Synthesis of Magnetic Materials from Natural Carbon Precursors ‒ a Review

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).

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).