Модификација, карактеризација и примена угљеничних материјала добијених карбонизацијом биомасе комина шљиве и смокве

Abstract

Правилним управљањем и поновном употребом отпадне биомасе у привреди по принципима циркуларне економије, може се смањити терет ове врсте отпада на животну средину. Коришћење отпадне биомасе за производњу горива, природних пуниоца или адсорбената загађујућих материја животне средине има значајне економске и еколошке користи. У овој докторској дисертацији је урађена физичко-хемијска карактеризација отпадне биомасе на бази комина шљиве и смокве користећи проксимативну, елементарну, биохемијску анализу, као и инфрацрвену спектроскопију са Фуријеовом трансформацијом - FTIR (eнг. Fourier Transform-Infrared Spectroscopy) и скенирајућу електронску микроскопију - SEM (eнг. Scanning Electron Microscopy). Топлотна моћ обе биомасе може се упоредити са топлотном вредношћу лигнита, што повећава њихову потенцијалну употребу као чврстог биогорива. Понашање биомасе при сагоревању испитано је методама термичке анализе. На основу експеримената термичке деградације изведених при четири брзине загревања, извршена је кинетичка анализа процеса разлагања биомасе. Кинетичка студија је рађена применом Кисинџерове (eнг. Kissinger) методе, Озавине (енг. Ozawa) методе, FWО (енг. Flynn-Wall-Ozawa), КАS (eнг. Kissinger-Akahira-Sunose) и Starink методе. Вредност активационе енергије добијене различитим кинетичким методама износила је ~210 kЈ mol-1 за комину шљиве и ~162 кЈ mol-1 за комину смокве. За израчунавање термодинамичких параметара коришћене су процењене вредности енергије активације. Поред тога што добијени резултати могу послужити као корисна референца за пројектовање пиролизних реактора, ово истраживање има и еколошки значај јер решава проблем одлагања чврстог отпада. Након детаљне карактеризације сирове биомасе, урађена је синтеза угљеничних материјала процесом пиролизе комина шљиве и смокве. Угљенични материјали су погодни као природни адсорбент загађујућих материја из животне средине због еколошке прихватљивости и економске исплативости. У овом истраживању је испитана могућност примене пиролизоване комине шљиве PyrPP (енг. Pyrolyzed Plum Pomace) и пиролизоване комине смокве PyrFP (енг. Pyrolyzed Fig Pomace) као сорбената јона олова, органских загађујућих материја BТЕX-а (бензен, толуен, етилбензен, o-ксилен и m,p-ксилен) и пестицида (хлорпирифос и малатион). Да би се побољшао капацитет адсорпције PyrPP и PyrFP, извршена је модификација гама зрачењем. Модификовани угљенични материјали из комине шљиве IrPyrPP (енг. Irradiated Pyrolyzed Plum Pomace) и комине смокве IrPyrFP (енг. Irradiated Pyrolyzed Fig Pomace) су се показали као ефикасни адсорбенти а зрачењем је такође постигнута стерилизација материјала, што ове материјале чини потенцијално стерилним адсорбентима за уклањање већине загађујућих материја из воде. Резултати добијени током овог експерименталног истраживања докторске дисертације сугеришу да је пиролиза и модификација ове биомасе зрачењем обећавајући начин за производњу ефикасних природних стерилних сорбената за третман отпадних вода заснованих на зеленој хемији. Поред тога, демонстрирана примена комина шљиве смокве промовише потенцијал коришћења ове биомасе за континуирано и економично управљање отпадом у растућој индустрији прераде шљива и смокви.

Redirecting waste biomass back into the economy can reduce their environmental burden. Using waste biomass to produce fuel, natural fillers, or adsorbents of environmental pollutants has significant economic and environmental benefits. In this doctoral dissertation, the physico-chemical characterization of waste biomass based on plum pomace and fig pomace was first performed using proximate, elemental, and biochemical analysis, as well as FTIR (eng. Fourier Transform-Infrared Spectroscopy) and SEM (eng. Scanning Electron Microscopy) methods. The calorific value of both biomasses can be compared to the calorific value of lignite, which increases their potential use as a solid biofuel. The behavior of biomass during combustion was examined using thermal analysis methods. A kinetic analysis of the biomass decomposition process was performed based on the thermal degradation experiments performed at four heating rates. The kinetic study was performed using the Kissinger, Ozawa, FWO, KAS, and Starink methods. The value of the activation energy obtained by different kinetic methods was ~210 kJ mol-1 for plum pomace and ~162 kJ mol-1 for fig pomace. Estimated activation energy values were used to calculate thermodynamic parameters. In addition to the fact that the obtained results can serve as a useful reference for the design of pyrolysis reactors, this research also has environmental significance because it solves the problem of solid waste disposal. After a detailed characterization of the raw biomass, the synthesis of carbon materials was carried out by the process of pyrolysis of plum pomace and fig pomace. Carbon materials are favorable as a natural adsorbent of environmental pollutants due to numerous advantages, such as environmental acceptability and economic profitability. In this research, the potential of pyrolyzed plum pomace (PyrPP) and pyrolyzed fig pomace as an adsorbent of environmental pollutants from water: lead ions, organic BTEX pollutants, and pesticides (chlorpyrifos and malathion) was evaluated. Water is irreplaceable because it plays a role in the survival of all living organisms. Economic, technological, and demographic trends worldwide have led to the fact that we consciously or unconsciously change the environment in which we live. Huge amounts of metal ions, pesticides, and organic pollutants are released into the natural environment, endangering human health and the entire ecosystem. Gamma radiation modification was performed to improve the adsorption capacity of PyrPP and PyrFP. Modified carbon materials from plum pomace (IrPyrPP) and fig pomace (IrPyrFP) proved to be effective adsorbents and sterilization of the materials was also achieved by irradiation, which makes these materials potentially sterile adsorbents for most environmental pollutants from water. The results obtained during this research suggest that pyrolysis of biomass and modification of this biomass with radiation is a promising way to produce effective natural sterile sorbents for wastewater treatment. Overall, the findings of this work suggest that pyrolysis and radiation activation of waste biomass is a promising way to produce sterile, efficient, green chemistry-based wastewater treatment sorbents. In addition, the demonstrated application of fig pomace promotes the potential of using this biomass for continuous and economical waste management in the growing fig industry.