Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Η ύπαρξη μετάλλων που εκπέμπονται από την ακτινοβολία μικροκυμάτων είναι αμφιλεγόμενη επειδή τα μέταλλα αναφλέγονται εύκολα.Αλλά αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το φαινόμενο της εκκένωσης τόξου προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη οδό για τη σύνθεση νανοϋλικών με διάσπαση μορίων.Αυτή η μελέτη αναπτύσσει μια συνθετική μέθοδο ενός σταδίου αλλά προσιτή που συνδυάζει θέρμανση με μικροκύματα και ηλεκτρικό τόξο για τη μετατροπή του ακατέργαστου φοινικέλαιου σε μαγνητικό νανοάνθρακα (MNC), ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί ως μια νέα εναλλακτική για την παραγωγή φοινικελαίου.Περιλαμβάνει τη σύνθεση ενός μέσου με μόνιμα τυλιγμένο σύρμα από ανοξείδωτο χάλυβα (διηλεκτρικό μέσο) και σιδηροκένιο (καταλύτης) υπό μερικώς αδρανή συνθήκες.Αυτή η μέθοδος έχει αποδειχθεί με επιτυχία για θέρμανση στο εύρος θερμοκρασίας από 190,9 έως 472,0°C με διάφορους χρόνους σύνθεσης (10-20 λεπτά).Τα πρόσφατα παρασκευασμένα MNC παρουσίασαν σφαίρες με μέσο μέγεθος 20,38–31,04 nm, μεσοπορώδη δομή (SBET: 14,83–151,95 m2/g) και υψηλή περιεκτικότητα σε σταθερό άνθρακα (52,79–71,24 wt.%), καθώς και D και G ζώνες (ID/g) 0,98–0,99.Ο σχηματισμός νέων κορυφών στο φάσμα FTIR (522,29–588,48 cm–1) μαρτυρεί υπέρ της παρουσίας ενώσεων FeO στο σιδηροκένιο.Τα μαγνητόμετρα δείχνουν υψηλό κορεσμό μαγνήτισης (22,32–26,84 emu/g) σε σιδηρομαγνητικά υλικά.Η χρήση MNCs στην επεξεργασία λυμάτων έχει αποδειχθεί με την αξιολόγηση της ικανότητας προσρόφησής τους χρησιμοποιώντας μια δοκιμή προσρόφησης κυανού του μεθυλενίου (MB) σε διάφορες συγκεντρώσεις από 5 έως 20 ppm.Τα MNC που ελήφθησαν στο χρόνο σύνθεσης (20 λεπτά) έδειξαν την υψηλότερη αποτελεσματικότητα προσρόφησης (10,36 mg/g) σε σύγκριση με άλλα και ο ρυθμός απομάκρυνσης της χρωστικής ΜΒ ήταν 87,79%.Επομένως, οι τιμές Langmuir δεν είναι αισιόδοξες σε σύγκριση με τις τιμές Freundlich, με το R2 να είναι περίπου 0,80, 0,98 και 0,99 για MNC που συντίθενται σε 10 λεπτά (MNC10), 15 λεπτά (MNC15) και 20 λεπτά (MNC20) αντίστοιχα.Κατά συνέπεια, το σύστημα προσρόφησης βρίσκεται σε ετερογενή κατάσταση.Ως εκ τούτου, το τόξο μικροκυμάτων προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για τη μετατροπή του CPO σε MNC, η οποία μπορεί να αφαιρέσει τις επιβλαβείς βαφές.
Η ακτινοβολία μικροκυμάτων μπορεί να θερμάνει τα εσωτερικά μέρη των υλικών μέσω της μοριακής αλληλεπίδρασης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων.Αυτή η απόκριση μικροκυμάτων είναι μοναδική στο ότι προωθεί μια γρήγορη και ομοιόμορφη θερμική απόκριση.Έτσι, είναι δυνατό να επιταχυνθεί η διαδικασία θέρμανσης και να ενισχυθούν οι χημικές αντιδράσεις2.Ταυτόχρονα, λόγω του μικρότερου χρόνου αντίδρασης, η αντίδραση μικροκυμάτων μπορεί τελικά να παράγει προϊόντα υψηλής καθαρότητας και υψηλής απόδοσης3,4.Λόγω των εκπληκτικών ιδιοτήτων της, η ακτινοβολία μικροκυμάτων διευκολύνει ενδιαφέρουσες συνθέσεις μικροκυμάτων που χρησιμοποιούνται σε πολλές μελέτες, συμπεριλαμβανομένων των χημικών αντιδράσεων και της σύνθεσης νανοϋλικών5,6.Κατά τη διαδικασία θέρμανσης, οι διηλεκτρικές ιδιότητες του δέκτη μέσα στο μέσο παίζουν καθοριστικό ρόλο, καθώς δημιουργεί ένα hot spot στο μέσο, το οποίο οδηγεί στο σχηματισμό νανοανθράκων με διαφορετική μορφολογία και ιδιότητες.Μια μελέτη από τους Omoriyekomwan et al.Παραγωγή κοίλων νανοϊνών άνθρακα από πυρήνες φοίνικα με χρήση ενεργού άνθρακα και αζώτου8.Επιπλέον, οι Fu και Hamid προσδιόρισαν τη χρήση ενός καταλύτη για την παραγωγή ενεργού άνθρακα από ίνες φοινικέλαιου σε φούρνο μικροκυμάτων 350 W9.Ως εκ τούτου, μια παρόμοια προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή του ακατέργαστου φοινικέλαιου σε MNC με την εισαγωγή κατάλληλων καθαριστών.
Ένα ενδιαφέρον φαινόμενο έχει παρατηρηθεί μεταξύ της ακτινοβολίας μικροκυμάτων και των μετάλλων με αιχμηρές ακμές, κουκκίδες ή υπομικροσκοπικές ανωμαλίες10.Η παρουσία αυτών των δύο αντικειμένων θα επηρεαστεί από ένα ηλεκτρικό τόξο ή σπινθήρα (που συνήθως αναφέρεται ως εκκένωση τόξου)11,12.Το τόξο θα προωθήσει το σχηματισμό πιο εντοπισμένων καυτών σημείων και θα επηρεάσει την αντίδραση, βελτιώνοντας έτσι τη χημική σύνθεση του περιβάλλοντος13.Αυτό το ιδιαίτερο και ενδιαφέρον φαινόμενο έχει προσελκύσει διάφορες μελέτες όπως η αφαίρεση ρύπων14,15, η πυρόλυση πίσσας από βιομάζα16, η υποβοηθούμενη από μικροκύματα πυρόλυση17,18 και η σύνθεση υλικού19,20,21.
Πρόσφατα, οι νανοάνθρακες όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανοσφαίρες άνθρακα και το τροποποιημένο ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου έχουν τραβήξει την προσοχή λόγω των ιδιοτήτων τους.Αυτοί οι νανοάνθρακες έχουν μεγάλες δυνατότητες για εφαρμογές που κυμαίνονται από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έως τον καθαρισμό ή την απολύμανση του νερού23.Επιπλέον, απαιτούνται εξαιρετικές ιδιότητες άνθρακα, αλλά ταυτόχρονα απαιτούνται καλές μαγνητικές ιδιότητες.Αυτό είναι πολύ χρήσιμο για πολυλειτουργικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής προσρόφησης μεταλλικών ιόντων και βαφών στην επεξεργασία λυμάτων, μαγνητικών τροποποιητών στα βιοκαύσιμα και ακόμη και απορροφητών μικροκυμάτων υψηλής απόδοσης24,25,26,27,28.Ταυτόχρονα, αυτοί οι άνθρακες έχουν ένα άλλο πλεονέκτημα, συμπεριλαμβανομένης της αύξησης της επιφάνειας της ενεργού θέσης του δείγματος.
Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα σε μαγνητικά υλικά νανοάνθρακα βρίσκεται σε άνοδο.Συνήθως, αυτοί οι μαγνητικοί νανοάνθρακες είναι πολυλειτουργικά υλικά που περιέχουν μαγνητικά υλικά νανομεγέθους που μπορούν να προκαλέσουν την αντίδραση εξωτερικών καταλυτών, όπως εξωτερικά ηλεκτροστατικά ή εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία29.Λόγω των μαγνητικών τους ιδιοτήτων, οι μαγνητικοί νανοάνθρακες μπορούν να συνδυαστούν με ένα ευρύ φάσμα ενεργών συστατικών και πολύπλοκων δομών για ακινητοποίηση30.Εν τω μεταξύ, οι μαγνητικοί νανοάνθρακες (MNCs) παρουσιάζουν εξαιρετική αποτελεσματικότητα στην προσρόφηση ρύπων από υδατικά διαλύματα.Επιπλέον, η υψηλή ειδική επιφάνεια και οι πόροι που σχηματίζονται στα MNC μπορούν να αυξήσουν την ικανότητα προσρόφησης31.Οι μαγνητικοί διαχωριστές μπορούν να διαχωρίσουν τα MNC από τα εξαιρετικά αντιδραστικά διαλύματα, μετατρέποντάς τα σε βιώσιμο και διαχειρίσιμο ροφητή32.
Αρκετοί ερευνητές έχουν αποδείξει ότι μπορούν να παραχθούν υψηλής ποιότητας νανοάνθρακες χρησιμοποιώντας ακατέργαστο φοινικέλαιο33,34.Το φοινικέλαιο, επιστημονικά γνωστό ως Elais Guneensis, θεωρείται ένα από τα σημαντικά βρώσιμα έλαια με παραγωγή περίπου 76,55 εκατομμυρίων τόνων το 202135. Το ακατέργαστο φοινικέλαιο ή CPO περιέχει μια ισορροπημένη αναλογία ακόρεστων λιπαρών οξέων (EFAs) και κορεσμένων λιπαρών οξέων (Νομισματική Αρχή Σιγκαπούρης).Οι περισσότεροι από τους υδρογονάνθρακες στο CPO είναι τριγλυκερίδια, ένα γλυκερίδιο που αποτελείται από τρία συστατικά οξικού τριγλυκεριδίου και ένα συστατικό γλυκερίνης36.Αυτοί οι υδρογονάνθρακες μπορούν να γενικευθούν λόγω της τεράστιας περιεκτικότητάς τους σε άνθρακα, καθιστώντας τους πιθανούς πράσινους πρόδρομους για την παραγωγή νανοάνθρακα37.Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, CNT37,38,39,40, νανοσφαίρες άνθρακα33,41 και γραφένιο34,42,43 συντίθενται συνήθως χρησιμοποιώντας ακατέργαστο φοινικέλαιο ή βρώσιμο λάδι.Αυτοί οι νανοάνθρακες έχουν μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές που κυμαίνονται από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έως τον καθαρισμό ή την απορρύπανση του νερού.
Η θερμική σύνθεση όπως η CVD38 ή η πυρόλυση33 έχει γίνει μια ευνοϊκή μέθοδος για την αποσύνθεση του φοινικέλαιου.Δυστυχώς, οι υψηλές θερμοκρασίες στη διαδικασία αυξάνουν το κόστος παραγωγής.Η παραγωγή του προτιμώμενου υλικού 44 απαιτεί μακροχρόνιες, επίπονες διαδικασίες και μεθόδους καθαρισμού.Ωστόσο, η ανάγκη για φυσικό διαχωρισμό και ρωγμές είναι αναμφισβήτητη λόγω της καλής σταθερότητας του ακατέργαστου φοινικέλαιου σε υψηλές θερμοκρασίες45.Επομένως, απαιτούνται ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες για τη μετατροπή του ακατέργαστου φοινικέλαιου σε ανθρακούχα υλικά.Το υγρό τόξο μπορεί να θεωρηθεί ως το καλύτερο δυναμικό και νέα μέθοδος για τη σύνθεση μαγνητικού νανοάνθρακα 46 .Αυτή η προσέγγιση παρέχει άμεση ενέργεια για πρόδρομες ουσίες και λύσεις σε εξαιρετικά διεγερμένες καταστάσεις.Μια εκκένωση τόξου μπορεί να προκαλέσει σπάσιμο των δεσμών άνθρακα στο ακατέργαστο φοινικέλαιο.Ωστόσο, η απόσταση των ηλεκτροδίων που χρησιμοποιείται μπορεί να χρειαστεί να πληροί αυστηρές απαιτήσεις, οι οποίες θα περιορίσουν τη βιομηχανική κλίμακα, επομένως χρειάζεται ακόμη να αναπτυχθεί μια αποτελεσματική μέθοδος.
Από όσο γνωρίζουμε, η έρευνα σχετικά με την εκκένωση τόξου με χρήση μικροκυμάτων ως μέθοδο για τη σύνθεση νανοανθράκων είναι περιορισμένη.Ταυτόχρονα, η χρήση του ακατέργαστου φοινικέλαιου ως πρόδρομου δεν έχει διερευνηθεί πλήρως.Ως εκ τούτου, αυτή η μελέτη στοχεύει να διερευνήσει τη δυνατότητα παραγωγής μαγνητικών νανοανθράκων από ακατέργαστες πρόδρομες ουσίες φοινικέλαιου χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό τόξο χρησιμοποιώντας φούρνο μικροκυμάτων.Η αφθονία του φοινικέλαιου θα πρέπει να αντικατοπτρίζεται σε νέα προϊόντα και εφαρμογές.Αυτή η νέα προσέγγιση στη διύλιση φοινικελαίου θα μπορούσε να συμβάλει στην τόνωση του οικονομικού τομέα και να αποτελέσει άλλη μια πηγή εισοδήματος για τους παραγωγούς φοινικέλαιου, που επηρέασε ιδιαίτερα τις φυτείες φοινικελαίου των μικρών αγροτών.Σύμφωνα με μια μελέτη αφρικανών μικροϊδιοκτητών από τους Ayompe et al., οι μικροϊδιοκτήτες κερδίζουν περισσότερα χρήματα μόνο εάν επεξεργάζονται οι ίδιοι συστάδες φρέσκων φρούτων και πουλούν ακατέργαστο φοινικέλαιο αντί να το πουλήσουν σε μεσάζοντες, κάτι που είναι μια δαπανηρή και κουραστική δουλειά47.Ταυτόχρονα, η αύξηση του κλεισίματος εργοστασίων λόγω του COVID-19 έχει επηρεάσει τα προϊόντα εφαρμογής με βάση το φοινικέλαιο.Είναι ενδιαφέρον ότι, δεδομένου ότι τα περισσότερα νοικοκυριά έχουν πρόσβαση σε φούρνους μικροκυμάτων και η μέθοδος που προτείνεται σε αυτή τη μελέτη μπορεί να θεωρηθεί εφικτή και οικονομικά προσιτή, η παραγωγή MNC μπορεί να θεωρηθεί ως εναλλακτική λύση σε φυτείες φοινικελαίου μικρής κλίμακας.Εν τω μεταξύ, σε μεγαλύτερη κλίμακα, οι εταιρείες μπορούν να επενδύσουν σε μεγάλους αντιδραστήρες για την παραγωγή μεγάλων TNC.
Αυτή η μελέτη καλύπτει κυρίως τη διαδικασία σύνθεσης χρησιμοποιώντας ανοξείδωτο χάλυβα ως διηλεκτρικό μέσο για διάφορες χρονικές περιόδους.Οι περισσότερες γενικές μελέτες που χρησιμοποιούν μικροκύματα και νανοάνθρακες προτείνουν έναν αποδεκτό χρόνο σύνθεσης 30 λεπτών ή περισσότερο33,34.Προκειμένου να υποστηριχθεί μια προσιτή και εφικτή πρακτική ιδέα, αυτή η μελέτη είχε ως στόχο να αποκτήσει MNC με χρόνους σύνθεσης κάτω του μέσου όρου.Ταυτόχρονα, η μελέτη δίνει μια εικόνα για την τεχνολογική ετοιμότητα επιπέδου 3 καθώς η θεωρία αποδεικνύεται και εφαρμόζεται σε εργαστηριακή κλίμακα.Αργότερα, τα MNC που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν από τις φυσικές, χημικές και μαγνητικές τους ιδιότητες.Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε μπλε του μεθυλενίου για να καταδειχθεί η ικανότητα προσρόφησης των MNC που προέκυψαν.
Το ακατέργαστο φοινικέλαιο ελήφθη από την Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, και χρησιμοποιείται ως πρόδρομος άνθρακας για σύνθεση.Σε αυτή την περίπτωση, ένα σύρμα από ανοξείδωτο χάλυβα με διάμετρο 0,90 mm χρησιμοποιήθηκε ως διηλεκτρικό μέσο.Το Ferrocene (καθαρότητα 99%), που ελήφθη από τη Sigma-Aldrich, ΗΠΑ, επιλέχθηκε ως καταλύτης σε αυτή την εργασία.Το μπλε του μεθυλενίου (Bendosen, 100 g) χρησιμοποιήθηκε περαιτέρω για πειράματα προσρόφησης.
Σε αυτή τη μελέτη, ένας οικιακός φούρνος μικροκυμάτων (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) μετατράπηκε σε αντιδραστήρα μικροκυμάτων.Στο πάνω μέρος του φούρνου μικροκυμάτων έγιναν τρεις τρύπες για την είσοδο και έξοδο του αερίου και ένα θερμοστοιχείο.Οι αισθητήρες θερμοστοιχείου μονώθηκαν με κεραμικούς σωλήνες και τοποθετήθηκαν υπό τις ίδιες συνθήκες για κάθε πείραμα για την αποφυγή ατυχημάτων.Εν τω μεταξύ, ένας αντιδραστήρας βοριοπυριτικού γυαλιού με καπάκι τριών οπών χρησιμοποιήθηκε για την υποδοχή των δειγμάτων και της τραχείας.Ένα σχηματικό διάγραμμα ενός αντιδραστήρα μικροκυμάτων μπορεί να αναφέρεται στο συμπληρωματικό σχήμα 1.
Χρησιμοποιώντας ακατέργαστο φοινικέλαιο ως πρόδρομο άνθρακα και σιδηροκένιο ως καταλύτη, συντέθηκαν μαγνητικοί νανοάνθρακες.Περίπου 5% κατά βάρος του καταλύτη σιδηροκενίου παρασκευάστηκε με τη μέθοδο του καταλύτη πολτού.Το Ferrocene αναμίχθηκε με 20 ml ακατέργαστου φοινικέλαιου στις 60 rpm για 30 λεπτά.Το μίγμα στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε ένα χωνευτήριο αλουμίνας και ένα σύρμα από ανοξείδωτο χάλυβα μήκους 30 cm περιελίχθηκε και τοποθετήθηκε κατακόρυφα μέσα στο χωνευτήριο.Τοποθετήστε το χωνευτήριο αλουμίνας στον γυάλινο αντιδραστήρα και στερεώστε το καλά στο εσωτερικό του φούρνου μικροκυμάτων με ένα σφραγισμένο γυάλινο καπάκι.Άζωτο εμφυσήθηκε στον θάλαμο 5 λεπτά πριν από την έναρξη της αντίδρασης για να απομακρυνθεί ο ανεπιθύμητος αέρας από τον θάλαμο.Η ισχύς μικροκυμάτων έχει αυξηθεί στα 800 W επειδή αυτή είναι η μέγιστη ισχύς μικροκυμάτων που μπορεί να διατηρήσει μια καλή εκκίνηση τόξου.Επομένως, αυτό μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία ευνοϊκών συνθηκών για συνθετικές αντιδράσεις.Ταυτόχρονα, αυτό είναι επίσης ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο εύρος ισχύος σε watt για αντιδράσεις σύντηξης μικροκυμάτων48,49.Το μίγμα θερμάνθηκε για 10, 15 ή 20 λεπτά κατά τη διάρκεια της αντίδρασης.Μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης, ο αντιδραστήρας και ο φούρνος μικροκυμάτων ψύχθηκαν φυσικά σε θερμοκρασία δωματίου.Το τελικό προϊόν στο χωνευτήριο αλουμίνας ήταν ένα μαύρο ίζημα με ελικοειδή σύρματα.
Το μαύρο ίζημα συλλέχθηκε και πλύθηκε πολλές φορές εναλλάξ με αιθανόλη, ισοπροπανόλη (70%) και απεσταγμένο νερό.Μετά το πλύσιμο και τον καθαρισμό, το προϊόν στεγνώνει όλη τη νύχτα στους 80°C σε συμβατικό φούρνο για να εξατμιστούν οι ανεπιθύμητες ακαθαρσίες.Το προϊόν στη συνέχεια συλλέχθηκε για χαρακτηρισμό.Δείγματα με επισήμανση MNC10, MNC15 και MNC20 χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση μαγνητικών νανοανθράκων για 10 λεπτά, 15 λεπτά και 20 λεπτά.
Παρατηρήστε τη μορφολογία MNC με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης εκπομπής πεδίου ή FESEM (μοντέλο Zeiss Auriga) σε μεγέθυνση 100 έως 150 kX.Ταυτόχρονα, η στοιχειακή σύνθεση αναλύθηκε με φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας (EDS).Η ανάλυση EMF πραγματοποιήθηκε σε απόσταση εργασίας 2,8 mm και τάση επιτάχυνσης 1 kV.Η ειδική επιφάνεια και οι τιμές πόρων MNC μετρήθηκαν με τη μέθοδο Brunauer-Emmett-Teller (BET), συμπεριλαμβανομένης της ισόθερμης προσρόφησης-εκρόφησης του N2 στους 77 K. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός μοντέλου μετρητή επιφάνειας (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Η κρυσταλλικότητα και η φάση των μαγνητικών νανοανθράκων προσδιορίστηκαν με περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ ή XRD (Burker D8 Advance) σε λ = 0,154 nm.Τα περιθλασίγραμμα καταγράφηκαν μεταξύ 2θ = 5 και 85° με ρυθμό σάρωσης 2° min-1.Επιπλέον, η χημική δομή των MNCs διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR).Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 με ταχύτητες σάρωσης που κυμαίνονται από 4000 έως 400 cm-1.Κατά τη μελέτη των δομικών χαρακτηριστικών των μαγνητικών νανοανθράκων, η φασματοσκοπία Raman πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ με πρόσμιξη νεοδυμίου (532 nm) σε φασματοσκοπία U-RAMAN με αντικειμενικό στόχο 100Χ.
Ένα δονούμενο μαγνητόμετρο ή VSM (Lake Shore 7400 series) χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του μαγνητικού κορεσμού του οξειδίου του σιδήρου σε MNC.Χρησιμοποιήθηκε μαγνητικό πεδίο περίπου 8 kOe και λήφθηκαν 200 σημεία.
Κατά τη μελέτη της δυνατότητας των MNC ως προσροφητών σε πειράματα προσρόφησης, χρησιμοποιήθηκε η κατιονική χρωστική μπλε του μεθυλενίου (MB).MNCs (20 mg) προστέθηκαν σε 20 ml υδατικού διαλύματος κυανού του μεθυλενίου με τυπικές συγκεντρώσεις στην περιοχή 5-20 mg/L50.Το ρΗ του διαλύματος ρυθμίστηκε σε ουδέτερο ρΗ 7 καθ' όλη τη διάρκεια της μελέτης.Το διάλυμα αναδεύτηκε μηχανικά στις 150 rpm και 303,15 Κ σε περιστροφικό αναδευτήρα (Lab Companion: SI-300R).Τα MNC στη συνέχεια διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας έναν μαγνήτη.Χρησιμοποιήστε ένα φασματοφωτόμετρο ορατού υπεριώδους (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) για να παρατηρήσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος MB πριν και μετά το πείραμα προσρόφησης και ανατρέξτε στην τυπική καμπύλη μπλε του μεθυλενίου σε μέγιστο μήκος κύματος 664 nm.Το πείραμα επαναλήφθηκε τρεις φορές και δόθηκε η μέση τιμή.Η απομάκρυνση του MG από το διάλυμα υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τη γενική εξίσωση για την ποσότητα MC που προσροφήθηκε στην ισορροπία qe και το ποσοστό απομάκρυνσης %.
Πειράματα για την ισόθερμη προσρόφηση πραγματοποιήθηκαν επίσης με ανάδευση διαφόρων συγκεντρώσεων (5–20 mg/l) διαλυμάτων MG και 20 mg του προσροφητικού σε σταθερή θερμοκρασία 293,15 K. mg για όλα τα MNC.
Ο σίδηρος και ο μαγνητικός άνθρακας έχουν μελετηθεί εκτενώς τις τελευταίες δεκαετίες.Αυτά τα μαγνητικά υλικά με βάση τον άνθρακα προσελκύουν αυξανόμενη προσοχή λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων τους, οδηγώντας σε διάφορες πιθανές τεχνολογικές εφαρμογές, κυρίως σε ηλεκτρικές συσκευές και επεξεργασία νερού.Σε αυτή τη μελέτη, οι νανοάνθρακες συντέθηκαν με πυρόλυση υδρογονανθράκων σε ακατέργαστο φοινικέλαιο χρησιμοποιώντας εκκένωση μικροκυμάτων.Η σύνθεση διεξήχθη σε διαφορετικούς χρόνους, από 10 έως 20 λεπτά, σε σταθερή αναλογία (5:1) του προδρόμου και του καταλύτη, χρησιμοποιώντας έναν μεταλλικό συλλέκτη ρεύματος (στριμμένο SS) και μερικώς αδρανές (ανεπιθύμητος αέρας καθαρισμένος με άζωτο στο αρχή του πειράματος).Οι προκύπτουσες ανθρακικές εναποθέσεις έχουν τη μορφή μαύρης στερεάς σκόνης, όπως φαίνεται στο Συμπληρωματικό Σχ. 2α.Οι αποδόσεις άνθρακα που καταβυθίστηκε ήταν περίπου 5,57%, 8,21% και 11,67% σε χρόνους σύνθεσης 10 λεπτών, 15 λεπτών και 20 λεπτών, αντίστοιχα.Αυτό το σενάριο υποδηλώνει ότι οι μεγαλύτεροι χρόνοι σύνθεσης συμβάλλουν σε υψηλότερες αποδόσεις51—χαμηλές αποδόσεις, πιθανότατα λόγω σύντομων χρόνων αντίδρασης και χαμηλής καταλυτικής δραστηριότητας.
Εν τω μεταξύ, μια γραφική παράσταση της θερμοκρασίας σύνθεσης συναρτήσει του χρόνου για τους ληφθέντες νανοάνθρακες μπορεί να αναφερθεί στο Συμπληρωματικό Σχήμα 2β.Οι υψηλότερες θερμοκρασίες που ελήφθησαν για τα MNC10, MNC15 και MNC20 ήταν 190,9°C, 434,5°C και 472°C, αντίστοιχα.Για κάθε καμπύλη, μπορεί να φανεί μια απότομη κλίση, υποδηλώνοντας μια σταθερή αύξηση της θερμοκρασίας μέσα στον αντιδραστήρα λόγω της θερμότητας που παράγεται κατά τη διάρκεια του μεταλλικού τόξου.Αυτό μπορεί να φανεί σε 0-2 λεπτά, 0-5 λεπτά και 0-8 λεπτά για MNC10, MNC15 και MNC20, αντίστοιχα.Αφού φτάσει σε ένα ορισμένο σημείο, η κλίση συνεχίζει να αιωρείται στην υψηλότερη θερμοκρασία και η κλίση γίνεται μέτρια.
Χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης εκπομπής πεδίου (FESEM) για την παρατήρηση της επιφανειακής τοπογραφίας των δειγμάτων MNC.Όπως φαίνεται στο σχ.1, οι μαγνητικοί νανοάνθρακες έχουν ελαφρώς διαφορετική μορφολογική δομή σε διαφορετικό χρόνο σύνθεσης.Εικόνες του FESEM MNC10 στην εικ.Τα σχήματα 1a,b δείχνουν ότι ο σχηματισμός σφαιρών άνθρακα αποτελείται από μπλεγμένες και συνδεδεμένες μικρο- και νανοσφαιρίδια λόγω υψηλής επιφανειακής τάσης.Ταυτόχρονα, η παρουσία δυνάμεων van der Waals οδηγεί στη συσσώρευση σφαιρών άνθρακα52.Η αύξηση του χρόνου σύνθεσης είχε ως αποτέλεσμα μικρότερα μεγέθη και αύξηση του αριθμού των σφαιρών λόγω μεγαλύτερης διάρκειας αντιδράσεων πυρόλυσης.Στο σχ.Το 1c δείχνει ότι το MNC15 έχει σχεδόν τέλειο σφαιρικό σχήμα.Ωστόσο, οι συσσωματωμένες σφαίρες μπορούν ακόμα να σχηματίσουν μεσοπόρους, οι οποίοι μπορούν αργότερα να γίνουν καλές θέσεις για την προσρόφηση του μπλε του μεθυλενίου.Σε υψηλή μεγέθυνση 15.000 φορές στο Σχήμα 1δ μπορούν να φανούν περισσότερες σφαίρες άνθρακα συσσωματωμένες με μέσο μέγεθος 20,38 nm.
Εικόνες FESEM συντιθέμενων νανοανθράκων μετά από 10 λεπτά (a, b), 15 λεπτά (c, d) και 20 λεπτά (e–g) σε μεγέθυνση 7000 και 15000 φορές.
Στο σχ.Το 1e–g MNC20 απεικονίζει την ανάπτυξη πόρων με μικρές σφαίρες στην επιφάνεια του μαγνητικού άνθρακα και επανασυναρμολογεί τη μορφολογία του μαγνητικού ενεργού άνθρακα53.Οι πόροι διαφορετικών διαμέτρων και πλάτη εντοπίζονται τυχαία στην επιφάνεια του μαγνητικού άνθρακα.Επομένως, αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί το MNC20 έδειξε μεγαλύτερη επιφάνεια και όγκο πόρων όπως φαίνεται από την ανάλυση BET, καθώς σχηματίστηκαν περισσότεροι πόροι στην επιφάνειά του από ό,τι σε άλλους συνθετικούς χρόνους.Μικρογραφίες που ελήφθησαν σε υψηλή μεγέθυνση 15.000 φορές έδειξαν ανομοιογενή μεγέθη σωματιδίων και ακανόνιστα σχήματα, όπως φαίνεται στο Σχ. 1g.Όταν ο χρόνος ανάπτυξης αυξήθηκε στα 20 λεπτά, σχηματίστηκαν περισσότερες συσσωματωμένες σφαίρες.
Είναι ενδιαφέρον ότι στην ίδια περιοχή βρέθηκαν επίσης στριμμένες νιφάδες άνθρακα.Η διάμετρος των σφαιρών κυμαινόταν από 5,18 έως 96,36 nm.Αυτός ο σχηματισμός μπορεί να οφείλεται στην εμφάνιση διαφορικής πυρήνωσης, η οποία διευκολύνεται από την υψηλή θερμοκρασία και τα μικροκύματα.Το υπολογισμένο μέγεθος σφαίρας των παρασκευασμένων MNCs ήταν κατά μέσο όρο 20,38 nm για MNC10, 24,80 nm για MNC15 και 31,04 nm για MNC20.Η κατανομή μεγέθους των σφαιρών φαίνεται στο συμπληρωματικό σχ.3.
Το συμπληρωματικό σχήμα 4 δείχνει τα φάσματα EDS και τις περιλήψεις στοιχειακής σύνθεσης των MNC10, MNC15 και MNC20, αντίστοιχα.Σύμφωνα με τα φάσματα, σημειώθηκε ότι κάθε νανοάνθρακας περιέχει διαφορετική ποσότητα C, O και Fe.Αυτό οφείλεται στις διάφορες αντιδράσεις οξείδωσης και πυρόλυσης που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του πρόσθετου χρόνου σύνθεσης.Μια μεγάλη ποσότητα C πιστεύεται ότι προέρχεται από τον πρόδρομο άνθρακα, το ακατέργαστο φοινικέλαιο.Εν τω μεταξύ, το χαμηλό ποσοστό του O οφείλεται στη διαδικασία οξείδωσης κατά τη σύνθεση.Ταυτόχρονα, ο Fe αποδίδεται στο οξείδιο του σιδήρου που εναποτίθεται στην επιφάνεια του νανοάνθρακα μετά την αποσύνθεση του σιδηροκενίου.Επιπλέον, το συμπληρωματικό σχήμα 5a–c δείχνει την αντιστοίχιση των στοιχείων MNC10, MNC15 και MNC20.Με βάση τη θεμελιώδη χαρτογράφηση, παρατηρήθηκε ότι ο Fe είναι καλά κατανεμημένος στην επιφάνεια MNC.
Η ανάλυση προσρόφησης-εκρόφησης αζώτου παρέχει πληροφορίες για τον μηχανισμό προσρόφησης και την πορώδη δομή του υλικού.Οι ισόθερμες προσρόφησης N2 και τα γραφήματα της επιφάνειας MNC BET φαίνονται στα Σχ.2. Με βάση τις εικόνες FESEM, η συμπεριφορά προσρόφησης αναμένεται να εμφανίζει συνδυασμό μικροπορωδών και μεσοπορωδών δομών λόγω συσσωμάτωσης.Ωστόσο, το γράφημα στο Σχ. 2 δείχνει ότι το προσροφητικό μοιάζει με την ισόθερμη τύπου IV και τον βρόχο υστέρησης τύπου Η2 του IUPAC55.Αυτός ο τύπος ισόθερμου είναι συχνά παρόμοιος με αυτόν των μεσοπορωδών υλικών.Η συμπεριφορά προσρόφησης των μεσοπόρων καθορίζεται συνήθως από την αλληλεπίδραση των αντιδράσεων προσρόφησης-προσρόφησης με τα μόρια της συμπυκνωμένης ύλης.Οι ισόθερμες προσρόφησης σε σχήμα S ή σχήματος S προκαλούνται συνήθως από προσρόφηση μονής στιβάδας-πολυστιβάδας που ακολουθείται από ένα φαινόμενο κατά το οποίο το αέριο συμπυκνώνεται σε υγρή φάση στους πόρους σε πιέσεις κάτω από την πίεση κορεσμού του υγρού όγκου, γνωστή ως συμπύκνωση πόρων 56. Η τριχοειδική συμπύκνωση στους πόρους συμβαίνει σε σχετικές πιέσεις (p/po) πάνω από 0,50.Εν τω μεταξύ, η σύνθετη δομή πόρων παρουσιάζει υστέρηση τύπου H2, η οποία αποδίδεται σε απόφραξη πόρων ή διαρροή σε ένα στενό εύρος πόρων.
Οι φυσικές παράμετροι της επιφάνειας που ελήφθησαν από τις δοκιμές BET φαίνονται στον Πίνακα 1. Η επιφάνεια της BET και ο συνολικός όγκος πόρων αυξήθηκαν σημαντικά με την αύξηση του χρόνου σύνθεσης.Τα μέσα μεγέθη πόρων των MNC10, MNC15 και MNC20 είναι 7,2779 nm, 7,6275 nm και 7,8223 nm, αντίστοιχα.Σύμφωνα με τις συστάσεις της IUPAC, αυτοί οι ενδιάμεσοι πόροι μπορούν να ταξινομηθούν ως μεσοπορώδη υλικά.Η μεσοπορώδης δομή μπορεί να κάνει το μπλε του μεθυλενίου πιο εύκολα διαπερατό και προσροφήσιμο από το MNC57.Ο Μέγιστος Χρόνος Σύνθεσης (MNC20) έδειξε την υψηλότερη επιφάνεια, ακολουθούμενος από τους MNC15 και MNC10.Το υψηλότερο εμβαδόν επιφανείας BET μπορεί να βελτιώσει την απόδοση προσρόφησης καθώς είναι διαθέσιμες περισσότερες θέσεις επιφανειοδραστικών.
Τα σχήματα περίθλασης ακτίνων Χ των συντιθέμενων MNCs φαίνονται στο Σχήμα 3. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το σιδηροκένιο επίσης ραγίζει και σχηματίζει οξείδιο του σιδήρου.Στο σχ.Το 3α δείχνει το μοτίβο XRD του MNC10.Δείχνει δύο κορυφές στις 2θ, 43,0° και 62,32°, οι οποίες έχουν αντιστοιχιστεί στο ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39-1346).Ταυτόχρονα, το Fe3O4 έχει μια τεντωμένη κορυφή στο 2θ: 35,27°.Από την άλλη πλευρά, στο μοτίβο περίθλασης MHC15 στο Σχ. 3β εμφανίζονται νέες κορυφές, οι οποίες πιθανότατα συνδέονται με αύξηση της θερμοκρασίας και του χρόνου σύνθεσης.Αν και η κορυφή 2θ: 26,202° είναι λιγότερο έντονη, το μοτίβο περίθλασης είναι σύμφωνο με το αρχείο JCPDS γραφίτη (JCPDS #75–1621), υποδεικνύοντας την παρουσία κρυστάλλων γραφίτη εντός του νανοάνθρακα.Αυτή η κορυφή απουσιάζει στο MNC10, πιθανώς λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας τόξου κατά τη σύνθεση.Στο 2θ υπάρχουν τρεις χρονικές κορυφές: 30,082°, 35,502°, 57,422° που αποδίδονται στο Fe3O4.Δείχνει επίσης δύο κορυφές που υποδεικνύουν την παρουσία ɣ-Fe2O3 στα 2θ: 43.102° και 62.632°.Για MNC που συντίθεται για 20 λεπτά (MNC20), όπως φαίνεται στο Σχ. 3γ, μπορεί να παρατηρηθεί ένα παρόμοιο σχέδιο περίθλασης στο MNK15.Η γραφική κορυφή στις 26,382° μπορεί επίσης να φανεί στο MNC20.Οι τρεις αιχμηρές κορυφές που εμφανίζονται στο 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° είναι για το Fe3O4.Επιπλέον, η παρουσία του ε-Fe2O3 φαίνεται στο 2θ: 42,972° και 62,61.Η παρουσία ενώσεων οξειδίου του σιδήρου στα MNC που προκύπτουν μπορεί να έχει θετική επίδραση στην ικανότητα προσρόφησης του μπλε του μεθυλενίου στο μέλλον.
Τα χαρακτηριστικά χημικών δεσμών στα δείγματα MNC και CPO προσδιορίστηκαν από τα φάσματα ανάκλασης FTIR στο Συμπληρωματικό Σχήμα 6. Αρχικά, οι έξι σημαντικές κορυφές ακατέργαστου φοινικέλαιου αντιπροσώπευαν τέσσερα διαφορετικά χημικά συστατικά όπως περιγράφονται στον Συμπληρωματικό Πίνακα 1. Οι θεμελιώδεις κορυφές που προσδιορίζονται στο CPO είναι 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 και 1463,34 cm-1, που αναφέρονται στις δονήσεις τάνυσης CH των αλκανίων και άλλων αλειφατικών ομάδων CH2 ή CH3.Οι δασοπονητές κορυφής που εντοπίστηκαν είναι 1740,85 cm-1 και 1160,83 cm-1.Η κορυφή στα 1740,85 cm-1 είναι ένας δεσμός C=O που εκτείνεται από τον εστερικό καρβονύλιο της λειτουργικής ομάδας των τριγλυκεριδίων.Εν τω μεταξύ, η κορυφή στα 1160,83 cm-1 είναι το αποτύπωμα της εκτεταμένης ομάδας εστέρα CO58,59.Εν τω μεταξύ, η κορυφή στα 813,54 cm-1 είναι το αποτύπωμα της ομάδας των αλκανίων.
Ως εκ τούτου, ορισμένες κορυφές απορρόφησης στο ακατέργαστο φοινικέλαιο εξαφανίστηκαν καθώς αυξανόταν ο χρόνος σύνθεσης.Οι κορυφές στα 2913,81 cm-1 και 2840 cm-1 μπορούν ακόμα να παρατηρηθούν στο MNC10, αλλά είναι ενδιαφέρον ότι στα MNC15 και MNC20 οι κορυφές τείνουν να εξαφανιστούν λόγω οξείδωσης.Εν τω μεταξύ, η ανάλυση FTIR των μαγνητικών νανοανθράκων αποκάλυψε νεοσχηματισμένες κορυφές απορρόφησης που αντιπροσωπεύουν πέντε διαφορετικές λειτουργικές ομάδες MNC10-20.Αυτές οι κορυφές παρατίθενται επίσης στον Συμπληρωματικό Πίνακα 1. Η κορυφή στα 2325,91 cm-1 είναι η ασύμμετρη έκταση CH της αλειφατικής ομάδας CH360.Η κορυφή στα 1463,34-1443,47 cm-1 δείχνει κάμψη CH2 και CH αλειφατικών ομάδων όπως το φοινικέλαιο, αλλά η κορυφή αρχίζει να μειώνεται με το χρόνο.Η κορυφή στα 813,54–875,35 cm–1 είναι ένα αποτύπωμα της αρωματικής ομάδας CH-αλκανίων.
Εν τω μεταξύ, οι κορυφές στα 2101,74 cm-1 και 1589,18 cm-1 αντιπροσωπεύουν δεσμούς CC 61 που σχηματίζουν C=C αλκυνικούς και αρωματικούς δακτυλίους, αντίστοιχα.Μια μικρή κορυφή στα 1695,15 cm-1 δείχνει τον δεσμό C=O του ελεύθερου λιπαρού οξέος από την καρβονυλ ομάδα.Λαμβάνεται από CPO καρβονύλιο και φερροκένιο κατά τη διάρκεια της σύνθεσης.Οι νεοσχηματισμένες κορυφές στην περιοχή από 539,04 έως 588,48 cm-1 ανήκουν στον δονητικό δεσμό Fe-O του σιδηροκένιου.Με βάση τις κορυφές που φαίνονται στο συμπληρωματικό σχήμα 4, μπορεί να φανεί ότι ο χρόνος σύνθεσης μπορεί να μειώσει αρκετές κορυφές και να επανασυνδεθεί σε μαγνητικούς νανοάνθρακες.
Φασματοσκοπική ανάλυση της σκέδασης Raman των μαγνητικών νανοανθράκων που ελήφθησαν σε διαφορετικούς χρόνους σύνθεσης χρησιμοποιώντας ένα προσπίπτον λέιζερ με μήκος κύματος 514 nm φαίνεται στο σχήμα 4. Όλα τα φάσματα των MNC10, MNC15 και MNC20 αποτελούνται από δύο έντονες ζώνες που σχετίζονται με χαμηλό άνθρακα sp3, συνήθως που βρέθηκαν σε κρυσταλλίτες νανογραφίτη με ελαττώματα στους δονητικούς τρόπους των ειδών άνθρακα sp262.Η πρώτη κορυφή, που βρίσκεται στην περιοχή 1333–1354 cm–1, αντιπροσωπεύει τη ζώνη D, η οποία δεν είναι ευνοϊκή για τον ιδανικό γραφίτη και αντιστοιχεί σε δομική διαταραχή και άλλες ακαθαρσίες63,64.Η δεύτερη πιο σημαντική κορυφή γύρω στα 1537-1595 cm-1 προκύπτει από το τέντωμα του δεσμού εντός επιπέδου ή τις κρυσταλλικές και διατεταγμένες μορφές γραφίτη.Ωστόσο, η κορυφή μετατοπίστηκε κατά περίπου 10 cm-1 σε σύγκριση με τη ζώνη G γραφίτη, υποδεικνύοντας ότι τα MNC έχουν χαμηλή σειρά στοίβαξης φύλλων και ελαττωματική δομή.Οι σχετικές εντάσεις των ζωνών D και G (ID/IG) χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της καθαρότητας των κρυσταλλιτών και των δειγμάτων γραφίτη.Σύμφωνα με τη φασματοσκοπική ανάλυση Raman, όλα τα MNC είχαν τιμές ID/IG στην περιοχή από 0,98-0,99, υποδεικνύοντας δομικά ελαττώματα λόγω υβριδισμού Sp3.Αυτή η κατάσταση μπορεί να εξηγήσει την παρουσία λιγότερο έντονων κορυφών 2θ στα φάσματα XPA: 26,20° για το MNK15 και 26,28° για το MNK20, όπως φαίνεται στο Σχ. 4, το οποίο έχει εκχωρηθεί στην κορυφή γραφίτη στο αρχείο JCPDS.Οι αναλογίες ID/IG MNC που λήφθηκαν σε αυτήν την εργασία είναι στην περιοχή άλλων μαγνητικών νανοανθράκων, για παράδειγμα, 0,85–1,03 για την υδροθερμική μέθοδο και 0,78–0,9665,66 για την πυρολυτική μέθοδο.Επομένως, αυτή η αναλογία δείχνει ότι η παρούσα συνθετική μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως.
Τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των MNC αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας ένα δονούμενο μαγνητόμετρο.Η προκύπτουσα υστέρηση φαίνεται στο Σχ.5.Κατά κανόνα, τα MNC αποκτούν τον μαγνητισμό τους από το σιδηροκένιο κατά τη διάρκεια της σύνθεσης.Αυτές οι πρόσθετες μαγνητικές ιδιότητες ενδέχεται να αυξήσουν την ικανότητα προσρόφησης των νανοανθράκων στο μέλλον.Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, τα δείγματα μπορούν να αναγνωριστούν ως υπερπαραμαγνητικά υλικά.Σύμφωνα με τους Wahajuddin & Arora67, η υπερπαραμαγνητική κατάσταση είναι ότι το δείγμα μαγνητίζεται σε μαγνήτιση κορεσμού (MS) όταν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.Αργότερα, οι υπολειμματικές μαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν εμφανίζονται πλέον στα δείγματα67.Αξίζει να σημειωθεί ότι η μαγνήτιση κορεσμού αυξάνεται με το χρόνο σύνθεσης.Είναι ενδιαφέρον ότι το MNC15 έχει τον υψηλότερο μαγνητικό κορεσμό επειδή ο ισχυρός μαγνητικός σχηματισμός (μαγνήτιση) μπορεί να προκληθεί από τον βέλτιστο χρόνο σύνθεσης παρουσία ενός εξωτερικού μαγνήτη.Αυτό μπορεί να οφείλεται στην παρουσία του Fe3O4, το οποίο έχει καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες σε σύγκριση με άλλα οξείδια του σιδήρου όπως το ɣ-Fe2O.Η σειρά της ροπής προσρόφησης κορεσμού ανά μονάδα μάζας MNC είναι MNC15>MNC10>MNC20.Οι λαμβανόμενες μαγνητικές παράμετροι δίνονται στον πίνακα.2.
Η ελάχιστη τιμή μαγνητικού κορεσμού όταν χρησιμοποιούνται συμβατικοί μαγνήτες σε μαγνητικό διαχωρισμό είναι περίπου 16,3 emu g-1.Η ικανότητα των MNC να απομακρύνουν ρύπους όπως οι βαφές στο υδάτινο περιβάλλον και η ευκολία απομάκρυνσης των MNC έχουν γίνει πρόσθετοι παράγοντες για τους ληφθέντες νανοάνθρακες.Μελέτες έχουν δείξει ότι ο μαγνητικός κορεσμός του LSM θεωρείται υψηλός.Έτσι, όλα τα δείγματα έφτασαν σε τιμές μαγνητικού κορεσμού περισσότερο από επαρκείς για τη διαδικασία μαγνητικού διαχωρισμού.
Πρόσφατα, μεταλλικές λωρίδες ή σύρματα έχουν προσελκύσει την προσοχή ως καταλύτες ή διηλεκτρικά σε διεργασίες σύντηξης μικροκυμάτων.Οι αντιδράσεις μετάλλων μικροκυμάτων προκαλούν υψηλές θερμοκρασίες ή αντιδράσεις μέσα στον αντιδραστήρα.Αυτή η μελέτη ισχυρίζεται ότι το άκρο και το κλιματιζόμενο (σπειρωμένο) σύρμα από ανοξείδωτο χάλυβα διευκολύνουν την εκκένωση μικροκυμάτων και τη θέρμανση του μετάλλου.Ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει έντονη τραχύτητα στο άκρο, γεγονός που οδηγεί σε υψηλές τιμές επιφανειακής πυκνότητας φορτίου και εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.Όταν το φορτίο αποκτήσει επαρκή κινητική ενέργεια, τα φορτισμένα σωματίδια θα πηδήξουν έξω από τον ανοξείδωτο χάλυβα, προκαλώντας τον ιονισμό του περιβάλλοντος, παράγοντας εκκένωση ή σπινθήρα 68 .Η εκκένωση μετάλλων συμβάλλει σημαντικά στις αντιδράσεις πυρόλυσης διαλύματος που συνοδεύονται από θερμά σημεία υψηλής θερμοκρασίας.Σύμφωνα με τον χάρτη θερμοκρασίας στο Συμπληρωματικό Σχήμα 2β, η θερμοκρασία αυξάνεται γρήγορα, υποδεικνύοντας την παρουσία θερμών σημείων υψηλής θερμοκρασίας εκτός από το φαινόμενο της έντονης εκκένωσης.
Σε αυτή την περίπτωση, παρατηρείται θερμική επίδραση, αφού τα ασθενώς συνδεδεμένα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν και να συγκεντρωθούν στην επιφάνεια και στο άκρο69.Όταν τυλίγεται ο ανοξείδωτος χάλυβας, η μεγάλη επιφάνεια του μετάλλου στο διάλυμα βοηθά στην πρόκληση δινορευμάτων στην επιφάνεια του υλικού και διατηρεί το αποτέλεσμα θέρμανσης.Αυτή η κατάσταση βοηθά αποτελεσματικά στη διάσπαση των μακριών αλυσίδων άνθρακα του CPO και του σιδηροκενίου και του σιδηροκενίου.Όπως φαίνεται στο συμπληρωματικό Σχήμα 2b, ένας σταθερός ρυθμός θερμοκρασίας υποδεικνύει ότι παρατηρείται ομοιόμορφη επίδραση θέρμανσης στο διάλυμα.
Ένας προτεινόμενος μηχανισμός για το σχηματισμό MNCs φαίνεται στο Συμπληρωματικό Σχήμα 7. Οι μακριές αλυσίδες άνθρακα του CPO και του σιδηροκενίου αρχίζουν να σπάνε σε υψηλή θερμοκρασία.Το λάδι διασπάται για να σχηματίσει διασπασμένους υδρογονάνθρακες που γίνονται πρόδρομοι άνθρακα γνωστοί ως σφαιρίδια στην εικόνα FESEM MNC1070.Λόγω της ενέργειας του περιβάλλοντος και της πίεσης 71 σε ατμοσφαιρικές συνθήκες.Ταυτόχρονα, το σιδηροκένιο επίσης ραγίζει, σχηματίζοντας έναν καταλύτη από άτομα άνθρακα που εναποτίθενται στον Fe.Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα ταχεία πυρήνωση και ο πυρήνας του άνθρακα οξειδώνεται για να σχηματίσει ένα άμορφο και γραφιτικό στρώμα άνθρακα στην κορυφή του πυρήνα.Καθώς ο χρόνος αυξάνεται, το μέγεθος της σφαίρας γίνεται πιο ακριβές και ομοιόμορφο.Ταυτόχρονα, οι υπάρχουσες δυνάμεις van der Waals οδηγούν και στη συσσωμάτωση σφαιρών52.Κατά την αναγωγή των ιόντων Fe σε Fe3O4 και ɣ-Fe2O3 (σύμφωνα με την ανάλυση φάσης ακτίνων Χ), σχηματίζονται διάφοροι τύποι οξειδίων σιδήρου στην επιφάνεια των νανοανθράκων, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό μαγνητικών νανοανθράκων.Η χαρτογράφηση EDS έδειξε ότι τα άτομα Fe κατανεμήθηκαν έντονα στην επιφάνεια MNC, όπως φαίνεται στα Συμπληρωματικά Σχήματα 5a-c.
Η διαφορά είναι ότι σε χρόνο σύνθεσης 20 λεπτών, συμβαίνει συσσωμάτωση άνθρακα.Σχηματίζει μεγαλύτερους πόρους στην επιφάνεια των MNC, υποδηλώνοντας ότι τα MNC μπορούν να θεωρηθούν ως ενεργός άνθρακας, όπως φαίνεται στις εικόνες FESEM στην Εικ. 1e–g.Αυτή η διαφορά στα μεγέθη των πόρων μπορεί να σχετίζεται με τη συμβολή του οξειδίου του σιδήρου από το σιδηροκένιο.Ταυτόχρονα, λόγω της επιτευχθείσας υψηλής θερμοκρασίας, υπάρχουν παραμορφωμένα λέπια.Οι μαγνητικοί νανοάνθρακες παρουσιάζουν διαφορετικές μορφολογίες σε διαφορετικούς χρόνους σύνθεσης.Οι νανοάνθρακες είναι πιο πιθανό να σχηματίσουν σφαιρικά σχήματα με μικρότερους χρόνους σύνθεσης.Ταυτόχρονα, οι πόροι και τα λέπια είναι επιτεύξιμα, αν και η διαφορά στο χρόνο σύνθεσης είναι μόνο μέσα σε 5 λεπτά.
Οι μαγνητικοί νανοάνθρακες μπορούν να απομακρύνουν τους ρύπους από το υδάτινο περιβάλλον.Η ικανότητά τους να αφαιρούνται εύκολα μετά τη χρήση είναι ένας πρόσθετος παράγοντας για τη χρήση των νανοανθράκων που λαμβάνονται σε αυτή την εργασία ως προσροφητικά.Κατά τη μελέτη των ιδιοτήτων προσρόφησης των μαγνητικών νανοανθράκων, διερευνήσαμε την ικανότητα των MNC να αποχρωματίζουν διαλύματα μπλε του μεθυλενίου (MB) στους 30°C χωρίς καμία ρύθμιση του pH.Αρκετές μελέτες έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η απόδοση των απορροφητών άνθρακα στο εύρος θερμοκρασίας 25–40 °C δεν παίζει σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της απομάκρυνσης MC.Αν και οι ακραίες τιμές του pH παίζουν σημαντικό ρόλο, μπορεί να σχηματιστούν φορτία στην επιφάνεια λειτουργικές ομάδες, γεγονός που οδηγεί σε διακοπή της αλληλεπίδρασης προσροφητικού-προσροφητικού και επηρεάζει την προσρόφηση.Ως εκ τούτου, οι παραπάνω συνθήκες επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις καταστάσεις και την ανάγκη για τυπική επεξεργασία λυμάτων.
Σε αυτή την εργασία, διεξήχθη ένα πείραμα προσρόφησης παρτίδας προσθέτοντας 20 mg MNCs σε 20 ml υδατικού διαλύματος κυανού του μεθυλενίου με διάφορες τυπικές αρχικές συγκεντρώσεις (5–20 ppm) σε σταθερό χρόνο επαφής60.Το συμπληρωματικό σχήμα 8 δείχνει την κατάσταση διαφόρων συγκεντρώσεων (5–20 ppm) διαλυμάτων μπλε του μεθυλενίου πριν και μετά την επεξεργασία με MNC10, MNC15 και MNC20.Κατά τη χρήση διαφόρων MNC, το επίπεδο χρώματος των λύσεων MB μειώθηκε.Είναι ενδιαφέρον ότι βρέθηκε ότι το MNC20 αποχρωματίζει εύκολα τα διαλύματα ΜΒ σε συγκέντρωση 5 ppm.Εν τω μεταξύ, το MNC20 μείωσε επίσης το επίπεδο χρώματος της λύσης MB σε σύγκριση με άλλα MNC.Το ορατό φάσμα UV του MNC10-20 φαίνεται στο Συμπληρωματικό Σχήμα 9. Εν τω μεταξύ, ο ρυθμός απομάκρυνσης και οι πληροφορίες προσρόφησης φαίνονται στο Σχήμα 9. 6 και στον πίνακα 3, αντίστοιχα.
Οι ισχυρές κορυφές του μπλε του μεθυλενίου μπορούν να βρεθούν στα 664 nm και 600 nm.Κατά κανόνα, η ένταση της κορυφής μειώνεται σταδιακά με τη μείωση της αρχικής συγκέντρωσης του διαλύματος MG.Στο πρόσθετο Σχήμα 9a δείχνει τα ορατά με υπεριώδη φάσματα διαλυμάτων ΜΒ διαφόρων συγκεντρώσεων μετά από επεξεργασία με MNC10, το οποίο άλλαξε ελαφρώς μόνο την ένταση των κορυφών.Από την άλλη πλευρά, οι κορυφές απορρόφησης των διαλυμάτων ΜΒ μειώθηκαν σημαντικά μετά την επεξεργασία με MNC15 και MNC20, όπως φαίνεται στα συμπληρωματικά σχήματα 9b και c, αντίστοιχα.Αυτές οι αλλαγές φαίνονται καθαρά καθώς η συγκέντρωση του διαλύματος MG μειώνεται.Ωστόσο, οι φασματικές αλλαγές που επιτεύχθηκαν και από τους τρεις μαγνητικούς άνθρακες ήταν αρκετές για την απομάκρυνση της χρωστικής μπλε του μεθυλενίου.
Με βάση τον Πίνακα 3, τα αποτελέσματα για την ποσότητα του MC που προσροφήθηκε και το ποσοστό του MC που προσροφήθηκε φαίνονται στο Σχήμα 3. 6. Η προσρόφηση του MG αυξήθηκε με τη χρήση υψηλότερων αρχικών συγκεντρώσεων για όλα τα MNC.Εν τω μεταξύ, το ποσοστό προσρόφησης ή ο ρυθμός απομάκρυνσης MB (MBR) παρουσίασε αντίθετη τάση όταν η αρχική συγκέντρωση αυξήθηκε.Σε χαμηλότερες αρχικές συγκεντρώσεις MC, οι μη κατειλημμένες ενεργές θέσεις παρέμειναν στην επιφάνεια του προσροφητικού.Καθώς η συγκέντρωση της βαφής αυξάνεται, ο αριθμός των μη κατειλημμένων ενεργών θέσεων που είναι διαθέσιμες για την προσρόφηση των μορίων της βαφής θα μειωθεί.Άλλοι έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι υπό αυτές τις συνθήκες θα επιτευχθεί κορεσμός των ενεργών θέσεων βιοπροσρόφησης72.
Δυστυχώς για το MNC10, το MBR αυξήθηκε και μειώθηκε μετά από 10 ppm διαλύματος MB.Ταυτόχρονα, μόνο ένα πολύ μικρό μέρος του MG απορροφάται.Αυτό δείχνει ότι τα 10 ppm είναι η βέλτιστη συγκέντρωση για την προσρόφηση MNC10.Για όλα τα MNC που μελετήθηκαν σε αυτήν την εργασία, η σειρά των ικανοτήτων προσρόφησης ήταν η εξής: MNC20 > MNC15 > MNC10, οι μέσες τιμές ήταν 10,36 mg/g, 6,85 mg/g και 0,71 mg/g, ο μέσος όρος αφαίρεσης των ρυθμών MG ήταν 87, 79%, 62,26% και 5,75%.Έτσι, το MNC20 έδειξε τα καλύτερα χαρακτηριστικά προσρόφησης μεταξύ των συντιθέμενων μαγνητικών νανοανθράκων, λαμβάνοντας υπόψη την ικανότητα προσρόφησης και το ορατό φάσμα UV.Αν και η ικανότητα προσρόφησης είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με άλλους μαγνητικούς νανοάνθρακες όπως το μαγνητικό σύνθετο MWCNT (11,86 mg/g) και τα νανοσωματίδια νανοσωλήνα-μαγνητικά Fe3O4 χαλοϊσίτη (18,44 mg/g), αυτή η μελέτη δεν απαιτεί την πρόσθετη χρήση διεγερτικού.Τα χημικά δρουν ως καταλύτες.παρέχοντας καθαρές και εφικτές συνθετικές μεθόδους73,74.
Όπως φαίνεται από τις τιμές SBET των MNCs, μια υψηλής ειδικής επιφάνειας παρέχει περισσότερες ενεργές θέσεις για την προσρόφηση της λύσης MB.Αυτό γίνεται ένα από τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά των συνθετικών νανοανθράκων.Ταυτόχρονα, λόγω του μικρού μεγέθους των MNC, ο χρόνος σύνθεσης είναι σύντομος και αποδεκτός, γεγονός που αντιστοιχεί στις κύριες ιδιότητες των πολλά υποσχόμενων προσροφητών75.Σε σύγκριση με τα συμβατικά φυσικά προσροφητικά, τα συντιθέμενα MNC είναι μαγνητικά κορεσμένα και μπορούν εύκολα να αφαιρεθούν από το διάλυμα υπό τη δράση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου76.Έτσι, μειώνεται ο χρόνος που απαιτείται για την όλη διαδικασία θεραπείας.
Οι ισόθερμες προσρόφησης είναι απαραίτητες για την κατανόηση της διαδικασίας προσρόφησης και, στη συνέχεια, για να δείξουμε πώς το προσροφητικό διαχωρίζεται μεταξύ της υγρής και στερεάς φάσης όταν επιτυγχάνεται ισορροπία.Οι εξισώσεις Langmuir και Freundlich χρησιμοποιούνται ως τυπικές ισοθερμικές εξισώσεις, οι οποίες εξηγούν τον μηχανισμό της προσρόφησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Το μοντέλο Langmuir δείχνει καλά τον σχηματισμό ενός μόνο προσροφητικού στρώματος στην εξωτερική επιφάνεια του προσροφητικού.Οι ισόθερμες περιγράφονται καλύτερα ως ομοιογενείς επιφάνειες προσρόφησης.Ταυτόχρονα, η ισόθερμη Freundlich δηλώνει καλύτερα τη συμμετοχή πολλών περιοχών προσρόφησης και την ενέργεια προσρόφησης στην πίεση του προσροφημένου υλικού σε μια ανομοιογενή επιφάνεια.
Μοντέλο ισόθερμης για την ισόθερμη Langmuir (a–c) και την ισόθερμη Freundlich (d–f) για τα MNC10, MNC15 και MNC20.
Οι ισόθερμες προσρόφησης σε χαμηλές συγκεντρώσεις διαλυμένης ουσίας είναι συνήθως γραμμικές77.Η γραμμική αναπαράσταση του ισοθερμικού μοντέλου Langmuir μπορεί να εκφραστεί σε μια εξίσωση.1 Προσδιορίστε τις παραμέτρους προσρόφησης.
Το KL (l/mg) είναι μια σταθερά Langmuir που αντιπροσωπεύει τη συγγένεια δέσμευσης του MB σε MNC.Εν τω μεταξύ, qmax είναι η μέγιστη ικανότητα προσρόφησης (mg/g), qe είναι η προσροφημένη συγκέντρωση MC (mg/g) και Ce είναι η συγκέντρωση ισορροπίας του διαλύματος MC.Η γραμμική έκφραση του ισόθερμου μοντέλου Freundlich μπορεί να περιγραφεί ως εξής:
Ώρα δημοσίευσης: Φεβ-16-2023