Waste-to-Treasure:Πορώδεις ροφητές άνθρακα από βιώσιμο φλοιό ρυζιού που συντίθεται με άμεση ενεργοποίηση διοξειδίου του άνθρακα (CO2)
Ο βρόχος CO2 στη Θερμοχημική Διεργασία βιομάζας
Οι θερμοχημικές διεργασίες όπως η πυρόλυση και η αεριοποίηση έχουν αναγνωριστεί ως η πιο υποσχόμενη τεχνική επεξεργασίας καυσίμου που μπορεί να χρησιμοποιήσει τη βιομάζα για ανάκτηση ενέργειας. Η πυρόλυση της βιομάζας μπορεί να παράγει βιοκάρβουνο, βιοέλαιο και αέριο σύνθεσης. Επιπλέον, το παραπροϊόν του βιοαπανθρακώματος μπορεί να κατασκευαστεί σε διάφορα υλικά άνθρακα (π.χ. προσροφητικά, καταλύτες) για βιώσιμες εφαρμογές. Διαπιστώθηκε ότι το CO2, ενεργώντας ως παράγοντας, μπορεί να συμμετέχει σε κάθε στάδιο (π. , 2017).
Χρήση παραπροϊόντος Biochar
Το υποπροϊόν Biochar με μεγάλη ειδική επιφάνεια, πορώδη δομή, εμπλουτισμένες λειτουργικές ομάδες επιφάνειας και μέταλλα καθιστούν δυνατή τη χρήση του ως ροφητή για την απομάκρυνση των ρύπων. Η μετατροπή των απορριμμάτων βιομάζας σε βιοκάρβουνο είναι μια στρατηγική «win-win» τόσο για τη βελτίωση της διαχείρισης των απορριμμάτων όσο και για την προστασία του περιβάλλοντος. Λόγω των οικονομικών και περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων του, το βιοκάρβουνο έχει γίνει μια πολλά υποσχόμενη πηγή για την επεξεργασία ρύπων (π.χ. βαρέα μέταλλα, οργανικοί ρύποι) από υδατικά διαλύματα.
Οι ιδιότητες του βιοαπανθρακώματος εξαρτώνται κυρίως από τους τύπους βιομάζας και τις συνθήκες πυρόλυσης (π.χ. χρόνος παραμονής, θερμοκρασία, ρυθμός θέρμανσης). Η συμβατική ενανθράκωση (δηλαδή η αργή πυρόλυση), η γρήγορη πυρόλυση και η αεριοποίηση είναι οι κύριες θερμοχημικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή βιοκάρβουνου. Γενικά, το βιοκάρβουνο που παράγεται σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (π.χ. 600-700 oC) παρουσιάζει εξαιρετικά αρωματικό με καλά οργανωμένα στρώματα C, αλλά έχει λιγότερες ομάδες Η και Ο λόγω αφυδάτωσης και αποοξυγόνωσης της βιομάζας, ενδεχομένως με χαμηλότερες ιοντοανταλλακτικές ικανότητες. Από την άλλη πλευρά, ο βιοκάρβουνο που παράγεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. 300-400 oC) έχει πιο διαφοροποιημένους οργανικούς χαρακτήρες (π.χ. δομές αλειφατικού και τύπου κυτταρίνης) και περισσότερες λειτουργικές ομάδες C=O και C-H. Η πολύπλοκη και ετερογενής φυσικοχημική σύνθεση του βιοαπανθρακώματος μπορεί να προσφέρει μια εξαιρετική πλατφόρμα για την απομάκρυνση των ρύπων με ρόφηση. Παρά τη σημαντική επιστημονική εργασία σχετικά με τη χρήση του βιοαπανθράκωσης για περιβαλλοντικές χρήσεις, εκτεταμένη προσοχή έχει επικεντρωθεί πρόσφατα στην τροποποίηση του βιοαπανθρακώματος με νέες δομές και ιδιότητες επιφανείας για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας αποκατάστασης και των περιβαλλοντικών οφελών του
Βιοάνθρακας σε Ενεργούς Άνθρακες
Η αποτελεσματικότητα του biochar ως προσροφητικού έχει περιοριστεί λόγω της χαμηλής επιφάνειάς του. Η παραγωγή ενεργών ανθράκων από βιομάζα ή βιοκάρβουνο έχει χρησιμοποιήσει δύο μεθόδους ενεργοποίησης φυσικής και χημικής ενεργοποίησης. Η φυσική ενεργοποίηση χρησιμοποιεί οξειδωτικά αέρια όπως ο αέρας, το CO2 και ο ατμός, ενώ η χημική ενεργοποίηση χρησιμοποιεί χημικούς ενεργοποιητές όπως υδροξείδια αλκαλίων (π.χ. NaOH, KOH), ανόργανα οξέα (π.χ. H3PO4, HCl και H2SO4) ή άλατα μετάλλων (π.χ. ZnCl2). Η φυσική ενεργοποίηση θεωρείται πιο φιλική προς το περιβάλλον. Ο πρόδρομος άνθρακας υποβάλλεται σε μερική αεριοποίηση χρησιμοποιώντας ατμό και CO2 ως παράγοντες ενεργοποίησης. Ωστόσο, η φυσική ενεργοποίηση που διεξάγεται σε υψηλές θερμοκρασίες (συνήθως πάνω από 900 oC) απαιτεί περισσότερη κατανάλωση ενέργειας.
Ορισμένα βασικά σημεία σχετικά με τους ενεργούς άνθρακες που προέρχονται από βιομάζα ή βιοκάρβουνο καταλήγουν στο συμπέρασμα:(1) Η χημική ενεργοποίηση κάτω από το αδρανές περιβάλλον (π.χ. N2) χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της αποτελεσματικής της σε σχετικά χαμηλότερες θερμοκρασίες. (2) Η χημική ενεργοποίηση συμβάλλει σε μια σχετικά υψηλή ειδική επιφάνεια. (3) Το ΚΟΗ χρησιμοποιείται ευρέως ως παράγοντας ενεργοποίησης λόγω της εξαιρετικής καταλυτικής του επίδρασης στην αεριοποίηση του άνθρακα. και (4) Εξετάζεται η ενεργοποίηση του βιοαπανθρακώματος (δηλαδή σε δύο στάδια), καθώς η αρχική πυρόλυση της βιομάζας σε χαμηλότερη θερμοκρασία προκαλεί υψηλή απόδοση άνθρακα. Στη συνέχεια, το ξυλάνθρακα με φτωχό πορώδες μπορεί να αεριοποιηθεί για να σχηματίσει πολλούς νέους πόρους. Ωστόσο, η πυρόλυση σε χαμηλή θερμοκρασία μπορεί επίσης να δώσει υψηλή απόδοση πίσσας. Έτσι, η καταλυτική πυρόλυση ενός σταδίου με ΚΟΗ σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να αποφύγει αυτό το πρόβλημα.
Ενεργός βιοάνθρακας για ρόφηση
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Πληροφορικής της Ναντζίνγκ (NUIST) μελέτησαν συγκριτικά τη σύνθεση ενεργοποιημένων βιοανθράκων από φλοιό ρυζιού (άφθονο γεωργικό βιολογικό απόβλητο στην Κίνα) μέσω πυρόλυσης που καταλύεται από ΚΟΗ κάτω από την ατμόσφαιρα CO2. Η πυρόλυση ενός σταδίου μπορεί να παράγει υψηλότερη απόδοση ενεργού άνθρακα σε σύγκριση με την πυρόλυση δύο σταδίων. Η ανάπτυξη πόρων στο βιοαπανθράκωμα βελτιώθηκε σημαντικά με τη διαδικασία αφαίρεσης της τέφρας που ενσωματώθηκε με την ενεργοποίηση ΚΟΗ. Επιπλέον, περισσότεροι πόροι με βαθιά κανάλια σχηματίστηκαν στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα μέσω πυρόλυσης ενός σταδίου λόγω της καταλυόμενης από Κ οξείδωσης της δομής του άνθρακα κάτω από την ατμόσφαιρα CO2. Ως εκ τούτου, η πυρόλυση ενός σταδίου μπορεί να παράγει μια σχετικά υψηλότερη ειδική επιφάνεια (SBET=1836 m2/g) ενεργοποιημένου βιοαπάνθρακας, η οποία έδειξε καλύτερη απόδοση στην προσρόφηση φαινόλης. Καθώς η συγκέντρωση φαινόλης ήταν 10 mg/L (χαμηλή), η ικανότητα προσρόφησης του AB1 μπορεί να φτάσει το 75% πολύ υψηλότερη από αυτή του AB2 (11%). Υποδηλώνει ότι το AB1 είναι πιο ωφέλιμο για την αφαίρεση της φαινόλης με σχετικά χαμηλότερη συγκέντρωση σε σύγκριση με το AB2. Ωστόσο, καθώς η συγκέντρωση φαινόλης ήταν 50 mg/L (υψηλή), η ικανότητα προσρόφησης του AB1 ήταν κοντά σε αυτή του AB2.
Οι πιθανοί μηχανισμοί έχουν προταθεί από ερευνητές. Το βιοκάρβουνο που λαμβάνεται σε υψηλή θερμοκρασία είναι αποτελεσματικό στην προσρόφηση οργανικών ρύπων αυξάνοντας την ειδική επιφάνεια, το μικροπορώδες και την υδροφοβικότητα, ενώ ο βιοκάρβουνο που λαμβάνεται σε χαμηλή θερμοκρασία ευνοείται για την απομάκρυνση ανόργανων/πολικών οργανικών ρύπων από τις λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο, ηλεκτροστατική έλξη , καθίζηση και πλήρωση πόρων. Ως οργανικό προσροφητικό υλικό, τα μόρια φαινόλης περνούν στην εσωτερική επιφάνεια μέσω της ελεγχόμενης διάχυσης με φιλμ υγρού, έτσι η συμπεριφορά της προσρόφησης φαινόλης σε ενεργοποιημένα βιοεξανθρακώματα ελεγχόταν κυρίως μέσω της χημικής απορρόφησης. Οι βιοχαρακτήρες περιέχουν συνήθως πολλές λειτουργικές ομάδες με Ν ή Ο, όπως -NH2/-OH, C-O, C=O, κ.λπ.
Επίσης, οι λειτουργικές ομάδες (π.χ. ομάδες καρβονυλίου, πυρρολικού-Ν) στις εξωτερικές επιφάνειες των ενεργοποιημένων βιοανθράκων μπορούν να προσελκύσουν τα μόρια της φαινόλης στις εσωτερικές τους επιφάνειες μέσω της «αλληλεπίδρασης διασποράς π-π» και του «φαινόμενου δότη-δέκτη». Οι αρωματικοί δακτύλιοι διαφορετικών μορίων φαινόλης σχηματίζουν εύκολα τις αλληλεπιδράσεις στοίβαξης π-π. Αντίστοιχα, σχηματίζεται ένα πολυστρωματικό σύστημα προσρόφησης. Σε σύγκριση με τη δύναμη Van der Waals που θεωρείται ως η κύρια κινητήρια δύναμη στην προσρόφηση ενεργοποιημένων βιοανθράκων, οι χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των λειτουργικών ομάδων των μορίων βιοεξανθράκων και φαινόλης είναι πιο αποτελεσματικές για την ενίσχυση της ικανότητας προσρόφησης. Επιπλέον, οι μικροπόροι στην εσωτερική επιφάνεια του ενεργοποιημένου βιοκάρβουνου με υψηλές ειδικές επιφάνειες φιλοξενούν τα προσροφημένα μόρια φαινόλης.
Αναφορές:
- Yafei Shen, Dachao Ma, Xinlei Ge, CO2-looping σε πυρόλυση ή αεριοποίηση βιομάζας. Sustainable Energy Fuels 2017, 1, 1700-1729. DOI: 10.1039/C7SE00279C
- Yafei Shen, Yuhong Fu, ενεργοποιημένος με ΚΟΗ απανθρακωμένος φλοιός ρυζιού μέσω πυρόλυσης CO2 για προσρόφηση φαινόλης. Materials Today Energy 2018, 9, 397-405. doi.org/10.1016/j.mtener.2018.07.005
