Μελέτη της κινητικής της ρόφησης του μπλε του μεθυλενίου και του φαινανθρενίου με τη χρήση βιοεξανθρακώματος από αγροτοβιομηχανικά στερεά υπολείμματα

• Κύριος συγγραφέας: Θεοφάνους, Χαρούλα
• Άλλοι συγγραφείς: Theofanous, Charoula
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Πυρόλυση; Βιοεξανθρακώματα; Ροφητικά υλικά; Φλοιοί ρυζιού (RH); Υπολείμματα καφέ εσπρέσο (SCG); Μπλε του μεθυλενίου; Φαινανθρένιο; Μοντέλα κινητικής; Μοντέλα ισόθερμων; Pyrolysis; Biochar; Sorbent materials; Rice husks (RH); Spent coffee ground espresso (SCG); Methylene blue (MB); Phenanthrene (Phe); Kinetics models; Isotherms models

Η ρύπανση των υδάτων και του εδάφους έχει προκαλέσει σοβαρές ανησυχίες σε παγκόσμιο επίπεδο, λόγω των σοβαρών επιπτώσεων τους τόσο στην οικολογική ασφάλεια όσο και στην ανθρώπινη υγεία. Τα τελευταία χρόνια, η περιβαλλοντική επιστήμη και τεχνολογία στοχεύει στην ανάπτυξη νέων και αποτελεσματικών μεθόδων αντιρρύπανσης (π.χ κροκίδωση, βιολογική επεξεργασία, ρόφηση) για την αντιμετώπιση της υδατικής ρύπανσης με την απομάκρυνση μη βιοαποικοδομήσιμων και τοξικών ενώσεων από το νερό και τα υγρά απόβλητα. Η ρόφηση έχει αποδειχθεί ως μια αποτελεσματική διεργασία με ευρεία χρήση στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων για την απομάκρυνση ρύπων, λόγω του χαμηλού κόστους, της εύκολης λειτουργίας, της υψηλής απόδοσης, του απλούστερου σχεδιασμού και του εύκολου διαχωρισμού του ρύπου από το νερό. Με βάση τα παραπάνω, στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η ανάπτυξη βιοεξανθρακωμάτων από παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων με στόχο να χρησιμοποιηθούν ως ροφητικά υλικά για την απομάκρυνση του Μπλε Μεθυλενίου (ΜΒ) και του Φαινανθρενίου (Phe) από υδατικά διαλύματα. Τα βιοεξανθρακώματα, είναι υλικά πλούσια σε άνθρακα και αποτελούν παραπροϊόντα επεξεργασίας της βιομάζας μέσω της διαδικασίας της πυρόλυσης. Το βιοεξανθράκωμα με την προσθήκη του στο έδαφος έχει την ικανότητα να δεσμεύει ρύπους, να μειώνει την κινητικότητα τους στο νερό καθώς και να βελτιώνει τη ποιότητα του εδάφους, παρέχοντας θρεπτικές ουσίες για την προώθηση της ανάπτυξης των φυτών και την τόνωση της οικολογικής αποκατάστασης. Επίσης τα βιοεξανθρακώματα μπορούν να περιορίσουν σημαντικά τη ρύπανση μέσω της διαδικασίας της ρόφησης. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή βιοεξανθρακώματος υλικά όπως φλοιοί ρυζιού (RH) και υπολείμματα καφέ εσπρέσο (SCG). Επιλέχθηκαν δηλαδή πρώτες ύλες οι οποίες αποτελούν κύρια παραπροϊόντα της βιομηχανικής δραστηριότητας και της εστίασης της χώρας μας. Στην αρχή τα παραγόμενα βιοεξανθρακώματα όσο και τα ακατέργαστα υλικά μελετήθηκαν ως προς τα φυσικά και χημικά τους χαρακτηριστικά. Τεχνικές όπως ο προσδιορισμός της ειδικής επιφάνειας με την μέθοδο ρόφησης-εκρόφησης Ν2 (ΒΕΤ) και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), είναι κάποιες από τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των υλικών ως ροφητές. Από τα αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι τα βιοεξανθρακώματα που παρήχθησαν με πυρόλυση στους 850οC, αποτελούν μικροπορώδη υλικά με μεγάλες ειδικές επιφάνειες, οι οποίες αυξάνονται περισσότερο με την ενεργοποίηση τους τόσο με όξινα (H2SO4, H3PO4) όσο και με αλκαλικά διαλύματα (NaOH). Τα παραγόμενα βιοεξανθρακώματα παρουσιάζουν ειδικές επιφάνειες από 367 έως 938 m2 g-1 και ειδική επιφάνεια μέσο και μάκρο πόρων από 137 έως 350 m2 g-1. Την μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια (938 m2 g-1), μέσο μέγεθος πόρων (5,1 nm), ειδική επιφάνεια μέσο και μάκρο πόρων (350 m2 g-1) και όγκο πόρων (0,63 cm3 g-1) παρατηρήθηκε στο βιοεξανθράκωμα του φλοιού ρυζιού που έχει ενεργοποιηθεί με καυστικό νάτριο (RH-A). Από τα αποτελέσματα της ρόφησης προκύπτει ότι για το ΜΒ με αρχική συγκέντρωση 30 mg L-1, καλύτερη ροφητική συμπεριφορά έχουν τα δείγματα που έχουν ενεργοποιηθεί με καυστικό νάτριο (SCG-A, RH-A), τα οποία έχουν το μεγαλύτερο μέσο μέγεθος πόρων, με την μεγαλύτερη ρόφηση (236 mg L-1) να παρουσιάζεται στο βιοεξανθράκωμα SCG-A. Για το Phe με αρχική συγκέντρωση 400 μg L-1, καλύτερη ροφητική ικανότητα παρουσιάζεται στα δείγματα με την μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια, όγκο πόρων και μέσο μέγεθος πόρων (RH-A, SCG-A, SCG-S, W-SCG), με την μεγαλύτερη ρόφηση να παρουσιάζεται (20 mg L-1) στο βιοεξανθράκωμα RH-A. Στη συνέχεια διεξήχθησαν πειράματα για τη μελέτη της κινητικής και ισόθερμης ρόφησης για το ρύπο του MB από τα δείγματα SCG-A, RH-A, πυρολυμένα στους 850οC. Τα πειραματικά δεδομένα αυτών των βιοεξανθρακωμάτων εφαρμόζονται πολύ καλά στην κινητική της ψευδοδεύτερης τάξης και στην ισόθερμη Langmuir. Η σταθερά κινητικής δεύτερης τάξης, k2, για τα SCG-A ήταν 0,0066 g mg-1 min-1 και η μέγιστη ροφημένη ποσότητα όταν βρίσκεται στην ισορροπία, qe, ήταν 57 mg g-1, ενώ για τα δείγματα RH-A ήταν 0,0059 g mg-1 min-1 και 46 mg g-1, αντίστοιχα. Επίσης, η μέγιστη τιμή της συγκέντρωσης της ροφημένης ουσίας ανά μονάδα μάζας ροφητή SCG-A ήταν 122 mg g-1, ενώ για το RH-A ήταν 132 mg g-1. Αυτή η τιμή αντιστοιχεί στην κάλυψη της επιφάνειας του ροφητή με ένα μονομοριακό στρώμα της ροφημένης ουσίας. Η σταθερά Langmuir, ΚL, που σχετίζεται με την ενέργεια ρόφησης ήταν 4,1 L mg-1 για το SCG-A και 0,93 L mg-1 για το RH-A. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι είναι δυνατό να παράγουμε ροφητές χαμηλού κόστους από παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων. Επομένως τα υπολείμματα καφέ εσπρέσο (SCG), οι φλοιοί ρυζιού (RH) και τα αντίστοιχα ενεργοποιημένα βιοεξανθρακώματα τους φαίνεται να είναι κατάλληλοι υποψήφιοι για την αφαίρεση του MB και του Phe από υδατικά διαλύματα.