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L'esistenza dei metalli emessi dalle radiazioni a microonde è controversa perché i metalli si infiammano facilmente.Ma ciò che è interessante è che i ricercatori hanno scoperto che il fenomeno della scarica ad arco offre una via promettente per la sintesi di nanomateriali mediante la scissione delle molecole.Questo studio sta sviluppando un metodo sintetico in un’unica fase ma conveniente che combina il riscaldamento a microonde e un arco elettrico per convertire l’olio di palma grezzo in nanocarbonio magnetico (MNC), che può essere considerato una nuova alternativa per la produzione di olio di palma.Implica la sintesi di un mezzo con filo di acciaio inossidabile avvolto in modo permanente (mezzo dielettrico) e ferrocene (catalizzatore) in condizioni parzialmente inerti.Questo metodo è stato dimostrato con successo per il riscaldamento nell'intervallo di temperature da 190,9 a 472,0°C con vari tempi di sintesi (10-20 min).Le MNC appena preparate hanno mostrato sfere con una dimensione media di 20,38–31,04 nm, una struttura mesoporosa (SBET: 14,83–151,95 m2/g) e un alto contenuto di carbonio fisso (52,79–71,24 in peso%), nonché D e G bande (ID/g) 0,98–0,99.La formazione di nuovi picchi nello spettro FTIR (522,29–588,48 cm–1) testimonia a favore della presenza di composti FeO nel ferrocene.I magnetometri mostrano un'elevata saturazione della magnetizzazione (22,32–26,84 emu/g) nei materiali ferromagnetici.L'uso delle MNC nel trattamento delle acque reflue è stato dimostrato valutando la loro capacità di adsorbimento utilizzando un test di adsorbimento del blu di metilene (MB) a varie concentrazioni da 5 a 20 ppm.Gli MNC ottenuti al momento della sintesi (20 minuti) hanno mostrato la massima efficienza di adsorbimento (10,36 mg/g) rispetto ad altri e il tasso di rimozione del colorante MB è stato dell'87,79%.Pertanto, i valori di Langmuir non sono ottimisti rispetto ai valori di Freundlich, con R2 pari a circa 0,80, 0,98 e 0,99 per le MNC sintetizzate rispettivamente a 10 minuti (MNC10), 15 minuti (MNC15) e 20 minuti (MNC20).Di conseguenza, il sistema di adsorbimento si trova in uno stato eterogeneo.Pertanto, l’arco a microonde offre un metodo promettente per convertire CPO in MNC, che può rimuovere coloranti dannosi.
La radiazione a microonde può riscaldare le parti più interne dei materiali attraverso l’interazione molecolare dei campi elettromagnetici.Questa risposta alle microonde è unica in quanto promuove una risposta termica rapida e uniforme.In questo modo è possibile accelerare il processo di riscaldamento e potenziare le reazioni chimiche2.Allo stesso tempo, grazie al tempo di reazione più breve, la reazione a microonde può infine produrre prodotti di elevata purezza e resa elevata3,4.Grazie alle sue straordinarie proprietà, la radiazione a microonde facilita interessanti sintesi a microonde che vengono utilizzate in molti studi, comprese le reazioni chimiche e la sintesi di nanomateriali5,6.Durante il processo di riscaldamento, le proprietà dielettriche dell'accettore all'interno del mezzo svolgono un ruolo decisivo, poiché crea un punto caldo nel mezzo, che porta alla formazione di nanocarburi con morfologie e proprietà diverse.Uno studio di Omoriyekomwan et al.Produzione di nanofibre cave di carbonio da semi di palma utilizzando carbone attivo e azoto8.Inoltre, Fu e Hamid hanno determinato l'uso di un catalizzatore per la produzione di carbone attivo in fibra di palma da olio in un forno a microonde 350 W9.Pertanto, un approccio simile può essere utilizzato per convertire l’olio di palma grezzo in multinazionali introducendo idonei scavenger.
È stato osservato un fenomeno interessante tra la radiazione a microonde e i metalli con spigoli vivi, punti o irregolarità submicroscopiche10.La presenza di questi due oggetti sarà influenzata da un arco elettrico o da una scintilla (comunemente definita scarica ad arco)11,12.L'arco favorirà la formazione di punti caldi più localizzati e influenzerà la reazione, migliorando così la composizione chimica dell'ambiente13.Questo particolare e interessante fenomeno ha attirato vari studi come la rimozione dei contaminanti14,15, il cracking del catrame della biomassa16, la pirolisi assistita da microonde17,18 e la sintesi dei materiali19,20,21.
Recentemente, i nanocarburi come i nanotubi di carbonio, le nanosfere di carbonio e l'ossido di grafene ridotto modificato hanno attirato l'attenzione per le loro proprietà.Questi nanocarburi hanno un grande potenziale per applicazioni che vanno dalla produzione di energia alla purificazione o decontaminazione dell’acqua23.Inoltre sono richieste eccellenti proprietà del carbonio, ma allo stesso tempo buone proprietà magnetiche.Ciò è molto utile per applicazioni multifunzionali, tra cui l'elevato assorbimento di ioni metallici e coloranti nel trattamento delle acque reflue, modificatori magnetici nei biocarburanti e persino assorbitori di microonde ad alta efficienza24,25,26,27,28.Allo stesso tempo, questi carboni presentano un altro vantaggio, compreso un aumento della superficie del sito attivo del campione.
Negli ultimi anni, la ricerca sui materiali magnetici in nanocarbonio è in aumento.Tipicamente, questi nanocarburi magnetici sono materiali multifunzionali contenenti materiali magnetici di dimensioni nanometriche che possono far reagire catalizzatori esterni, come campi magnetici elettrostatici o alternati esterni29.Grazie alle loro proprietà magnetiche, i nanocarburi magnetici possono essere combinati con un’ampia gamma di principi attivi e strutture complesse per l’immobilizzazione30.Nel frattempo, i nanocarburi magnetici (MNC) mostrano un’eccellente efficienza nell’adsorbire gli inquinanti dalle soluzioni acquose.Inoltre, l’elevata superficie specifica e i pori formati nelle MNC possono aumentare la capacità di adsorbimento31.I separatori magnetici possono separare le multinazionali da soluzioni altamente reattive, trasformandole in un assorbente vitale e gestibile32.
Diversi ricercatori hanno dimostrato che è possibile produrre nanocarburi di alta qualità utilizzando olio di palma grezzo33,34.L'olio di palma, scientificamente noto come Elais Guneensis, è considerato uno degli oli commestibili più importanti con una produzione di circa 76,55 milioni di tonnellate nel 202135. L'olio di palma grezzo o CPO contiene un rapporto equilibrato di acidi grassi insaturi (EFA) e acidi grassi saturi (Autorità monetaria di Singapore).La maggior parte degli idrocarburi presenti nel CPO sono trigliceridi, un gliceride composto da tre componenti di acetato di trigliceridi e un componente di glicerolo36.Questi idrocarburi possono essere generalizzati a causa del loro enorme contenuto di carbonio, rendendoli potenziali precursori verdi per la produzione di nanocarbonio37.Secondo la letteratura, CNT37,38,39,40, nanosfere di carbonio33,41 e grafene34,42,43 sono solitamente sintetizzati utilizzando olio di palma grezzo o olio commestibile.Questi nanocarburi hanno un grande potenziale in applicazioni che vanno dalla produzione di energia alla purificazione o decontaminazione dell’acqua.
La sintesi termica come la CVD38 o la pirolisi33 è diventata un metodo favorevole per la decomposizione dell'olio di palma.Sfortunatamente, le alte temperature del processo aumentano i costi di produzione.La produzione del materiale preferito 44 richiede procedure e metodi di pulizia lunghi e noiosi.Tuttavia, la necessità di separazione fisica e cracking è innegabile data la buona stabilità dell’olio di palma grezzo alle alte temperature45.Pertanto, sono ancora necessarie temperature più elevate per convertire l’olio di palma grezzo in materiali carboniosi.L'arco liquido può essere considerato il miglior potenziale e il nuovo metodo per la sintesi di nanocarbonio magnetico 46 .Questo approccio fornisce energia diretta per precursori e soluzioni in stati altamente eccitati.Una scarica ad arco può causare la rottura dei legami di carbonio nell’olio di palma grezzo.Tuttavia, la spaziatura degli elettrodi utilizzata potrebbe dover soddisfare requisiti rigorosi, che limiteranno la scala industriale, quindi è ancora necessario sviluppare un metodo efficiente.
Per quanto ne sappiamo, la ricerca sulla scarica ad arco che utilizza le microonde come metodo per sintetizzare i nanocarburi è limitata.Allo stesso tempo, l’uso dell’olio di palma grezzo come precursore non è stato completamente esplorato.Pertanto, questo studio mira a esplorare la possibilità di produrre nanocarburi magnetici da precursori di olio di palma grezzo utilizzando un arco elettrico utilizzando un forno a microonde.L’abbondanza di olio di palma dovrebbe riflettersi in nuovi prodotti e applicazioni.Questo nuovo approccio alla raffinazione dell’olio di palma potrebbe contribuire a rilanciare il settore economico e costituire un’altra fonte di reddito per i produttori di olio di palma, in particolare per le piantagioni di olio di palma dei piccoli agricoltori colpite.Secondo uno studio sui piccoli proprietari terrieri africani condotto da Ayompe et al., i piccoli proprietari guadagnano di più solo se lavorano essi stessi i grappoli di frutta fresca e vendono olio di palma grezzo invece di venderlo a intermediari, il che è un lavoro costoso e noioso47.Allo stesso tempo, un aumento delle chiusure di fabbriche a causa del COVID-19 ha avuto ripercussioni sui prodotti applicativi a base di olio di palma.È interessante notare che, poiché la maggior parte delle famiglie ha accesso ai forni a microonde e il metodo proposto in questo studio può essere considerato fattibile e conveniente, la produzione delle multinazionali può essere considerata un’alternativa alle piantagioni di olio di palma su piccola scala.Nel frattempo, su scala più ampia, le aziende possono investire in grandi reattori per produrre grandi multinazionali.
Questo studio copre principalmente il processo di sintesi utilizzando l'acciaio inossidabile come mezzo dielettrico per varie durate.La maggior parte degli studi generali che utilizzano microonde e nanocarburi suggeriscono un tempo di sintesi accettabile di 30 minuti o più33,34.Al fine di supportare un'idea pratica accessibile e fattibile, questo studio mirava a ottenere MNC con tempi di sintesi inferiori alla media.Allo stesso tempo, lo studio dipinge un quadro del livello di preparazione tecnologica 3 poiché la teoria è dimostrata e implementata su scala di laboratorio.Successivamente, le multinazionali risultanti sono state caratterizzate dalle loro proprietà fisiche, chimiche e magnetiche.Il blu di metilene è stato quindi utilizzato per dimostrare la capacità di adsorbimento delle MNC risultanti.
L'olio di palma grezzo è stato ottenuto dallo stabilimento Apas Balung, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, ed è utilizzato come precursore del carbonio per la sintesi.In questo caso come mezzo dielettrico è stato utilizzato un filo di acciaio inossidabile con un diametro di 0,90 mm.Il ferrocene (purezza 99%), ottenuto da Sigma-Aldrich, USA, è stato scelto come catalizzatore in questo lavoro.Per gli esperimenti di adsorbimento è stato inoltre utilizzato il blu di metilene (Bendosen, 100 g).
In questo studio, un forno a microonde domestico (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) è stato convertito in un reattore a microonde.Nella parte superiore del forno a microonde sono stati realizzati tre fori per l'entrata e l'uscita del gas e una termocoppia.Le sonde della termocoppia sono state isolate con tubi ceramici e poste nelle stesse condizioni per ciascun esperimento per prevenire incidenti.Nel frattempo, per accogliere i campioni e la trachea è stato utilizzato un reattore in vetro borosilicato con coperchio a tre fori.È possibile fare riferimento a un diagramma schematico di un reattore a microonde nella Figura 1 supplementare.
Utilizzando olio di palma grezzo come precursore del carbonio e ferrocene come catalizzatore, sono stati sintetizzati nanocarburi magnetici.Circa il 5% in peso del catalizzatore ferrocenico è stato preparato mediante il metodo del catalizzatore in sospensione.Il ferrocene è stato miscelato con 20 ml di olio di palma grezzo a 60 giri al minuto per 30 minuti.La miscela è stata quindi trasferita in un crogiolo di allumina e un filo di acciaio inossidabile lungo 30 cm è stato avvolto a spirale e posto verticalmente all'interno del crogiolo.Posizionare il crogiolo di allumina nel reattore di vetro e fissarlo saldamente all'interno del forno a microonde con un coperchio di vetro sigillato.L'azoto è stato insufflato nella camera 5 minuti prima dell'inizio della reazione per rimuovere l'aria indesiderata dalla camera.La potenza delle microonde è stata aumentata a 800 W perché questa è la potenza massima delle microonde in grado di mantenere un buon innesco dell'arco.Pertanto, ciò può contribuire alla creazione di condizioni favorevoli per le reazioni sintetiche.Allo stesso tempo, questo è anche un intervallo di potenza in watt ampiamente utilizzato per le reazioni di fusione a microonde48,49.La miscela è stata riscaldata per 10, 15 o 20 minuti durante la reazione.Dopo il completamento della reazione, il reattore e il microonde sono stati raffreddati naturalmente a temperatura ambiente.Il prodotto finale nel crogiolo di allumina era un precipitato nero con fili elicoidali.
Il precipitato nero è stato raccolto e lavato più volte alternativamente con etanolo, isopropanolo (70%) e acqua distillata.Dopo il lavaggio e la pulitura, il prodotto viene essiccato per una notte a 80°C in un forno convenzionale per far evaporare le impurità indesiderate.Il prodotto è stato quindi raccolto per la caratterizzazione.I campioni etichettati MNC10, MNC15 e MNC20 sono stati utilizzati per sintetizzare nanocarburi magnetici per 10 minuti, 15 minuti e 20 minuti.
Osservare la morfologia della MNC con un microscopio elettronico a scansione a emissione di campo o FESEM (modello Zeiss Auriga) con un ingrandimento da 100 a 150 kX.Allo stesso tempo, la composizione elementare è stata analizzata mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS).L'analisi EMF è stata effettuata ad una distanza di lavoro di 2,8 mm e una tensione di accelerazione di 1 kV.L'area superficiale specifica e i valori dei pori MNC sono stati misurati con il metodo Brunauer-Emmett-Teller (BET), inclusa l'isoterma di adsorbimento-desorbimento di N2 a 77 K. L'analisi è stata eseguita utilizzando un misuratore di area superficiale modello (MICROMERITIC ASAP 2020) .
La cristallinità e la fase dei nanocarburi magnetici sono state determinate mediante diffrazione di raggi X su polvere o XRD (Burker D8 Advance) a λ = 0,154 nm.I diffrattogrammi sono stati registrati tra 2θ = 5 e 85° con una velocità di scansione di 2° min-1.Inoltre, la struttura chimica delle multinazionali è stata studiata utilizzando la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR).L'analisi è stata eseguita utilizzando un Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 con velocità di scansione comprese tra 4000 e 400 cm-1.Nello studio delle caratteristiche strutturali dei nanocarburi magnetici, la spettroscopia Raman è stata eseguita utilizzando un laser drogato al neodimio (532 nm) nella spettroscopia U-RAMAN con un obiettivo 100X.
Per misurare la saturazione magnetica dell'ossido di ferro nelle multinazionali è stato utilizzato un magnetometro a vibrazione o VSM (serie Lake Shore 7400).È stato utilizzato un campo magnetico di circa 8 kOe e sono stati ottenuti 200 punti.
Nello studio del potenziale delle MNC come adsorbenti negli esperimenti di adsorbimento, è stato utilizzato il colorante cationico blu di metilene (MB).Gli MNC (20 mg) sono stati aggiunti a 20 ml di una soluzione acquosa di blu di metilene con concentrazioni standard comprese tra 5 e 20 mg/L50.Il pH della soluzione è stato impostato su un pH neutro pari a 7 durante tutto lo studio.La soluzione è stata agitata meccanicamente a 150 giri al minuto e 303,15 K su un agitatore rotante (Lab Companion: SI-300R).Le MNC vengono quindi separate utilizzando un magnete.Utilizzare uno spettrofotometro UV-visibile (spettrofotometro UV-Vis Varian Cary 50) per osservare la concentrazione della soluzione MB prima e dopo l'esperimento di adsorbimento e fare riferimento alla curva standard del blu di metilene a una lunghezza d'onda massima di 664 nm.L'esperimento è stato ripetuto tre volte ed è stato fornito il valore medio.La rimozione di MG dalla soluzione è stata calcolata utilizzando l'equazione generale per la quantità di MC adsorbito all'equilibrio qe e la percentuale di rimozione%.
Sono stati condotti anche esperimenti sull'isoterma di adsorbimento agitando varie concentrazioni (5-20 mg/l) di soluzioni MG e 20 mg di adsorbente ad una temperatura costante di 293,15 K. mg per tutte le multinazionali.
Il ferro e il carbonio magnetico sono stati ampiamente studiati negli ultimi decenni.Questi materiali magnetici a base di carbonio stanno attirando sempre più attenzione grazie alle loro eccellenti proprietà elettromagnetiche, che portano a varie potenziali applicazioni tecnologiche, principalmente negli elettrodomestici e nel trattamento delle acque.In questo studio, i nanocarburi sono stati sintetizzati crackando gli idrocarburi nell’olio di palma grezzo utilizzando una scarica a microonde.La sintesi è stata effettuata in tempi diversi, da 10 a 20 minuti, con un rapporto fisso (5:1) tra precursore e catalizzatore, utilizzando un collettore di corrente metallico (SS twistato) e parzialmente inerte (aria indesiderata spurgata con azoto al livello inizio dell'esperimento).I depositi carboniosi risultanti sono sotto forma di una polvere solida nera, come mostrato nella Figura 2a supplementare.Le rese di carbonio precipitato erano circa 5,57%, 8,21% e 11,67% con tempi di sintesi di 10 minuti, 15 minuti e 20 minuti, rispettivamente.Questo scenario suggerisce che tempi di sintesi più lunghi contribuiscono a rese più elevate51 – rese basse, molto probabilmente a causa dei tempi di reazione brevi e della bassa attività del catalizzatore.
Nel frattempo, un grafico della temperatura di sintesi in funzione del tempo per i nanocarburi ottenuti può essere fatto riferimento nella Figura 2b supplementare.Le temperature più alte ottenute per MNC10, MNC15 e MNC20 sono state rispettivamente 190,9°C, 434,5°C e 472°C.Per ciascuna curva si può vedere una forte pendenza, che indica un aumento costante della temperatura all'interno del reattore a causa del calore generato durante l'arco metallico.Questo può essere visto a 0–2 minuti, 0–5 minuti e 0–8 minuti rispettivamente per MNC10, MNC15 e MNC20.Dopo aver raggiunto un certo punto, la pendenza continua a raggiungere la temperatura più alta e la pendenza diventa moderata.
La microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM) è stata utilizzata per osservare la topografia superficiale dei campioni MNC.Come mostrato in fig.1, i nanocarburi magnetici hanno una struttura morfologica leggermente diversa in un momento diverso di sintesi.Immagini di FESEM MNC10 in fig.1a,b mostrano che la formazione di sfere di carbonio è costituita da micro e nanosfere aggrovigliate e attaccate a causa dell'elevata tensione superficiale.Allo stesso tempo, la presenza delle forze di van der Waals porta all'aggregazione di sfere di carbonio52.L'aumento del tempo di sintesi ha comportato dimensioni più piccole e un aumento del numero di sfere a causa di reazioni di cracking più lunghe.Nella fig.1c mostra che MNC15 ha una forma sferica quasi perfetta.Tuttavia, le sfere aggregate possono ancora formare mesopori, che possono successivamente diventare buoni siti per l'adsorbimento del blu di metilene.Ad un elevato ingrandimento di 15.000 volte nella Fig. 1d si possono vedere più sfere di carbonio agglomerate con una dimensione media di 20,38 nm.
Immagini FESEM di nanocarburi sintetizzati dopo 10 minuti (a, b), 15 minuti (c, d) e 20 minuti (e-g) con ingrandimento di 7000 e 15000 volte.
Nella fig.1e–g MNC20 descrive lo sviluppo di pori con piccole sfere sulla superficie del carbonio magnetico e ricompone la morfologia del carbone attivo magnetico53.Pori di diverso diametro e larghezza sono posizionati casualmente sulla superficie del carbonio magnetico.Pertanto, questo potrebbe spiegare perché MNC20 ha mostrato un'area superficiale e un volume dei pori maggiori come mostrato dall'analisi BET, poiché sulla sua superficie si sono formati più pori rispetto ad altri tempi sintetici.Le micrografie scattate ad un ingrandimento elevato di 15.000 volte hanno mostrato dimensioni delle particelle disomogenee e forme irregolari, come mostrato in Fig. 1g.Quando il tempo di crescita fu aumentato a 20 minuti, si formarono più sfere agglomerate.
È interessante notare che nella stessa area sono stati trovati anche fiocchi di carbonio contorti.Il diametro delle sfere variava da 5,18 a 96,36 nm.Questa formazione potrebbe essere dovuta al verificarsi di nucleazione differenziale, facilitata dalle alte temperature e dalle microonde.La dimensione della sfera calcolata delle MNC preparate era in media di 20,38 nm per MNC10, 24,80 nm per MNC15 e 31,04 nm per MNC20.La distribuzione dimensionale delle sfere è mostrata nella figura supplementare.3.
La Figura 4 supplementare mostra rispettivamente gli spettri EDS e i riepiloghi della composizione elementare di MNC10, MNC15 e MNC20.Secondo gli spettri, è stato notato che ciascun nanocarbonio contiene una quantità diversa di C, O e Fe.Ciò è dovuto alle varie reazioni di ossidazione e cracking che si verificano durante il tempo di sintesi aggiuntivo.Si ritiene che una grande quantità di C provenga dal precursore del carbonio, l’olio di palma grezzo.Nel frattempo, la bassa percentuale di O è dovuta al processo di ossidazione durante la sintesi.Allo stesso tempo, il Fe è attribuito all’ossido di ferro depositato sulla superficie del nanocarbonio dopo la decomposizione del ferrocene.Inoltre, la Figura 5a-c supplementare mostra la mappatura degli elementi MNC10, MNC15 e MNC20.Sulla base della mappatura fondamentale, è stato osservato che il Fe è ben distribuito sulla superficie della MNC.
L'analisi di adsorbimento-desorbimento di azoto fornisce informazioni sul meccanismo di adsorbimento e sulla struttura porosa del materiale.Le isoterme di adsorbimento di N2 e i grafici della superficie MNC BET sono mostrati nelle Figg.2. Sulla base delle immagini FESEM, si prevede che il comportamento di adsorbimento mostri una combinazione di strutture microporose e mesoporose dovute all'aggregazione.Tuttavia, il grafico in Fig. 2 mostra che l'adsorbente assomiglia all'isoterma di tipo IV e al ciclo di isteresi di tipo H2 di IUPAC55.Questo tipo di isoterma è spesso simile a quella dei materiali mesoporosi.Il comportamento di adsorbimento dei mesopori è solitamente determinato dall'interazione delle reazioni di adsorbimento-adsorbimento con le molecole della materia condensata.Le isoterme di adsorbimento a forma di S o a forma di S sono solitamente causate da un adsorbimento monostrato-multistrato seguito da un fenomeno in cui il gas si condensa in una fase liquida nei pori a pressioni inferiori alla pressione di saturazione del liquido sfuso, noto come condensazione dei pori 56. La condensazione capillare nei pori avviene a pressioni relative (p/po) superiori a 0,50.Nel frattempo, la complessa struttura dei pori mostra un'isteresi di tipo H2, che è attribuita all'ostruzione o alla perdita dei pori in una gamma ristretta di pori.
I parametri fisici della superficie ottenuti dai test BET sono mostrati nella Tabella 1. L'area superficiale BET e il volume totale dei pori sono aumentati significativamente con l'aumentare del tempo di sintesi.Le dimensioni medie dei pori di MNC10, MNC15 e MNC20 sono rispettivamente 7,2779 nm, 7,6275 nm e 7,8223 nm.Secondo le raccomandazioni IUPAC, questi pori intermedi possono essere classificati come materiali mesoporosi.La struttura mesoporosa può rendere il blu di metilene più facilmente permeabile e assorbibile da MNC57.Il tempo massimo di sintesi (MNC20) ha mostrato l'area superficiale più alta, seguito da MNC15 e MNC10.Una maggiore area superficiale BET può migliorare le prestazioni di adsorbimento poiché sono disponibili più siti di tensioattivo.
I modelli di diffrazione dei raggi X delle MNC sintetizzate sono mostrati in Fig. 3. Ad alte temperature, anche il ferrocene si rompe e forma ossido di ferro.Nella fig.3a mostra il modello XRD di MNC10.Mostra due picchi a 2θ, 43,0° e 62,32°, assegnati a ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).Allo stesso tempo, Fe3O4 ha un picco teso a 2θ: 35,27°.D'altra parte, nel modello di diffrazione MHC15 in Fig. 3b mostra nuovi picchi, che molto probabilmente sono associati ad un aumento della temperatura e del tempo di sintesi.Sebbene il picco 2θ: 26,202° sia meno intenso, il modello di diffrazione è coerente con il file JCPDS di grafite (JCPDS #75–1621), indicando la presenza di cristalli di grafite all'interno del nanocarbonio.Questo picco è assente in MNC10, probabilmente a causa della bassa temperatura dell'arco durante la sintesi.A 2θ si hanno tre picchi temporali: 30.082°, 35.502°, 57.422° attribuiti a Fe3O4.Mostra anche due picchi che indicano la presenza di ɣ-Fe2O3 a 2θ: 43,102° e 62,632°.Per MNC sintetizzato per 20 minuti (MNC20), come mostrato in Fig. 3c, un modello di diffrazione simile può essere osservato in MNK15.Il picco grafico a 26.382° può essere visto anche nel MNC20.I tre picchi netti mostrati a 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° sono per Fe3O4.Inoltre, la presenza di ε-Fe2O3 è mostrata a 2θ: 42,972° e 62,61.La presenza di composti di ossido di ferro nelle MNC risultanti può avere un effetto positivo sulla capacità di adsorbire il blu di metilene in futuro.
Le caratteristiche del legame chimico nei campioni MNC e CPO sono state determinate dagli spettri di riflettanza FTIR nella Figura supplementare 6. Inizialmente, i sei picchi importanti dell'olio di palma grezzo rappresentavano quattro diversi componenti chimici come descritto nella Tabella supplementare 1. I picchi fondamentali identificati nel CPO sono 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 e 1463,34 cm-1, che si riferiscono alle vibrazioni di stretching CH degli alcani e di altri gruppi alifatici CH2 o CH3.I peak forester identificati sono 1740,85 cm-1 e 1160,83 cm-1.Il picco a 1740,85 cm-1 è un legame C=O esteso dall'estere carbonilico del gruppo funzionale trigliceride.Nel frattempo, il picco a 1160,83 cm-1 è l'impronta del gruppo estere esteso CO58,59.Nel frattempo, il picco a 813,54 cm-1 è l'impronta del gruppo alcano.
Pertanto, alcuni picchi di assorbimento nell’olio di palma grezzo sono scomparsi con l’aumentare del tempo di sintesi.Picchi a 2913,81 cm-1 e 2840 cm-1 possono ancora essere osservati in MNC10, ma è interessante notare che in MNC15 e MNC20 i picchi tendono a scomparire a causa dell'ossidazione.Nel frattempo, l’analisi FTIR dei nanocarburi magnetici ha rivelato picchi di assorbimento appena formati che rappresentano cinque diversi gruppi funzionali di MNC10-20.Questi picchi sono elencati anche nella Tabella Supplementare 1. Il picco a 2325,91 cm-1 è il tratto CH asimmetrico del gruppo alifatico CH360.Il picco a 1463,34-1443,47 cm-1 mostra la flessione del CH2 e del CH dei gruppi alifatici come l'olio di palma, ma il picco inizia a diminuire con il tempo.Il picco a 813,54–875,35 cm–1 è un'impronta del gruppo aromatico CH-alcano.
Nel frattempo, i picchi a 2101,74 cm-1 e 1589,18 cm-1 rappresentano i legami CC 61 che formano rispettivamente anelli alchinici e aromatici C=C.Un piccolo picco a 1695,15 cm-1 mostra il legame C=O dell'acido grasso libero del gruppo carbonilico.È ottenuto da CPO carbonile e ferrocene durante la sintesi.I picchi appena formati nell'intervallo da 539,04 a 588,48 cm-1 appartengono al legame vibrazionale Fe-O del ferrocene.Sulla base dei picchi mostrati nella Figura 4 supplementare, si può vedere che il tempo di sintesi può ridurre diversi picchi e ricollegarsi nei nanocarburi magnetici.
L'analisi spettroscopica dello scattering Raman di nanocarburi magnetici ottenuti in diversi momenti di sintesi utilizzando un laser incidente con una lunghezza d'onda di 514 nm è mostrata nella Figura 4. Tutti gli spettri di MNC10, MNC15 e MNC20 sono costituiti da due bande intense associate a carbonio a bassa sp3, comunemente trovato nei cristalliti di nanografite con difetti nei modi vibrazionali della specie di carbonio sp262.Il primo picco, situato nella regione di 1333–1354 cm–1, rappresenta la banda D, che è sfavorevole per la grafite ideale e corrisponde a disordine strutturale e altre impurità63,64.Il secondo picco più importante intorno a 1537–1595 cm-1 deriva dallo stiramento del legame nel piano o da forme di grafite cristallina e ordinata.Tuttavia, il picco si è spostato di circa 10 cm-1 rispetto alla banda G della grafite, indicando che le multinazionali hanno un basso ordine di impilamento dei fogli e una struttura difettosa.Le intensità relative delle bande D e G (ID/IG) vengono utilizzate per valutare la purezza dei cristalliti e dei campioni di grafite.Secondo l’analisi spettroscopica Raman, tutte le multinazionali avevano valori ID/IG compresi tra 0,98 e 0,99, indicanti difetti strutturali dovuti all’ibridazione Sp3.Questa situazione può spiegare la presenza di picchi 2θ meno intensi negli spettri XPA: 26,20° per MNK15 e 26,28° per MNK20, come mostrato in Fig. 4, che è assegnato al picco di grafite nel file JCPDS.I rapporti ID/IG MNC ottenuti in questo lavoro rientrano nell'intervallo di altri nanocarburi magnetici, ad esempio 0,85–1,03 per il metodo idrotermale e 0,78–0,9665,66 per il metodo pirolitico.Pertanto, questo rapporto indica che il presente metodo sintetico può essere ampiamente utilizzato.
Le caratteristiche magnetiche delle MNC sono state analizzate utilizzando un magnetometro a vibrazione.L'isteresi risultante è mostrata in Fig.5.Di norma, le multinazionali acquisiscono il loro magnetismo dal ferrocene durante la sintesi.Queste proprietà magnetiche aggiuntive potrebbero aumentare la capacità di adsorbimento dei nanocarburi in futuro.Come mostrato nella Figura 5, i campioni possono essere identificati come materiali superparamagnetici.Secondo Wahajuddin e Arora67, lo stato superparamagnetico è che il campione viene magnetizzato fino alla magnetizzazione di saturazione (MS) quando viene applicato un campo magnetico esterno.Successivamente, nei campioni non compaiono più interazioni magnetiche residue67.È interessante notare che la magnetizzazione di saturazione aumenta con il tempo di sintesi.È interessante notare che MNC15 ha la più alta saturazione magnetica perché una forte formazione magnetica (magnetizzazione) può essere causata da un tempo di sintesi ottimale in presenza di un magnete esterno.Ciò potrebbe essere dovuto alla presenza di Fe3O4, che ha proprietà magnetiche migliori rispetto ad altri ossidi di ferro come ɣ-Fe2O.L'ordine del momento di saturazione di adsorbimento per unità di massa delle MNC è MNC15>MNC10>MNC20.I parametri magnetici ottenuti sono riportati nella tabella.2.
Il valore minimo della saturazione magnetica quando si utilizzano magneti convenzionali nella separazione magnetica è di circa 16,3 emu g-1.La capacità delle MNC di rimuovere contaminanti come i coloranti nell'ambiente acquatico e la facilità di rimozione delle MNC sono diventati fattori aggiuntivi per i nanocarburi ottenuti.Gli studi hanno dimostrato che la saturazione magnetica dell'LSM è considerata elevata.Pertanto, tutti i campioni hanno raggiunto valori di saturazione magnetica più che sufficienti per la procedura di separazione magnetica.
Recentemente, nastri o fili metallici hanno attirato l'attenzione come catalizzatori o dielettrici nei processi di fusione a microonde.Le reazioni a microonde dei metalli provocano temperature elevate o reazioni all'interno del reattore.Questo studio afferma che la punta e il filo di acciaio inossidabile condizionato (a spirale) facilitano la scarica di microonde e il riscaldamento del metallo.L'acciaio inossidabile ha una rugosità pronunciata sulla punta, che porta a valori elevati di densità di carica superficiale e campo elettrico esterno.Quando la carica avrà acquisito sufficiente energia cinetica, le particelle cariche salteranno fuori dall'acciaio inossidabile, ionizzando l'ambiente, producendo una scarica o scintilla 68 .La scarica metallica fornisce un contributo significativo alle reazioni di cracking delle soluzioni accompagnate da punti caldi ad alta temperatura.Secondo la mappa della temperatura nella Figura 2b supplementare, la temperatura aumenta rapidamente, indicando la presenza di punti caldi ad alta temperatura oltre al forte fenomeno di scarica.
In questo caso si osserva un effetto termico, poiché gli elettroni debolmente legati possono muoversi e concentrarsi sulla superficie e sulla punta69.Quando l'acciaio inossidabile viene avvolto, l'ampia superficie del metallo in soluzione aiuta a indurre correnti parassite sulla superficie del materiale e mantiene l'effetto riscaldante.Questa condizione aiuta efficacemente a scindere le lunghe catene di carbonio del CPO e del ferrocene e ferrocene.Come mostrato nella Figura 2b supplementare, una velocità di temperatura costante indica che nella soluzione si osserva un effetto di riscaldamento uniforme.
Un meccanismo proposto per la formazione di MNC è mostrato nella Figura 7 supplementare. Le lunghe catene di carbonio di CPO e ferrocene iniziano a rompersi ad alta temperatura.Il petrolio si scompone per formare idrocarburi scissi che diventano precursori del carbonio noti come globuli nell'immagine FESEM MNC1070.A causa dell'energia dell'ambiente e della pressione 71 in condizioni atmosferiche.Allo stesso tempo, anche il ferrocene si rompe, formando un catalizzatore da atomi di carbonio depositati su Fe.Successivamente avviene una rapida nucleazione e il nucleo di carbonio si ossida per formare uno strato di carbonio amorfo e grafitico sopra il nucleo.Man mano che il tempo aumenta, la dimensione della sfera diventa più precisa e uniforme.Allo stesso tempo, anche le forze di van der Waals esistenti portano all’agglomerazione delle sfere52.Durante la riduzione degli ioni Fe a Fe3O4 e ɣ-Fe2O3 (secondo l'analisi di fase a raggi X), sulla superficie dei nanocarburi si formano vari tipi di ossidi di ferro, che portano alla formazione di nanocarburi magnetici.La mappatura EDS ha mostrato che gli atomi di Fe erano fortemente distribuiti sulla superficie MNC, come mostrato nelle Figure supplementari 5a-c.
La differenza è che con un tempo di sintesi di 20 minuti avviene l'aggregazione del carbonio.Forma pori più grandi sulla superficie delle MNC, suggerendo che le MNC possono essere considerate carbone attivo, come mostrato nelle immagini FESEM in Fig. 1e-g.Questa differenza nelle dimensioni dei pori può essere correlata al contributo dell'ossido di ferro proveniente dal ferrocene.Allo stesso tempo, a causa dell'elevata temperatura raggiunta, si formano delle squame deformate.I nanocarburi magnetici mostrano morfologie diverse in tempi di sintesi diversi.I nanocarboni hanno maggiori probabilità di formare forme sferiche con tempi di sintesi più brevi.Allo stesso tempo, sono ottenibili pori e scaglie, sebbene la differenza nel tempo di sintesi sia solo di 5 minuti.
I nanocarburi magnetici possono rimuovere gli inquinanti dall’ambiente acquatico.La loro capacità di essere facilmente rimossi dopo l'uso è un ulteriore fattore per l'utilizzo dei nanocarburi ottenuti in questo lavoro come adsorbenti.Nello studio delle proprietà di adsorbimento dei nanocarburi magnetici, abbiamo studiato la capacità delle multinazionali di decolorare soluzioni di blu di metilene (MB) a 30°C senza alcuna regolazione del pH.Diversi studi hanno concluso che le prestazioni degli assorbenti del carbonio nell’intervallo di temperatura compreso tra 25 e 40 °C non svolgono un ruolo importante nel determinare la rimozione del MC.Sebbene i valori di pH estremi svolgano un ruolo importante, sui gruppi funzionali superficiali possono formarsi cariche che portano all'interruzione dell'interazione adsorbato-adsorbente e influenzano l'adsorbimento.Pertanto, le condizioni di cui sopra sono state scelte in questo studio considerando queste situazioni e la necessità di un tipico trattamento delle acque reflue.
In questo lavoro, è stato effettuato un esperimento di adsorbimento batch aggiungendo 20 mg di MNC a 20 ml di una soluzione acquosa di blu di metilene con varie concentrazioni iniziali standard (5-20 ppm) a un tempo di contatto fisso60.La Figura 8 supplementare mostra lo stato di varie concentrazioni (5-20 ppm) di soluzioni di blu di metilene prima e dopo il trattamento con MNC10, MNC15 e MNC20.Quando si utilizzano varie multinazionali, il livello di colore delle soluzioni MB è diminuito.È interessante notare che si è scoperto che le soluzioni MB di MNC20 scoloriscono facilmente a una concentrazione di 5 ppm.Nel frattempo, la MNC20 ha anche abbassato il livello di colore della soluzione MB rispetto ad altre MNC.Lo spettro visibile UV di MNC10-20 è mostrato nella Figura 9 supplementare. Nel frattempo, le informazioni sulla velocità di rimozione e sull'adsorbimento sono mostrate rispettivamente nella Figura 9.6 e nella tabella 3.
Forti picchi del blu di metilene si possono trovare a 664 nm e 600 nm.Di norma, l'intensità del picco diminuisce gradualmente al diminuire della concentrazione iniziale della soluzione MG.Nell'ulteriore Fig. 9a sono mostrati gli spettri UV-visibili di soluzioni MB di varie concentrazioni dopo il trattamento con MNC10, che ha modificato solo leggermente l'intensità dei picchi.D'altra parte, i picchi di assorbimento delle soluzioni MB sono diminuiti significativamente dopo il trattamento con MNC15 e MNC20, come mostrato rispettivamente nelle Figure supplementari 9b e c.Questi cambiamenti si vedono chiaramente quando la concentrazione della soluzione MG diminuisce.Tuttavia, i cambiamenti spettrali ottenuti da tutti e tre i carboni magnetici erano sufficienti per rimuovere il colorante blu di metilene.
Sulla base della Tabella 3, i risultati per la quantità di MC adsorbito e la percentuale di MC adsorbito sono mostrati in Fig. 3.6. L'adsorbimento di MG è aumentato con l'uso di concentrazioni iniziali più elevate per tutte le MNC.Nel frattempo, la percentuale di adsorbimento o tasso di rimozione del MB (MBR) ha mostrato una tendenza opposta quando la concentrazione iniziale aumentava.A concentrazioni iniziali di MC inferiori, i siti attivi non occupati rimanevano sulla superficie adsorbente.All'aumentare della concentrazione del colorante, il numero di siti attivi non occupati disponibili per l'adsorbimento delle molecole del colorante diminuirà.Altri hanno concluso che in queste condizioni si raggiungerà la saturazione dei siti attivi di bioassorbimento72.
Sfortunatamente per MNC10, l'MBR aumenta e diminuisce dopo 10 ppm di soluzione MB.Allo stesso tempo, solo una piccola parte di MG viene adsorbita.Ciò indica che 10 ppm è la concentrazione ottimale per l'adsorbimento di MNC10.Per tutte le MNC studiate in questo lavoro, l'ordine delle capacità di adsorbimento era il seguente: MNC20 > MNC15 > MNC10, i valori medi erano 10,36 mg/g, 6,85 mg/g e 0,71 mg/g, la rimozione media dei tassi di MG era 87, 79%, 62,26% e 5,75%.Pertanto, MNC20 ha dimostrato le migliori caratteristiche di adsorbimento tra i nanocarburi magnetici sintetizzati, tenendo conto della capacità di adsorbimento e dello spettro UV-visibile.Sebbene la capacità di adsorbimento sia inferiore rispetto ad altri nanocarburi magnetici come il composito magnetico MWCNT (11,86 mg/g) e le nanoparticelle Fe3O4 magnetiche con nanotubi di halloysite (18,44 mg/g), questo studio non richiede l'uso aggiuntivo di uno stimolante.I prodotti chimici agiscono come catalizzatori.fornire metodi sintetici puliti e fattibili73,74.
Come dimostrato dai valori SBET delle MNC, una superficie specifica elevata fornisce siti più attivi per l'adsorbimento della soluzione MB.Questa sta diventando una delle caratteristiche fondamentali dei nanocarburi sintetici.Allo stesso tempo, a causa delle piccole dimensioni delle MNC, il tempo di sintesi è breve e accettabile, il che corrisponde alle principali qualità degli adsorbenti promettenti75.Rispetto agli adsorbenti naturali convenzionali, le MNC sintetizzate sono magneticamente saturate e possono essere facilmente rimosse dalla soluzione sotto l'azione di un campo magnetico esterno76.Pertanto, il tempo richiesto per l'intero processo di trattamento è ridotto.
Le isoterme di adsorbimento sono essenziali per comprendere il processo di adsorbimento e quindi per dimostrare come l'adsorbito si ripartisce tra la fase liquida e quella solida quando viene raggiunto l'equilibrio.Le equazioni di Langmuir e Freundlich vengono utilizzate come equazioni isoterme standard, che spiegano il meccanismo di adsorbimento, come mostrato nella Figura 7. Il modello di Langmuir mostra bene la formazione di un singolo strato di adsorbito sulla superficie esterna dell'adsorbente.Le isoterme sono meglio descritte come superfici di adsorbimento omogenee.Allo stesso tempo, l'isoterma di Freundlich evidenzia al meglio la partecipazione di diverse regioni adsorbenti e l'energia di adsorbimento nel comprimere l'adsorbato su una superficie disomogenea.
Isoterma modello per l'isoterma di Langmuir (a–c) e l'isoterma di Freundlich (d–f) per MNC10, MNC15 e MNC20.
Le isoterme di adsorbimento a basse concentrazioni di soluto sono generalmente lineari77.La rappresentazione lineare del modello isotermo di Langmuir può essere espressa in un'equazione.1 Determinare i parametri di adsorbimento.
KL (l/mg) è una costante di Langmuir che rappresenta l'affinità di legame di MB con MNC.Nel frattempo, qmax è la capacità massima di adsorbimento (mg/g), qe è la concentrazione adsorbita di MC (mg/g) e Ce è la concentrazione di equilibrio della soluzione MC.L'espressione lineare del modello isotermo di Freundlich può essere descritta come segue:
Orario di pubblicazione: 16 febbraio 2023