Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
A mikrohullámú sugárzás által kibocsátott fémek létezése ellentmondásos, mivel a fémek könnyen meggyulladnak.De ami érdekes, az az, hogy a kutatók azt találták, hogy az ívkisülés jelensége ígéretes utat kínál a nanoanyagok molekulák hasításával történő szintéziséhez.Ez a tanulmány egy egylépéses, mégis megfizethető szintetikus módszert fejleszt ki, amely mikrohullámú melegítéssel és elektromos ívvel kombinálja a nyers pálmaolajat mágneses nanokarbonná (MNC), amely a pálmaolaj-gyártás új alternatívájának tekinthető.Ez magában foglalja egy közeg szintézisét tartósan feltekercselt rozsdamentes acélhuzallal (dielektromos közeg) és ferrocénnel (katalizátorral) részben inert körülmények között.Ezt a módszert sikeresen demonstrálták 190,9 és 472,0 °C közötti hőmérséklet-tartományban, különböző szintézisidőkkel (10-20 perc) történő melegítésre.A frissen készített MNC-k átlagosan 20,38–31,04 nm méretű, mezopórusos szerkezetű (SBET: 14,83–151,95 m2/g) és magas fix széntartalmú (52,79–71,24 tömeg%) gömböket, valamint D-t és G-t mutattak. sávok (ID/g) 0,98-0,99.Az új csúcsok kialakulása az FTIR spektrumban (522,29–588,48 cm–1) a FeO vegyületek ferrocénben való jelenléte mellett tanúskodik.A magnetométerek magas mágnesezettségi telítettséget mutatnak (22,32-26,84 emu/g) ferromágneses anyagokban.Az MNC-k szennyvíztisztításban való alkalmazását metilénkék (MB) adszorpciós teszttel 5 és 20 ppm közötti különböző koncentrációkban értékelték ki adszorpciós képességükkel.A szintézis idején (20 perc) kapott MNC-k mutatták a legmagasabb adszorpciós hatékonyságot (10,36 mg/g) másokhoz képest, és az MB festék eltávolítási arány 87,79% volt.Ezért a Langmuir-értékek nem optimisták a Freundlich-értékekhez képest, mivel az R2 körülbelül 0,80, 0,98 és 0,99 a 10 percnél (MNC10), 15 percnél (MNC15) és 20 percnél (MNC20) szintetizált MNC-eknél.Következésképpen az adszorpciós rendszer heterogén állapotban van.Ezért a mikrohullámú ívezés ígéretes módszert kínál a CPO MNC-vé alakítására, amely képes eltávolítani a káros festékeket.
A mikrohullámú sugárzás az elektromágneses terek molekuláris kölcsönhatása révén felmelegítheti az anyagok legbelső részeit.Ez a mikrohullámú válasz egyedülálló abban, hogy gyors és egyenletes hőreakciót biztosít.Így lehetséges a melegítési folyamat felgyorsítása és a kémiai reakciók fokozása2.Ugyanakkor a rövidebb reakcióidő miatt a mikrohullámú reakció végső soron nagy tisztaságú és nagy hozamú termékeket eredményez3,4.Elképesztő tulajdonságainak köszönhetően a mikrohullámú sugárzás érdekes mikrohullámú szintéziseket tesz lehetővé, amelyeket számos tanulmányban használnak, beleértve a kémiai reakciókat és a nanoanyagok szintézisét5,6.A hevítés során a közegben lévő akceptor dielektromos tulajdonságainak meghatározó szerepe van, mivel a közegben forró pontot hoz létre, ami eltérő morfológiájú és tulajdonságú nanokarbonok képződéséhez vezet.Omoriyekomwan et al.Üreges szén nanoszálak előállítása pálmamagokból aktív szén és nitrogén felhasználásával8.Ezenkívül Fu és Hamid meghatározta egy katalizátor alkalmazását olajpálmaszálas aktív szén előállításához egy 350 W9-es mikrohullámú sütőben.Ezért hasonló megközelítést lehet alkalmazni a nyers pálmaolaj MNC-vé alakítására megfelelő tisztítószerek bevezetésével.
Érdekes jelenséget figyeltek meg a mikrohullámú sugárzás és az éles szélekkel, pontokkal vagy szubmikroszkópos szabálytalanságokkal rendelkező fémek között10.E két tárgy jelenlétét elektromos ív vagy szikra befolyásolja (ezt általában ívkisülésnek nevezik)11,12.Az ív elősegíti a lokálisabb forró pontok kialakulását és befolyásolja a reakciót, ezáltal javítja a környezet kémiai összetételét13.Ez a különleges és érdekes jelenség számos tanulmányt vonzott, mint például a szennyezőanyagok eltávolítása14,15, a biomassza-kátrány-repedés16, a mikrohullámú sütővel segített pirolízis17,18 és az anyagszintézis19,20,21.
A közelmúltban olyan nanokarbonok, mint a szén nanocsövek, szén nanogömbök és a módosított redukált grafén-oxid vonzották magukra a figyelmet tulajdonságaik miatt.Ezek a nanokarbonok nagy lehetőségeket rejtenek az energiatermeléstől a víztisztításig vagy a szennyeződésmentesítésig23.Ezen túlmenően kiváló karbon tulajdonságokra van szükség, ugyanakkor jó mágneses tulajdonságokra is szükség van.Ez nagyon hasznos a többfunkciós alkalmazásokhoz, beleértve a fémionok és festékek magas adszorpcióját a szennyvízkezelésben, a mágneses módosítókat a bioüzemanyagokban és még a nagy hatékonyságú mikrohullámú abszorberekben is.Ugyanakkor ezeknek a széneknek van egy másik előnyük is, beleértve a minta aktív helyének felületének növekedését.
Az elmúlt években a mágneses nanokarbon anyagokkal kapcsolatos kutatások fellendülnek.Ezek a mágneses nanokarbonok jellemzően többfunkciós anyagok, amelyek nanoméretű mágneses anyagokat tartalmaznak, amelyek külső katalizátorok reakcióját válthatják ki, például külső elektrosztatikus vagy váltakozó mágneses mezők29.Mágneses tulajdonságaik miatt a mágneses nanokarbonok sokféle hatóanyaggal és összetett szerkezettel kombinálhatók az immobilizáláshoz30.Eközben a mágneses nanokarbonok (MNC-k) kiváló hatékonyságot mutatnak a szennyező anyagok vizes oldatokból történő adszorbeálásában.Ezenkívül az MNC-kben kialakult nagy fajlagos felület és pórusok növelhetik az adszorpciós kapacitást31.A mágneses szeparátorok elválaszthatják az MNC-ket a rendkívül reakcióképes oldatoktól, életképes és kezelhető szorbenssé alakítva őket32.
Számos kutató bizonyította, hogy nyers pálmaolaj felhasználásával kiváló minőségű nanokarbonok állíthatók elő33,34.A pálmaolaj, tudományos nevén Elais Guneensis, az egyik legfontosabb étkezési olajnak számít, 2021-ben körülbelül 76,55 millió tonna termeléssel35. A nyers pálmaolaj vagy CPO kiegyensúlyozott arányban tartalmaz telítetlen zsírsavakat (EFA) és telített zsírsavakat. (Szingapúri Monetáris Hatóság).A CPO-ban található szénhidrogének többsége triglicerid, három triglicerid-acetát komponensből és egy glicerin komponensből álló glicerid36.Ezek a szénhidrogének hatalmas széntartalmuk miatt általánosíthatók, így potenciális zöld prekurzorok a nanokarbon termelésben37.A szakirodalom szerint a CNT37,38,39,40, a szén nanogömbök33,41 és a grafén34,42,43 szintetizálása általában nyers pálmaolaj vagy étolaj felhasználásával történik.Ezekben a nanokarbonokban nagy lehetőségek rejlenek az energiatermeléstől a víztisztításig vagy fertőtlenítésig terjedő alkalmazásokban.
A termikus szintézis, mint például a CVD38 vagy a pirolízis33, kedvező módszerré vált a pálmaolaj lebontására.Sajnos a folyamat során fellépő magas hőmérséklet növeli a gyártási költségeket.Az előnyben részesített 44 anyag előállítása hosszadalmas, fárasztó eljárásokat és tisztítási módszereket igényel.A fizikai elválasztás és repedés szükségessége azonban tagadhatatlan, mivel a nyers pálmaolaj jó stabilitást mutat magas hőmérsékleten45.Ezért még mindig magasabb hőmérsékletre van szükség a nyers pálmaolaj széntartalmú anyagokká történő átalakításához.A folyékony ív tekinthető a legjobb potenciálnak és új módszernek a mágneses nanokarbon szintézisében 46 .Ez a megközelítés közvetlen energiát biztosít a prekurzorok és a megoldások számára erősen gerjesztett állapotokban.Az ívkisülés a nyers pálmaolaj szénkötéseinek megszakadását okozhatja.Előfordulhat azonban, hogy az alkalmazott elektródatávolságnak szigorú követelményeknek kell megfelelnie, ami korlátozza az ipari méretet, ezért még mindig ki kell dolgozni egy hatékony módszert.
Legjobb tudomásunk szerint a mikrohullámokat, mint nanokarbonok szintézisére szolgáló ívkisülésekkel kapcsolatos kutatások korlátozottak.Ugyanakkor a nyers pálmaolaj prekurzorként való felhasználását még nem tárták fel teljesen.Ezért ennek a tanulmánynak az a célja, hogy feltárja annak lehetőségét, hogy nyers pálmaolaj-prekurzorokból mágneses nanokarbonokat állítsanak elő elektromos ív segítségével, mikrohullámú sütőben.A pálmaolaj bőségének meg kell jelennie az új termékekben és alkalmazásokban.A pálmaolaj-finomításnak ez az új megközelítése segíthet fellendíteni a gazdasági szektort, és újabb bevételi forrást jelenthet a pálmaolaj-termelők számára, különösen a kistermelők pálmaolaj-ültetvényeit érintve.Ayompe és munkatársai afrikai kistermelőkkel foglalkozó tanulmánya szerint a kistermelők csak akkor keresnek több pénzt, ha maguk dolgozzák fel a friss gyümölcsfürtöket, és nyers pálmaolajat adnak el, ahelyett, hogy közvetítőknek adnák el, ami költséges és fárasztó munka47.A COVID-19 miatti gyárbezárások számának növekedése ugyanakkor a pálmaolaj alapú alkalmazási termékeket is érintette.Érdekes módon, mivel a legtöbb háztartásban van mikrohullámú sütő, és a jelen tanulmányban javasolt módszer megvalósíthatónak és megfizethetőnek tekinthető, az MNC-termelés a kisméretű pálmaolaj-ültetvények alternatívájaként jöhet számításba.Mindeközben nagyobb léptékben a vállalatok nagy reaktorokba fektethetnek be, hogy nagy TNC-ket állítsanak elő.
Ez a tanulmány főként a szintézis folyamatát fedi le, amely rozsdamentes acélt használ dielektromos közegként különböző időtartamokig.A mikrohullámokat és nanokarbonokat használó általános tanulmányok többsége 30 perces vagy annál hosszabb elfogadható szintézisidőt javasol33,34.Egy hozzáférhető és megvalósítható gyakorlati ötlet alátámasztása érdekében ez a tanulmány az átlagosnál alacsonyabb szintézisidővel rendelkező MNC-k előállítását tűzte ki célul.A tanulmány ugyanakkor képet ad a 3. technológiai felkészültségi szintről, mivel az elmélet laboratóriumi léptékű bizonyítást és megvalósítást tesz lehetővé.Később az így létrejött MNC-ket fizikai, kémiai és mágneses tulajdonságaikkal jellemezték.Ezután metilénkéket használtunk a kapott MNC-k adszorpciós kapacitásának bemutatására.
A nyers pálmaolajat az Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, és szén-prekurzorként használják a szintézishez.Ebben az esetben 0,90 mm átmérőjű rozsdamentes acélhuzalt használtak dielektromos közegként.Ebben a munkában katalizátorként a Sigma-Aldrich-től (USA) beszerzett ferrocént (99%-os tisztaság) választottuk.A továbbiakban metilénkéket (Bendosen, 100 g) használtunk az adszorpciós kísérletekhez.
Ebben a vizsgálatban egy háztartási mikrohullámú sütőt (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) alakítottak át mikrohullámú reaktorlá.A mikrohullámú sütő felső részén három lyuk készült a gáz be- és kimenetére, valamint egy hőelemre.A hőelemes szondákat kerámia csövekkel szigetelték, és minden kísérletnél azonos körülmények közé helyezték a balesetek elkerülése érdekében.Eközben a minták és a légcső elhelyezésére egy háromlyukú fedelű boroszilikát üvegreaktort használtak.A mikrohullámú reaktor sematikus diagramja az 1. kiegészítő ábrán látható.
Nyers pálmaolajat szén prekurzorként és ferrocént katalizátorként használva mágneses nanokarbonokat szintetizáltak.A ferrocén katalizátor körülbelül 5 tömeg%-át szuszpenziós katalizátoros módszerrel állítottuk elő.A ferrocént 20 ml nyers pálmaolajjal keverjük 60 fordulat/perc sebességgel 30 percig.A keveréket ezután alumínium-oxid tégelybe vittük át, és egy 30 cm hosszú rozsdamentes acélhuzalt tekercseltünk, és függőlegesen helyeztük el a tégelyben.Helyezze az alumínium-oxid tégelyt az üvegreaktorba, és zárt üvegfedéllel biztonságosan rögzítse a mikrohullámú sütőben.A reakció megkezdése előtt 5 perccel nitrogént fújtunk be a kamrába, hogy eltávolítsuk a nem kívánt levegőt a kamrából.A mikrohullámú teljesítmény 800 W-ra nőtt, mert ez a maximális mikrohullámú teljesítmény, amely képes fenntartani a jó ívindítást.Ezért ez hozzájárulhat a szintetikus reakciók számára kedvező feltételek megteremtéséhez.Ugyanakkor ez egy széles körben használt teljesítménytartomány wattban a mikrohullámú fúziós reakciókhoz48,49.Az elegyet 10, 15 vagy 20 percig melegítjük a reakció alatt.A reakció befejeződése után a reaktort és a mikrohullámú sütőt természetesen szobahőmérsékletre hűtjük.Az alumínium-oxid tégelyben lévő végtermék egy fekete csapadék volt spirális huzalokkal.
A fekete csapadékot összegyűjtjük, és többször mossuk felváltva etanollal, izopropanollal (70%) és desztillált vízzel.Mosás és tisztítás után a terméket egy éjszakán át 80 °C-on szárítjuk hagyományos kemencében a nem kívánt szennyeződések elpárologtatása érdekében.A terméket ezután összegyűjtöttük jellemzés céljából.MNC10, MNC15 és MNC20 jelzésű mintákat használtunk mágneses nanokarbonok szintetizálására 10 percig, 15 percig és 20 percig.
Figyelje meg az MNC morfológiáját terepi emissziós pásztázó elektronmikroszkóppal vagy FESEM-mel (Zeiss Auriga modell) 100-150 kX nagyítás mellett.Ezzel egy időben az elemi összetételt energiadiszperzív röntgenspektroszkópiával (EDS) elemezték.Az EMF analízist 2,8 mm-es munkatávolság és 1 kV gyorsítófeszültség mellett végeztük.A fajlagos felület és az MNC pórusértékek mérése Brunauer-Emmett-Teller (BET) módszerrel történt, beleértve az N2 adszorpciós-deszorpciós izotermáját 77 K-en. Az elemzést modellfelület-mérővel (MICROMERITIC ASAP 2020) végeztük. .
A mágneses nanokarbonok kristályosságát és fázisát röntgen-pordiffrakcióval vagy XRD-vel (Burker D8 Advance) határoztuk meg λ = 0,154 nm-en.A diffraktogramokat 2θ = 5 és 85° között vettük fel, 2° min-1 pásztázási sebesség mellett.Ezen túlmenően az MNC-k kémiai szerkezetét Fourier transzformációs infravörös spektroszkópiával (FTIR) vizsgáltuk.Az analízist Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 készülékkel végeztük, 4000 és 400 cm-1 közötti pásztázási sebességgel.A mágneses nanokarbonok szerkezeti jellemzőinek tanulmányozása során a Raman spektroszkópiát neodímiummal adalékolt lézerrel (532 nm) végeztük U-RAMAN spektroszkópiában, 100X objektívvel.
Rezgő magnetométert vagy VSM-et (Lake Shore 7400 sorozat) használtak a vas-oxid mágneses telítettségének mérésére MNC-ben.Körülbelül 8 kOe mágneses teret használtunk, és 200 pontot kaptunk.
Az MNC-k adszorbens potenciáljának tanulmányozásakor adszorpciós kísérletekben a kationos metilénkéket (MB) használtam.MNC-ket (20 mg) adtunk 20 ml vizes metilénkék oldathoz, amelynek standard koncentrációja 5-20 mg/L50 volt.Az oldat pH-ját semleges, 7-es pH-ra állítottuk be a vizsgálat során.Az oldatot mechanikusan kevertük 150 fordulat/perc sebességgel és 303,15 K-en egy forgó rázógépen (Lab Companion: SI-300R).Az MNC-ket ezután mágnes segítségével választják el.Használjon UV-látható spektrofotométert (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) az MB-oldat koncentrációjának megfigyelésére az adszorpciós kísérlet előtt és után, és tekintse meg a metilénkék standard görbét 664 nm-es maximális hullámhosszon.A kísérletet háromszor megismételtük, és megadtuk az átlagértéket.Az MG oldatból való eltávolítását a qe egyensúlyi állapotban adszorbeált MC mennyiségére és a százalékos eltávolítási százalékra vonatkozó általános egyenlet alapján számítottuk ki.
Az adszorpciós izotermára vonatkozó kísérleteket különböző koncentrációjú (5-20 mg/l) MG-oldatok és 20 mg adszorbens keverésével is végeztük állandó, 293,15 K. mg-os hőmérsékleten minden MNC-nél.
A vasat és a mágneses szenet alaposan tanulmányozták az elmúlt néhány évtizedben.Ezek a szénalapú mágneses anyagok kiváló elektromágneses tulajdonságaik miatt egyre nagyobb figyelmet keltenek, és számos lehetséges technológiai alkalmazáshoz vezetnek, elsősorban az elektromos készülékekben és a vízkezelésben.Ebben a tanulmányban nanokarbonokat szintetizáltak szénhidrogének nyers pálmaolajban történő krakkolása révén, mikrohullámú kisütéssel.A szintézist különböző időpontokban, 10 és 20 perc között, a prekurzor és a katalizátor rögzített arányában (5:1) végeztük, fém áramkollektor (csavart SS) és részben inert (nitrogénnel átöblített nemkívánatos levegő) felhasználásával. a kísérlet kezdete).A keletkező széntartalmú lerakódások fekete szilárd por formájában vannak, amint az a 2a. kiegészítő ábrán látható.A kicsapott szénhozam körülbelül 5,57%, 8,21% és 11,67% volt 10 perces, 15 perces és 20 perces szintézisidőkkel.Ez a forgatókönyv azt sugallja, hogy a hosszabb szintézisidő hozzájárul a magasabb hozamokhoz51 – alacsony hozamokhoz, valószínűleg a rövid reakcióidő és az alacsony katalizátoraktivitás miatt.
Eközben a kapott nanokarbonok szintézisének hőmérséklete az idő függvényében ábrázolható a 2b kiegészítő ábrán.Az MNC10, MNC15 és MNC20 legmagasabb hőmérsékletei 190,9 °C, 434,5 °C és 472 °C voltak.Mindegyik görbén egy meredek lejtő látható, ami a fémív során keletkező hő miatt a reaktoron belüli hőmérséklet állandó emelkedését jelzi.Ez 0–2 percnél, 0–5 percnél és 0–8 percnél látható az MNC10, MNC15 és MNC20 esetében.Egy bizonyos pont elérése után a lejtő továbbra is a legmagasabb hőmérsékletig lebeg, és a lejtő mérsékelt lesz.
Az MNC minták felszíni topográfiájának megfigyelésére Field emission Scanning elektronmikroszkópiát (FESEM) használtunk.ábrán látható módon.Az 1. ábrán látható, hogy a mágneses nanokarbonok kissé eltérő morfológiai szerkezettel rendelkeznek a szintézis eltérő időpontjában.A FESEM MNC10 képei az ábrán.Az 1a, b ábrák azt mutatják, hogy a széngömbök kialakulása a nagy felületi feszültség miatt összegabalyodott és kapcsolódó mikro- és nanogömbökből áll.Ugyanakkor a van der Waals-erők jelenléte széngömbök aggregációjához vezet52.A szintézisidő növekedése a hosszabb repedési reakciók miatt kisebb méreteket és a gömbök számának növekedését eredményezte.ábrán.Az 1c. ábra azt mutatja, hogy az MNC15 szinte tökéletes gömb alakú.Az aggregált gömbök azonban még mindig képezhetnek mezopórusokat, amelyek később jó helyszínekké válhatnak a metilénkék adszorpciójához.Nagy, 15 000-szeres nagyításnál az 1d. ábrán több széngömb látható agglomerálva, átlagosan 20,38 nm mérettel.
FESEM képek szintetizált nanokarbonokról 10 perc (a, b), 15 perc (c, d) és 20 perc (e–g) után 7000 és 15 000-szeres nagyítással.
ábrán.Az 1e–g MNC20 a pórusok kialakulását ábrázolja kis gömbökkel a mágneses szén felületén, és újra összeállítja a mágneses aktív szén morfológiáját53.A különböző átmérőjű és szélességű pórusok véletlenszerűen helyezkednek el a mágneses szén felületén.Ezért ez megmagyarázhatja, hogy az MNC20 miért mutatott nagyobb felületet és pórustérfogatot, amint azt a BET analízis kimutatta, mivel több pórus keletkezett a felületén, mint más szintetikus időpontokban.A nagy, 15 000-szeres nagyítással készített mikrofelvételek inhomogén részecskeméreteket és szabálytalan formákat mutattak, amint az 1g. ábrán látható.Amikor a növekedési időt 20 percre növeltük, agglomeráltabb gömbök képződtek.
Érdekes módon csavart szénpelyheket is találtak ugyanezen a területen.A gömbök átmérője 5,18 és 96,36 nm között változott.Ez a képződés hátterében a differenciális gócképződés lehet az oka, amit a magas hőmérséklet és a mikrohullámok elősegítenek.Az előkészített MNC-k számított gömbmérete átlagosan 20,38 nm az MNC10, 24,80 nm az MNC15 és 31,04 nm az MNC20 esetében.A gömbök méreteloszlását a kiegészítő ábra mutatja.3.
A 4. kiegészítő ábra az MNC10, MNC15 és MNC20 EDS spektrumát és elemösszetételének összefoglalását mutatja.A spektrumok alapján megállapították, hogy minden nanokarbon más-más mennyiségű C-t, O-t és Fe-t tartalmaz.Ennek oka a további szintézisidő alatt fellépő különféle oxidációs és repedési reakciók.Feltételezések szerint nagy mennyiségű C a szén-prekurzorból, a nyers pálmaolajból származik.Eközben az O alacsony százaléka a szintézis során lezajló oxidációs folyamatnak köszönhető.Ugyanakkor a Fe a ferrocén lebomlása után a nanokarbon felületén lerakódott vas-oxidnak tulajdonítható.Ezenkívül az 5a–c kiegészítő ábra az MNC10, MNC15 és MNC20 elemek leképezését mutatja.Az alapvető leképezés alapján megfigyelhető, hogy a Fe jól eloszlik az MNC felületén.
A nitrogén adszorpciós-deszorpciós elemzése információt nyújt az adszorpciós mechanizmusról és az anyag porózus szerkezetéről.Az MNC BET felület N2 adszorpciós izotermáit és grafikonjait az 1-1.2. A FESEM felvételek alapján az adszorpciós viselkedés várhatóan mikropórusos és mezopórusos struktúrák kombinációját mutatja az aggregáció miatt.A 2. ábrán látható grafikon azonban azt mutatja, hogy az adszorbens hasonlít az IUPAC55 IV. típusú izotermájára és H2 típusú hiszterézishurkára.Ez a fajta izoterma gyakran hasonló a mezopórusos anyagokéhoz.A mezopórusok adszorpciós viselkedését általában az adszorpciós-adszorpciós reakciók kölcsönhatása határozza meg a kondenzált anyag molekuláival.Az S-alakú vagy S-alakú adszorpciós izotermákat általában az egyrétegű többrétegű adszorpció okozza, amelyet egy olyan jelenség követ, amelyben a gáz folyékony fázisba kondenzálódik a pórusokban az ömlesztett folyadék telítési nyomása alatti nyomáson, amelyet póruskondenzációnak neveznek 56. A kapilláris kondenzáció a pórusokban 0,50 feletti relatív nyomáson (p/po) megy végbe.Eközben az összetett pórusszerkezet H2-típusú hiszterézist mutat, ami a pórusok eltömődésének vagy a pórusok szűk tartományában való szivárgásának tulajdonítható.
A BET tesztekkel kapott felület fizikai paramétereit az 1. táblázat mutatja be. A BET felület és a teljes pórustérfogat szignifikánsan nőtt a szintézisidő növekedésével.Az MNC10, MNC15 és MNC20 átlagos pórusmérete 7,2779 nm, 7,6275 nm, illetve 7,8223 nm.Az IUPAC ajánlásai szerint ezek a köztes pórusok a mezopórusos anyagok közé sorolhatók.A mezopórusos szerkezet a metilénkéket az MNC57 által könnyebben áteresztővé és adszorbeálhatóvá teheti.A legnagyobb felületet a Maximum Synthesis Time (MNC20) mutatta, ezt követte az MNC15 és az MNC10.A nagyobb BET felület javíthatja az adszorpciós teljesítményt, mivel több felületaktív hely áll rendelkezésre.
A szintetizált MNC-k röntgendiffrakciós mintázata a 3. ábrán látható. Magas hőmérsékleten a ferrocén is megreped és vas-oxidot képez.ábrán.A 3a. ábra az MNC10 XRD mintáját mutatja.Két csúcsot mutat a 2θ, 43,0° és 62,32° pontoknál, amelyek az ɣ-Fe2O3-hoz vannak rendelve (JCPDS #39–1346).Ugyanakkor a Fe3O4 feszített csúcsa 2θ-nál: 35,27°.Másrészt a 3b. ábra MHC15 diffrakciós mintája új csúcsokat mutat, amelyek nagy valószínűséggel a hőmérséklet és a szintézisidő növekedésével járnak.Bár a 2θ: 26,202° csúcs kevésbé intenzív, a diffrakciós mintázat összhangban van a grafit JCPDS fájllal (JCPDS #75–1621), jelezve a grafitkristályok jelenlétét a nanokarbonon belül.Ez a csúcs hiányzik az MNC10-ben, valószínűleg a szintézis alatti alacsony ívhőmérséklet miatt.A 2θ-nál három időcsúcs van: 30,082°, 35,502°, 57,422° a Fe3O4-nek tulajdonítható.Két csúcs is mutatja az ɣ-Fe2O3 jelenlétét a 2θ-nál: 43,102° és 62,632°.A 20 percig szintetizált MNC (MNC20) esetében, amint az a 3c. ábrán látható, hasonló diffrakciós mintázat figyelhető meg az MNK15-ben.A 26,382°-os grafikus csúcs az MNC20-ban is látható.A 2θ-nál látható három éles csúcs: 30,102°, 35,612°, 57,402° a Fe3O4-re vonatkozik.Ezenkívül az ε-Fe2O3 jelenléte a 2θ-nál látható: 42,972° és 62,61.A vas-oxid vegyületek jelenléte a létrejövő MNC-kben pozitív hatással lehet a metilénkék adszorbeáló képességére a jövőben.
Az MNC- és CPO-minták kémiai kötési jellemzőit a 6. kiegészítő ábrán látható FTIR reflexiós spektrumból határoztuk meg. Kezdetben a nyers pálmaolaj hat fontos csúcsa négy különböző kémiai komponenst képviselt, az 1. kiegészítő táblázatban leírtak szerint. A CPO-ban azonosított alapvető csúcsok 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 és 1463,34 cm-1, amelyek az alkánok és más alifás CH2 vagy CH3 csoportok CH nyújtási rezgéseire utalnak.Az azonosított csúcserdősök 1740,85 cm-1 és 1160,83 cm-1.Az 1740,85 cm-1-nél lévő csúcs egy C=O kötés, amelyet a triglicerid funkciós csoport észter-karbonil-csoportja terjeszt ki.Eközben az 1160,83 cm-1-es csúcs a kiterjesztett CO58,59 észtercsoport lenyomata.Eközben a 813,54 cm-1-es csúcs az alkáncsoport lenyomata.
Ezért a nyers pálmaolajban néhány abszorpciós csúcs eltűnt a szintézisidő növekedésével.A 2913,81 cm-1 és 2840 cm-1 csúcsok még mindig megfigyelhetők az MNC10-ben, de érdekes, hogy az MNC15-ben és az MNC20-ban a csúcsok hajlamosak eltűnni az oxidáció miatt.Eközben a mágneses nanokarbonok FTIR analízise újonnan képződött abszorpciós csúcsokat mutatott ki, amelyek az MNC10-20 öt különböző funkciós csoportját képviselik.Ezeket a csúcsokat az 1. kiegészítő táblázat is felsorolja. A 2325,91 cm-1-nél lévő csúcs a CH360 alifás csoport aszimmetrikus CH szakasza.Az 1463,34-1443,47 cm-1 közötti csúcs az alifás csoportok, például a pálmaolaj CH2- és CH-hajlását mutatja, de a csúcs idővel csökkenni kezd.A 813,54-875,35 cm-1 csúcs az aromás CH-alkáncsoport lenyomata.
Eközben a 2101,74 cm-1 és 1589,18 cm-1 csúcsok CC 61 kötéseket jelentenek, amelyek C=C alkin és aromás gyűrűket képeznek.Egy kis csúcs 1695,15 cm-1-nél a karbonilcsoportból származó szabad zsírsav C=O kötését mutatja.CPO-karbonilból és ferrocénből nyerik a szintézis során.Az újonnan kialakult csúcsok az 539,04-588,48 cm-1 tartományban a ferrocén Fe-O vibrációs kötéséhez tartoznak.A 4. kiegészítő ábrán látható csúcsok alapján látható, hogy a szintézisidő csökkentheti a mágneses nanokarbonok több csúcsát és az újrakötést.
A szintézis különböző időpontjaiban 514 nm hullámhosszú beeső lézerrel kapott mágneses nanokarbonok Raman-szórásának spektroszkópiai analízise a 4. ábrán látható. Az MNC10, MNC15 és MNC20 összes spektruma két intenzív sávból áll, amelyek általában alacsony sp3 szénnel társulnak. nanografit krisztallitokban található, amelyekben az sp262 szénfajták rezgésmódja hibás.Az első csúcs, amely az 1333–1354 cm–1 tartományban található, a D sávot képviseli, amely kedvezőtlen az ideális grafit számára, és szerkezeti rendellenességnek és egyéb szennyeződéseknek felel meg63, 64.A második legfontosabb csúcs 1537–1595 cm-1 körül síkbeli kötésnyújtásból vagy kristályos és rendezett grafitformákból adódik.A csúcs azonban körülbelül 10 cm-1-rel eltolódott a grafit G sávhoz képest, ami azt jelzi, hogy az MNC-k alacsony rétegrenddel és hibás szerkezettel rendelkeznek.A D és G sávok relatív intenzitását (ID/IG) használják a krisztallitok és grafitminták tisztaságának értékelésére.A Raman spektroszkópiai elemzés szerint az összes MNC ID/IG értéke 0,98-0,99 tartományban volt, ami az Sp3 hibridizáció miatti szerkezeti hibákra utal.Ez a helyzet megmagyarázhatja a kevésbé intenzív 2θ csúcsok jelenlétét az XPA spektrumokban: 26,20° az MNK15 és 26,28° az MNK20 esetében, amint az a 4. ábrán látható, amely a JCPDS fájlban a grafitcsúcshoz van hozzárendelve.Az ebben a munkában kapott ID/IG MNC arányok más mágneses nanokarbonok tartományába esnek, például 0,85–1,03 a hidrotermikus módszer és 0,78–0,9665,66 a pirolitikus módszer esetében.Ezért ez az arány azt jelzi, hogy a jelen szintetikus módszer széles körben alkalmazható.
Az MNC-k mágneses jellemzőit vibrációs magnetométerrel elemeztük.A kapott hiszterézist az 5. ábra mutatja.Általános szabály, hogy az MNC-k mágnesességüket a ferrocénből nyerik a szintézis során.Ezek a további mágneses tulajdonságok növelhetik a nanokarbonok adszorpciós kapacitását a jövőben.Amint az 5. ábrán látható, a minták szuperparamágneses anyagokként azonosíthatók.Wahajuddin és Arora67 szerint a szuperparamágneses állapot az, hogy a minta telítési mágnesezésre (MS) van mágnesezve, amikor külső mágneses mezőt alkalmazunk.Később a maradék mágneses kölcsönhatások már nem jelennek meg a mintákban67.Figyelemre méltó, hogy a telítési mágnesezettség a szintézis idővel növekszik.Érdekes módon az MNC15 rendelkezik a legmagasabb mágneses telítettséggel, mivel erős mágneses képződést (mágnesezést) okozhat az optimális szintézisidő külső mágnes jelenlétében.Ennek oka lehet a Fe3O4 jelenléte, amely jobb mágneses tulajdonságokkal rendelkezik, mint más vas-oxidok, például a ɣ-Fe2O.A telítési adszorpciós nyomaték MNC-k tömegegységenkénti sorrendje MNC15>MNC10>MNC20.A kapott mágneses paramétereket a táblázat tartalmazza.2.
A mágneses telítettség minimális értéke, ha hagyományos mágneseket használunk mágneses elválasztásban, körülbelül 16,3 emu g-1.Az MNC-k azon képessége, hogy eltávolítsák a szennyeződéseket, például a színezékeket a vízi környezetben, és az MNC-k könnyű eltávolítása további tényezőkké váltak a kapott nanokarbonok szempontjából.Tanulmányok kimutatták, hogy az LSM mágneses telítettsége magas.Így minden minta elérte a mágneses telítési értéket, amely több mint elegendő a mágneses elválasztási eljáráshoz.
A közelmúltban a fémszalagok vagy -huzalok katalizátorként vagy dielektrikumként keltették fel a figyelmet a mikrohullámú fúziós eljárásokban.A fémek mikrohullámú reakciói magas hőmérsékletet vagy reakciókat okoznak a reaktoron belül.Ez a tanulmány azt állítja, hogy a hegy és a kondicionált (tekercses) rozsdamentes acélhuzal megkönnyíti a mikrohullámú kisütést és a fém melegítését.A rozsdamentes acél csúcsán kifejezett érdesség van, ami a felületi töltéssűrűség és a külső elektromos tér magas értékéhez vezet.Amikor a töltés elegendő mozgási energiát nyer, a töltött részecskék kiugranak a rozsdamentes acélból, ami a környezet ionizálódását okozza, kisülést vagy szikrát hozva létre 68 .A fémkisülés jelentős mértékben hozzájárul a magas hőmérsékletű forró pontokkal kísért oldatos repedési reakciókhoz.A 2b. kiegészítő ábra hőmérsékleti térképe szerint a hőmérséklet gyorsan emelkedik, ami az erős kisülési jelenség mellett magas hőmérsékletű forró pontok jelenlétét jelzi.
Ebben az esetben termikus hatás figyelhető meg, mivel a gyengén kötött elektronok mozoghatnak és koncentrálódhatnak a felületen és a csúcson69.Ha rozsdamentes acélt tekercselnek, az oldatban lévő fém nagy felülete segít örvényáramot indukálni az anyag felületén, és fenntartja a fűtőhatást.Ez az állapot hatékonyan segíti a CPO és a ferrocén és a ferrocén hosszú szénláncainak hasítását.Amint a 2b. kiegészítő ábrán látható, az állandó hőmérsékleti sebesség azt jelzi, hogy az oldatban egyenletes fűtőhatás figyelhető meg.
Az MNC-k kialakulásának javasolt mechanizmusa a 7. kiegészítő ábrán látható. A CPO és a ferrocén hosszú szénláncai magas hőmérsékleten repedezni kezdenek.Az olaj szétesett szénhidrogéneket képez, amelyek a FESEM MNC1070 képen gömböcskékként ismert szén-prekurzorokká válnak.A környezet energiája és nyomása 71 légköri viszonyok között.Ugyanakkor a ferrocén is megreped, katalizátort képezve a vason lerakódott szénatomokból.Ezután gyors gócképződés következik be, és a szénmag oxidálódik, és a mag tetején amorf és grafitos szénréteg keletkezik.Az idő múlásával a gömb mérete pontosabbá és egyenletesebbé válik.Ugyanakkor a meglévő van der Waals-erők a szférák agglomerációjához is vezetnek52.A Fe ionok Fe3O4 és ɣ-Fe2O3 redukciója során (röntgen fázisanalízis szerint) a nanokarbonok felületén különféle típusú vas-oxidok képződnek, amelyek mágneses nanokarbonok képződéséhez vezetnek.Az EDS leképezés azt mutatta, hogy a Fe atomok erősen eloszlottak az MNC felületén, amint az az 5a-c kiegészítő ábrákon látható.
A különbség az, hogy 20 perces szintézisidőnél szénaggregáció következik be.Nagyobb pórusokat képez az MNC-k felületén, ami arra utal, hogy az MNC-k aktív szénnek tekinthetők, amint az az 1e–g. ábrán látható FESEM-képeken látható.Ez a pórusméretbeli különbség összefügghet a ferrocénből származó vas-oxid hozzájárulásával.Ugyanakkor az elért magas hőmérséklet miatt deformálódott pikkelyek vannak.A mágneses nanokarbonok eltérő morfológiát mutatnak különböző szintézis időpontokban.A nanokarbonok nagyobb valószínűséggel alkotnak gömb alakú formákat rövidebb szintézisidővel.Ugyanakkor a pórusok és a pikkelyek is elérhetők, bár a szintézisidő különbsége csak 5 percen belül van.
A mágneses nanokarbonok eltávolíthatják a szennyező anyagokat a vízi környezetből.A használat után könnyen eltávolítható képességük további tényező az ebben a munkában nyert nanokarbonok adszorbensként való felhasználásában.A mágneses nanokarbonok adszorpciós tulajdonságainak tanulmányozása során azt vizsgáltuk, hogy az MNC-k képesek-e színteleníteni a metilénkék (MB) oldatokat 30 °C-on pH-beállítás nélkül.Számos tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a szénabszorbensek teljesítménye 25–40 °C hőmérséklet-tartományban nem játszik fontos szerepet az MC eltávolításának meghatározásában.Bár az extrém pH-értékek fontos szerepet játszanak, a felületen funkcionális csoportok töltések képződhetnek, ami az adszorbátum-adszorbens kölcsönhatás megszakadásához és az adszorpciót befolyásolja.Ezért ebben a tanulmányban a fenti feltételeket ezekre a helyzetekre és a tipikus szennyvíztisztítás szükségességére tekintettel választottuk.
Ebben a munkában egy szakaszos adszorpciós kísérletet végeztünk úgy, hogy 20 mg MNC-t adtunk 20 ml metilénkék vizes oldatához különböző standard kezdeti koncentrációkkal (5–20 ppm) rögzített érintkezési idővel60.A 8. kiegészítő ábra a metilénkék oldatok különböző koncentrációinak (5–20 ppm) állapotát mutatja az MNC10, MNC15 és MNC20 kezelés előtt és után.Különféle MNC-k használatakor az MB megoldások színszintje csökkent.Érdekes módon azt találták, hogy az MNC20 könnyen elszínezi az MB oldatokat 5 ppm koncentrációban.Eközben az MNC20 az MB-megoldás színszintjét is csökkentette a többi MNC-hez képest.Az MNC10-20 UV látható spektruma a 9. kiegészítő ábrán látható. Az eltávolítási sebességet és az adszorpciós adatokat a 9. 6. ábra és a 3. táblázat mutatja.
Erős metilénkék csúcsok találhatók 664 nm-en és 600 nm-en.Általános szabály, hogy a csúcs intenzitása fokozatosan csökken az MG-oldat kezdeti koncentrációjának csökkenésével.A további 9a. ábra különböző koncentrációjú MB oldatok UV-látható spektrumait mutatja MNC10-zel végzett kezelés után, ami csak kis mértékben változtatta meg a csúcsok intenzitását.Másrészt az MB oldatok abszorpciós csúcsai jelentősen csökkentek az MNC15 és MNC20 kezelés után, amint azt a 9b és c kiegészítő ábra mutatja.Ezek a változások jól láthatóak, ahogy az MG-oldat koncentrációja csökken.Azonban mindhárom mágneses szén által elért spektrális változások elegendőek voltak a metilénkék festék eltávolításához.
A 3. táblázat alapján az adszorbeált MC mennyiségére és az adszorbeált MC százalékára vonatkozó eredményeket a 3. ábra mutatja. 6. Az MG adszorpciója nőtt a magasabb kezdeti koncentrációk alkalmazásával minden MNC esetében.Eközben az adszorpciós százalék vagy az MB eltávolítási sebesség (MBR) ellentétes tendenciát mutatott, amikor a kezdeti koncentráció nőtt.Alacsonyabb kezdeti MC-koncentrációknál az adszorbens felületen nem foglalt aktív helyek maradtak.A festékkoncentráció növekedésével a festékmolekulák adszorpciójához rendelkezésre álló szabad aktív helyek száma csökken.Mások arra a következtetésre jutottak, hogy ilyen körülmények között a bioszorpció aktív helyeinek telítettsége érhető el72.
Sajnos az MNC10 esetében az MBR nőtt és csökkent 10 ppm MB oldat után.Ugyanakkor az MG-nek csak nagyon kis része adszorbeálódik.Ez azt jelzi, hogy 10 ppm az optimális koncentráció az MNC10 adszorpciójához.A munkában vizsgált összes MNC esetében az adszorpciós kapacitások sorrendje a következő volt: MNC20 > MNC15 > MNC10, az átlagértékek 10,36 mg/g, 6,85 mg/g és 0,71 mg/g, az MG arányok átlagos eltávolítása 87, 79%, 62,26% és 5,75% volt.Így az MNC20 mutatta a legjobb adszorpciós jellemzőket a szintetizált mágneses nanokarbonok közül, figyelembe véve az adszorpciós kapacitást és az UV-látható spektrumot.Bár az adszorpciós kapacitás alacsonyabb más mágneses nanokarbonokhoz képest, mint például az MWCNT mágneses kompozit (11,86 mg/g) és a halloysite nanocső-mágneses Fe3O4 nanorészecskék (18,44 mg/g), ez a vizsgálat nem igényli további stimuláns használatát.A vegyszerek katalizátorként működnek.tiszta és megvalósítható szintetikus módszerek biztosítása73,74.
Amint azt az MNC-k SBET értékei mutatják, a nagy fajlagos felület több aktív helyet biztosít az MB oldat adszorpciójához.Ez válik a szintetikus nanokarbonok egyik alapvető jellemzőjévé.Ugyanakkor az MNC-k kis mérete miatt a szintézis idő rövid és elfogadható, ami megfelel az ígéretes adszorbensek főbb tulajdonságainak75.A hagyományos természetes adszorbensekhez képest a szintetizált MNC-k mágnesesen telítettek, és könnyen eltávolíthatók az oldatból külső mágneses tér hatására76.Így csökken a teljes kezelési folyamathoz szükséges idő.
Az adszorpciós izotermák elengedhetetlenek az adszorpciós folyamat megértéséhez, majd annak bemutatásához, hogy az egyensúly elérésekor hogyan válnak el a folyékony és szilárd fázisok között.A Langmuir- és Freundlich-egyenleteket standard izoterma-egyenletként használjuk, amelyek magyarázatot adnak az adszorpció mechanizmusára, amint az a 7. ábrán látható. A Langmuir-modell jól mutatja, hogy az adszorbens külső felületén egyetlen adszorbált réteg keletkezik.Az izotermákat legjobban homogén adszorpciós felületként lehet leírni.Ugyanakkor a Freundlich-izoterma mutatja legjobban több adszorbens régió részvételét és az adszorpciós energiát az adszorpció inhomogén felületre préselésében.
Modell izoterma Langmuir izotermához (a–c) és Freundlich izotermához (d–f) MNC10, MNC15 és MNC20 esetén.
Az adszorpciós izotermák alacsony oldott anyag koncentrációnál általában lineárisak77.A Langmuir izoterma modell lineáris ábrázolása egyenletben fejezhető ki.1 Határozza meg az adszorpciós paramétereket.
A KL (l/mg) egy Langmuir-állandó, amely az MB kötési affinitását jelenti az MNC-hez.Eközben qmax a maximális adszorpciós kapacitás (mg/g), qe az MC adszorbeált koncentrációja (mg/g), Ce pedig az MC oldat egyensúlyi koncentrációja.A Freundlich-izoterma modell lineáris kifejezése a következőképpen írható le:
Feladás időpontja: 2023.02.16