Novi ugljenični materijali dobijeni termohemijskom konverzijom biootpada kao adsorbensi za uklanjanje malationa i hlorpirifosa iz vode

Abstract

Ova doktorska disertacija istražuje mogućnosti korišćenja termohemijske konverzije i aktivacionih procesa za rešavanje ekološkog izazova koji predstavlja štetni prehrambeni biootpad, konkretno iskorišteni taloge kafe (SCG). Kafa je jedan od najrasprostranjenijih otpadnih materijala širom sveta, a njeni ostaci nakon pripreme, poput taloga, predstavljaju značajan ekološki problem. Cilj istraživanja je transformacija SCG u vredne adsorbense koji mogu efikasno uklanjati organotiofosfatne pesticide, malation (MLT) i hlorpirifos (CHP), iz vode. Istraživanja doktorske diseratcije obuhvataju uticaj različitih temperatura termohemijske konverzije (400°C, 650°C, 900°C) i metoda aktivacije (KOH, H3PO4, CO2, KOH/CO2, H3PO4/CO2) na proizvodnju visokokvalitetnih adsorbenasa iz SCG. Dobijeni materijali su okarakterisani korišćenjem tehnika kao što su skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM), energijski disperzivna rendgenska spektroskopija (EDX), infracrvena spektroskopija sa Furijeovom transformacijom (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analiza specifične površine i merenje zeta potencijala. Nadalje, istraživanje uključuje mehanizme adsorpcije MLT i CHP na SCG materijalima kako bi se bolje razumeo način na koji ovi materijali interaguju sa zagađivačima. U početku, dobijeni materijali su testirani za remedijaciju MLT i CHP kroz skrining test, koji je poslužio kao osnova za dalja istraživanja. Materijali koji su pokazali veću efikasnost adsorpcije u poređenju sa SCG pod ekološki relevantnim uslovima su dalje detaljno ispitivani. Kinetičke studije su uključivale eksperimente adsorpcije oba pesticida na odabrane materijale, sa vremenom kontakta od 1 minuta do 24 sata, kako bi se odredilo vreme ravnoteže. Dobijeni podaci su analizirani korišćenjem kinetičkih modela kao što su pseudo-prvi red, pseudo-drugi red, Elovich i intračestični difuzioni model. Vreme ravnoteže određeno iz ovih studija korišćeno je kao vreme kontakta za dalja istraživanja adsorpcionog ponašanja. Izotermne studije su uključivale izvođenje eksperimenata adsorpcije oba pesticida pri koncentracijama u rasponu od 5×10−6 mol dm−3 do 5×10−4 mol dm−3 na tri različite temperature (25°C, 30°C, i 35°C). Podaci su evaluirani korištenjem četiri izotermna modela (Freundlich, Langmuir, Temkin i Dubinin-Radushkevich) kako bi se bolje razumeo adsorpcioni proces. Takođe, spontantnost i termalni efekti adsorpcionog procesa su procenjeni kroz termodinamičku analizu. Najperspektivniji materijali su dodatno okarakterisani korišćenjem rendgenske difrakcione analize (XRD), Raman spektroskopije i Boehm titracije kako bi se dobio bolji uvid u njihovu strukturu i funkcionalne grupe. Opseg adsorpcionih eksperimenata je proširen variranjem koncentracija materijala, testiranjem adsorpcije pod dinamičkim uslovima i ispitivanjem adsorpcije pesticida iz njihovih smeša. Efekti remedijacije MLT i CHP korištenjem ovih materijala na inhibiciju acetilholinesteraze (AChE) testirani su korišćenjem modifikovanog Ellmanovog testa. Rezultati istraživanja su pokazali da procesi termohemijske konverzije i aktivacije značajno utiču na strukturna i hemijska svojstva adsorbenasa dobijenih iz SCG, što utiče na njihovu efikasnost adsorpcije za MLT i CHP. Posebno, materijali termohemijski konvertovani na višim temperaturama i aktivirani sa KOH pokazali su poboljšane kapacitete adsorpcije i kinetičke parametre, što je rezultat povećane površine, poroznosti i prisustva funkcionalnih grupa. Mehanizmi adsorpcije, kinetika i termodinamika su detaljno analizirani, ukazujući na različita ponašanja za MLT i CHP, zbog razlike u njihovim molekulskim strukturama.Ekonomski, ekološki i praktični aspekti proizvodnje i primene SCG materijala kao adsorbenasa za MLT i CHP su analizirani u ovoj doktorskoj disetaciji. Ovo uključuje procenu troškova proizvodnje, ekološki uticaj i praktičnu izvodljivost primene ovih materijala u različitim scenarijima remedijacije. Uticaj sinteze i primene ovih materijala na životnu sredinu je veoma pozitivan. Termohemijska konverzija SCG značajno smanjuje negativne ekološke efekte ovog biootpada. Iako proces sinteze nekih materijala uključuje upotrebu KOH, H3PO4 i CO2, što blago umanjuje ekološke benefite valorizacije biootpada, to je nadoknađeno značajnim poboljšanjem adsorpcionih svojstava materijala. Ove hemikalije poboljšavaju efikasnost materijala, osiguravajući adsorpciju i uklanjanje veće količine zagađivača. Sinteza i primena ovih materijala ne samo da efikasno rešava problem biootpadom, već igra ključnu ulogu u remedijaciji životne sredine. Ova dvostruka funkcija naglašava njihov veliki pozitivan uticaj na životnu sredinu. Procenjivanje praktičnosti primene različitih adsorbenasa za uklanjanje MLT i CHP iz vodenih rastvora je obuhvatalo evaluaciju ključnih parametra: cena sinteze po gramu, specifična površina, ukupna zapremina pora, površinsko naelektrisanje na pH=6, vreme postizanja ravnoteže, adsorpcioni kapacitet i energija adsorpcije. Među testiranim materijalima, materijali dobijeni termohemijskom konverzijom na 900°C pokazuju najbolje performanse, ali su i najskuplji. Uprkos visokoj ceni, superiorne performanse čine ih idealnim za primene koje zahtevaju maksimalnu efikasnost. Sa druge strane, materijali dobijeni termohemijskom konverzijom SCG na 400°C pokazuju nešto slabije adsorpcione performanse (duže vreme dostizanja ravnoteže i manji maksimalan adsorpcioni kapacitet), ali su znatno jednostavniji i jeftiniji za proizvodnju, čineći iz povoljnim za upotrebu u remedijaciji pesticida u stacionarnim uslovima. Ova doktorska disertacija podržava i unapređuje ciljeve održivog razvoja Ujedinjenih nacija, posebno SDG 6 (Clean Water and Sanitation) kroz remedijaciju organo-tiofosfatnih pesticida, SDG 12 (Responsible consumption and production) i SDG 13 (Climate action) korišćenjem klimatski štetnog biootpada, SCG, u proizvodnji ugljeničnih materijala. Rezultati istraživanja ističu potencijal adsorbenasa dobijenih termohemijskom konverzijom SCG kao ekonomičnih, ekološki prihvatljivih rešenja za remedijaciju pesticida, doprinoseći ekološkoj održivosti smanjenjem biootpada i zagađenja vode. Disertacija pruža uvid u optimizaciju parametara sinteze za razvoj efikasnih adsorbenasa, naglašavajući potencijal konverzije SCG u borbi protiv ekoloških izazova.

This doctoral dissertation investigates the potential of using thermochemical conversion and activation processes to address the environmental challenge posed by harmful food biowaste, specifically spent coffee grounds (SCG). With coffee being one of the most prevalent waste materials globally, its post-preparation residue, such as grounds, presents a significant environmental issue. This research aims to transform SCG into valuable adsorbents for the effective removal of organothiophosphorus pesticides, namely malathion (MLT) and chlorpyrifos (CHP), from water. The study explores the influence of various thermochemical conversion temperatures (400°C, 650°C, 900°C) and activation methods (KOH, H3PO4, CO2, KOH/CO2, H3PO4/CO2) on the production of high-quality SCG adsorbents. These materials were characterized using techniques such as scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, Raman spectroscopy, Boehm titration, X-ray diffraction (XRD), and zeta potential measurements. Results demonstrated that the thermochemical conversion and activation processes significantly influence the structural and chemical properties of SCG-derived adsorbents, thereby affecting their adsorption efficiency for MLT and CHP. Materials converted at higher temperatures and activated with KOH exhibited enhanced adsorption capacities and kinetics, driven by increased surface area, porosity, and the introduction of functional groups. The adsorption mechanisms, kinetics, and thermodynamics were thoroughly analyzed, revealing distinct behaviors for MLT and CHP influenced by their molecular structures. The study further assesses the economic, environmental, and practical implications of SCG material production and application. The findings highlight the potential of SCG-based adsorbents as cost-effective, eco-friendly solutions for pesticide remediation, contributing to environmental sustainability by reducing biowaste and mitigating water pollution. This research provides valuable insights into optimizing synthesis parameters for developing effective adsorbents, emphasizing the transformative potential of SCG in addressing pressing environmental challenges. This doctoral dissertation supports and advances the UN’s sustainable development goals, in particular SDG 6 (Clean Water and Sanitation) by remediation of OPs, SDG 12 (Responsible consumption and production), and SDG 13 (Climate action) by using climate-harmful biowaste (SCG) in production of carbon materials.