Production of advanced adsorptive materials based on biochar

Abstract

Climate change along with the need of CO2 emissions reduction towards a sustainable way of living has led to the need of reconsidering the linear model that has been followed by humanity so far, thus making a transition into a circular model of resources and waste management. Biochar is a product that is derived from biomass pyrolysis and shows favourable physicochemical properties, which makes it a good candidate for several applications in different fields. Any type of organic solid waste can be feedstock for biochar production, such as agronomic waste, municipal solid waste, sewage sludge, animal manure, along with other organic industrial wastes. Converting these wastes into biochar changes their initial declaration as “waste” and converts it into resources for new material production. Biochar finds a range of applications, such as soil amendment, adsorptive material, constructed wetland substrate, composting enhancer, energy storage, production of sustainable building materials and solid fuel applications. This PhD thesis focuses on biochar technology to create new advanced and application-targeted adsorptive materials that could be significantly more effective than the conventional ones and provide a sustainable alternative in difficult-to-manage waste treatment, such as the removal of Emerging Micro-Contaminants from water and wastewater. The produced materials are in total agreement with the principles of circular economy, since a previously consider waste resource is used to create a new material that will be further applied for decontamination purposes. To achieve that, three experimental cycles were implemented to investigate different parameters towards the production of the most effective advanced adsorbent. In the beginning, six different biomasses of agronomic or human derived origin were investigated as feedstocks for biochar production at two pyrolytic temperatures, in order to thoroughly characterize them physicochemically and evaluate their potential for different agronomic and environmental applications. The results of this work showed that higher pyrolytic temperature was more suitable for environmental application of biochar, by providing better carbon stability and more porous structure. Rice Husks was selected as a representative of agronomic waste and Sewage Sludge was selected as a human waste originated biomass to proceed to the next experimental cycle. That involved the production of the nanomaterial Graphene Oxide, which would be further implemented into the two biomasses, in two doses, prior to pyrolysis, resulting to the production of advanced sorptive materials named biochar nanocomposites. The produced samples were physicochemically characterized, followed by the application of both biochar and biochar nanocomposites as adsorbents for the removal of six Emerging Micro-Contaminants from water and biologically-treated wastewater (secondary effluent). Results showed that some biochar nanocomposites could reduce the required adsorption contact time from 60min to 30min, compared to conventional biochar samples, but higher adsorption efficiency was still required, leading to the implementation of the last experimental cycle. That included the implementation of commercially available Carbon NanoTubes into the selected biomasses, leading to the production of CNT-doped biochar nanocomposites. The results concerning the adsorption of the same contaminants from water and wastewater showed that these adsorbents could effectively remove >80% of the pollutants after 5min of contact time, which makes them perfect candidates for tertiary water or wastewater decontamination.

Η κλιματική αλλαγή σε συνδυασμό με την ανάγκη μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα οδήγησαν στην ανάγκη αναθεώρησης του γραμικού μοντέλου που έχει ακολουθήσει η ανθρωπότητα μέχρι σήμερα, δημιουργώντας την ανάγκη μετάβασης σε ένα κυκλικό μοντέλο διαχείρισης πόρων και αποβλήτων, με στόχο έναν βιώσιμο τρόπο ζωής. Το βιοεξανθράκωμα είναι το στερεό κλάσμα που προκύπτει από την πυρόλυση της βιομάζας, το οποίο παρουσιάζει αρκετές ευεργετικές φυσικοχημικές ιδιότητες που το καθιστούν ικανό για πολυποίκιλες εφαρμογές σε διαφορετικούς τομείς. Για την παραγωγή του μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε είδος βιομάζας, όπως αγροβιομηχανικά απόβλητα, αστικά στερεά απόβλητα, λυματολάσπη, κοπριά ζώων και άλλες κατηγορίες οργανικών βιομηχανικών αποβλήτων. Η μετατροπή αυτών των υλικών σε βιοεξανθράκωμα αλλάζει την αρχική τους θεώρηση ως απόβλητα σε πολύτιμες πρώτες ύλες για την παραγωγή νέων υλικών. Το βιοεξανθράκωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές, όπως εδαφοβελτιωτικό, προσροφητικό υλικό, υπόστρωμα τεχνητών υγροβιότοπων, ενισχυτής κομποστοποίησης, αποθήκευση ενέργειας ως υλικό για κατασκευή μπαταριών, ως αειφόρο δομικό υλικό και ως στερεό καύσιμο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην τεχνολογία παραγωγής του βιοεξανθρακώματος ως βάση για την παραγωγή προηγμένων και στοχευμένων ανά εφαρμογή προσροφητικών υλικών, τα οποία είναι σημαντικά πιο αποτελεσματικά σε σύγκριση με τα συμβατικά και μπορούν να αποτελέσουν μια βιώσιμη λύση για την αντιμετώπιση δύσκολα επεξεργάσιμων αποβλήτων, όπως η απομάκρυνση Επίμονων και Αναδυόμενων Μικρο-Ρύπων από νερά και υγρά απόβλητα. Τα προϊόντα που παράχθηκαν είναι σε πλήρη συμμόρφωση με τις βασικές αρχές της κυκλικής οικονομίας, καθώς υλικά που μέχρι σήμερα θεωρούνταν ως απόβλητα χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτες ύλες για την παραγωγή ενός προϊόντος που χρησιμοποιήθηκε για περαιτέρω αντι-ρυπαντικούς σκοπούς. Για να επιτευχθεί αυτό πραγματοποιήθηκαν τρεις πειραματικοί κύκλοι για τη διερεύνηση διαφορετικών παραμέτρων, με στόχο την παραγωγή του αποδοτικότερου προσροφητικού υλικού. Αρχικά, έξι διαφορετικές βιομάζες αγρονομικής και ανθρωπογενούς προέλευσης χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή συμβατικών βιοεξανθρακωμάτων σε δύο θερμοκρασίες πυρόλυσης, προκειμένου να χαρακτηριστούν εκτενώς φυσικοχημικά και να αξιολογηθούν ως προς την καταλληλότητά τους για αγρονομικές ή περιβαλλοντικές εφαρμογές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες πυρόλυσης ευνοούν τις περιβαλλοντικές εφαρμογές του βιοεξανθρακώματος, παρουσιάζοντας σταθερές δομές άνθρακα και πορώδη δομή. Με βάση τα αποτελέσματα του πρώτου κύκλου, επιλέχθηκαν οι φλοιοί ρυζιού ως αγρονομική και η λυματολάσπη ως απόβλητη βιομάζα για την παραγωγή προηγμένων προσροφητικών υλικών. Κατά τον δεύτερο πειραματικό κύκλο, παράχθηκε αρχικά το νανοϋλικό οξείδιο του γραφενίου, το οποίο στη συνέχεια ενσωματώθηκε στις δύο βιομάζες πριν την πυρόλυση, σε δύο αναλογίες, για την παραγωγή προηγμένων προσροφητικών υλικών, γνωστά και ως νανοσύνθετα βιοεξανθρακώματος. Τα υλικά που παράχθηκαν χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά και στη συνέχεια εφαρμόστηκαν ως προσροφητικά υλικά, σε συνδυασμό με τα συμβατικά βιοεξανθρακώματα, για την απομάκρυνση έξι Επίμονων και Αναδυόμενων Μικρο-Ρύπων από δείγματα νερού και δευτεροβάθμιας εκροής αστικών υγρών αποβλήτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα νανοσύνθετα βιοεξανθρακώματος είχαν καλύτερη απόδοση συγκριτικά με τα συμβατικά βιοεξανθρακώματα, μειώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο προσρόφησης από τα 60min στα 30min. Η ανάγκη για μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα προσρόφησης οδήγησε στην υιοθέτηση του τρίτου πειραματικού κύκλου, κατά τον οποίο παράχθηκαν νανοσύνθετα βιοεξανθρακώματος με χρήση εμπορικά διαθέσιμων Νανοσωλήνων Άνθρακα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων προσρόφησης έδειξαν ότι αυτά τα προσροφητικά υλικά μπορούν να απομακρύνουν >80% των υπό μελέτη ρύπων, μετά από μόλις 5min χρόνου επαφής, κάτι το οποίο καθιστά αυτά τα υλικά κατάλληλα για εφαρμογή ως τριτοβάθμιο στάδιο επεξεργασίας σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού και υγρών αποβλήτων.