SUPERVISOR
محمد سراجی (استاد مشاور) محسن سلیمانی امین آبادی (استاد راهنما) نوراله میرغفاری (استاد راهنما)
STUDENT
Maryam Kharrazi
سیده مریم خرازی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده منابع طبیعی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Production and Characterization of Biochar and Activated Carbon from Lignocellulosic Waste of Elm Tree (Ulmus Umbraculifera) for Lead (II) and Chromium (VI) Removal from Aqueous Solutions
Modification of powdered activated carbon is considered as an effective process to enhance its adsorptive characteristics. In this study, the KOH activated carbons prepared from Elm tree waste were treated by a novel and green method using thermal tension by successive washing with 80 °C, 95 °C and 2 °C water to enhance the pore development and adsorption of Cr (VI) and Pb (II) from aqueous solutions. The activated carbons were characterized by Fourier-transform-infrared-spectroscopy, N 2 -adsorption/desorption and scanning-electron-microscopy. The simulation of thermal stress using a finite-element-analysis implied that the quick temperature changes may cause the formation of cracks leading to enhancement of porosity. The BET surface area was increased from 465 to 1085 m 2 /g after post-modification of activated carbon. The maximum adsorption capacity was achieved 232.56 and 113.63 mg/g for Pb (II) and Cr (VI), respectively. Consequently, the thermal tension could be used as a simple and ef?cient process to improve the adsorptive properties of the activated carbons.
در روش تیمار حرارتی، کربن فعال سنتز شده با استفاده از روشی ساده و کارا ابتدا با آب 80 درجه سانتیگراد تیمار شده و سپس در معرض تنش حرارتی با شستشوی پیوسته با آب گرم (95 درجه سانتیگراد) و آب سرد (2 درجه سانتیگراد) قرار گرفت. مشخصهیابی کربنهای فعال سنتز شده با استفاده از اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، همدماهای جذب و واجذب N 2 و تصاویر میکروسکوپ الکترونی انجام شد. شبیهسازی تنش حرارتی با استفاده ازآنالیز عناصر محدود که با استفاده از نرم افزار آباکوس انجام شد، نشان داد که تغییرات سریع دمایی میتواند از طریق ایجاد منفافر بیشتر منجر به افزایش تخلخل کربن فعال شود. سطح ویژه پس از تیمار حرارتی کربن فعال شده با KOH از 465 تا 1085 مترمربع بر گرم افزایش یافت. در نتیجه، حداکثر ظرفیت جذب سرب (II) از 28/89 میلیگرم بر گرم به 56/232 میلیگرم بر گرم و حداکثر ظرفیت جذب کروم (VI) از 18/75 میلیگرم بر گرم به 63/113 میلیگرم بر گرم افزایش یافت. کربن فعال تیمار شده به روش حرارتی، به دو روش دیگر نیز تیمار شدند: تیمار شیمیایی و پیشتیمار زیستتوده قبل از فرایند کربونیزاسیون. برای انجام تیمار شیمیایی، کربن فعال انتخاب شده در روش حرارتی با استفاده از 6 ماده شیمیایی و در شرایط مختلف اصلاح گردید. نتایج نشان داد که تیمار کربن فعال با HNO 3 و CaCl 2 ظرفیت جذب کربن فعال را بهطور معنیداری به ترتیب برای سرب (II) تا 8/434 میلیگرم بر گرم و برای کروم (VI) تا 2/263 میلیگرم بر گرم افزایش داد. پیشتیمار شیمیایی زیستتوده نیز بهصورت خاکسترزدایی و همچنین اصلاح با نمکهای فلزی قلیایی و قلیایی خاکی انجام گرفت و زیستتودههای اصلاح شده با شرایط بهینه به‌دست آمده از مرحله قبل، پیرولیز شدند. بر اساس نتایج، خاکسترزدایی زیستتوده با استفاده از HCl قبل از کربونیزاسیون نیز ظرفیت جذب کربن فعال را برای حذف کروم (VI) تا 67/189 میلیگرم بر گرم ارتقا داد. همچنین تیمار زیستتوده خام با MgCl 2 قبل از فرایند کربونیزاسیون ظرفیت جذب سرب (II) کربن فعال تولید شده بهصورت چشمگیری تا 5/1428 میلیگرم بر گرم افزایش داد. در مجموع نتایج این پژوهش حاکی از آن است که "پیشتیمار زیستتوده با MgCl 2 ، کربونیزاسیون با KOH و در ادامه، تیمار حرارتی این کربن فعال" بهترین کارایی را برای حذف سرب (II) نشان داد. همچنین "تیمار حرارتی کربن فعال شده با KOH و در ادامه، تیمار شیمیایی آن با CaCl 2 " بهترین کارایی را برای حذف کروم (VI) نشان داد. نتایج این پژوهش بیانگر پتانسیل زیاد پسماندهای فضای سبز به منظور تولید کربن فعال با توانایی زیاد جذب فلزات سنگین (سرب (II) و کروم (VI)) از محیطهای آبی است. بقایای لیگنوسلولزی یکی از انواع پسماندها است که سالیانه به مقدار زیاد در سراسر جهان از منابع مختلف مانند هرس سرشاخههای درختها و گیاهان فضای سبز تولید میشود. در این مطالعه، کربن فعال از ضایعات لیگنوسلولزی حاصل از هرس درخت نارون )Umbraculifera Ulmus )با دو ماده فعالساز هیدروکسید پتاسیم و کلرید روی در شرایط مختلف از نظر دمای کربونیزاسیون و نسبت اختالط تهیه شد. سپس کربنهای فعال بهینه با توجه به آزمایش پیوسته جذب سرب )II )و کروم )VI )انتخاب شدند. بهمنظور ارتقاء ظرفیت جذب کربنهای فعال انتخاب شده، این کربنها به روش تیمار حرارتی اصالح شدند. در روش تیمار حرارتی، کربن فعال سنتز شده با استفاده از روشی ساده و کارا ابتدا با آب 80 درجه سانتیگراد تیمار شده و سپس در معرض تنش حرارتی با شستشوی پیوسته با آب گرم )95 درجه سانتیگراد( و آب سرد )2 درجه سانتیگراد( قرار گرفت. مشخصهیابی کربنهای فعال سنتز شده با استفاده از اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه، همدماهای جذب و واجذب N2 و تصاویرمیکروسکوپ الکترونی انجام شد. شبیهسازی تنش حرارتی با استفاده ازآزمایش عناصر محدود که با استفاده از نرم افزار آباکوس انجام شد، نشان داد که تغییرات سریع دمایی میتواند از طریق ایجاد منافذ بیشتر موجب افزایش تخلخل کربن فعال شود. سطح ویژه پس از تیمار حرارتی کربن فعال شده با هیدروکسید پتاسیم از 465 تا 1085 مترمربع بر گرم افزایش یافت. در نتیجه، حداکثر ظرفیت جذب سرب (II (از 28/89 میلیگرم بر گرم به 56/232 میلیگرم بر گرمو حداکثر ظرفیت جذب کروم (VI( از 18/75 میلیگرم بر گرم به 63/113 میلیگرم بر گرم افزایش یافت. پس از آن،کربن فعال تیمار شده به روش حرارتی، به دو روش دیگر نیز اصالح شدند: تیمار شیمیایی کربن فعال و پیشتیمار زیستتوده. برای انجام تیمار شیمیایی، کربن فعال انتخاب شده در روش حرارتی با استفاده از 6 ماده شیمیایی و در شرایط مختلف اصالح گردید. نتایج نشان داد که تیمار کربن فعال با اسید نیتریک و کلرید کلسیم ظرفیت جذب کربن فعال را بهطور معنیداری بهترتیب برای سرب (II (تا 8/434 میلیگرم بر گرم و برای کروم (VI (تا 2/263 میلیگرم بر گرم افزایش داد. پیشتیمار شیمیایی زیستتوده نیز قبل از فرایند کربونیزاسیون و بهصورت خاکسترزدایی و همچنین اصالح با نمکهای فلزی قلیایی و قلیایی خاکی انجام گرفت و سپس زیستتودههای اصالح شده پیرولیز شدند. بر اساس نتایج، خاکسترزدایی زیستتوده با استفاده از اسید هیدروکلریک قبل از کربونیزاسیون نیز ظرفیت جذب کربن فعال را برای حذف کروم (VI (تا 67/189 میلیگرم بر گرم ارتقا داد. همچنین تیمار زیستتوده خام با کلرید منیزیم قبل از فرایند کربونیزاسیون ظرفیت جذب سرب (II (کربن فعال تولید شده بهصورت چشمگیری تا 5/1428 میلیگرمبر گرم افزایش داد.در مجموع نتایج این پژوهش نشان داد که پیشتیمار زیستتوده با کلرید منیزیم، کربونیزاسیون آن با هیدروکسید پتاسیم و در ادامه، تیمار حرارتی این کربن فعال، بهترین کارایی را برای حذف سرب (II (نشان داد. ه