Synthesis of Magnetic Materials from Natural Carbon Precursors ‒ a Review

• Autorzy: Zubrik A. , Lovas M. , Matik M. , Stefusova K. , Hredzak S.

Warianty tytułu

PL

Synteza materiałów magnetycznych z naturalnych prekursorów węgla - przegląd

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Preparation methods, properties and utilization of magnetic materials based on natural carbon precursors are summarized in this short review. Magnetic material is defined as the composite material consist of carbon substance coming from natural precursor such as coal/biomass and magnetic substance. Various processes can be applied to prepare magnetic materials. Pyrolysis of the biomass/coal together with iron ions and coprecipitation of Fe2+/Fe3+ with charcoal are mostly used methods for synthesis of magnetic biochar. The pyrolysis is defined as a thermal degradation in the absence of oxygen, which converts a raw material into different reactive intermediate products: solid (char), liquid and gaseous products. Especially, microwave pyrolysis of natural materials with iron ions is one of the best techniques offering homogenous, rapid and energetically efficient heating system to produce magnetic material. After the synthesis, iron particles are incorporated to the pore carbon structure and can form (especially in thermal process) microparticles as well as nanosized particles with defined structure possessing magnetic properties, high pore volume and high specific surface area. Magnetic carbon is used mainly as an excellent sorbent material mainly for organic pollutants and heavy metals. Moreover, solid/liquid magnetic separation as a rapid and effective technique can be applied in removal of used magnetic biochar from aqueous solution after sorption process. After sorption and pre-concentration, the magnetic sorbent can be effectively regenerated e.g. by high temperature (organic pollutants such as azodyes, pesticides) and leaching methods (inorganic contaminates).

PL

W tym krótkim przeglądzie streszczono metody przygotowywania, właściwości i wykorzystanie materiałów magnetycznych opartych na maturalnych prekursorach węgla. Materiały magnetyczne są zdefiniowane jako materiał kompozytowy składający się z substancji węglowej pochodzących z naturalnych prekursorów takich jak węgiel/biomasa i substancji magnetycznej. Różne procesy mogą być zastosowane do przygotowania materiałów magnetycznych. Piroliza biomasy/węgla wraz z jonami żelaza i współstrąceniem Fe2+/Fe3+ z węglem drzewnym są najczęściej używanymi metodami syntezy magnetycznego biowęgla. Piroliza jest zdefiniowana jako rozkład termalny bez udziału tlenu, który przetwarza surowiec w różne reaktywne produkty pośrednie: stałe (karbonizat), płynne i gazowe produkty. Szczególnie piroliza mikrofalowa materiałów naturalnych z jonami żelaza jest jedną z najlepszych technik oferującą homogeniczny, szybki i energetycznie efektywny system ogrzewania do produkcji materiałów magnetycznych. Po syntezie, jony żelaza są włączane do struktury porowatej węgla i mogą tworzyć (szczególnie w procesach termicznych) mikrocząsteczki jak i nanocząsteczki o zdefiniowanej strukturze posiadające właściwości magnetyczne, dużą objętość porów i dużą powierzchnię właściwą. Węgiel magnetyczny jest używane głównie jako doskonały sorbent głównie dla organicznych zanieczyszczeń i metali ciężkich. Ponadto, magnetyczna separacja substancji stałych od ciekłych może być zastosowana jako szybka i efektywna technika usuwania zużytego biowęgla magnetycznego z roztworów wodnych po procesie sorpcji. Po sorpcji i wstępnej koncentracji, sorbent magnetyczny może być efektywnie zregenerowany np. za pomocą wysokiej temperatury (zanieczyszczenia organiczne takie jak barwniki azowe, pestycydy) i metodami ługowania (zanieczyszczenia nieorganiczne).

Słowa kluczowe

EN

magnetic materials; biomass; microwave pyrolysis; sorption

PL

materiały magnetyczne; biomasa; piroliza mikrofalowa; sorpcja

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Przeróbki Kopalin
• Czasopismo: Inżynieria Mineralna
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 15, nr 2
• Strony: 127--130
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Zubrik A.

• Institute of Geotechnics, Slovak Academy of Sciences, Watsonova 45, 040 01 Košice, Slovak Republic

autor

Lovas M.

• Institute of Geotechnics, Slovak Academy of Sciences, Watsonova 45, 040 01 Košice, Slovak Republic

autor

Matik M.

• Institute of Geotechnics, Slovak Academy of Sciences, Watsonova 45, 040 01 Košice, Slovak Republic

autor

Stefusova K.

• Institute of Geotechnics, Slovak Academy of Sciences, Watsonova 45, 040 01 Košice, Slovak Republic

autor

Hredzak S.

• Institute of Geotechnics, Slovak Academy of Sciences, Watsonova 45, 040 01 Košice, Slovak Republic

Bibliografia

• 1. Clifford D., Chu P., Lau A. Thermal regeneration of powdered activated carbon (pac) and pac-biological sludge mixtures. Water Research. 1983, Vol. 17, No. 9, p. 1125-1138
• 2. Gong J.-L., Wang B., Zeng G.-M., Yang Ch.-P., Niu Ch.-G., Niu Q-Y., Zhou W.-J., Liang Y. Removal of cationic dyes from aqueous solution using magnetic multi-wall carbon nanotube nanocomposite as adsorbent. Journal of Hazardous Materials. 2009, Vol. 164, No. 2-3, p. 1517-1522
• 3. Chen B., Chen Z., S. Lv. A novel magnetic biochar efficiently sorbs organic pollutants and phosphate. Bioresource Technology. 2011, Vol. 102, No. 2, p. 716-723
• 4. Kahani, S.A., Hamadanian M., Vandadi O. Deposition of Magnetite Nanoparticles in Activated Carbons and Preparation of Magnetic Activated Carbons. AIP Conference Proceedings. AIP, 2007, vol. 929, no. 1, p. 183-188.
• 5. Lata H., Garg V.K., Gupta R.K. Adsorptive removal of basic dye by chemically activated parthenium biomass. Desalination, 2008, Vol. 219, No. 1-3, 2008, 250-261
• 6. Lim S.-F., Zheng Y.-M., Chen J. P. Organic arsenic adsorption onto a magnetic sorbent. Langmuir. 2009, Vol. 25, No. 9, p. 4973-4978
• 7. Lovás M., Znamenáčková I., Zubrik A., Kováčová M., Dolinská S. The application of microwave energy in mineral processing - a review. Acta Montanistica Slovaca. 2011, Vol. 16 No. 2, p. 137-148
• 8. Mubarak N.M., Kundu A., Sahu J.N., Abdullah E.C., Jayakumar N.S. Synthesis of palm oil empty fruit bunch magnetic pyrolytic char impregnating with FeCl3 by microwave heating technique. Biomass and Bioenergy. 2014, Vol. 61, p. 265-275
• 9. Mun S.P., Cai Z., Zhang J. Magnetic separation of carbon-encapsulated Fe nanoparticles from thermally-treated wood char. Materials Letters. 2013, Vol. 96, p. 5-7
• 10. Payne K.B., Abdel-Fattah T.M. Adsorption of arsenate and arsenite by iron-treated activated carbon and zeolites: effects of pH, temperature, and ionic strength. Journal of Environmental Science and Health. 2005, Vol. 40 No. 4, p. 723-749
• 11. Spokas K.A., Koskinen W.C., Baker J.M., Reicosky D.C. Impacts of woodchip biochar additions on greenhouse gas production and sorption/degradation of two herbicides in a Minnesota soil. Chemosphere. 2009, Vol. 77 No. 4, p. 574-581
• 12. Warnock D.D., Lehmann J., Kuyper T.W., Rillig M.C. Mycorrhizal responses to bio-char in soil-concepts and mechanisms. Plant and Soil. 2007, Vol. 300, No. 1-2, p. 9-20
• 13. Yanai Y., Toyota K., Okazaki M. Effects of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in short-term laboratory experiments. Soil Science and Plant Nutrition. 2007, Vol. 53 No. 2, p. 181-188
• 14. Zhang G., Qu J., Liu H., Cooper A.T., Wu R. CuFe2O4/activated carbon composite: a novel magnetic adsorbent for the removal of acid orange II and catalytic regeneration. Chemosphere. 2007, Vol. 68, No. 6, p. 1058-1066
• 15. Zhu J., Wei S., Chen M., Gu H., Rapole S.B., Pallavkar S., Ho T.C., Hopper J., Guo Z. Magnetic nanocomposites for environmental remediation. Advanced Powder Technology. 2013, Vol. 24, No. 2, 459-467
• 16. Zhu J., Gu H., Guo J., Chen M., Wei H. Luo Z., Colorado H.A., Yerra N., Ding D., Ho T.C., Haldolaarachchige N., Hopper J., Young D.P., Guo Z., Wei S., Mesoporous magnetic carbon nanocomposite fabrics for highly efficient Cr(VI) removal. Journal of Material Chemistry A. 2014, Vol. 2, No. 7, p. 2256-2265
• 17. Zubrik A., Hredzák S. Iron and iron-bearing minerals in coal. The XVII scientific symposium with international participation: Situation in ecologically loaded regions of Slovakia and Central Europe, Hrádok, October 23-24, 2008. - Košice, Slovakia: Slovak Mining Society, Košice, 2008, p. 150-155. ISBN 978-80-970034-0-9