Otrzymywanie węgli aktywnych z materiałów odpadowych pochodzenia naturalnego oraz ich zastosowanie w procesach adsorpcyjnych

Abstract

Celem badań w ramach rozprawy doktorskiej było opracowanie efektywnych i ekonomicznych adsorbentów węglowych otrzymywanych z odpadów przemysłu zielarskiego. Jako prekursory wykorzystano nasiona kopru włoskiego oraz kminku zwyczajnego, które poddano aktywacji chemicznej z użyciem K2CO3, Na2CO3 i H3PO4. W badaniach analizowano wpływ rodzaju aktywatora, stosunku masowego prekursor-aktywator, temperatury procesu oraz sposobu ogrzewania na właściwości teksturalne, charakter powierzchni i zdolności sorpcyjne otrzymanych materiałów węglowych. Zbadano również możliwość wykorzystania aktywacji wspomaganej promieniowaniem mikrofalowym jako alternatywy dla konwencjonalnej obróbki termicznej. Najlepsze właściwości teksturalne i sorpcyjne wykazywały węgle aktywne otrzymane z zastosowaniem K2CO3. Materiały te charakteryzowały się znacznym udziałem mikroporów oraz wysoką wartością liczby jodowej. W przypadku ogrzewania mikrofalowego kluczowe znaczenie miała temperatura procesu. Aktywacja w 400°C nie prowadziła do wystarczającego rozwinięcia struktury porowatej, natomiast zwiększenie temperatury do 600°C skutkowało wyraźną poprawą właściwości teksturalnych otrzymanych adsorbentów. Pozyskane materiały zbadano pod kątem adsorpcji błękitu metylenowego i czerwieni metylowej jako modelowych zanieczyszczeń organicznych o odmiennym charakterze jonowym. Adsorpcję błękitu metylenowego na badanych materiałach porowatych najlepiej opisywał model Langmuira, natomiast w przypadku czerwieni metylowej lepsze dopasowanie uzyskano dla modelu Freundlicha. Kinetyka procesu była zgodna z modelem pseudo-drugiego rzędu, a efektywność adsorpcji zależała m.in. od pH roztworu, temperatury procesu, stopnia rozwinięcia struktury porowatej oraz obecności powierzchniowych grup funkcyjnych materiałów węglowych. Błękit metylenowy adsorbował się lepiej w środowisku zasadowym, natomiast czerwień metylowa w środowisku kwasowym. Adsorpcja miała charakter spontaniczny i endotermiczny, a mechanizm obejmował głównie oddziaływania elektrostatyczne, oddziaływania 𝜋𝜋−𝜋𝜋, wiązania wodorowe oraz udział mikro- i mezoporów. Wyniki pracy doktorskiej potwierdziły, że nasiona kopru włoskiego i kminku zwyczajnego mogą stanowić wartościowe prekursory adsorbentów węglowych do usuwania barwników organicznych z wód i ścieków, wpisując się w założenia gospodarki o obiegu zamkniętym.

The aim of the study was to develop effective and economical carbon adsorbents derived from waste products of the herbal industry. Fennel and caraway seeds were used as precursors and subjected to chemical activation using K2CO3, Na2CO3, and H3PO4. The effects of the type of activator, the precursor-to-activator mass ratio, temperature, and heating method on the textural properties, surface characteristics, and sorption capacities of the resulting materials were analyzed. The feasibility of using microwave-assisted activation as an alternative to conventional thermal treatment was also evaluated. The most favorable textural and sorption properties were obtained for activated carbons produced using K2CO3. These materials were characterized by the highest specific surface area, a significant proportion of micropores, and a high iodine number. In the case of microwave heating, the process temperature was of key importance-activation at 400°C did not ensure sufficient development of the porous structure, whereas increasing the temperature to 600°C significantly improved the properties of the adsorbents. The materials obtained were examined for the adsorption of methylene blue and methyl red as model organic contaminants with different ionic characteristics. The adsorption of methylene blue was best described by the Langmuir model, while the adsorption of methyl red was best described by the Freundlich model. The kinetics of the process followed a pseudo-second-order model, and adsorption efficiency depended, among other factors, on the solution pH, temperature, the development of the porous structure, and the presence of surface functional groups. Methylene blue was adsorbed better in a basic environment, whereas methyl red was adsorbed better in an acidic environment. Adsorption was spontaneous and endothermic, and the mechanism primarily involved electrostatic interactions, 𝜋𝜋−𝜋𝜋 interactions, hydrogen bonding, and the contribution of micro- and mesopores. The results obtained in this doctoral dissertation confirm that plant-based waste - fennel and caraway seeds - can serve as valuable precursors for effective carbon adsorbents. The materials obtained show high application potential in processes for removing organic dyes from water and wastewater, while also contributing to the implementation of a circular economy.