Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Keberadaan logam yang dipancarkan oleh radiasi gelombang mikro masih kontroversial karena logam mudah terbakar.Namun yang menarik adalah para peneliti menemukan bahwa fenomena pelepasan busur menawarkan rute yang menjanjikan untuk sintesis bahan nano dengan membelah molekul.Penelitian ini mengembangkan metode sintetik satu langkah namun terjangkau yang menggabungkan pemanasan gelombang mikro dan busur listrik untuk mengubah minyak sawit mentah menjadi nanokarbon magnetik (MNC), yang dapat dianggap sebagai alternatif baru untuk produksi minyak sawit.Ini melibatkan sintesis media dengan kawat baja tahan karat yang dililitkan secara permanen (media dielektrik) dan ferosen (katalis) dalam kondisi inert sebagian.Metode ini telah berhasil didemonstrasikan untuk pemanasan pada kisaran suhu 190,9 hingga 472,0°C dengan berbagai waktu sintesis (10-20 menit).MNC yang baru disiapkan menunjukkan bola dengan ukuran rata-rata 20,38–31,04 nm, struktur mesopori (SBET: 14,83–151,95 m2/g) dan kandungan karbon tetap yang tinggi (52,79–71,24 berat%), serta D dan G pita (ID/g) 0,98–0,99.Pembentukan puncak baru pada spektrum FTIR (522,29–588,48 cm–1) menunjukkan adanya senyawa FeO dalam ferosen.Magnetometer menunjukkan saturasi magnetisasi yang tinggi (22,32–26,84 emu/g) pada bahan feromagnetik.Penggunaan MNC dalam pengolahan air limbah telah dibuktikan dengan mengevaluasi kapasitas adsorpsinya menggunakan uji adsorpsi metilen biru (MB) pada berbagai konsentrasi dari 5 hingga 20 ppm.MNC yang diperoleh pada waktu sintesis (20 menit) menunjukkan efisiensi adsorpsi tertinggi (10,36 mg/g) dibandingkan yang lain, dan laju penghilangan zat warna MB sebesar 87,79%.Oleh karena itu, nilai Langmuir tidak optimis dibandingkan dengan nilai Freundlich, dengan R2 sekitar 0,80, 0,98 dan 0,99 untuk MNC yang disintesis masing-masing pada 10 menit (MNC10), 15 menit (MNC15) dan 20 menit (MNC20).Akibatnya, sistem adsorpsi berada dalam keadaan heterogen.Oleh karena itu, microwave arcing menawarkan metode yang menjanjikan untuk mengubah CPO menjadi MNC, yang dapat menghilangkan pewarna berbahaya.
Radiasi gelombang mikro dapat memanaskan bagian terdalam material melalui interaksi molekuler medan elektromagnetik.Respons gelombang mikro ini unik karena mendorong respons termal yang cepat dan seragam.Dengan demikian, dimungkinkan untuk mempercepat proses pemanasan dan meningkatkan reaksi kimia2.Pada saat yang sama, karena waktu reaksi yang lebih singkat, reaksi gelombang mikro pada akhirnya dapat menghasilkan produk dengan kemurnian tinggi dan hasil tinggi3,4.Karena sifatnya yang menakjubkan, radiasi gelombang mikro memfasilitasi sintesis gelombang mikro menarik yang digunakan dalam banyak penelitian, termasuk reaksi kimia dan sintesis bahan nano5,6.Selama proses pemanasan, sifat dielektrik akseptor di dalam medium memainkan peran yang menentukan, karena menciptakan titik panas di dalam medium, yang mengarah pada pembentukan nanokarbon dengan morfologi dan sifat yang berbeda.Sebuah studi oleh Omoriyekomwan dkk.Produksi serat nano karbon berongga dari inti sawit menggunakan karbon aktif dan nitrogen8.Selain itu, Fu dan Hamid menentukan penggunaan katalis untuk produksi karbon aktif serat kelapa sawit dalam oven microwave 350 W9.Oleh karena itu, pendekatan serupa dapat digunakan untuk mengubah minyak sawit mentah menjadi perusahaan multinasional dengan memperkenalkan pemulung yang sesuai.
Fenomena menarik telah diamati antara radiasi gelombang mikro dan logam dengan tepi tajam, titik, atau ketidakteraturan submikroskopis10.Keberadaan kedua benda tersebut akan dipengaruhi oleh busur listrik atau percikan api (biasa disebut dengan pelepasan busur listrik)11,12.Busur tersebut akan mendorong pembentukan titik panas yang lebih terlokalisasi dan mempengaruhi reaksi, sehingga meningkatkan komposisi kimia lingkungan13.Fenomena khusus dan menarik ini telah menarik berbagai penelitian seperti penghilangan kontaminan14,15, perengkahan tar biomassa16, pirolisis dengan bantuan gelombang mikro17,18 dan sintesis material19,20,21.
Baru-baru ini, nanokarbon seperti tabung nano karbon, nanosfer karbon, dan oksida grafena tereduksi yang dimodifikasi telah menarik perhatian karena sifatnya.Nanokarbon ini memiliki potensi besar untuk aplikasi mulai dari pembangkit listrik hingga pemurnian atau dekontaminasi air23.Selain itu, diperlukan sifat karbon yang sangat baik, tetapi pada saat yang sama, diperlukan sifat magnet yang baik.Hal ini sangat berguna untuk aplikasi multifungsi termasuk adsorpsi ion logam dan pewarna yang tinggi dalam pengolahan air limbah, pengubah magnetik dalam biofuel dan bahkan peredam gelombang mikro efisiensi tinggi24,25,26,27,28.Pada saat yang sama, karbon ini memiliki keunggulan lain, termasuk peningkatan luas permukaan situs aktif sampel.
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian terhadap bahan nanokarbon magnetik telah meningkat.Biasanya, nanokarbon magnetik ini adalah bahan multifungsi yang mengandung bahan magnetik berukuran nano yang dapat menyebabkan reaksi katalis eksternal, seperti elektrostatis eksternal atau medan magnet bolak-balik29.Karena sifat magnetiknya, nanokarbon magnetik dapat dikombinasikan dengan berbagai bahan aktif dan struktur kompleks untuk imobilisasi30.Sementara itu, nanokarbon magnetik (MNCs) menunjukkan efisiensi yang sangat baik dalam menyerap polutan dari larutan air.Selain itu, tingginya luas permukaan spesifik dan pori-pori yang terbentuk pada MNC dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi31.Pemisah magnetik dapat memisahkan MNC dari larutan yang sangat reaktif, mengubahnya menjadi bahan penyerap yang aktif dan mudah dikelola32.
Beberapa peneliti telah menunjukkan bahwa nanokarbon berkualitas tinggi dapat diproduksi dengan menggunakan minyak sawit mentah33,34.Minyak kelapa sawit, yang secara ilmiah dikenal dengan nama Elais Guneensis, dianggap sebagai salah satu minyak nabati penting dengan produksi sekitar 76,55 juta ton pada tahun 202135. Minyak sawit mentah atau CPO mengandung rasio asam lemak tak jenuh (EFA) dan asam lemak jenuh yang seimbang. (Otoritas Moneter Singapura).Sebagian besar hidrokarbon dalam CPO adalah trigliserida, suatu gliserida yang terdiri dari tiga komponen trigliserida asetat dan satu komponen gliserol36.Hidrokarbon ini dapat digeneralisasikan karena kandungan karbonnya yang besar, menjadikannya prekursor ramah lingkungan yang potensial untuk produksi nanokarbon37.Menurut literatur, CNT37,38,39,40, karbon nanosfer33,41 dan graphene34,42,43 biasanya disintesis menggunakan minyak sawit mentah atau minyak nabati.Nanokarbon ini memiliki potensi besar dalam aplikasi mulai dari pembangkit listrik hingga pemurnian atau dekontaminasi air.
Sintesis termal seperti CVD38 atau pirolisis33 telah menjadi metode yang menguntungkan untuk dekomposisi minyak sawit.Sayangnya, suhu tinggi dalam proses tersebut meningkatkan biaya produksi.Memproduksi bahan yang disukai 44 memerlukan prosedur dan metode pembersihan yang panjang dan membosankan.Namun, kebutuhan akan pemisahan dan perengkahan fisik tidak dapat disangkal karena stabilitas minyak sawit mentah yang baik pada suhu tinggi45.Oleh karena itu, suhu yang lebih tinggi masih diperlukan untuk mengubah minyak sawit mentah menjadi bahan berkarbon.Busur cair dapat dianggap sebagai potensi terbaik dan metode baru untuk sintesis nanokarbon magnetik 46 .Pendekatan ini memberikan energi langsung untuk prekursor dan solusi dalam keadaan sangat tereksitasi.Pelepasan busur api dapat menyebabkan putusnya ikatan karbon pada minyak sawit mentah.Namun, jarak elektroda yang digunakan mungkin harus memenuhi persyaratan yang ketat, yang akan membatasi skala industri, sehingga metode yang efisien masih perlu dikembangkan.
Sejauh pengetahuan kami, penelitian tentang pelepasan busur listrik menggunakan gelombang mikro sebagai metode untuk mensintesis nanokarbon masih terbatas.Pada saat yang sama, penggunaan minyak sawit mentah sebagai bahan prekursor belum sepenuhnya dieksplorasi.Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengeksplorasi kemungkinan pembuatan nanokarbon magnetik dari prekursor minyak sawit mentah menggunakan busur listrik menggunakan oven microwave.Kelimpahan minyak sawit harus tercermin dalam produk dan aplikasi baru.Pendekatan baru terhadap penyulingan minyak sawit ini dapat membantu meningkatkan sektor perekonomian dan menjadi sumber pendapatan lain bagi produsen minyak sawit, terutama perkebunan kelapa sawit petani kecil yang terkena dampak.Menurut penelitian terhadap petani kecil di Afrika yang dilakukan oleh Ayompe dkk., petani kecil hanya memperoleh lebih banyak uang jika mereka mengolah sendiri kelompok buah segar dan menjual minyak sawit mentah dibandingkan menjualnya ke perantara, yang merupakan pekerjaan yang mahal dan membosankan47.Pada saat yang sama, peningkatan penutupan pabrik akibat COVID-19 juga berdampak pada produk aplikasi berbasis minyak sawit.Menariknya, karena sebagian besar rumah tangga memiliki akses terhadap oven microwave dan metode yang diusulkan dalam penelitian ini dianggap layak dan terjangkau, produksi MNC dapat dipertimbangkan sebagai alternatif terhadap perkebunan kelapa sawit skala kecil.Sedangkan dalam skala yang lebih besar, perusahaan dapat berinvestasi pada reaktor besar untuk memproduksi TNC besar.
Penelitian ini terutama mencakup proses sintesis menggunakan baja tahan karat sebagai media dielektrik dengan berbagai durasi.Kebanyakan penelitian umum menggunakan gelombang mikro dan nanokarbon menunjukkan waktu sintesis yang dapat diterima yaitu 30 menit atau lebih33,34.Untuk mendukung ide praktis yang dapat diakses dan layak, penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perusahaan multinasional dengan waktu sintesis di bawah rata-rata.Pada saat yang sama, studi tersebut memberikan gambaran kesiapan teknologi level 3 seiring dengan pembuktian teori dan implementasi pada skala laboratorium.Kemudian, MNC yang dihasilkan dikarakterisasi berdasarkan sifat fisik, kimia, dan magnetiknya.Metilen biru kemudian digunakan untuk menunjukkan kapasitas adsorpsi MNC yang dihasilkan.
Minyak sawit mentah diperoleh dari Pabrik Apas Balung, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, dan digunakan sebagai prekursor karbon untuk sintesis.Dalam hal ini digunakan kawat baja tahan karat dengan diameter 0,90 mm sebagai media dielektrik.Ferrocene (kemurnian 99%), diperoleh dari Sigma-Aldrich, AS, dipilih sebagai katalis dalam penelitian ini.Metilen biru (Bendosen, 100 g) selanjutnya digunakan untuk percobaan adsorpsi.
Dalam penelitian ini, oven microwave rumah tangga (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) diubah menjadi reaktor gelombang mikro.Tiga lubang dibuat di bagian atas oven microwave untuk saluran masuk dan keluar gas serta termokopel.Probe termokopel diisolasi dengan tabung keramik dan ditempatkan pada kondisi yang sama untuk setiap percobaan untuk mencegah kecelakaan.Sementara itu, reaktor kaca borosilikat dengan penutup tiga lubang digunakan untuk menampung sampel dan trakea.Diagram skema reaktor gelombang mikro dapat dilihat pada Gambar Tambahan 1.
Menggunakan minyak sawit mentah sebagai prekursor karbon dan ferosen sebagai katalis, nanokarbon magnetik disintesis.Sekitar 5% berat katalis ferosena dibuat dengan metode katalis bubur.Ferrocene dicampur dengan 20 ml minyak sawit mentah dengan kecepatan 60 rpm selama 30 menit.Campuran kemudian dipindahkan ke wadah alumina, dan kawat baja tahan karat sepanjang 30 cm digulung dan ditempatkan secara vertikal di dalam wadah.Tempatkan wadah alumina ke dalam reaktor kaca dan kencangkan di dalam oven microwave dengan tutup kaca tertutup.Nitrogen ditiupkan ke dalam ruangan 5 menit sebelum dimulainya reaksi untuk menghilangkan udara yang tidak diinginkan dari ruangan.Daya gelombang mikro telah ditingkatkan menjadi 800W karena ini adalah daya gelombang mikro maksimum yang dapat mempertahankan permulaan busur yang baik.Oleh karena itu, hal ini dapat berkontribusi pada penciptaan kondisi yang menguntungkan untuk reaksi sintetik.Pada saat yang sama, rentang daya ini juga banyak digunakan dalam watt untuk reaksi fusi gelombang mikro48,49.Campuran dipanaskan selama 10, 15 atau 20 menit selama reaksi.Setelah reaksi selesai, reaktor dan microwave didinginkan secara alami hingga suhu kamar.Produk akhir dalam wadah alumina adalah endapan hitam dengan kabel heliks.
Endapan hitam dikumpulkan dan dicuci beberapa kali secara bergantian dengan etanol, isopropanol (70%) dan air suling.Setelah dicuci dan dibersihkan, produk dikeringkan semalaman pada suhu 80°C dalam oven konvensional untuk menguapkan kotoran yang tidak diinginkan.Produk kemudian dikumpulkan untuk karakterisasi.Sampel berlabel MNC10, MNC15, dan MNC20 digunakan untuk mensintesis nanokarbon magnetik selama 10 menit, 15 menit, dan 20 menit.
Amati morfologi MNC dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan atau FESEM (model Zeiss Auriga) pada perbesaran 100 hingga 150 kX.Pada saat yang sama, komposisi unsur dianalisis dengan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS).Analisis EMF dilakukan pada jarak kerja 2,8 mm dan tegangan percepatan 1 kV.Luas permukaan spesifik dan nilai pori MNC diukur dengan metode Brunauer-Emmett-Teller (BET), termasuk isoterm adsorpsi-desorpsi N2 pada 77 K. Analisis dilakukan dengan menggunakan model luas permukaan meter (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Kristalinitas dan fase nanokarbon magnetik ditentukan dengan difraksi serbuk sinar-X atau XRD (Burker D8 Advance) pada λ = 0,154 nm.Difraktogram direkam antara 2θ = 5 dan 85° pada kecepatan pemindaian 2° menit-1.Selain itu, struktur kimia MNC diselidiki menggunakan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR).Analisis dilakukan menggunakan Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 dengan kecepatan scan berkisar antara 4000 hingga 400 cm-1.Dalam mempelajari fitur struktural nanokarbon magnetik, spektroskopi Raman dilakukan menggunakan laser yang didoping neodymium (532 nm) dalam spektroskopi U-RAMAN dengan tujuan 100X.
Magnetometer getar atau VSM (seri Lake Shore 7400) digunakan untuk mengukur saturasi magnetik oksida besi di perusahaan multinasional.Medan magnet sekitar 8 kOe digunakan dan diperoleh 200 titik.
Saat mempelajari potensi MNC sebagai adsorben dalam percobaan adsorpsi, pewarna kationik metilen biru (MB) digunakan.MNC (20 mg) ditambahkan ke 20 ml larutan metilen biru dengan konsentrasi standar dalam kisaran 5-20 mg/L50.PH larutan diatur pada pH netral 7 selama penelitian.Larutan diaduk secara mekanis pada 150 rpm dan 303,15 K pada pengocok putar (Lab Companion: SI-300R).MNC kemudian dipisahkan menggunakan magnet.Gunakan spektrofotometer UV-visibel (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) untuk mengamati konsentrasi larutan MB sebelum dan sesudah percobaan adsorpsi, dan mengacu pada kurva standar metilen biru pada panjang gelombang maksimum 664 nm.Percobaan diulang sebanyak tiga kali dan diberikan nilai rata-ratanya.Penyisihan MG dari larutan dihitung menggunakan persamaan umum jumlah MC yang teradsorpsi pada kesetimbangan qe dan persentase % penyisihan.
Percobaan isoterm adsorpsi juga dilakukan dengan pengadukan berbagai konsentrasi (5–20 mg/l) larutan MG dan 20 mg adsorben pada suhu konstan 293,15 K. mg untuk semua MNC.
Besi dan karbon magnetik telah dipelajari secara ekstensif selama beberapa dekade terakhir.Bahan magnetik berbasis karbon ini semakin menarik perhatian karena sifat elektromagnetiknya yang sangat baik, sehingga menyebabkan berbagai potensi penerapan teknologi, terutama pada peralatan listrik dan pengolahan air.Dalam penelitian ini, nanokarbon disintesis dengan memecahkan hidrokarbon dalam minyak sawit mentah menggunakan pelepasan gelombang mikro.Sintesis dilakukan pada waktu yang berbeda, dari 10 hingga 20 menit, dengan perbandingan tetap (5:1) antara prekursor dan katalis, menggunakan pengumpul arus logam (SS yang dipilin) dan sebagian inert (udara yang tidak diinginkan dibersihkan dengan nitrogen pada saat itu). awal percobaan).Endapan karbon yang dihasilkan berbentuk bubuk padat berwarna hitam, seperti ditunjukkan pada Gambar Tambahan 2a.Hasil karbon yang diendapkan sekitar 5,57%, 8,21%, dan 11,67% pada waktu sintesis masing-masing 10 menit, 15 menit, dan 20 menit.Skenario ini menunjukkan bahwa waktu sintesis yang lebih lama berkontribusi terhadap hasil yang lebih tinggi51—hasil yang rendah, kemungkinan besar disebabkan oleh waktu reaksi yang singkat dan aktivitas katalis yang rendah.
Sementara itu, plot suhu sintesis versus waktu untuk nanokarbon yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 2b Tambahan.Temperatur tertinggi yang diperoleh untuk MNC10, MNC15 dan MNC20 berturut-turut adalah 190,9°C, 434,5°C dan 472°C.Untuk setiap kurva, terlihat kemiringan yang curam, yang menunjukkan kenaikan suhu di dalam reaktor secara konstan karena panas yang dihasilkan selama busur logam.Hal ini dapat dilihat pada 0–2 menit, 0–5 menit, dan 0–8 menit masing-masing untuk MNC10, MNC15, dan MNC20.Setelah mencapai titik tertentu, lereng terus melayang hingga suhu tertinggi, dan kemiringan menjadi sedang.
Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM) digunakan untuk mengamati topografi permukaan sampel MNC.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.1, nanokarbon magnetik memiliki struktur morfologi yang sedikit berbeda pada waktu sintesis yang berbeda.Gambar FESEM MNC10 pada gambar.Gambar 1a,b menunjukkan bahwa pembentukan bola karbon terdiri dari mikro dan nanosfer yang terjerat dan melekat akibat tegangan permukaan yang tinggi.Pada saat yang sama, kehadiran gaya van der Waals menyebabkan agregasi bola karbon52.Peningkatan waktu sintesis mengakibatkan ukuran yang lebih kecil dan peningkatan jumlah bola karena reaksi perengkahan yang lebih lama.Pada gambar.Gambar 1c menunjukkan bahwa MNC15 mempunyai bentuk bola yang hampir sempurna.Namun, bola teragregasi masih dapat membentuk mesopori, yang nantinya dapat menjadi tempat yang baik untuk adsorpsi metilen biru.Pada perbesaran tinggi 15.000 kali pada Gambar 1d, lebih banyak bola karbon dapat terlihat diaglomerasi dengan ukuran rata-rata 20,38 nm.
Gambar FESEM dari nanokarbon yang disintesis setelah 10 menit (a, b), 15 menit (c, d) dan 20 menit (e – g) pada pembesaran 7000 dan 15000 kali.
Pada gambar.1e–g MNC20 menggambarkan perkembangan pori-pori dengan bola kecil pada permukaan karbon magnetik dan menyusun kembali morfologi karbon aktif magnetik53.Pori-pori dengan diameter dan lebar berbeda terletak secara acak di permukaan karbon magnetik.Oleh karena itu, hal ini mungkin menjelaskan mengapa MNC20 menunjukkan luas permukaan dan volume pori yang lebih besar seperti yang ditunjukkan oleh analisis BET, karena lebih banyak pori yang terbentuk di permukaannya dibandingkan pada waktu sintetik lainnya.Mikrograf yang diambil pada perbesaran tinggi 15.000 kali menunjukkan ukuran partikel yang tidak homogen dan bentuk yang tidak beraturan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1g.Ketika waktu pertumbuhan ditingkatkan menjadi 20 menit, lebih banyak bola yang diaglomerasi terbentuk.
Menariknya, serpihan karbon yang terpelintir juga ditemukan di area yang sama.Diameter bola bervariasi dari 5,18 hingga 96,36 nm.Pembentukan ini mungkin disebabkan oleh terjadinya nukleasi diferensial, yang difasilitasi oleh suhu tinggi dan gelombang mikro.Ukuran bola yang dihitung dari MNC yang disiapkan rata-rata 20,38 nm untuk MNC10, 24,80 nm untuk MNC15, dan 31,04 nm untuk MNC20.Distribusi ukuran bola ditunjukkan pada gambar tambahan.3.
Gambar tambahan 4 menunjukkan ringkasan spektrum EDS dan komposisi unsur MNC10, MNC15, dan MNC20.Berdasarkan spektrumnya, diketahui bahwa setiap nanokarbon mengandung jumlah C, O, dan Fe yang berbeda-beda.Hal ini disebabkan oleh berbagai reaksi oksidasi dan perengkahan yang terjadi selama waktu sintesis tambahan.Sejumlah besar C diyakini berasal dari prekursor karbon, yaitu minyak sawit mentah.Sedangkan rendahnya persentase O disebabkan oleh proses oksidasi pada saat sintesis.Pada saat yang sama, Fe dikaitkan dengan oksida besi yang diendapkan pada permukaan nanokarbon setelah dekomposisi ferosen.Selain itu, Gambar Tambahan 5a – c menunjukkan pemetaan elemen MNC10, MNC15, dan MNC20.Berdasarkan pemetaan fundamental, terlihat bahwa Fe terdistribusi dengan baik di permukaan MNC.
Analisis adsorpsi-desorpsi nitrogen memberikan informasi tentang mekanisme adsorpsi dan struktur berpori material.Isoterm adsorpsi N2 dan grafik permukaan MNC BET ditunjukkan pada Gambar.2. Berdasarkan gambar FESEM, perilaku adsorpsi diperkirakan menunjukkan kombinasi struktur mikropori dan mesopori akibat agregasi.Namun, grafik pada Gambar 2 menunjukkan bahwa adsorben menyerupai isoterm tipe IV dan loop histeresis tipe H2 dari IUPAC55.Jenis isotermal ini seringkali mirip dengan bahan mesopori.Perilaku adsorpsi mesopori biasanya ditentukan oleh interaksi reaksi adsorpsi-adsorpsi dengan molekul zat terkondensasi.Isoterm adsorpsi berbentuk S atau S biasanya disebabkan oleh adsorpsi satu lapis-multilapis yang diikuti oleh fenomena di mana gas mengembun menjadi fase cair di pori-pori pada tekanan di bawah tekanan saturasi cairan curah, yang dikenal sebagai kondensasi pori 56. Kondensasi kapiler pada pori-pori terjadi pada tekanan relatif (p/po) di atas 0,50.Sementara itu, struktur pori yang kompleks menunjukkan histeresis tipe H2, yang disebabkan oleh penyumbatan atau kebocoran pori pada kisaran pori yang sempit.
Parameter fisik permukaan yang diperoleh dari pengujian BET ditunjukkan pada Tabel 1. Luas permukaan BET dan volume pori total meningkat secara signifikan seiring dengan bertambahnya waktu sintesis.Rata-rata ukuran pori MNC10, MNC15, dan MNC20 masing-masing adalah 7,2779 nm, 7,6275 nm, dan 7,8223 nm.Menurut rekomendasi IUPAC, pori-pori perantara ini dapat diklasifikasikan sebagai bahan mesopori.Struktur mesopori dapat membuat metilen biru lebih mudah ditembus dan diserap oleh MNC57.Waktu Sintesis Maksimum (MNC20) menunjukkan luas permukaan tertinggi, diikuti oleh MNC15 dan MNC10.Luas permukaan BET yang lebih tinggi dapat meningkatkan kinerja adsorpsi karena lebih banyak situs surfaktan yang tersedia.
Pola difraksi sinar-X dari MNC yang disintesis ditunjukkan pada Gambar. 3. Pada suhu tinggi, ferrosen juga retak dan membentuk oksida besi.Pada gambar.Gambar 3a menunjukkan pola XRD MNC10.Ini menunjukkan dua puncak pada 2θ, 43.0° dan 62.32°, yang ditetapkan ke ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).Pada saat yang sama, Fe3O4 memiliki puncak tegang pada 2θ: 35,27°.Di sisi lain, pada pola difraksi MHC15 pada Gambar 3b menunjukkan puncak baru, yang kemungkinan besar terkait dengan peningkatan suhu dan waktu sintesis.Meskipun puncak 2θ: 26,202° kurang intens, pola difraksi konsisten dengan file grafit JCPDS (JCPDS #75–1621), yang menunjukkan adanya kristal grafit dalam nanokarbon.Puncak ini tidak ada di MNC10, mungkin karena suhu busur yang rendah selama sintesis.Pada 2θ terdapat tiga puncak waktu: 30.082°, 35.502°, 57.422° yang disebabkan oleh Fe3O4.Terlihat juga dua puncak yang menunjukkan adanya ɣ-Fe2O3 pada 2θ: 43,102° dan 62,632°.Untuk MNC yang disintesis selama 20 menit (MNC20), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, pola difraksi serupa dapat diamati pada MNK15.Grafik puncak pada 26.382° juga dapat dilihat di MNC20.Tiga puncak tajam yang ditunjukkan pada 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402° adalah untuk Fe3O4.Selain itu, keberadaan ε-Fe2O3 ditunjukkan pada 2θ: 42,972° dan 62,61.Kehadiran senyawa oksida besi pada MNC yang dihasilkan dapat memberikan efek positif terhadap kemampuan mengadsorpsi metilen biru di masa depan.
Karakteristik ikatan kimia dalam sampel MNC dan CPO ditentukan dari spektrum reflektansi FTIR pada Gambar Tambahan 6. Awalnya, enam puncak penting minyak sawit mentah mewakili empat komponen kimia berbeda seperti dijelaskan dalam Tabel Tambahan 1. Puncak fundamental yang diidentifikasi dalam CPO adalah 2913,81 cm-1, 2840 cm-1 dan 1463,34 cm-1, yang mengacu pada vibrasi ulur CH dari alkana dan gugus CH2 atau CH3 alifatik lainnya.Puncak rimbawan yang teridentifikasi adalah 1740,85 cm-1 dan 1160,83 cm-1.Puncak pada 1740,85 cm-1 merupakan ikatan C=O yang diperpanjang oleh karbonil ester gugus fungsi trigliserida.Sedangkan puncak pada 1160,83 cm-1 merupakan jejak gugus ester CO58.59 yang terpancar.Sedangkan puncak pada 813,54 cm-1 merupakan jejak gugus alkana.
Oleh karena itu, beberapa puncak serapan pada minyak sawit mentah menghilang seiring dengan bertambahnya waktu sintesis.Puncak pada 2913,81 cm-1 dan 2840 cm-1 masih dapat diamati pada MNC10, namun menariknya pada MNC15 dan MNC20 puncak-puncak tersebut cenderung hilang akibat oksidasi.Sementara itu, analisis FTIR nanokarbon magnetik mengungkapkan puncak serapan baru yang terbentuk mewakili lima gugus fungsi MNC10-20 yang berbeda.Puncak-puncak ini juga tercantum dalam Tabel Tambahan 1. Puncak pada 2325,91 cm-1 merupakan regangan CH asimetris dari gugus alifatik CH360.Puncak pada 1463.34-1443.47 cm-1 menunjukkan pembengkokan CH2 dan CH pada gugus alifatik seperti minyak sawit, namun puncaknya mulai menurun seiring berjalannya waktu.Puncak pada 813,54–875,35 cm–1 merupakan jejak gugus CH-alkana aromatik.
Sedangkan puncak pada 2101,74 cm-1 dan 1589,18 cm-1 masing-masing mewakili ikatan CC 61 yang membentuk cincin alkuna C=C dan cincin aromatik.Puncak kecil pada 1695,15 cm-1 menunjukkan ikatan C=O asam lemak bebas dari gugus karbonil.Itu diperoleh dari karbonil CPO dan ferosen selama sintesis.Puncak-puncak yang baru terbentuk pada rentang 539,04 hingga 588,48 cm-1 termasuk dalam ikatan vibrasi Fe-O ferosen.Berdasarkan puncak yang ditunjukkan pada Gambar Tambahan 4, terlihat bahwa waktu sintesis dapat mengurangi beberapa puncak dan melakukan ikatan ulang pada nanokarbon magnetik.
Analisis spektroskopi hamburan Raman nanokarbon magnetik yang diperoleh pada waktu sintesis berbeda menggunakan laser insiden dengan panjang gelombang 514 nm ditunjukkan pada Gambar 4. Semua spektrum MNC10, MNC15 dan MNC20 terdiri dari dua pita intens yang terkait dengan karbon sp3 rendah, umumnya ditemukan pada kristalit nanografit dengan cacat pada mode getaran spesies karbon sp262.Puncak pertama, terletak di wilayah 1333–1354 cm–1, mewakili pita D, yang tidak cocok untuk grafit ideal dan berhubungan dengan gangguan struktural dan pengotor lainnya63,64.Puncak terpenting kedua sekitar 1537–1595 cm-1 muncul dari peregangan ikatan dalam bidang atau bentuk grafit kristalin dan teratur.Namun, puncaknya bergeser sekitar 10 cm-1 dibandingkan dengan pita grafit G, yang menunjukkan bahwa MNC memiliki susunan susunan lembaran yang rendah dan struktur yang rusak.Intensitas relatif pita D dan G (ID/IG) digunakan untuk mengevaluasi kemurnian sampel kristalit dan grafit.Menurut analisis spektroskopi Raman, semua MNC memiliki nilai ID/IG pada kisaran 0,98–0,99, yang menunjukkan cacat struktural akibat hibridisasi Sp3.Situasi ini dapat menjelaskan keberadaan puncak 2θ yang kurang intens dalam spektrum XPA: 26,20° untuk MNK15 dan 26,28° untuk MNK20, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, yang ditetapkan ke puncak grafit dalam file JCPDS.Rasio ID/IG MNC yang diperoleh dalam penelitian ini berada pada kisaran nanokarbon magnetik lainnya, misalnya 0,85–1,03 untuk metode hidrotermal dan 0,78–0,9665,66 untuk metode pirolitik.Oleh karena itu, rasio ini menunjukkan bahwa metode sintetik yang ada saat ini dapat digunakan secara luas.
Karakteristik magnetik MNC dianalisis menggunakan magnetometer bergetar.Histeresis yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar.5.Biasanya, perusahaan multinasional memperoleh daya tariknya dari ferrosen selama sintesis.Sifat magnetik tambahan ini dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi nanokarbon di masa depan.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, sampel dapat diidentifikasi sebagai bahan superparamagnetik.Menurut Wahajuddin & Arora67, keadaan superparamagnetik adalah sampel dimagnetisasi hingga magnetisasi jenuh (MS) ketika medan magnet eksternal diterapkan.Kemudian, sisa interaksi magnetik tidak lagi muncul dalam sampel67.Perlu dicatat bahwa magnetisasi saturasi meningkat seiring dengan waktu sintesis.Menariknya, MNC15 memiliki saturasi magnet tertinggi karena kuatnya pembentukan magnet (magnetisasi) dapat disebabkan oleh waktu sintesis yang optimal dengan adanya magnet eksternal.Hal ini mungkin disebabkan oleh adanya Fe3O4 yang memiliki sifat kemagnetan lebih baik dibandingkan oksida besi lainnya seperti ɣ-Fe2O.Urutan momen adsorpsi jenuh per satuan massa MNC adalah MNC15>MNC10>MNC20.Parameter magnetik yang diperoleh diberikan dalam tabel.2.
Nilai minimum saturasi magnet bila menggunakan magnet konvensional dalam pemisahan magnet adalah sekitar 16,3 emu g-1.Kemampuan MNC dalam menghilangkan kontaminan seperti pewarna di lingkungan perairan dan kemudahan penghilangan MNC menjadi faktor tambahan dalam menghasilkan nanokarbon.Penelitian telah menunjukkan bahwa saturasi magnetik LSM dianggap tinggi.Dengan demikian, semua sampel mencapai nilai saturasi magnetik lebih dari cukup untuk prosedur pemisahan magnetik.
Baru-baru ini, strip atau kabel logam telah menarik perhatian sebagai katalis atau dielektrik dalam proses fusi gelombang mikro.Reaksi gelombang mikro logam menyebabkan suhu atau reaksi tinggi di dalam reaktor.Studi ini mengklaim bahwa ujung dan kawat baja tahan karat yang dikondisikan (melingkar) memfasilitasi pelepasan gelombang mikro dan pemanasan logam.Baja tahan karat memiliki kekasaran yang nyata pada ujungnya, yang menyebabkan nilai kerapatan muatan permukaan dan medan listrik eksternal yang tinggi.Ketika muatan telah memperoleh energi kinetik yang cukup, partikel bermuatan akan melompat keluar dari baja tahan karat, menyebabkan lingkungan terionisasi, menghasilkan pelepasan atau percikan api (68).Pelepasan logam memberikan kontribusi yang signifikan terhadap reaksi perengkahan larutan yang disertai dengan titik panas bersuhu tinggi.Menurut peta suhu pada Gambar Tambahan 2b, suhu meningkat dengan cepat, menunjukkan adanya titik panas suhu tinggi selain fenomena pelepasan muatan kuat.
Dalam hal ini, efek termal diamati, karena elektron yang terikat lemah dapat bergerak dan terkonsentrasi pada permukaan dan ujung69.Ketika baja tahan karat dilukai, luas permukaan logam yang besar dalam larutan membantu menginduksi arus eddy pada permukaan material dan mempertahankan efek pemanasan.Kondisi ini efektif membantu memutus rantai panjang karbon CPO dan ferrocene dan ferocene.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar Tambahan 2b, laju suhu konstan menunjukkan bahwa efek pemanasan yang seragam diamati dalam larutan.
Mekanisme yang diusulkan untuk pembentukan MNC ditunjukkan pada Gambar Tambahan 7. Rantai karbon panjang CPO dan ferrocene mulai retak pada suhu tinggi.Minyak terurai membentuk hidrokarbon terpecah yang menjadi prekursor karbon yang dikenal sebagai butiran pada gambar FESEM MNC1070.Karena energi lingkungan dan tekanan 71 dalam kondisi atmosfer.Pada saat yang sama, ferrosen juga retak, membentuk katalis dari atom karbon yang diendapkan pada Fe.Nukleasi cepat kemudian terjadi dan inti karbon teroksidasi membentuk lapisan karbon amorf dan grafit di atas inti.Seiring bertambahnya waktu, ukuran bola menjadi lebih presisi dan seragam.Pada saat yang sama, gaya van der Waals yang ada juga menyebabkan aglomerasi bola52.Selama reduksi ion Fe menjadi Fe3O4 dan ɣ-Fe2O3 (menurut analisis fase sinar-X), berbagai jenis oksida besi terbentuk pada permukaan nanokarbon, yang mengarah pada pembentukan nanokarbon magnetik.Pemetaan EDS menunjukkan bahwa atom Fe terdistribusi kuat di permukaan MNC, seperti yang ditunjukkan pada Gambar Tambahan 5a-c.
Bedanya pada waktu sintesis 20 menit terjadi agregasi karbon.Ini membentuk pori-pori yang lebih besar pada permukaan MNC, menunjukkan bahwa MNC dapat dianggap sebagai karbon aktif, seperti yang ditunjukkan pada gambar FESEM pada Gambar.Perbedaan ukuran pori ini mungkin terkait dengan kontribusi oksida besi dari ferosen.Pada saat yang sama, karena suhu tinggi yang dicapai, ada sisik yang berubah bentuk.Nanokarbon magnetik menunjukkan morfologi yang berbeda pada waktu sintesis yang berbeda.Nanokarbon lebih cenderung membentuk bentuk bola dengan waktu sintesis yang lebih singkat.Pada saat yang sama, pori-pori dan kerak dapat dicapai, meskipun perbedaan waktu sintesis hanya dalam waktu 5 menit.
Nanokarbon magnetik dapat menghilangkan polutan dari lingkungan perairan.Kemampuannya untuk mudah dihilangkan setelah digunakan merupakan faktor tambahan dalam penggunaan nanokarbon yang diperoleh dalam penelitian ini sebagai adsorben.Dalam mempelajari sifat adsorpsi nanokarbon magnetik, kami menyelidiki kemampuan MNC untuk menghilangkan warna larutan metilen biru (MB) pada suhu 30°C tanpa penyesuaian pH.Beberapa penelitian menyimpulkan bahwa kinerja penyerap karbon pada kisaran suhu 25–40 °C tidak berperan penting dalam menentukan penyisihan MC.Meskipun nilai pH ekstrim memainkan peran penting, muatan dapat terbentuk pada permukaan gugus fungsi, yang menyebabkan terganggunya interaksi adsorbat-adsorben dan mempengaruhi adsorpsi.Oleh karena itu, kondisi di atas dipilih dalam penelitian ini dengan mempertimbangkan situasi tersebut dan kebutuhan akan pengolahan air limbah yang khas.
Dalam karya ini, percobaan adsorpsi batch dilakukan dengan menambahkan 20 mg MNC ke 20 ml larutan metilen biru dengan berbagai konsentrasi awal standar (5-20 ppm) pada waktu kontak tetap60.Gambar tambahan 8 menunjukkan status berbagai konsentrasi (5–20 ppm) larutan metilen biru sebelum dan sesudah pengobatan dengan MNC10, MNC15, dan MNC20.Saat menggunakan berbagai MNC, tingkat warna larutan MB menurun.Menariknya, ditemukan bahwa MNC20 dengan mudah mengubah warna larutan MB pada konsentrasi 5 ppm.Sementara itu, MNC20 juga menurunkan tingkat warna solusi MB dibandingkan MNC lainnya.Spektrum UV tampak MNC10-20 ditunjukkan pada Gambar Tambahan 9. Sementara itu, laju penyisihan dan informasi adsorpsi masing-masing ditunjukkan pada Gambar 9.6 dan tabel 3.
Puncak metilen biru yang kuat dapat ditemukan pada 664 nm dan 600 nm.Sebagai aturan, intensitas puncak secara bertahap menurun dengan menurunnya konsentrasi awal larutan MG.Pada Gambar tambahan 9a menunjukkan spektrum UV-visibel larutan MB dari berbagai konsentrasi setelah perawatan dengan MNC10, yang hanya sedikit mengubah intensitas puncak.Di sisi lain, puncak penyerapan larutan MB menurun secara signifikan setelah pengobatan dengan MNC15 dan MNC20, masing-masing seperti ditunjukkan pada Gambar Tambahan 9b dan c.Perubahan ini terlihat jelas dengan menurunnya konsentrasi larutan MG.Namun, perubahan spektral yang dicapai oleh ketiga karbon magnetik cukup untuk menghilangkan pewarna metilen biru.
Berdasarkan Tabel 3, hasil jumlah MC yang teradsorpsi dan persentase MC yang teradsorpsi ditunjukkan pada Gambar 3. 6. Adsorpsi MG meningkat dengan penggunaan konsentrasi awal yang lebih tinggi untuk semua MNC.Sementara itu, persentase adsorpsi atau laju penyingkiran MB (MBR) menunjukkan kecenderungan sebaliknya ketika konsentrasi awal ditingkatkan.Pada konsentrasi MC awal yang lebih rendah, situs aktif yang tidak ditempati tetap berada di permukaan adsorben.Dengan meningkatnya konsentrasi pewarna, jumlah situs aktif kosong yang tersedia untuk adsorpsi molekul pewarna akan berkurang.Ahli lain menyimpulkan bahwa pada kondisi ini kejenuhan situs aktif biosorpsi akan tercapai72.
Sayangnya untuk MNC10, MBR meningkat dan menurun setelah larutan MB 10 ppm.Pada saat yang sama, hanya sebagian kecil dari MG yang teradsorpsi.Hal ini menunjukkan bahwa 10 ppm merupakan konsentrasi optimum untuk adsorpsi MNC10.Untuk semua MNC yang diteliti dalam penelitian ini, urutan kapasitas adsorpsi adalah sebagai berikut: MNC20 > MNC15 > MNC10, nilai rata-ratanya adalah 10,36 mg/g, 6,85 mg/g dan 0,71 mg/g, rata-rata laju penyisihan MG adalah 87,79%, 62,26% dan 5,75%.Dengan demikian, MNC20 menunjukkan karakteristik adsorpsi terbaik di antara nanokarbon magnetik yang disintesis, dengan mempertimbangkan kapasitas adsorpsi dan spektrum UV-visibel.Meskipun kapasitas adsorpsinya lebih rendah dibandingkan nanokarbon magnetik lainnya seperti komposit magnetik MWCNT (11,86 mg/g) dan nanopartikel Fe3O4 magnetik nanotube halloysite (18,44 mg/g), penelitian ini tidak memerlukan penggunaan stimulan tambahan.Bahan kimia bertindak sebagai katalis.menyediakan metode sintetik yang bersih dan layak73,74.
Seperti yang ditunjukkan oleh nilai SBET MNC, permukaan spesifik yang tinggi menyediakan lebih banyak situs aktif untuk adsorpsi larutan MB.Ini menjadi salah satu fitur mendasar dari nanokarbon sintetik.Pada saat yang sama, karena ukuran MNC yang kecil, waktu sintesisnya singkat dan dapat diterima, yang sesuai dengan kualitas utama adsorben yang menjanjikan75.Dibandingkan dengan adsorben alami konvensional, MNC yang disintesis bersifat jenuh secara magnetis dan dapat dengan mudah dihilangkan dari larutan di bawah pengaruh medan magnet eksternal76.Dengan demikian, waktu yang dibutuhkan untuk seluruh proses perawatan menjadi berkurang.
Isoterm adsorpsi penting untuk memahami proses adsorpsi dan kemudian untuk menunjukkan bagaimana partisi adsorbat antara fase cair dan padat ketika kesetimbangan tercapai.Persamaan Langmuir dan Freundlich digunakan sebagai persamaan isoterm standar yang menjelaskan mekanisme adsorpsi, seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Model Langmuir juga menunjukkan terbentuknya lapisan adsorbat tunggal pada permukaan luar adsorben.Isoterm paling baik digambarkan sebagai permukaan adsorpsi homogen.Pada saat yang sama, isoterm Freundlich paling baik menyatakan partisipasi beberapa daerah adsorben dan energi adsorpsi dalam menekan adsorbat ke permukaan yang tidak homogen.
Model isoterm untuk isoterm Langmuir (a–c) dan isoterm Freundlich (d–f) untuk MNC10, MNC15 dan MNC20.
Isoterm adsorpsi pada konsentrasi zat terlarut rendah biasanya linier77.Representasi linier model isoterm Langmuir dapat dinyatakan dalam suatu persamaan.1 Tentukan parameter adsorpsi.
KL (l/mg) adalah konstanta Langmuir yang mewakili afinitas pengikatan MB ke MNC.Sedangkan qmax adalah kapasitas adsorpsi maksimum (mg/g), qe adalah konsentrasi MC yang teradsorpsi (mg/g), dan Ce adalah konsentrasi kesetimbangan larutan MC.Ekspresi linier model isoterm Freundlich dapat digambarkan sebagai berikut:
Waktu posting: 16 Februari-2023