Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liuguri nuppe.
Mikrolainekiirgusest eralduvate metallide olemasolu on vastuoluline, kuna metallid süttivad kergesti.Huvitav on aga see, et teadlased leidsid, et kaarlahendusnähtus pakub paljutõotavat viisi nanomaterjalide sünteesiks molekulide poolitamise teel.Selles uuringus töötatakse välja üheetapiline, kuid taskukohane sünteetiline meetod, mis ühendab mikrolaineahjus kuumutamise ja elektrikaare, et muuta toorpalmiõli magnetiliseks nanosüsinikuks (MNC), mida võib pidada palmiõli tootmise uueks alternatiiviks.See hõlmab püsivalt keritud roostevabast terastraadist (dielektriline keskkond) ja ferrotseeni (katalüsaator) keskkonna sünteesi osaliselt inertsetes tingimustes.Seda meetodit on edukalt demonstreeritud kuumutamisel temperatuurivahemikus 190,9 kuni 472,0 °C erinevate sünteesiaegadega (10-20 min).Värskelt valmistatud MNC-d näitasid sfäärid keskmise suurusega 20,38–31,04 nm, mesopoorse struktuuriga (SBET: 14,83–151,95 m2/g) ja kõrge fikseeritud süsinikusisaldusega (52,79–71,24 massiprotsenti), samuti D ja G. ribad (ID/g) 0,98–0,99.Uute piikide moodustumine FTIR-spektris (522,29–588,48 cm–1) annab tunnistust FeO ühendite olemasolust ferrotseenis.Magnetomeetrid näitavad ferromagnetiliste materjalide kõrget magnetisatsiooniküllastust (22,32–26,84 emu/g).MNC-de kasutamist reoveepuhastuses on demonstreeritud nende adsorptsioonivõime hindamisega, kasutades metüleensinise (MB) adsorptsioonitesti erinevatel kontsentratsioonidel 5–20 ppm.Sünteesi ajal (20 min) saadud MNC-d näitasid teistega võrreldes kõrgeimat adsorptsiooniefektiivsust (10,36 mg/g) ja MB-värvi eemaldamise määr oli 87,79%.Seetõttu ei ole Langmuiri väärtused Freundlichi väärtustega võrreldes optimistlikud, kuna R2 on umbes 0,80, 0,98 ja 0,99 MNC-de puhul, mis on sünteesitud vastavalt 10 min (MNC10), 15 min (MNC15) ja 20 min (MNC20).Järelikult on adsorptsioonisüsteem heterogeenses olekus.Seetõttu pakub mikrolaineahju kaar lootustandvat meetodit CPO muundamiseks MNC-ks, mis võib eemaldada kahjulikud värvained.
Mikrolainekiirgus võib elektromagnetväljade molekulaarse vastasmõju kaudu soojendada materjalide sisemisi osi.See mikrolaine reaktsioon on ainulaadne selle poolest, et see soodustab kiiret ja ühtlast soojusreaktsiooni.Seega on võimalik kuumutamisprotsessi kiirendada ja keemilisi reaktsioone tõhustada2.Samal ajal võib mikrolainereaktsioon lühema reaktsiooniaja tõttu lõpuks toota kõrge puhtusastmega ja kõrge saagisega tooteid3,4.Oma hämmastavate omaduste tõttu hõlbustab mikrolainekiirgus huvitavaid mikrolaine sünteesi, mida kasutatakse paljudes uuringutes, sealhulgas keemilistes reaktsioonides ja nanomaterjalide sünteesis5,6.Kuumutamisprotsessis mängivad otsustavat rolli söötme sees oleva aktseptori dielektrilised omadused, kuna see tekitab keskkonnas kuuma koha, mis viib erineva morfoloogia ja omadustega nanosüsiniku moodustumiseni.Omoriyekomwani jt uuring.Õõneste süsinik-nanokiudude tootmine palmituumadest, kasutades aktiivsütt ja lämmastikku8.Lisaks määrasid Fu ja Hamid katalüsaatori kasutamise õlipalmikiust aktiivsöe tootmiseks 350 W9 mikrolaineahjus.Seetõttu saab sarnast lähenemisviisi kasutada toorpalmiõli muundamiseks MNC-deks, võttes kasutusele sobivad püüdurid.
Huvitavat nähtust on täheldatud mikrolainekiirguse ja teravate servade, täppide või submikroskoopiliste ebakorrapärasustega metallide vahel10.Nende kahe objekti olemasolu mõjutab elektrikaar või säde (mida tavaliselt nimetatakse kaarlahenduseks)11,12.Kaar soodustab lokaalsemate kuumade punktide teket ja mõjutab reaktsiooni, parandades seeläbi keskkonna keemilist koostist13.See konkreetne ja huvitav nähtus on äratanud erinevaid uuringuid, nagu saasteainete eemaldamine 14, 15, biomassi tõrva krakkimine 16, mikrolaine abil toetatud pürolüüs 17, 18 ja materjali süntees 19, 20, 21.
Viimasel ajal on nanosüsinikud nagu süsiniknanotorud, süsiniku nanosfäärid ja modifitseeritud redutseeritud grafeenoksiid pälvinud tähelepanu oma omaduste tõttu.Nendel nanosüsinikutel on suur potentsiaal rakendustes alates elektritootmisest kuni vee puhastamise või saastest puhastamiseni23.Lisaks on vaja suurepäraseid süsinikuomadusi, kuid samal ajal on vaja häid magnetilisi omadusi.See on väga kasulik multifunktsionaalsetes rakendustes, sealhulgas metalliioonide ja värvainete kõrge adsorptsioon reoveepuhastuses, magnetilised modifikaatorid biokütustes ja isegi kõrge efektiivsusega mikrolaine neelajad24,25,26,27,28.Samal ajal on neil süsinikul veel üks eelis, sealhulgas proovi aktiivse saidi pindala suurenemine.
Viimastel aastatel on magnetiliste nanosüsiniku materjalide uurimine tõusuteel.Tavaliselt on need magnetilised nanosüsinikud multifunktsionaalsed materjalid, mis sisaldavad nanosuuruses magnetilisi materjale, mis võivad põhjustada väliste katalüsaatorite reaktsiooni, näiteks välised elektrostaatilised või vahelduvad magnetväljad29.Magnetiliste omaduste tõttu saab magnetilisi nanosüsinikuid immobiliseerimiseks kombineerida paljude aktiivsete koostisosade ja keerukate struktuuridega30.Samal ajal näitavad magnetilised nanosüsivesinikud (MNC) suurepärast efektiivsust saasteainete adsorbeerimisel vesilahustest.Lisaks võivad MNC-des moodustunud suur eripind ja poorid suurendada adsorptsioonivõimet31.Magnetseparaatorid suudavad eraldada MNC-d väga reaktiivsetest lahustest, muutes need elujõuliseks ja juhitavaks sorbendiks32.
Mitmed teadlased on näidanud, et kvaliteetseid nanosüsinikuid saab toota toores palmiõli abil33,34.Palmiõli, teaduslikult tuntud kui Elais Guneensis, peetakse üheks olulisemaks toiduõliks, mille toodang oli 2021. aastal umbes 76,55 miljonit tonni35. Toorpalmiõli ehk CPO sisaldab tasakaalustatud vahekorras küllastumata rasvhappeid (EFA) ja küllastunud rasvhappeid. (Singapuri rahandusamet).Enamik CPO-s olevaid süsivesinikke on triglütseriidid, glütseriid, mis koosneb kolmest triglütseriidatsetaadi komponendist ja ühest glütserooli komponendist36.Neid süsivesinikke saab üldistada nende tohutu süsinikusisalduse tõttu, muutes need potentsiaalseteks rohelisteks lähteaineteks nanosüsiniku tootmisel37.Kirjanduse andmetel sünteesitakse CNT37,38,39,40, süsiniknanosfääre33,41 ja grafeeni34,42,43 tavaliselt toorpalmiõli või toiduõli abil.Nendel nanosüsinikutel on suur potentsiaal rakendustes alates elektritootmisest kuni vee puhastamise või saastest puhastamiseni.
Termiline süntees, nagu CVD38 või pürolüüs33, on muutunud palmiõli lagundamiseks soodsaks meetodiks.Kahjuks tõstavad protsessi kõrged temperatuurid tootmiskulusid.Eelistatud materjali 44 tootmine nõuab pikki, tüütuid protseduure ja puhastusmeetodeid.Füüsikalise eraldamise ja krakkimise vajadus on aga vaieldamatu, kuna toorpalmiõli püsib kõrgel temperatuuril45.Seetõttu on toorpalmiõli süsinikusisaldusega materjalideks muundamiseks endiselt vaja kõrgemaid temperatuure.Vedelikku kaare võib pidada parimaks potentsiaaliks ja uueks meetodiks magnetilise nanosüsiniku sünteesil 46 .See lähenemine annab otsest energiat lähteainetele ja lahendustele väga erutatud olekus.Kaarlahendus võib põhjustada toorpalmiõli süsiniksidemete katkemise.Kasutatav elektroodide vahekaugus võib aga vajada rangeid nõudeid, mis piirab tööstuslikku ulatust, mistõttu tuleb veel välja töötada tõhus meetod.
Meie teadmiste kohaselt on kaarlahenduse uurimine nanosüsiniku sünteesimise meetodina mikrolaineid kasutades piiratud.Samal ajal ei ole veel täielikult uuritud toorpalmiõli kasutamist lähteainena.Seetõttu on selle uuringu eesmärk uurida võimalust toota toores palmiõli lähteainetest magnetilisi nanosüsinikuid, kasutades mikrolaineahju kasutades elektrikaare.Palmiõli rohkus peaks kajastuma uutes toodetes ja rakendustes.See uus lähenemine palmiõli rafineerimisele võib aidata elavdada majandussektorit ja olla palmiõlitootjate jaoks veel üks sissetulekuallikas, eriti mõjutades väiketalunike palmiõliistandusi.Ayompe jt Aafrika väiketalunikke käsitleva uuringu kohaselt teenivad väiketalunikud rohkem raha ainult siis, kui nad töötlevad ise värskete puuviljade klastreid ja müüvad toorest palmiõli, mitte ei müü seda vahendajatele, mis on kulukas ja tüütu töö47.Samal ajal on COVID-19 tõttu tehase sulgemiste sagenemine mõjutanud palmiõlipõhiseid rakendusi.Huvitav on see, et kuna enamikul majapidamistel on juurdepääs mikrolaineahjudele ning käesolevas uuringus pakutud meetodit võib pidada teostatavaks ja taskukohaseks, võib MNC tootmist pidada alternatiiviks väikesemahulistele palmiõliistandustele.Samal ajal saavad ettevõtted suuremas plaanis investeerida suurtesse reaktoritesse, et toota suuri TNC-sid.
See uuring hõlmab peamiselt sünteesiprotsessi, kasutades roostevaba terast dielektrilise keskkonnana erinevatel aegadel.Enamik mikrolaineid ja nanosüsinikuid kasutavaid üldisi uuringuid näitavad, et vastuvõetav sünteesiaeg on 30 minutit või rohkem33,34.Juurdepääsetava ja teostatava praktilise idee toetamiseks oli selle uuringu eesmärk saada keskmisest madalama sünteesiajaga MNC-sid.Ühtlasi loob uuring pildi tehnoloogiavalmiduse tasemest 3, kuna teooria on laborimastaabis tõestatud ja ellu viidud.Hiljem iseloomustati saadud MNC-sid nende füüsikaliste, keemiliste ja magnetiliste omadustega.Seejärel kasutati saadud MNC-de adsorptsioonivõime demonstreerimiseks metüleensinist.
Toorpalmiõli saadi ettevõttest Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, ja seda kasutatakse sünteesi süsiniku lähteainena.Sel juhul kasutati dielektrilise keskkonnana roostevabast terasest traati läbimõõduga 0,90 mm.Selles töös valiti katalüsaatoriks ferrotseen (puhtus 99%), mis on saadud firmast Sigma-Aldrich, USA.Adsorptsioonikatsetes kasutati täiendavalt metüleensinist (Bendosen, 100 g).
Selles uuringus muudeti kodumajapidamises kasutatav mikrolaineahi (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) mikrolainereaktoriks.Mikrolaineahju ülemisse ossa tehti kolm auku gaasi sisse- ja väljalaske ning termopaari jaoks.Termopaari sondid isoleeriti keraamiliste torudega ja asetati õnnetuste vältimiseks iga katse jaoks samadesse tingimustesse.Vahepeal kasutati proovide ja hingetoru mahutamiseks kolme auguga kaanega borosilikaatklaasist reaktorit.Mikrolainereaktori skemaatilisele diagrammile võib viidata lisajoonisel 1.
Kasutades toorpalmiõli süsiniku lähteainena ja ferrotseeni katalüsaatorina, sünteesiti magnetilised nanosüsikesed.Umbes 5 massiprotsenti ferrotseenkatalüsaatorist valmistati lobrikalüsaatori meetodil.Ferrotseen segati 20 ml toorpalmiõliga kiirusel 60 p/min 30 minutit.Seejärel viidi segu alumiiniumoksiidi tiiglisse ja 30 cm pikkune roostevabast terasest traat keerati kokku ja asetati vertikaalselt tiigli sisse.Asetage alumiiniumoksiidi tiigel klaasreaktorisse ja kinnitage see kindlalt suletud klaaskaanega mikrolaineahju sees.5 minutit enne reaktsiooni algust puhuti kambrisse lämmastikku, et eemaldada kambrist soovimatu õhk.Mikrolainevõimsust on suurendatud 800 W-ni, kuna see on maksimaalne mikrolainevõimsus, mis suudab säilitada hea kaarekäivituse.Seetõttu võib see kaasa aidata sünteetiliste reaktsioonide jaoks soodsate tingimuste loomisele.Samal ajal on see ka laialdaselt kasutatav võimsusvahemik vattides mikrolainete termotuumasünteesi reaktsioonide jaoks48,49.Segu kuumutati reaktsiooni ajal 10, 15 või 20 minutit.Pärast reaktsiooni lõppemist jahutati reaktor ja mikrolaineahi loomulikult toatemperatuurini.Alumiiniumoksiidi tiigli lõpptooteks oli spiraalsete juhtmetega must sade.
Must sade koguti ja pesti mitu korda vaheldumisi etanooli, isopropanooli (70%) ja destilleeritud veega.Pärast pesemist ja puhastamist kuivatatakse toodet üleöö 80°C juures tavapärases ahjus, et aurustada soovimatud lisandid.Seejärel saadus koguti iseloomustamiseks.MNC10, MNC15 ja MNC20 märgistusega proove kasutati magnetiliste nanosüsiniku sünteesimiseks 10 minuti, 15 minuti ja 20 minuti jooksul.
Jälgige MNC morfoloogiat väljaemissiooni skaneeriva elektronmikroskoobi või FESEM-i (Zeiss Auriga mudel) 100–150 kX suurendusega.Samal ajal analüüsiti elementide koostist energiat hajutava röntgenspektroskoopia (EDS) abil.EMF analüüs viidi läbi töökaugusel 2,8 mm ja kiirenduspingel 1 kV.Spetsiifilise pindala ja MNC pooride väärtusi mõõdeti Brunauer-Emmett-Telleri (BET) meetodil, sealhulgas N2 adsorptsiooni-desorptsiooni isotermi 77 K juures. Analüüs viidi läbi mudelpinna mõõturiga (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Magnetiliste nanosüsiniku kristallilisus ja faas määrati pulberröntgendifraktsiooni või XRD (Burker D8 Advance) abil lainepikkusel λ = 0,154 nm.Difraktogrammid registreeriti vahemikus 2θ = 5 kuni 85° skaneerimiskiirusega 2° min-1.Lisaks uuriti MNC-de keemilist struktuuri, kasutades Fourier' transformatsiooni infrapunaspektroskoopiat (FTIR).Analüüs viidi läbi, kasutades Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 skaneerimiskiirustega 4000 kuni 400 cm-1.Magnetiliste nanosüsivesinike struktuuriomaduste uurimisel viidi Ramani spektroskoopia läbi neodüümiga legeeritud laseriga (532 nm) U-RAMAN spektroskoopias 100X objektiiviga.
Raudoksiidi magnetilise küllastuse mõõtmiseks MNC-des kasutati vibreerivat magnetomeetrit või VSM-i (Lake Shore 7400 seeria).Kasutati umbes 8 kOe magnetvälja ja saadi 200 punkti.
Uurides MNC-de potentsiaali adsorbentidena adsorptsioonikatsetes, kasutati katioonset värvainet metüleensinist (MB).MNC-d (20 mg) lisati 20 ml metüleensinise vesilahusele standardkontsentratsiooniga vahemikus 5–20 mg/L50.Lahuse pH määrati kogu uuringu vältel neutraalsele pH-le 7.Lahust segati mehaaniliselt kiirusel 150 p/min ja temperatuuril 303,15 K pöördloksutil (Lab Companion: SI-300R).Seejärel eraldatakse MNC-d magneti abil.MB lahuse kontsentratsiooni jälgimiseks enne ja pärast adsorptsioonikatset kasutage UV-nähtava spektrofotomeetrit (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) ning vaadake metüleensinise standardkõverat maksimaalsel lainepikkusel 664 nm.Katset korrati kolm korda ja anti keskmine väärtus.MG eemaldamine lahusest arvutati tasakaaluseisundis qe adsorbeerunud MC koguse ja eemaldamise protsendi üldvõrrandi abil.
Adsorptsiooni isotermi katsed viidi läbi ka erinevate kontsentratsioonide (5–20 mg/l) MG lahuste ja 20 mg adsorbendi segamisel konstantsel temperatuuril 293,15 K. mg kõigi MNC-de puhul.
Rauda ja magnetilist süsinikku on viimastel aastakümnetel põhjalikult uuritud.Need süsinikupõhised magnetmaterjalid tõmbavad üha enam tähelepanu tänu oma suurepärastele elektromagnetilistele omadustele, mis toovad kaasa mitmesuguseid potentsiaalseid tehnoloogilisi rakendusi, peamiselt elektriseadmetes ja veepuhastuses.Selles uuringus sünteesiti nanosüsivesinikke toorpalmiõlis olevate süsivesinike krakkimise teel, kasutades mikrolainelahendust.Süntees viidi läbi erinevatel aegadel, 10 kuni 20 minutit, prekursori ja katalüsaatori fikseeritud vahekorras (5:1), kasutades metallist voolukollektorit (keeratud SS) ja osaliselt inertset (soovimatut õhku puhastati lämmastikuga katse algus).Saadud süsinikusisaldused on musta tahke pulbri kujul, nagu on näidatud täiendaval joonisel 2a.Sadestunud süsiniku saagis oli ligikaudu 5,57%, 8,21% ja 11,67% sünteesiaegadel vastavalt 10 minutit, 15 minutit ja 20 minutit.See stsenaarium viitab sellele, et pikemad sünteesiajad aitavad kaasa suuremale saagisele51 – madalale saagisele, mis on tõenäoliselt tingitud lühikestest reaktsiooniaegadest ja madalast katalüsaatori aktiivsusest.
Samal ajal võib saadud nanosüsiniku sünteesitemperatuuri ja aja graafikule viidata lisajoonisel 2b.MNC10, MNC15 ja MNC20 kõrgeimad temperatuurid olid vastavalt 190,9 °C, 434,5 °C ja 472 °C.Iga kõvera puhul on näha järsk kalle, mis näitab pidevat temperatuuri tõusu reaktoris metallikaare käigus tekkiva soojuse tõttu.Seda on näha vastavalt 0–2 minuti, 0–5 minuti ja 0–8 minuti järel MNC10, MNC15 ja MNC20 puhul.Pärast teatud punkti saavutamist jätkab kalle hõljumist kõrgeima temperatuurini ja kalle muutub mõõdukaks.
MNC proovide pinna topograafia jälgimiseks kasutati väljaemissiooni skaneerivat elektronmikroskoopiat (FESEM).Nagu on näidatud joonisel fig.Nagu on näidatud joonisel 1, on magnetilistel nanosüsinikutel erineval sünteesiajal veidi erinev morfoloogiline struktuur.FESEM MNC10 pildid joonisel fig.1a, b näitavad, et süsinikukerade moodustumine koosneb suure pindpinevuse tõttu takerdunud ja kinnitatud mikro- ja nanosfääridest.Samal ajal viib van der Waalsi jõudude olemasolu süsiniksfääride koondumiseni52.Sünteesiaja pikenemine tõi kaasa pikemate pragunemisreaktsioonide tõttu väiksemad suurused ja kerade arvu suurenemise.Joonisel fig.1c näitab, et MNC15 on peaaegu täiusliku sfäärilise kujuga.Agregeeritud sfäärid võivad siiski moodustada mesopoore, millest võib hiljem saada häid kohti metüleensinise adsorptsiooniks.Suure, 15 000-kordse suurenduse korral joonisel 1d on näha rohkem süsinikukerasid, mille keskmine suurus on 20,38 nm.
Sünteesitud nanosüsiniku FESEM-pildid pärast 10 minutit (a, b), 15 minutit (c, d) ja 20 minutit (e – g) 7000- ja 15000-kordse suurendusega.
Joonisel fig.1e – g MNC20 kujutab väikeste keradega pooride arengut magnetsöe pinnal ja paneb uuesti kokku magnetilise aktiivsöe morfoloogia53.Erineva läbimõõdu ja laiusega poorid paiknevad juhuslikult magnetilise süsiniku pinnal.Seetõttu võib see selgitada, miks MNC20 näitas suuremat pindala ja pooride mahtu, nagu näitas BET analüüs, kuna selle pinnale moodustus rohkem poore kui muudel sünteetilistel aegadel.Suure 15 000-kordse suurendusega tehtud mikropildid näitasid ebahomogeenseid osakeste suurusi ja ebakorrapäraseid kujusid, nagu on näidatud joonisel 1g.Kui kasvuaega pikendati 20 minutini, moodustusid rohkem aglomeeritud sfäärid.
Huvitaval kombel leiti samast piirkonnast ka keerdunud süsinikuhelbeid.Kerade läbimõõt varieerus vahemikus 5,18 kuni 96,36 nm.See moodustumine võib olla tingitud diferentsiaalsest tuumastumisest, mida soodustavad kõrge temperatuur ja mikrolained.Valmistatud MNC-de arvutatud sfääri suurus oli MNC10 puhul keskmiselt 20,38 nm, MNC15 puhul 24,80 nm ja MNC20 puhul 31,04 nm.Sfääride suurusjaotus on näidatud täiendaval joonisel fig.3.
Täiendav joonis 4 näitab vastavalt MNC10, MNC15 ja MNC20 EDS-spektreid ja elementide koostise kokkuvõtteid.Spektrite järgi märgiti, et iga nanosüsinik sisaldab erinevas koguses C, O ja Fe.See on tingitud mitmesugustest oksüdatsiooni- ja krakkimisreaktsioonidest, mis toimuvad täiendava sünteesiaja jooksul.Arvatakse, et suur kogus C pärineb süsiniku lähteainest, toorpalmiõlist.Samal ajal on O madal protsent tingitud sünteesi käigus toimuvast oksüdatsiooniprotsessist.Samal ajal omistatakse Fe raudoksiidile, mis on ladestunud nanosüsiniku pinnale pärast ferrotseeni lagunemist.Lisaks näitab täiendav joonis 5a–c MNC10, MNC15 ja MNC20 elementide kaardistamist.Põhimõttelise kaardistamise põhjal täheldati, et Fe on MNC pinnal hästi jaotunud.
Lämmastiku adsorptsiooni-desorptsiooni analüüs annab teavet adsorptsioonimehhanismi ja materjali poorse struktuuri kohta.N2 adsorptsiooni isotermid ja MNC BET pinna graafikud on näidatud joonistel fig.2. FESEM-i piltide põhjal eeldatakse, et adsorptsioonikäitumine näitab agregatsiooni tõttu mikropoorsete ja mesopoorsete struktuuride kombinatsiooni.Kuid joonisel 2 olev graafik näitab, et adsorbent meenutab IUPAC55 IV tüüpi isotermi ja H2 tüüpi hüstereesisilmust.Seda tüüpi isotermid on sageli sarnased mesopoorsete materjalide omaga.Mesopooride adsorptsioonikäitumise määrab tavaliselt adsorptsiooni-adsorptsiooni reaktsioonide interaktsioon kondenseerunud aine molekulidega.S-kujulised või S-kujulised adsorptsiooniisotermid on tavaliselt põhjustatud ühekihilisest mitmekihilisest adsorptsioonist, millele järgneb nähtus, mille käigus gaas kondenseerub poorides vedelaks faasiks rõhul, mis jääb alla põhivedeliku küllastusrõhu, mida nimetatakse pooride kondenseerumiseks 56. Kapillaaride kondenseerumine poorides toimub suhtelisel rõhul (p/po) üle 0,50.Samal ajal on keerulisel pooristruktuuril H2-tüüpi hüsterees, mis on tingitud pooride ummistumisest või lekkimisest kitsas vahemikus.
BET-testide tulemusel saadud pinna füüsikalised parameetrid on toodud tabelis 1. BET-i pindala ja pooride kogumaht suurenesid sünteesiaja pikenedes oluliselt.MNC10, MNC15 ja MNC20 keskmised pooride suurused on vastavalt 7,2779 nm, 7,6275 nm ja 7,8223 nm.IUPAC-i soovituste kohaselt võib need vahepealsed poorid klassifitseerida mesopoorseteks materjalideks.Mesopoorne struktuur võib muuta metüleensinise MNC57 abil hõlpsamini läbilaskvaks ja adsorbeeruvaks.Maksimaalne sünteesiaeg (MNC20) näitas suurimat pindala, millele järgnesid MNC15 ja MNC10.Suurem BET-i pindala võib adsorptsioonivõimet parandada, kuna saadaval on rohkem pindaktiivseid aineid.
Sünteesitud MNC-de röntgendifraktsioonimustrid on näidatud joonisel 3. Kõrgetel temperatuuridel praguneb ka ferrotseen ja moodustab raudoksiidi.Joonisel fig.3a on näidatud MNC10 XRD muster.See näitab kahte piiki 2θ, 43,0 ° ja 62,32 ° juures, mis on määratud ɣ-Fe2O3-le (JCPDS #39–1346).Samal ajal on Fe3O4 pingeline piik 2θ juures: 35,27°.Teisest küljest näitab MHC15 difraktsioonimuster joonisel 3b uusi piike, mis on kõige tõenäolisemalt seotud temperatuuri ja sünteesiaja tõusuga.Kuigi 2θ: 26,202° tipp on vähem intensiivne, on difraktsioonimuster kooskõlas grafiidi JCPDS-failiga (JCPDS #75–1621), mis näitab grafiidikristallide olemasolu nanosüsiniku sees.See piik puudub MNC10-s, tõenäoliselt madala kaaretemperatuuri tõttu sünteesi ajal.2θ juures on kolm ajapiiki: 30,082°, 35,502°, 57,422°, mis on omistatud Fe3O4-le.See näitab ka kahte piiki, mis näitavad ɣ-Fe2O3 olemasolu 2θ juures: 43,102 ° ja 62,632 °.20 minuti jooksul sünteesitud MNC puhul (MNC20), nagu on näidatud joonisel 3c, võib MNK15 puhul täheldada sarnast difraktsioonimustrit.Graafilist tippu 26,382° saab näha ka MNC20-s.Kolm teravat piiki, mis on näidatud 2θ juures: 30,102°, 35,612°, 57,402°, on Fe3O4 jaoks.Lisaks on ε-Fe2O3 olemasolu näidatud 2θ juures: 42,972° ja 62,61.Raudoksiidiühendite olemasolu saadud MNC-des võib tulevikus positiivselt mõjutada metüleensinise adsorbeerimise võimet.
Keemilise sideme omadused MNC ja CPO proovides määrati FTIR peegeldusspektritest lisajoonisel 6. Algselt esindasid toorpalmiõli kuus olulist piiki nelja erinevat keemilist komponenti, nagu on kirjeldatud lisatabelis 1. CPO-s tuvastatud põhipiigid on 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 ja 1463,34 cm-1, mis viitavad alkaanide ja muude alifaatsete CH2 või CH3 rühmade CH venitusvibratsioonidele.Tuvastatud tipumetsamehed on 1740,85 cm-1 ja 1160,83 cm-1.Piik 1740,85 cm-1 juures on C=O side, mida pikendab triglütseriidi funktsionaalrühma karbonüülester.Samal ajal on piik 1160,83 cm-1 laiendatud CO58,59 estrirühma jäljend.Samal ajal on piik 813,54 cm-1 alkaanrühma jäljend.
Seetõttu kadusid toorpalmiõlis mõned neeldumispiigid sünteesiaja pikenedes.MNC10 puhul võib endiselt täheldada piike 2913,81 cm-1 ja 2840 cm-1, kuid huvitav on see, et MNC15 ja MNC20 puhul kipuvad piigid oksüdatsiooni tõttu kaduma.Vahepeal näitas magnetiliste nanosüsivesinike FTIR-analüüs äsja moodustunud neeldumispiike, mis esindavad viit erinevat MNC10-20 funktsionaalset rühma.Need piigid on loetletud ka täiendavas tabelis 1. Piik 2325,91 cm-1 juures on CH360 alifaatse rühma asümmeetriline CH venitus.Piik 1463,34–1443,47 cm-1 näitab alifaatsete rühmade, näiteks palmiõli, CH2 ja CH painutamist, kuid piik hakkab aja jooksul vähenema.Piik 813, 54–875, 35 cm–1 on aromaatse CH-alkaanrühma jäljend.
Samal ajal tähistavad piigid lainepikkustel 2101,74 cm-1 ja 1589,18 cm-1 CC61 sidemeid, mis moodustavad vastavalt C=C alküün- ja aromaatsed tsüklid.Väike piik 1695,15 cm-1 juures näitab karbonüülrühma vaba rasvhappe C=O sidet.Seda saadakse sünteesi käigus CPO karbonüülist ja ferrotseenist.Äsja moodustunud piigid vahemikus 539,04 kuni 588,48 cm-1 kuuluvad ferrotseeni Fe-O vibratsioonisidemesse.Täiendaval joonisel 4 näidatud piikide põhjal on näha, et sünteesiaeg võib vähendada mitmeid piike ja magnetiliste nanosüsiniku uuesti sidumist.
Erinevatel sünteesiaegadel saadud magnetiliste nanosüsiniku Ramani hajumise spektroskoopiline analüüs, kasutades langevat laserit lainepikkusega 514 nm, on näidatud joonisel 4. Kõik MNC10, MNC15 ja MNC20 spektrid koosnevad kahest intensiivsest ribast, mis on tavaliselt seotud madala sp3 süsinikuga. leitud nanografiidi kristalliitides, millel on defektid süsinikuliikide sp262 vibratsioonirežiimides.Esimene tipp, mis asub piirkonnas 1333–1354 cm–1, tähistab D-riba, mis on ideaalse grafiidi jaoks ebasoodne ja vastab struktuurilisele häirele ja muudele lisanditele63, 64.Tähtsuselt teine tipp umbes 1537–1595 cm-1 tuleneb tasapinnalisest sideme venitusest või kristalse ja korrastatud grafiidi vormidest.Piik nihkus aga grafiidi G-ribaga võrreldes umbes 10 cm-1, mis näitab, et MNC-del on madal lehtede virnastamise järjekord ja defektne struktuur.Kristalliitide ja grafiidiproovide puhtuse hindamiseks kasutatakse D- ja G-ribade suhtelist intensiivsust (ID/IG).Ramani spektroskoopilise analüüsi kohaselt olid kõigil MNC-del ID / IG väärtused vahemikus 0, 98–0, 99, mis viitab Sp3 hübridisatsioonist tingitud struktuurilistele defektidele.Selline olukord võib seletada vähem intensiivsete 2θ piikide esinemist XPA spektrites: 26,20° MNK15 ja 26,28° MNK20 puhul, nagu on näidatud joonisel 4, mis on JCPDS failis omistatud grafiidi piigile.Selles töös saadud ID/IG MNC suhted jäävad teiste magnetiliste nanosüsiniku vahemikku, näiteks hüdrotermilise meetodi puhul 0,85–1,03 ja pürolüütilise meetodi puhul 0,78–0,9665,66.Seetõttu näitab see suhe, et käesolevat sünteesimeetodit saab laialdaselt kasutada.
MNC-de magnetilisi omadusi analüüsiti vibreeriva magnetomeetri abil.Saadud hüsterees on näidatud joonisel 5.Reeglina omandavad MNC-d oma magnetismi sünteesi käigus ferrotseenist.Need täiendavad magnetilised omadused võivad tulevikus suurendada nanosüsiniku adsorptsioonivõimet.Nagu on näidatud joonisel 5, saab proove identifitseerida superparamagnetiliste materjalidena.Wahajuddin & Arora67 sõnul on superparamagnetiline olek see, et proov magnetiseeritakse välise magnetvälja rakendamisel küllastusmagnetiseerimiseni (MS).Hiljem ei esine proovides enam jääkmagnetilisi interaktsioone67.Tähelepanuväärne on, et küllastuse magnetiseerimine suureneb sünteesi ajaga.Huvitav on see, et MNC15-l on kõrgeim magnetiline küllastus, kuna tugevat magnetilist moodustumist (magnetiseerumist) võib põhjustada optimaalne sünteesiaeg välise magneti juuresolekul.See võib olla tingitud Fe3O4 olemasolust, millel on paremad magnetilised omadused võrreldes teiste raudoksiididega, näiteks ɣ-Fe2O.Küllastuse adsorptsioonimomendi järjekord MNC-de massiühiku kohta on MNC15>MNC10>MNC20.Saadud magnetilised parameetrid on toodud tabelis.2.
Magnetilise küllastuse minimaalne väärtus tavaliste magnetite kasutamisel magneteraldusel on umbes 16,3 emu g-1.MNC-de võime eemaldada saasteaineid, näiteks värvaineid veekeskkonnas, ja MNC-de eemaldamise lihtsus on muutunud saadud nanosüsiniku jaoks täiendavateks teguriteks.Uuringud on näidanud, et LSM-i magnetilist küllastust peetakse kõrgeks.Seega saavutasid kõik proovid magnetilise eraldusprotseduuri jaoks enam kui piisava magnetilise küllastuse väärtuse.
Hiljuti on metallribad või -traadid pälvinud tähelepanu katalüsaatoritena või dielektrikutena mikrolainesulatusprotsessides.Metallide mikrolainereaktsioonid põhjustavad kõrgeid temperatuure või reaktsioone reaktoris.Selles uuringus väidetakse, et ots ja konditsioneeritud (keeratud) roostevabast terasest traat hõlbustavad mikrolaineahju tühjendamist ja metalli kuumutamist.Roostevaba terase otsas on tugev karedus, mis põhjustab pinna laengu tiheduse ja välise elektrivälja kõrgeid väärtusi.Kui laeng on saavutanud piisava kineetilise energia, hüppavad laetud osakesed roostevabast terasest välja, põhjustades keskkonna ioniseerumist, tekitades tühjenemise või sädeme 68 .Metallist väljutamine aitab oluliselt kaasa lahuse pragunemise reaktsioonidele, millega kaasnevad kõrge temperatuuriga kuumad kohad.Täiendaval joonisel 2b oleva temperatuurikaardi järgi tõuseb temperatuur kiiresti, mis näitab lisaks tugevale tühjenemisele ka kõrge temperatuuriga kuumade kohtade olemasolu.
Sel juhul täheldatakse termilist efekti, kuna nõrgalt seotud elektronid võivad liikuda ja keskenduda pinnale ja tipule69.Roostevaba terase kerimisel aitab metalli suur pind lahuses esile kutsuda pöörisvoolu materjali pinnal ja säilitab kütteefekti.See seisund aitab tõhusalt lõhustada CPO ja ferrotseeni ja ferrotseeni pikki süsinikuahelaid.Nagu on näidatud lisajoonisel 2b, näitab konstantne temperatuurikiirus, et lahuses on täheldatud ühtlast kuumutusefekti.
MNC-de moodustamise kavandatud mehhanism on näidatud lisajoonisel 7. CPO ja ferrotseeni pikad süsinikuahelad hakkavad kõrgel temperatuuril pragunema.Õli laguneb, moodustades lõhestatud süsivesinikke, millest saavad süsiniku lähteained, mida FESEM MNC1070 pildil tuntakse gloobulitena.Keskkonna energia ja rõhu tõttu 71 atmosfääritingimustes.Samal ajal praguneb ka ferrotseen, moodustades Fe-le sadestunud süsinikuaatomitest katalüsaatori.Seejärel toimub kiire tuuma moodustumine ja süsiniku tuum oksüdeerub, moodustades tuuma peal amorfse ja grafiitse süsinikukihi.Aja pikenedes muutub sfääri suurus täpsemaks ja ühtlasemaks.Samas viivad olemasolevad van der Waalsi jõud ka sfääride koondumiseni52.Fe ioonide redutseerimisel Fe3O4-ks ja ɣ-Fe2O3-ks (vastavalt röntgenfaasi analüüsile) tekivad nanosüsiniku pinnale erinevat tüüpi raudoksiidid, mis viib magnetiliste nanosüsiniku moodustumiseni.EDS-i kaardistamine näitas, et Fe aatomid olid MNC pinnal tugevalt jaotunud, nagu on näidatud täiendavatel joonistel 5a-c.
Erinevus seisneb selles, et 20-minutilise sünteesi ajal toimub süsiniku agregatsioon.See moodustab MNC-de pinnale suuremad poorid, mis viitab sellele, et MNC-sid võib pidada aktiivsöeks, nagu on näidatud FESEM-i piltidel joonisel 1e–g.See pooride suuruse erinevus võib olla seotud ferrotseenist pärineva raudoksiidi panusega.Samal ajal on saavutatud kõrge temperatuuri tõttu deformeerunud kaalud.Magnetilistel nanosüsinikutel on erinevatel sünteesiaegadel erinev morfoloogia.Nanosüsinikud moodustavad tõenäolisemalt lühema sünteesiajaga sfäärilisi kujundeid.Samal ajal on poorid ja soomused saavutatavad, kuigi sünteesiaja erinevus on vaid 5 minuti sees.
Magnetilised nanosüsinikud võivad eemaldada veekeskkonnast saasteaineid.Nende võime pärast kasutamist kergesti eemaldada on täiendav tegur selles töös saadud nanosüsiniku kasutamisel adsorbentidena.Magnetiliste nanosüsiniku adsorptsiooniomaduste uurimisel uurisime MNC-de võimet värvituks muuta metüleensinise (MB) lahused temperatuuril 30 ° C ilma pH-d reguleerimata.Mitmed uuringud on jõudnud järeldusele, et süsiniku absorbentide jõudlus temperatuurivahemikus 25–40 °C ei mängi MC eemaldamise määramisel olulist rolli.Kuigi äärmuslikud pH väärtused mängivad olulist rolli, võivad pinnal tekkida funktsionaalrühmad laengud, mis põhjustab adsorbaadi ja adsorbendi interaktsiooni katkemist ja mõjutab adsorptsiooni.Seetõttu valiti käesolevas uuringus ülaltoodud tingimused neid olukordi ja tüüpilise reoveepuhastuse vajadust arvestades.
Selles töös viidi läbi partii adsorptsioonikatse, lisades fikseeritud kontaktajal 20 mg MNC-sid 20 ml metüleensinise vesilahusele erinevate standardsete algkontsentratsioonidega (5–20 ppm).Täiendav joonis 8 näitab metüleensinise lahuste erinevate kontsentratsioonide (5–20 ppm) olekut enne ja pärast töötlemist MNC10, MNC15 ja MNC20-ga.Erinevate MNC-de kasutamisel langes MB lahenduste värvitase.Huvitaval kombel leiti, et MNC20 muutis MB lahuste värvi kergesti kontsentratsioonis 5 ppm.Samal ajal alandas MNC20 ka MB-lahenduse värvitaset võrreldes teiste MNC-dega.MNC10-20 UV-nähtav spekter on näidatud lisajoonisel 9. Samal ajal on eemaldamiskiiruse ja adsorptsiooni andmed näidatud vastavalt joonisel 9. 6 ja tabelis 3.
Tugevaid metüleensinise piike võib leida lainepikkustel 664 nm ja 600 nm.Reeglina väheneb piigi intensiivsus järk-järgult koos MG lahuse algkontsentratsiooni vähenemisega.Täiendaval joonisel 9a on näidatud erinevate kontsentratsioonidega MB lahuste UV-nähtavad spektrid pärast töötlemist MNC10-ga, mis muutis piikide intensiivsust vaid veidi.Teisest küljest vähenesid MB lahuste absorptsioonipiigid pärast MNC15 ja MNC20-ga töötlemist märkimisväärselt, nagu on näidatud vastavalt täiendavatel joonistel 9b ja c.Need muutused on selgelt näha, kui MG lahuse kontsentratsioon väheneb.Kuid kõigi kolme magnetilise süsiniku poolt saavutatud spektraalmuutused olid metüleensinise värvaine eemaldamiseks piisavad.
Tabeli 3 põhjal on tulemused adsorbeeritud MC koguse ja adsorbeeritud MC protsendi kohta näidatud joonisel 3. 6. MG adsorptsioon suurenes kõigi MNC-de kõrgemate algkontsentratsioonide kasutamisel.Vahepeal näitas adsorptsiooniprotsent või MB eemaldamise kiirus (MBR) esialgse kontsentratsiooni suurenemisel vastupidist suundumust.Madalamate algsete MC kontsentratsioonide korral jäid adsorbendi pinnale hõivamata aktiivsed saidid.Värvaine kontsentratsiooni kasvades väheneb värvimolekulide adsorptsiooniks saadaolevate vabade aktiivsete saitide arv.Teised on jõudnud järeldusele, et nendes tingimustes saavutatakse biosorptsiooni aktiivsete saitide küllastumine72.
Kahjuks MNC10 puhul MBR suurenes ja vähenes pärast 10 ppm MB lahust.Samal ajal adsorbeerub ainult väga väike osa MG-st.See näitab, et 10 ppm on MNC10 adsorptsiooni optimaalne kontsentratsioon.Kõigi selles töös uuritud MNC-de puhul oli adsorptsioonivõime järjekord järgmine: MNC20 > MNC15 > MNC10, keskmised väärtused olid 10,36 mg/g, 6,85 mg/g ja 0,71 mg/g, MG määrade keskmine eemaldamine oli 87, 79%, 62,26% ja 5,75%.Seega näitas MNC20 sünteesitud magnetiliste nanosüsivesinike seas parimaid adsorptsiooniomadusi, võttes arvesse adsorptsioonivõimet ja UV-nähtavat spektrit.Kuigi adsorptsioonivõime on madalam võrreldes teiste magnetiliste nanosüsinikutega, nagu MWCNT magnetkomposiit (11,86 mg/g) ja halloysiidi nanotoru-magnetilised Fe3O4 nanoosakesed (18,44 mg/g), ei nõua see uuring stimulandi täiendavat kasutamist.Kemikaalid toimivad katalüsaatoritena.puhaste ja teostatavate sünteetiliste meetodite pakkumine73,74.
Nagu näitavad MNC-de SBET väärtused, pakub kõrge spetsiifiline pind MB lahuse adsorptsiooniks aktiivsemaid kohti.Sellest on saamas sünteetiliste nanosüsivesinike üks põhiomadusi.Samal ajal on MNC-de väiksuse tõttu sünteesiaeg lühike ja vastuvõetav, mis vastab paljutõotavate adsorbentide peamistele omadustele75.Võrreldes tavaliste looduslike adsorbentidega on sünteesitud MNC-d magnetiliselt küllastunud ja neid saab välise magnetvälja toimel lahusest kergesti eemaldada76.Seega väheneb kogu raviprotsessile kuluv aeg.
Adsorptsiooni isotermid on olulised adsorptsiooniprotsessi mõistmiseks ja seejärel selleks, et näidata, kuidas tasakaal saavutamisel adsorbeerub vedela ja tahke faasi vahel.Langmuiri ja Freundlichi võrrandeid kasutatakse standardsete isotermvõrrandidena, mis selgitavad adsorptsiooni mehhanismi, nagu on näidatud joonisel 7. Langmuiri mudel näitab hästi ühe adsorbaadikihi moodustumist adsorbendi välispinnale.Isoterme kirjeldatakse kõige paremini homogeensete adsorptsioonipindadena.Samal ajal näitab Freundlichi isoterm kõige paremini mitme adsorbeeriva piirkonna osalemist ja adsorptsioonienergiat adsorbaadi pressimisel ebahomogeensele pinnale.
Mudelisoterm Langmuiri isotermile (a–c) ja Freundlichi isotermile (d–f) MNC10, MNC15 ja MNC20 jaoks.
Adsorptsiooni isotermid madalate lahustunud aine kontsentratsioonide korral on tavaliselt lineaarsed77.Langmuiri isotermi mudeli lineaarset esitust saab väljendada võrrandis.1 Määrake adsorptsiooni parameetrid.
KL (l/mg) on Langmuiri konstant, mis tähistab MB seondumisafiinsust MNC-ga.Samal ajal on qmax maksimaalne adsorptsioonivõime (mg/g), qe on MC adsorbeeritud kontsentratsioon (mg/g) ja Ce on MC lahuse tasakaalukontsentratsioon.Freundlichi isotermi mudeli lineaarset väljendust saab kirjeldada järgmiselt:
Postitusaeg: 16. veebruar 2023