שימוש בשמן דקלים כמבשר ירוק, סינתזת קשת של ננו פחמנים מגנטיים באמצעות תנור מיקרוגל לטיפול בשפכים.

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בבת אחת.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
קיומן של מתכות הנפלטות מקרינת מיקרוגל שנוי במחלוקת מכיוון שמתכות מתלקחות בקלות.אבל מה שמעניין הוא שהחוקרים גילו שתופעת פריקת הקשת מציעה מסלול מבטיח לסינתזה של ננו-חומרים על ידי פיצול מולקולות.מחקר זה מפתח שיטה סינתטית חד-שלבית אך במחיר סביר המשלבת חימום במיקרוגל וקשת חשמלית להמרת שמן דקל גולמי לננו-פחמן מגנטי (MNC), אשר יכול להיחשב כחלופה חדשה לייצור שמן דקלים.זה כרוך בסינתזה של מדיום עם חוט נירוסטה כרוך לצמיתות (מדיום דיאלקטרי) ו-ferrocene (זרז) בתנאים אינרטיים חלקית.שיטה זו הוכחה בהצלחה לחימום בטווח הטמפרטורות שבין 190.9 ל-472.0 מעלות צלזיוס עם זמני סינתזה שונים (10-20 דקות).MNCs טריים שהוכנו הראו כדורים בגודל ממוצע של 20.38–31.04 ננומטר, מבנה מזופורי (SBET: 14.83–151.95 m2/g) ותכולה גבוהה של פחמן קבוע (52.79–71.24 משקל%), וכן D ו-G רצועות (ID/g) 0.98–0.99.היווצרות פסגות חדשות בספקטרום ה-FTIR (522.29-588.48 ס"מ-1) מעידה על נוכחותן של תרכובות FeO ב-ferrocene.מגנומטרים מראים רוויה מגנטית גבוהה (22.32-26.84 אמו/ג') בחומרים פרומגנטיים.השימוש ב-MNCs בטיפול בשפכים הוכח על ידי הערכת יכולת הספיגה שלהם באמצעות מבחן ספיחה של מתילן כחול (MB) בריכוזים שונים מ-5 עד 20 ppm.MNCs שהושגו בזמן הסינתזה (20 דקות) הראו את יעילות הספיחה הגבוהה ביותר (10.36 מ"ג/ג) בהשוואה לאחרים, ושיעור הסרת צבע MB היה 87.79%.לכן, ערכי Langmuir אינם אופטימיים בהשוואה לערכי Freundlich, כאשר R2 הוא כ-0.80, 0.98 ו-0.99 עבור MNCs המסונתזים ב-10 דקות (MNC10), 15 דקות (MNC15) ו-20 דקות (MNC20) בהתאמה.כתוצאה מכך, מערכת הספיחה נמצאת במצב הטרוגני.לכן, קשת מיקרוגל מציעה שיטה מבטיחה להמרת CPO ל-MNC, שיכולה להסיר צבעים מזיקים.
קרינת מיקרוגל יכולה לחמם את החלקים הפנימיים ביותר של חומרים באמצעות אינטראקציה מולקולרית של שדות אלקטרומגנטיים.תגובת מיקרוגל זו ייחודית בכך שהיא מקדמת תגובה תרמית מהירה ואחידה.לפיכך, ניתן להאיץ את תהליך החימום ולשפר תגובות כימיות2.יחד עם זאת, בשל זמן התגובה הקצר יותר, תגובת המיקרוגל יכולה בסופו של דבר לייצר מוצרים בעלי טוהר גבוה ותשואה גבוהה3,4.בשל תכונותיה המדהימות, קרינת מיקרוגל מאפשרת סינתזות מיקרוגל מעניינות המשמשות במחקרים רבים, כולל תגובות כימיות וסינתזה של ננו-חומרים5,6.במהלך תהליך החימום, לתכונות הדיאלקטריות של המקובל בתוך המדיום תפקיד מכריע, שכן הוא יוצר נקודה חמה בתווך, מה שמוביל להיווצרות ננו-פחמנים בעלי מורפולוגיות ותכונות שונות.מחקר של Omoriyekomwan et al.ייצור ננו-סיבי פחמן חלולים מגרעיני דקל באמצעות פחם פעיל וחנקן8.בנוסף, פו וחמיד קבעו שימוש בזרז לייצור פחמן פעיל בסיבי שמן בתנור מיקרוגל 350 W9.לכן, ניתן להשתמש בגישה דומה כדי להמיר שמן דקל גולמי ל-MNCs על ידי הצגת חומרי נבלות מתאימים.
נצפתה תופעה מעניינת בין קרינת מיקרוגל לבין מתכות בעלות קצוות חדים, נקודות או אי סדרים תת-מיקרוסקופיים10.נוכחותם של שני עצמים אלה תושפע מקשת חשמלית או ניצוץ (המכונה בדרך כלל פריקת קשת)11,12.הקשת תקדם היווצרות של נקודות חמות מקומיות יותר ותשפיע על התגובה, ובכך תשפר את ההרכב הכימי של הסביבה13.תופעה מסוימת ומעניינת זו משכה מחקרים שונים כגון הסרת מזהמים14,15, פיצוח זפת ביומסה16, פירוליזה בעזרת מיקרוגל17,18 וסינתזת חומרים19,20,21.
לאחרונה, ננו-פחמנים כגון ננו-צינורות פחמן, ננו-ספירות פחמן ותחמוצת גרפן מופחתת שונה משכו תשומת לב בשל תכונותיהם.ננו-פחמנים אלו טומנים בחובם פוטנציאל גדול ליישומים החל מייצור חשמל ועד טיהור מים או טיהור23.בנוסף, נדרשות תכונות פחמן מעולות, אך יחד עם זאת נדרשות תכונות מגנטיות טובות.זה שימושי מאוד עבור יישומים רב-תכליתיים כולל ספיחה גבוהה של יוני מתכת וצבעים בטיפול בשפכים, מתקנים מגנטיים בדלק ביולוגי ואפילו בולמי מיקרוגל ביעילות גבוהה24,25,26,27,28.יחד עם זאת, לפחמנים אלו יתרון נוסף, כולל גידול בשטח הפנים של האתר הפעיל של הדגימה.
בשנים האחרונות, המחקר על חומרי ננו-פחמן מגנטיים נמצא במגמת עלייה.בדרך כלל, ננו-פחמנים מגנטיים אלה הם חומרים רב-תכליתיים המכילים חומרים מגנטיים בגודל ננו שעלולים לגרום לזרזים חיצוניים להגיב, כגון שדות אלקטרוסטטים חיצוניים או שדות מגנטיים מתחלפים29.בשל התכונות המגנטיות שלהם, ניתן לשלב ננו-פחמנים מגנטיים עם מגוון רחב של מרכיבים פעילים ומבנים מורכבים לצורך אימוביליזציה30.בינתיים, ננו-פחמנים מגנטיים (MNCs) מראים יעילות מצוינת בספיחת מזהמים מתמיסות מימיות.בנוסף, שטח הפנים והנקבוביות הספציפיים הגבוהים הנוצרים ב-MNC יכולים להגדיל את יכולת הספיחה31.מפרידים מגנטיים יכולים להפריד בין MNCs מפתרונות ריאקטיביים מאוד, ולהפוך אותם לסופג בר-קיימא וניתן לניהול32.
מספר חוקרים הוכיחו שניתן לייצר ננו-פחמנים באיכות גבוהה באמצעות שמן דקלים גולמי33,34.שמן דקלים, הידוע מדעית בשם Elais Guneensis, נחשב לאחד משמני המאכל החשובים עם ייצור של כ-76.55 מיליון טון בשנת 202135. שמן דקלים גולמי או CPO מכיל יחס מאוזן של חומצות שומן בלתי רוויות (EFA) וחומצות שומן רוויות (הרשות המוניטרית של סינגפור).רוב הפחמימנים ב-CPO הם טריגליצרידים, גליצריד המורכב משלושה רכיבי טריגליצרידים אצטט ומרכיב אחד של גליצרול36.ניתן להכליל את הפחמימנים הללו בשל תכולת הפחמן העצומה שלהם, מה שהופך אותם למבשרים ירוקים פוטנציאליים לייצור ננו-פחמן37.על פי הספרות, CNT37,38,39,40, ננוספרות פחמן33,41 וגרפן34,42,43 מסונתזים בדרך כלל באמצעות שמן דקל גולמי או שמן מאכל.לננו-פחמנים אלו יש פוטנציאל רב ביישומים החל מייצור חשמל ועד טיהור מים או טיהור.
סינתזה תרמית כגון CVD38 או pyrolysis33 הפכה לשיטה נוחה לפירוק שמן דקלים.למרבה הצער, הטמפרטורות הגבוהות בתהליך מעלות את עלות הייצור.ייצור החומר המועדף 44 מצריך הליכים ארוכים ומייגעים ושיטות ניקוי.עם זאת, הצורך בהפרדה ופיצוח פיזית אינו מוטל בספק בשל היציבות הטובה של שמן דקלים גולמי בטמפרטורות גבוהות45.לכן, עדיין נדרשות טמפרטורות גבוהות יותר כדי להמיר שמן דקל גולמי לחומרים פחמניים.קשת הנוזל יכולה להיחשב כפוטנציאל הטוב ביותר ושיטה חדשה לסינתזה של ננו-פחמן מגנטי 46.גישה זו מספקת אנרגיה ישירה למבשרים ופתרונות במצבים נרגשים מאוד.פריקת קשת יכולה לגרום לקשרי הפחמן בשמן דקלים גולמי להישבר.עם זאת, מרווח האלקטרודות המשמש עשוי להידרש לעמוד בדרישות מחמירות, מה שיגביל את קנה המידה התעשייתי, כך שעדיין צריך לפתח שיטה יעילה.
למיטב ידיעתנו, המחקר על פריקת קשת באמצעות גלי מיקרו כשיטה לסינתזה של ננו-פחמנים מוגבל.יחד עם זאת, השימוש בשמן דקל גולמי כמבשר לא נחקר במלואו.לכן, מחקר זה נועד לבחון את האפשרות של ייצור ננו-פחמנים מגנטיים מבשרי שמן דקלים גולמיים באמצעות קשת חשמלית באמצעות תנור מיקרוגל.שפע שמן הדקל צריך לבוא לידי ביטוי במוצרים ויישומים חדשים.גישה חדשה זו לזיקוק שמן דקלים עשויה לסייע בחיזוק המגזר הכלכלי ולהוות מקור הכנסה נוסף עבור יצרני שמן דקלים, במיוחד שהשפיעה על מטעי שמן הדקלים של חקלאים קטנים.על פי מחקר של מגדלים קטנים באפריקה על ידי Ayompe וחב', מגדלים קטנים מרוויחים יותר כסף רק אם הם מעבדים בעצמם אשכולות פירות טריים ומוכרים שמן דקלים גולמי במקום למכור אותו למתווכים, וזו עבודה יקרה ומייגעת47.במקביל, עלייה בסגירת מפעלים עקב COVID-19 השפיעה על מוצרי יישום המבוססים על שמן דקלים.מעניין, מכיוון שלרוב משקי הבית יש גישה לתנורי מיקרוגל והשיטה המוצעת במחקר זה יכולה להיחשב ריאלית ובמחיר סביר, ייצור MNC יכול להיחשב כחלופה למטעי שמן דקלים בקנה מידה קטן.בינתיים, בקנה מידה גדול יותר, חברות יכולות להשקיע בכורים גדולים כדי לייצר TNCs גדולים.
מחקר זה מכסה בעיקר את תהליך הסינתזה באמצעות פלדת אל חלד כמדיום דיאלקטרי למשך פרקי זמן שונים.רוב המחקרים הכלליים המשתמשים במיקרוגלים ובננו-פחמנים מציעים זמן סינתזה מקובל של 30 דקות או יותר33,34.על מנת לתמוך ברעיון מעשי נגיש ובר ביצוע, מחקר זה נועד להשיג MNCs עם זמני סינתזה מתחת לממוצע.יחד עם זאת, המחקר מצייר תמונה של מוכנות טכנולוגית רמה 3 כשהתיאוריה מוכחת ומיושמת בקנה מידה מעבדתי.מאוחר יותר, ה-MNCs שהתקבלו אופיינו בתכונות הפיזיקליות, הכימיות והמגנטיות שלהם.לאחר מכן נעשה שימוש במתילן כחול כדי להדגים את יכולת הספיחה של ה-MNCs שהתקבלו.
שמן דקלים גולמי הושג ממפעל Apas Balung, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, והוא משמש כמבשר פחמן לסינתזה.במקרה זה, נעשה שימוש בחוט נירוסטה בקוטר של 0.90 מ"מ כתווך דיאלקטרי.פרוזן (טוהר 99%), המתקבל מסיגמא-אלדריץ', ארה"ב, נבחר כזרז בעבודה זו.מתילן כחול (בנדוסן, 100 גרם) שימש עוד לניסויי ספיחה.
במחקר זה, תנור מיקרוגל ביתי (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) הוסב לכור מיקרוגל.שלושה חורים נעשו בחלק העליון של תנור המיקרוגל לכניסה ויציאה של גז וצמד תרמי.הגשושיות של הצמד התרמי היו מבודדות בצינורות קרמיים והונחו באותם תנאים לכל ניסוי כדי למנוע תאונות.בינתיים, נעשה שימוש בכור זכוכית בורוסיליקט עם מכסה של שלושה חורים כדי להכיל את הדגימות ואת קנה הנשימה.ניתן להתייחס לתרשים סכמטי של כור מיקרוגל באיור משלים 1.
תוך שימוש בשמן דקל גולמי כמבשר פחמן ובפרוצן כזרז, סונתזו ננו-פחמנים מגנטיים.כ-5% ממשקל של זרז ה-ferrocene הוכן בשיטת זרז הסלורי.Ferrocene היה מעורבב עם 20 מ"ל שמן דקל גולמי ב-60 סל"ד למשך 30 דקות.לאחר מכן הועברה התערובת לכור היתוך אלומינה, וחוט נירוסטה באורך 30 ס"מ התפתל והונח אנכית בתוך הכור היתוך.הנח את כור היתוך האלומינה לתוך כור הזכוכית ואבטח אותו היטב בתוך תנור המיקרוגל עם מכסה זכוכית אטום.חנקן הועף לתוך החדר 5 דקות לפני תחילת התגובה כדי להסיר אוויר לא רצוי מהתא.הספק המיקרוגל הוגדל ל-800W מכיוון שזהו הספק המיקרוגל המקסימלי שיכול לשמור על התחלת קשת טובה.לכן, זה עשוי לתרום ליצירת תנאים נוחים לתגובות סינתטיות.יחד עם זאת, זהו גם טווח הספק בשימוש נרחב בוואט עבור תגובות היתוך מיקרוגל48,49.התערובת חוממת במשך 10, 15 או 20 דקות במהלך התגובה.לאחר השלמת התגובה, הכור והמיקרוגל מקוררו באופן טבעי לטמפרטורת החדר.התוצר הסופי בכור אלומינה היה משקע שחור עם חוטים סלילניים.
המשקע השחור נאסף ונשטף מספר פעמים לסירוגין עם אתנול, איזופרופנול (70%) ומים מזוקקים.לאחר כביסה וניקוי, המוצר מיובש למשך הלילה ב-80 מעלות צלזיוס בתנור רגיל לאידוי זיהומים לא רצויים.לאחר מכן נאסף המוצר לצורך אפיון.דגימות המסומנות MNC10, MNC15 ו-MNC20 שימשו לסינתזה של ננו-פחמנים מגנטיים למשך 10 דקות, 15 דקות ו-20 דקות.
התבוננו במורפולוגיה של MNC עם מיקרוסקופ אלקטרונים סורק פליטת שדה או FESEM (דגם Zeiss Auriga) בהגדלה של 100 עד 150 קילו-X.במקביל, הרכב היסודות נותח באמצעות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרת אנרגיה (EDS).ניתוח EMF בוצע במרחק עבודה של 2.8 מ"מ ובמתח האצה של 1 קילו וולט.ערכי שטח פנים ספציפיים וערכי נקבוביות MNC נמדדו בשיטת Brunauer-Emmett-Teller (BET), כולל איזותרמית ספיחה-ספיגה של N2 ב-77 K. הניתוח בוצע באמצעות מד שטח פנים דגם (MICROMERITIC ASAP 2020) .
הגבישיות והפאזה של הננו-פחמנים המגנטיים נקבעו על ידי עקיפה של אבקת רנטגן או XRD (Burker D8 Advance) ב-λ = 0.154 ננומטר.דיפרקטוגרמות נרשמו בין 2θ = 5 ל-85° בקצב סריקה של 2° min-1.בנוסף, המבנה הכימי של MNCs נחקר באמצעות פורייה טרנספורמציה אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (FTIR).הניתוח בוצע באמצעות Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 עם מהירויות סריקה שנעות בין 4000 ל-400 ס"מ-1.בחקר המאפיינים המבניים של ננו-פחמנים מגנטיים, בוצעה ספקטרוסקופיה של ראמאן באמצעות לייזר מסומם בניאודימיום (532 ננומטר) בספקטרוסקופיה של U-RAMAN עם מטרה של 100X.
מגנומטר רוטט או VSM (סדרת Lake Shore 7400) שימש למדידת הרוויה המגנטית של תחמוצת ברזל ב-MNCs.נעשה שימוש בשדה מגנטי של כ-8 kOe והתקבלו 200 נקודות.
בעת לימוד הפוטנציאל של MNCs כסופחים בניסויי ספיחה, נעשה שימוש בצבע הקטיוני מתילן כחול (MB).MNCs (20 מ"ג) נוספו ל-20 מ"ל של תמיסה מימית של מתילן כחול עם ריכוזים סטנדרטיים בטווח של 5-20 מ"ג/L50.ה-pH של התמיסה נקבע ל-pH ניטרלי של 7 לאורך כל המחקר.התמיסה עברה בחישה מכנית ב-150 סל"ד ו-303.15 K על שייקר סיבובי (Lab Companion: SI-300R).לאחר מכן ה-MNCs מופרדים באמצעות מגנט.השתמש בספקטרופוטומטר גלוי ל-UV (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) כדי לראות את הריכוז של תמיסת MB לפני ואחרי ניסוי הספיחה, והתייחס לעקומת התקן של מתילן כחול באורך גל מרבי של 664 ננומטר.הניסוי חזר על עצמו שלוש פעמים והערך הממוצע ניתן.ההסרה של MG מהתמיסה חושבה באמצעות המשוואה הכללית לכמות MC שנספג בשיווי משקל qe ואחוז ההסרה.
ניסויים על איזותרמית הספיחה בוצעו גם עם ערבוב של ריכוזים שונים (5-20 מ"ג/ליטר) של תמיסות MG ו-20 מ"ג מהסופח בטמפרטורה קבועה של 293.15 K. מ"ג עבור כל ה-MNCs.
ברזל ופחמן מגנטי נחקרו בהרחבה במהלך העשורים האחרונים.חומרים מגנטיים מבוססי פחמן אלו מושכים תשומת לב גוברת בשל תכונותיהם האלקטרומגנטיות המצוינות, המובילות ליישומים טכנולוגיים פוטנציאליים שונים, בעיקר במכשירי חשמל וטיפול במים.במחקר זה, ננו-פחמנים סונתזו על ידי פיצוח פחמימנים בשמן דקלים גולמי באמצעות פריקת מיקרוגל.הסינתזה בוצעה בזמנים שונים, בין 10 ל-20 דקות, ביחס קבוע (5:1) של המבשר והזרז, באמצעות קולט זרם מתכת (SS מעוות) ואינרטי חלקית (אוויר לא רצוי שטוהר בחנקן ב- תחילת הניסוי).המשקעים הפחמניים המתקבלים הם בצורה של אבקה מוצקה שחורה, כפי שמוצג באיור משלים. 2a.תשואות הפחמן המשוקעות היו כ-5.57%, 8.21% ו-11.67% בזמני סינתזה של 10 דקות, 15 דקות ו-20 דקות, בהתאמה.תרחיש זה מציע כי זמני סינתזה ארוכים יותר תורמים לתשואות גבוהות יותר51 - תשואות נמוכות, ככל הנראה בשל זמני תגובה קצרים ופעילות זרז נמוכה.
בינתיים, ניתן להתייחס לתרשים של טמפרטורת סינתזה מול זמן עבור הננו-פחמנים שהתקבלו באיור משלים 2b.הטמפרטורות הגבוהות ביותר שהתקבלו עבור MNC10, MNC15 ו-MNC20 היו 190.9°C, 434.5°C ו-472°C, בהתאמה.לכל עקומה ניתן לראות שיפוע תלול המעיד על עלייה מתמדת בטמפרטורה בתוך הכור עקב החום שנוצר במהלך קשת המתכת.ניתן לראות זאת ב-0-2 דקות, 0-5 דקות ו-0-8 דקות עבור MNC10, MNC15 ו-MNC20, בהתאמה.לאחר הגעה לנקודה מסוימת, המדרון ממשיך לרחף לטמפרטורה הגבוהה ביותר, והשיפוע הופך מתון.
נעשה שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים של פליטת שדה (FESEM) כדי לצפות בטופוגרפיה של פני השטח של דגימות ה-MNC.כפי שמוצג באיור.1, לננו-פחמנים מגנטיים יש מבנה מורפולוגי שונה במקצת בזמן סינתזה שונה.תמונות של FESEM MNC10 באיור.1a,b מראים כי היווצרות כדורי פחמן מורכבת ממיקרו-ננו-ספרות מסובכות ומחוברת עקב מתח פנים גבוה.במקביל, נוכחותם של כוחות ואן דר ואלס מובילה להצטברות של כדורי פחמן52.הגידול בזמן הסינתזה הביא לגדלים קטנים יותר ולעלייה במספר הכדורים עקב תגובות פיצוח ארוכות יותר.על איור.1c מראה של-MNC15 יש צורה כדורית כמעט מושלמת.עם זאת, הכדורים המצטברים עדיין יכולים ליצור mesopores, אשר יכולים להפוך מאוחר יותר לאתרים טובים עבור ספיחה מתילן כחול.בהגדלה גבוהה של פי 15,000 באיור 1d ניתן לראות יותר כדורי פחמן מצטברים בגודל ממוצע של 20.38 ננומטר.
תמונות FESEM של ננו-פחמנים מסונתזים לאחר 10 דקות (a, b), 15 דקות (c, d) ו-20 דקות (e-g) בהגדלה של פי 7000 ו-15000.
על איור.1e–g MNC20 מתאר התפתחות של נקבוביות עם כדורים קטנים על פני השטח של פחמן מגנטי ומרכיב מחדש את המורפולוגיה של פחמן פעיל מגנטי53.נקבוביות בקטרים ​​וברוחבים שונים ממוקמות באופן אקראי על פני השטח של פחמן מגנטי.לכן, זה עשוי להסביר מדוע MNC20 הראה שטח פנים ונפח נקבוביות גדולים יותר כפי שמוצג על ידי ניתוח BET, שכן יותר נקבוביות נוצרו על פני השטח שלו מאשר בזמנים סינתטיים אחרים.מיקרוגרפים שצולמו בהגדלה גבוהה של פי 15,000 הראו גדלי חלקיקים לא הומוגניים וצורות לא סדירות, כפי שמוצג באיור 1g.כאשר זמן הגידול הוגדל ל-20 דקות, נוצרו כדורים מצטברים יותר.
מעניין שגם פתיתי פחמן מעוותים נמצאו באותו אזור.קוטר הכדורים נע בין 5.18 ל-96.36 ננומטר.היווצרות זו עשויה לנבוע מהתרחשות של גרעין דיפרנציאלי, אשר מקל על ידי טמפרטורה גבוהה וגלי מיקרו.גודל הכדור המחושב של ה-MNCs המוכנים היה ממוצע של 20.38 ננומטר עבור MNC10, 24.80 ננומטר עבור MNC15, ו-31.04 ננומטר עבור MNC20.התפלגות הגודל של הכדורים מוצגת באיור המשלים.3.
איור משלים 4 מציג את הספקטרום של EDS וסיכומי הרכב היסודות של MNC10, MNC15 ו-MNC20, בהתאמה.על פי הספקטרום, צוין שכל ננו-פחמן מכיל כמות שונה של C, O ו-Fe.זה נובע מתגובות החמצון והפיצוח השונות המתרחשות במהלך זמן הסינתזה הנוסף.מאמינים שכמות גדולה של C מגיעה ממבשר הפחמן, שמן דקלים גולמי.בינתיים, האחוז הנמוך של O נובע מתהליך החמצון במהלך הסינתזה.יחד עם זאת, Fe מיוחס לתחמוצת ברזל שהופקדה על פני הננו-פחמן לאחר פירוק פרוצין.בנוסף, איור משלים 5a–c מציג את המיפוי של רכיבי MNC10, MNC15 ו-MNC20.בהתבסס על מיפוי בסיסי, נצפה כי Fe מופץ היטב על פני השטח של ה-MNC.
ניתוח ספיחה-ספיחה של חנקן מספק מידע על מנגנון הספיחה והמבנה הנקבובי של החומר.איזותרמיות ספיחה של N2 וגרפים של משטח MNC BET מוצגים באיורים.2. בהתבסס על תמונות FESEM, התנהגות הספיחה צפויה להפגין שילוב של מבנים מיקרו-פוריים ומיזפוריים עקב צבירה.עם זאת, הגרף באיור 2 מראה שהסופח דומה לאיזותרם מסוג IV וללולאת ההיסטרזיס מסוג H2 של IUPAC55.סוג זה של איזותרם דומה לרוב לזה של חומרים מזופוריים.התנהגות הספיחה של mesopores נקבעת בדרך כלל על ידי האינטראקציה של תגובות ספיחה-ספיחה עם מולקולות החומר המעובה.איזותרמיות ספיחה בצורת S או בצורת S נגרמות בדרך כלל מספיחת חד-שכבת-רב-שכבתית ואחריה תופעה שבה גז מתעבה לשלב נוזלי בנקבוביות בלחצים מתחת ללחץ הרוויה של הנוזל בתפזורת, המכונה עיבוי נקבוביות 56. עיבוי נימי בנקבוביות מתרחש בלחצים יחסיים (p/po) מעל 0.50.בינתיים, מבנה הנקבוביות המורכב מציג היסטרזה מסוג H2, המיוחסת לסתימת נקבוביות או דליפה בטווח צר של נקבוביות.
הפרמטרים הפיזיים של פני השטח שהתקבלו מבדיקות BET מוצגים בטבלה 1. שטח הפנים של BET ונפח הנקבוביות הכולל גדלו באופן משמעותי עם הגדלת זמן הסינתזה.גודל הנקבוביות הממוצע של MNC10, MNC15 ו-MNC20 הם 7.2779 ננומטר, 7.6275 ננומטר ו-7.8223 ננומטר, בהתאמה.על פי המלצות IUPAC, ניתן לסווג את נקבוביות הביניים הללו כחומרים מזופוריים.המבנה המזופורי יכול להפוך את המתילן כחול לחדיר יותר בקלות וספיגה על ידי MNC57.זמן סינתזה מרבי (MNC20) הראה את שטח הפנים הגבוה ביותר, ואחריו MNC15 ו-MNC10.שטח פנים BET גבוה יותר יכול לשפר את ביצועי הספיחה ככל שזמינים יותר אתרי פעילי שטח.
דפוסי עקיפה של קרני רנטגן של ה-MNC המסונתזים מוצגים באיור 3. בטמפרטורות גבוהות, פרוקן גם נסדק ויוצר תחמוצת ברזל.על איור.3a מציג את תבנית ה-XRD של MNC10.הוא מציג שני פסגות ב-2θ, 43.0° ו-62.32°, אשר מוקצות ל-ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39-1346).יחד עם זאת, ל-Fe3O4 יש שיא מתוח ב-2θ: 35.27°.מצד שני, בדפוס העקיפה של MHC15 באיור 3b מציג פסגות חדשות, שקשורות ככל הנראה לעלייה בטמפרטורה ובזמן הסינתזה.למרות שהשיא של 2θ: 26.202° פחות אינטנסיבי, דפוס העקיפה תואם לקובץ JCPDS של גרפיט (JCPDS #75-1621), מה שמצביע על נוכחותם של גבישי גרפיט בתוך הננו-פחמן.שיא זה חסר ב-MNC10, אולי בגלל טמפרטורת הקשת הנמוכה במהלך הסינתזה.ב-2θ יש שלוש שיאי זמן: 30.082°, 35.502°, 57.422° המיוחסים ל-Fe3O4.זה גם מראה שני פסגות המצביעות על נוכחות של ɣ-Fe2O3 ב-2θ: 43.102° ו-62.632°.עבור MNC מסונתז למשך 20 דקות (MNC20), כפי שמוצג באיור 3c, ניתן לראות דפוס עקיפה דומה ב-MNK15.ניתן לראות את השיא הגרפי ב-26.382° גם ב-MNC20.שלושת הפסגות החדות המוצגות ב-2θ: 30.102°, 35.612°, 57.402° הם עבור Fe3O4.בנוסף, הנוכחות של ε-Fe2O3 מוצגת ב-2θ: 42.972° ו-62.61.נוכחות של תרכובות תחמוצת ברזל ב-MNCs שנוצרו יכולה להשפיע לטובה על היכולת לספוח מתילן כחול בעתיד.
מאפייני הקשר הכימיים בדגימות ה-MNC וה-CPO נקבעו על פי ספקטרום ההחזר של FTIR באיור משלים 6. בתחילה, ששת הפסגות החשובות של שמן דקל גולמי ייצגו ארבעה רכיבים כימיים שונים כמתואר בטבלה משלימה 1. הפסגות הבסיסיות שזוהו ב-CPO הם 2913.81 ס"מ-1, 2840 ס"מ-1 ו-1463.34 ס"מ-1, המתייחסים לתנודות מתיחה CH של אלקנים וקבוצות CH2 או CH3 אליפטיות אחרות.יערני השיא שזוהו הם 1740.85 ס"מ-1 ו-1160.83 ס"מ-1.השיא ב-1740.85 ס"מ-1 הוא קשר C=O המורחב על ידי אסטר קרבוניל של הקבוצה התפקודית הטריגליצרידים.בינתיים, השיא ב-1160.83 ס"מ-1 הוא הטביעה של קבוצת האסטרים המורחבת CO58.59.בינתיים, השיא ב-813.54 ס"מ-1 הוא הטביעה של קבוצת האלקנים.
לכן, כמה שיאי ספיגה בשמן דקל גולמי נעלמו ככל שזמן הסינתזה גדל.עדיין ניתן לראות פסגות ב-2913.81 ס"מ-1 ו-2840 ס"מ-1 ב-MNC10, אך מעניין שב-MNC15 וב-MNC20 הפסגות נוטות להיעלם עקב חמצון.בינתיים, ניתוח FTIR של ננו-פחמנים מגנטיים חשף שיאי ספיגה חדשים שנוצרו המייצגים חמש קבוצות פונקציונליות שונות של MNC10-20.פסגות אלו רשומות גם בטבלה משלימה 1. השיא ב-2325.91 ס"מ-1 הוא מתיחה ה-CH האסימטרית של הקבוצה האליפטית CH360.השיא ב-1463.34-1443.47 ס"מ-1 מראה כיפוף CH2 ו-CH של קבוצות אליפטיות כמו שמן דקלים, אך השיא מתחיל לרדת עם הזמן.השיא ב-813.54-875.35 ס"מ-1 הוא חותם של קבוצת CH-אלקן הארומטית.
בינתיים, הפסגות ב-2101.74 cm-1 ו-1589.18 cm-1 מייצגות קשרי CC 61 היוצרים אלקין C=C וטבעות ארומטיות, בהתאמה.שיא קטן ב-1695.15 ס"מ-1 מציג את הקשר C=O של חומצת השומן החופשית מקבוצת הקרבוניל.זה מתקבל מ-CPO קרבוניל ו-ferrocene במהלך הסינתזה.הפסגות החדשות שנוצרו בטווח שבין 539.04 ל-588.48 ס"מ-1 שייכות לקשר הרטט Fe-O של ferrocene.בהתבסס על הפסגות המוצגות באיור משלים 4, ניתן לראות שזמן הסינתזה יכול להפחית מספר פסגות וקשירה מחדש בננו-פחמנים מגנטיים.
ניתוח ספקטרוסקופי של פיזור ראמאן של ננו-פחמנים מגנטיים שהושג בזמנים שונים של סינתזה באמצעות לייזר תקף עם אורך גל של 514 ננומטר מוצג באיור 4. כל הספקטרום של MNC10, MNC15 ו-MNC20 מורכבות משתי פסים אינטנסיביים הקשורים לפחמן SP3 נמוך, בדרך כלל נמצא בגבישי ננוגרפיט עם פגמים במצבי רטט של מיני פחמן sp262.הפסגה הראשונה, הממוקמת באזור 1333–1354 ס"מ–1, מייצגת את פס D, שאינו חיובי עבור גרפיט אידיאלי ומתאימה לאי-סדר מבני ולזיהומים אחרים63,64.הפסגה השנייה בחשיבותה סביב 1537-1595 ס"מ-1 נובעת מתיחה של קשר במישור או צורות גרפיט גבישיות ומסודרות.עם זאת, השיא זז בכ-10 ס"מ-1 בהשוואה לרצועת G הגרפיט, מה שמצביע על כך של-MNCs יש סדר ערימת גיליונות נמוך ומבנה פגום.העוצמות היחסיות של רצועות D ו-G (ID/IG) משמשות להערכת הטוהר של גבישים ודגימות גרפיט.על פי ניתוח ספקטרוסקופי של ראמאן, לכל ה-MNCs היו ערכי ID/IG בטווח של 0.98-0.99, מה שמצביע על פגמים מבניים עקב הכלאה של Sp3.מצב זה יכול להסביר את נוכחותם של פסגות 2θ פחות אינטנסיביות בספקטרום ה-XPA: 26.20° עבור MNK15 ו-26.28° עבור MNK20, כפי שמוצג באיור 4, המוקצה לשיא הגרפיט בקובץ JCPDS.יחסי ה-ID/IG MNC המתקבלים בעבודה זו הם בטווח של ננו-פחמנים מגנטיים אחרים, למשל, 0.85-1.03 עבור השיטה ההידרותרמית ו-0.78-0.9665.66 עבור השיטה הפירוליטית.לכן, יחס זה מצביע על כך שניתן להשתמש בשיטה הסינתטית הנוכחית באופן נרחב.
המאפיינים המגנטיים של ה-MNCs נותחו באמצעות מגנומטר רוטט.ההיסטרזיס שנוצר מוצג באיור 5.ככלל, MNCs רוכשים את המגנטיות שלהם מפרוצן במהלך הסינתזה.תכונות מגנטיות נוספות אלו עשויות להגדיל את יכולת הספיגה של ננו-פחמנים בעתיד.כפי שמוצג באיור 5, ניתן לזהות את הדגימות כחומרים על פרמגנטיים.לפי Wahajuddin & Arora67, המצב העל-פאראמגנטי הוא שהדגימה ממוגנטת למגנטיזציה רוויה (MS) כאשר מופעל שדה מגנטי חיצוני.מאוחר יותר, אינטראקציות מגנטיות שיוריות אינן מופיעות עוד בדגימות67.ראוי לציין שמגנטיזציית הרוויה עולה עם זמן הסינתזה.מעניין לציין כי ל-MNC15 יש את הרוויה המגנטית הגבוהה ביותר מכיוון שהיווצרות מגנטית חזקה (מגנטיזציה) יכולה להיגרם על ידי זמן סינתזה אופטימלי בנוכחות מגנט חיצוני.ייתכן שהסיבה לכך היא נוכחות של Fe3O4, בעל תכונות מגנטיות טובות יותר בהשוואה לתחמוצות ברזל אחרות כגון ɣ-Fe2O.סדר מומנט הספיחה של הרוויה ליחידת מסה של MNCs הוא MNC15>MNC10>MNC20.הפרמטרים המגנטיים שהתקבלו ניתנים בטבלה.2.
הערך המינימלי של הרוויה המגנטית בעת שימוש במגנטים קונבנציונליים בהפרדה מגנטית הוא בערך 16.3 emu g-1.היכולת של MNCs להסיר מזהמים כגון צבעים בסביבה המימית וקלות ההסרה של MNCs הפכו לגורמים נוספים עבור הננו-פחמנים שהתקבלו.מחקרים הראו שהרוויה המגנטית של ה-LSM נחשבת לגבוהה.לפיכך, כל הדגימות הגיעו לערכי רוויה מגנטיים יותר ממספיקים להליך ההפרדה המגנטית.
לאחרונה, רצועות או חוטי מתכת משכו תשומת לב כזרזים או דיאלקטריים בתהליכי היתוך במיקרוגל.תגובות מיקרוגל של מתכות גורמות לטמפרטורות או תגובות גבוהות בתוך הכור.מחקר זה טוען שהקצה וחוט הנירוסטה המותנה (מפותל) מקלים על פריקת מיקרוגל וחימום מתכת.לנירוסטה יש חספוס בולט בקצה, מה שמוביל לערכים גבוהים של צפיפות מטען פני השטח ושדה חשמלי חיצוני.כאשר המטען צבר אנרגיה קינטית מספקת, החלקיקים הטעונים יקפצו מהפלדת אל-חלד, ויגרמו ליינון הסביבה וליצור פריקה או ניצוץ 68 .פריקת מתכת תורמת תרומה משמעותית לתגובות פיצוח תמיסה המלוות בנקודות חמות בטמפרטורה גבוהה.לפי מפת הטמפרטורה באיור משלים 2b, הטמפרטורה עולה במהירות, מה שמעיד על נוכחות של נקודות חמות בטמפרטורה גבוהה בנוסף לתופעת הפריקה החזקה.
במקרה זה, נצפתה אפקט תרמי, שכן אלקטרונים הקשורים חלש יכולים לנוע ולהתרכז על פני השטח ובקצה 69.כאשר פלדת אל-חלד מפותלת, שטח הפנים הגדול של המתכת בתמיסה מסייע בהשראת זרמי מערבולת על פני החומר ושומר על אפקט החימום.מצב זה עוזר ביעילות לבקע את שרשראות הפחמן הארוכות של CPO ו-ferrocene ו-ferrocene.כפי שמוצג באיור משלים 2b, קצב טמפרטורה קבוע מצביע על כך שנצפה אפקט חימום אחיד בתמיסה.
מנגנון מוצע ליצירת MNCs מוצג באיור משלים 7. שרשראות הפחמן הארוכות של CPO ו-ferrocene מתחילות להיסדק בטמפרטורה גבוהה.השמן מתפרק ליצירת פחמימנים מפוצלים שהופכים למבשרי פחמן הידועים ככדוריות בתמונה של FESEM MNC1070.בשל אנרגיית הסביבה והלחץ 71 בתנאים אטמוספריים.במקביל, גם פרוזן נסדק ויוצר זרז מאטומי פחמן המופקדים על Fe.לאחר מכן מתרחשת גרעין מהיר וליבת הפחמן מתחמצנת ליצירת שכבת פחמן אמורפית וגרפיטית על גבי הליבה.ככל שהזמן גדל, גודל הכדור נעשה מדויק ואחיד יותר.במקביל, כוחות ואן דר ואלס הקיימים מובילים גם להצטברות של ספירות52.במהלך הפחתת יוני Fe ל-Fe3O4 ו-ɣ-Fe2O3 (לפי ניתוח פאזת קרני רנטגן), נוצרים סוגים שונים של תחמוצות ברזל על פני השטח של ננו-פחמנים, מה שמוביל ליצירת ננו-פחמנים מגנטיים.מיפוי EDS הראה כי אטומי Fe היו מפוזרים בחוזקה על פני השטח של MNC, כפי שמוצג באיורים משלימים 5a-c.
ההבדל הוא שבזמן סינתזה של 20 דקות, מתרחשת צבירת פחמן.הוא יוצר נקבוביות גדולות יותר על פני השטח של MNCs, מה שמצביע על כך שניתן לראות MNCs כפחם פעיל, כפי שמוצג בתמונות FESEM באיור 1e-g.הבדל זה בגודל הנקבוביות עשוי להיות קשור לתרומת תחמוצת ברזל מ-ferrocene.יחד עם זאת, בשל הטמפרטורה הגבוהה שהגיעה, יש קשקשים מעוותים.ננו-פחמנים מגנטיים מציגים מורפולוגיות שונות בזמני סינתזה שונים.ננו-פחמנים נוטים יותר ליצור צורות כדוריות עם זמני סינתזה קצרים יותר.יחד עם זאת, ניתן להשיג נקבוביות וקשקשים, אם כי ההבדל בזמן הסינתזה הוא רק תוך 5 דקות.
ננו-פחמנים מגנטיים יכולים להסיר מזהמים מהסביבה המימית.היכולת שלהם להסרה בקלות לאחר השימוש היא גורם נוסף לשימוש בננו-פחמנים המתקבלים בעבודה זו כסופחים.בחקר תכונות הספיחה של ננו-פחמנים מגנטיים, חקרנו את היכולת של MNCs לבטל צבע של תמיסות מתילן כחול (MB) ב-30 מעלות צלזיוס ללא כל התאמת pH.מספר מחקרים הגיעו למסקנה כי הביצועים של סופגי פחמן בטווח הטמפרטורות של 25-40 מעלות צלזיוס אינם ממלאים תפקיד חשוב בקביעת הסרת MC.למרות שערכי pH קיצוניים ממלאים תפקיד חשוב, מטענים יכולים להיווצר על הקבוצות הפונקציונליות על פני השטח, מה שמוביל לשיבוש האינטראקציה הסופחת-סופח ומשפיע על הספיחה.לפיכך, התנאים הנ"ל נבחרו במחקר זה בהתחשב במצבים אלו ובצורך בטיפול אופייני בשפכים.
בעבודה זו, בוצע ניסוי ספיחה אצווה על ידי הוספת 20 מ"ג של MNCs ל-20 מ"ל של תמיסה מימית של מתילן כחול עם ריכוזים ראשוניים סטנדרטיים שונים (5-20 ppm) בזמן מגע קבוע60.איור משלים 8 מציג את המצב של ריכוזים שונים (5-20 ppm) של תמיסות מתילן כחול לפני ואחרי טיפול ב-MNC10, MNC15 ו-MNC20.בעת שימוש ב-MNCs שונים, רמת הצבע של פתרונות MB ירדה.מעניין לציין כי MNC20 הפך בקלות לשינוי צבע של תמיסות MB בריכוז של 5 ppm.בינתיים, ה-MNC20 גם הוריד את רמת הצבע של פתרון ה-MB בהשוואה ל-MNCs אחרים.הספקטרום הנראה UV של MNC10-20 מוצג באיור משלים 9. בינתיים, קצב ההסרה ומידע הספיחה מוצגים באיור 9. 6 ובטבלה 3, בהתאמה.
ניתן למצוא פסגות חזקות של מתילן כחול ב-664 ננומטר ו-600 ננומטר.ככלל, עוצמת השיא יורדת בהדרגה עם ירידה בריכוז הראשוני של תמיסת MG.באיור הנוסף 9a מציג את הספקטרום הנראה ל-UV של תמיסות MB בריכוזים שונים לאחר טיפול ב-MNC10, ששינה רק במעט את עוצמת הפסגות.מצד שני, שיאי הספיגה של תמיסות MB ירדו באופן משמעותי לאחר טיפול ב-MNC15 ו-MNC20, כפי שמוצג באיורים משלימים 9b ו-c, בהתאמה.שינויים אלה נראים בבירור כאשר ריכוז תמיסת ה-MG יורד.עם זאת, השינויים הספקטרליים שהושגו על ידי כל שלושת הפחמנים המגנטיים הספיקו כדי להסיר את הצבע הכחול מתילן.
בהתבסס על טבלה 3, התוצאות עבור כמות ה-MC שנספג ואחוז ה-MC שנספג מוצגות באיור 3. 6. הספיחה של MG גדלה עם השימוש בריכוזים ראשוניים גבוהים יותר עבור כל ה-MNCs.בינתיים, אחוז הספיחה או קצב הסרת MB (MBR) הראו מגמה הפוכה כאשר הריכוז הראשוני עלה.בריכוזי MC ראשוניים נמוכים יותר, נותרו אתרים פעילים לא תפוסים על פני השטח הסופח.ככל שריכוז הצבע עולה, מספר האתרים הפעילים הפנויים הזמינים לספיחת מולקולות הצבע יקטן.אחרים הגיעו למסקנה שבתנאים אלה תושג הרוויה של האתרים הפעילים של ספיגה ביולוגית72.
לרוע המזל עבור MNC10, MBR גדל וירד לאחר 10 ppm של פתרון MB.יחד עם זאת, רק חלק קטן מאוד של MG נספג.זה מצביע על כך ש-10 ppm הוא הריכוז האופטימלי עבור ספיחה של MNC10.עבור כל ה-MNCs שנחקרו בעבודה זו, סדר יכולות הספיחה היה כדלקמן: MNC20 > MNC15 > MNC10, הערכים הממוצעים היו 10.36 מ"ג/ג', 6.85 מ"ג/ג' ו-0.71 מ"ג/ג', ההסרה הממוצעת של שיעורי MG היה 87, 79%, 62.26% ו-5.75%.לפיכך, MNC20 הוכיח את מאפייני הספיחה הטובים ביותר מבין הננו-פחמנים המגנטיים המסונתזים, תוך התחשבות ביכולת הספיחה והספקטרום הנראה ל-UV.למרות שיכולת הספיחה נמוכה יותר בהשוואה לננו-פחמנים מגנטיים אחרים כגון MWCNT מרוכב מגנטי (11.86 מ"ג/ג) וננו-חלקיקי ננו-שפופרת מגנטיים של Fe3O4 (18.44 מ"ג/ג'), מחקר זה אינו דורש שימוש נוסף בחומר ממריץ.כימיקלים פועלים כזרזים.מתן שיטות סינתטיות נקיות ואפשריות73,74.
כפי שמוצג על ידי ערכי SBET של ה-MNCs, משטח ספציפי גבוה מספק אתרים פעילים יותר לספיחת פתרון ה-MB.זה הופך להיות אחד המאפיינים הבסיסיים של ננו-פחמנים סינתטיים.יחד עם זאת, בשל הגודל הקטן של MNCs, זמן הסינתזה קצר ומקובל, מה שמתאים לאיכויות העיקריות של סופחים מבטיחים75.בהשוואה לסופחים טבעיים קונבנציונליים, ה-MNC המסונתזים הם רוויים מגנטית וניתן להסירם בקלות מהתמיסה תחת פעולת שדה מגנטי חיצוני76.כך, הזמן הדרוש לכל תהליך הטיפול מצטמצם.
איזותרמיות ספיחה חיוניות כדי להבין את תהליך הספיחה ולאחר מכן להדגים כיצד מחיצות הספיחה בין השלב הנוזלי והמוצק כאשר מגיעים לשיווי משקל.משוואות Langmuir ו- Freundlich משמשות כמשוואות איזותרמיות סטנדרטיות, המסבירות את מנגנון הספיחה, כפי שמוצג באיור 7. מודל Langmuir מציג היטב את היווצרות שכבת אדסורבט בודדת על פני השטח החיצוניים של הסופח.איזותרמיות מתוארות בצורה הטובה ביותר כמשטחי ספיחה הומוגניים.יחד עם זאת, האיזותרם של פרוינדליך מציין בצורה הטובה ביותר את השתתפותם של מספר אזורי ספיחה ואת אנרגיית הספיחה בלחיצת האדסורבט למשטח לא הומוגני.
איזותרמית דגם עבור איזותרמית Langmuir (a–c) ואיזותרמית Freundlich (d–f) עבור MNC10, MNC15 ו-MNC20.
איזותרמיות ספיחה בריכוזים נמוכים של מומסים הם בדרך כלל ליניאריים77.ניתן לבטא את הייצוג הליניארי של מודל האיזותרמי של לנגמייר במשוואה.1 קבע פרמטרי ספיחה.
KL (l/mg) הוא קבוע Langmuir המייצג את זיקת הקישור של MB ל-MNC.בינתיים, qmax הוא יכולת הספיחה המקסימלית (mg/g), qe הוא הריכוז הנספג של MC (mg/g), ו-Ce הוא ריכוז שיווי המשקל של תמיסת MC.ניתן לתאר את הביטוי הליניארי של מודל האיזותרם של פרוינדליך באופן הבא: