojas dažāda veida dzelzs oksīdi, kas izraisa magnētisko nanoogļūdeņražu veidošanos.EDS kartēšana parādīja, ka Fe atomi bija stingri sadalīti pa MNC virsmu, kā parādīts papildu attēlos 5a-c.
Atšķirība ir tāda, ka 20 minūšu sintēzes laikā notiek oglekļa agregācija.Tas veido lielākas poras uz MNC virsmas, kas liecina, ka MNC var uzskatīt par aktīvo ogli, kā parādīts FESEM attēlos 1.e–g attēlā.Šī poru lieluma atšķirība var būt saistīta ar dzelzs oksīda ieguldījumu no ferocēna.Tajā pašā laikā, pateicoties sasniegtajai augstajai temperatūrai, ir deformētas svari.Magnētiskajiem nanoogļūdeņražiem dažādos sintēzes laikos ir atšķirīga morfoloģija.Nanoogļūdeņraži, visticamāk, veido sfēriskas formas ar īsāku sintēzes laiku.Tajā pašā laikā poras un zvīņas ir sasniedzamas, lai gan sintēzes laika atšķirība ir tikai 5 minūšu laikā.
Magnētiskie nanoogļūdeņraži var noņemt piesārņotājus no ūdens vides.To spēja viegli noņemt pēc lietošanas ir papildu faktors šajā darbā iegūto nanooglekļa izmantošanai kā adsorbentiem.Pētot magnētisko nanoogļūdeņražu adsorbcijas īpašības, mēs pētījām MNC spēju atkrāsot metilēnzilā (MB) šķīdumus 30 ° C temperatūrā bez pH pielāgošanas.Vairākos pētījumos secināts, ka oglekļa absorbentu veiktspējai temperatūras diapazonā no 25 līdz 40 °C nav lielas nozīmes MC noņemšanas noteikšanā.Lai gan liela nozīme ir ekstrēmām pH vērtībām, uz virsmas var veidoties lādiņi, kas izraisa adsorbāta-adsorbenta mijiedarbības traucējumus un ietekmē adsorbciju.Tāpēc iepriekš minētie nosacījumi šajā pētījumā tika izvēlēti, ņemot vērā šīs situācijas un tipiskas notekūdeņu attīrīšanas nepieciešamību.
Šajā darbā tika veikts partijas adsorbcijas eksperiments, pievienojot 20 mg MNC 20 ml metilēnzilā ūdens šķīduma ar dažādām standarta sākotnējām koncentrācijām (5–20 ppm) fiksētā kontakta laikā60.Papildu 8. attēlā parādīts dažādu metilēnzilā šķīdumu koncentrāciju (5–20 ppm) statuss pirms un pēc apstrādes ar MNC10, MNC15 un MNC20.Izmantojot dažādus MNC, MB risinājumu krāsu līmenis samazinājās.Interesanti, ka tika konstatēts, ka MNC20 viegli mainīja MB šķīdumu krāsu koncentrācijā 5 ppm.Tikmēr MNC20 arī pazemināja MB risinājuma krāsu līmeni salīdzinājumā ar citiem MNC.MNC10-20 UV redzamais spektrs ir parādīts 9. papildu attēlā. Tikmēr informācija par noņemšanas ātrumu un adsorbciju ir parādīta attiecīgi 9. 6. attēlā un 3. tabulā.
Spēcīgas metilēnzilās virsotnes var atrast pie 664 nm un 600 nm.Parasti pīķa intensitāte pakāpeniski samazinās, samazinoties MG šķīduma sākotnējai koncentrācijai.Papildu 9.a attēlā redzami dažādu koncentrāciju MB šķīdumu UV redzamie spektri pēc apstrādes ar MNC10, kas tikai nedaudz mainīja pīķu intensitāti.No otras puses, MB šķīdumu absorbcijas maksimumi ievērojami samazinājās pēc apstrādes ar MNC15 un MNC20, kā parādīts attiecīgi 9.b un c papildu attēlā.Šīs izmaiņas ir skaidri redzamas, samazinoties MG šķīduma koncentrācijai.Tomēr visu trīs magnētisko oglekļu sasniegtās spektrālās izmaiņas bija pietiekamas, lai noņemtu metilēnzilo krāsvielu.
Pamatojoties uz 3. tabulu, rezultāti par adsorbētā MC daudzumu un adsorbētā MC procentuālo daudzumu ir parādīti 3. attēlā. 6. MG adsorbcija palielinājās, izmantojot augstākas sākotnējās koncentrācijas visiem MNC.Tikmēr adsorbcijas procents vai MB noņemšanas ātrums (MBR) uzrādīja pretēju tendenci, kad sākotnējā koncentrācija palielinājās.Pie zemākām sākotnējām MC koncentrācijām uz adsorbenta virsmas palika neaizņemtas aktīvās vietas.Palielinoties krāsvielu koncentrācijai, samazināsies krāsvielu molekulu adsorbcijai pieejamo neaizņemto aktīvo vietu skaits.Citi ir secinājuši, ka šajos apstākļos tiks sasniegts biosorbcijas aktīvo vietu piesātinājums72.
Diemžēl MNC10 MBR palielinājās un samazinājās pēc 10 ppm MB šķīduma.Tajā pašā laikā tikai ļoti neliela daļa MG tiek adsorbēta.Tas norāda, ka 10 ppm ir optimālā koncentrācija MNC10 adsorbcijai.Visiem šajā darbā pētītajiem MNC adsorbcijas spēju secība bija šāda: MNC20 > MNC15 > MNC10, vidējās vērtības bija 10,36 mg/g, 6,85 mg/g un 0,71 mg/g, vidējie MG noņemšanas ātrumi. bija 87, 79%, 62,26% un 5,75%.Tādējādi MNC20 demonstrēja labākās adsorbcijas īpašības starp sintezētajiem magnētiskajiem nanoogļūdeņražiem, ņemot vērā adsorbcijas spēju un UV redzamo spektru.Lai gan adsorbcijas spēja ir zemāka salīdzinājumā ar citiem magnētiskajiem nanoogļūdeņražiem, piemēram, MWCNT magnētisko kompozītmateriālu (11, 86 mg / g) un halloysite nanocaurules magnētiskajām Fe3O4 nanodaļiņām (18, 44 mg / g), šim pētījumam nav nepieciešams papildus izmantot stimulatoru.Ķīmiskās vielas darbojas kā katalizators.nodrošinot tīras un iespējamas sintētiskas metodes73,74.
Kā liecina MNC SBET vērtības, augsta īpatnējā virsma nodrošina aktīvākas vietas MB šķīduma adsorbcijai.Tas kļūst par vienu no sintētisko nanooglekļa pamatīpašībām.Tajā pašā laikā MNC mazā izmēra dēļ sintēzes laiks ir īss un pieņemams, kas atbilst daudzsološo adsorbentu galvenajām īpašībām75.Salīdzinot ar parastajiem dabiskajiem adsorbentiem, sintezētie MNC ir magnētiski piesātināti un tos var viegli noņemt no šķīduma ārējā magnētiskā lauka iedarbībā76.Tādējādi tiek samazināts visam ārstēšanas procesam nepieciešamais laiks.
Adsorbcijas izotermas ir būtiskas, lai izprastu adsorbcijas procesu un pēc tam parādītu, kā adsorbē starpsienas starp šķidro un cieto fāzi, kad tiek sasniegts līdzsvars.Langmuira un Freindliha vienādojumi tiek izmantoti kā standarta izotermu vienādojumi, kas izskaidro adsorbcijas mehānismu, kā parādīts 7. attēlā. Langmuir modelis labi parāda viena adsorbāta slāņa veidošanos uz adsorbenta ārējās virsmas.Izotermas vislabāk raksturo kā viendabīgas adsorbcijas virsmas.Tajā pašā laikā Freindliha izoterma vislabāk parāda vairāku adsorbcijas reģionu līdzdalību un adsorbcijas enerģiju adsorbāta nospiešanā uz nehomogēnu virsmu.
Modeļa izoterma Langmuira izotermai (a–c) un Freindliha izotermai (d–f) MNC10, MNC15 un MNC20.
Adsorbcijas izotermas pie zemām izšķīdušās vielas koncentrācijām parasti ir lineāras77.Langmuira izotermas modeļa lineāro attēlojumu var izteikt vienādojumā.1 Nosakiet adsorbcijas parametrus.
KL (l/mg) ir Langmuir konstante, kas atspoguļo MB saistīšanās afinitāti ar MNC.Tikmēr qmax ir maksimālā adsorbcijas spēja (mg/g), qe ir MC adsorbētā koncentrācija (mg/g), un Ce ir MC šķīduma līdzsvara koncentrācija.Freindliha izotermas modeļa lineāro izteiksmi var raksturot šādi:
Izlikšanas laiks: 16. februāris 2023