Skip to main content
SUPERVISOR
نوراله میرغفاری (استاد راهنما) محسن سلیمانی امین آبادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Rasoul Jazini Dorcheh
رسول جزینی درچه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده منابع طبیعی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Conversion of Agricultural Wastes into Biochar and its Application for Lead and Cadmium Adsorption from Aqueous Solutions
Human activities could negatively affect the environmental quality in recent decades. In this regard, burning of agricultural wastes after harvesting emits gases such as carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen dioxide and other greenhouse gases into the atmosphere, which is a major factor of damaging the ozone layer, global warming and climate change. There are new approaches to reduce atmospheric carbon dioxide which one of them is stabilization of carbon of organic materials by biochar production. Biochar is a carbon rich material which is generated by pyrolysis process (heating in the absence or lack of oxygen environment). Regarding to the problems of burning agricultural residue and the importance of providing an appropriate alternative approach, this study was carried out to convert different types of agricultural waste to biochar and investigate the potential of them as heavy metal sorbents in aquatic environments. Agricultural wastes were used in this study included wheat straw, barley straw, rice husk and sawdust which were initially converted to biochar via pyrolysis furnace having the atmosphere of N 2 at temperatures of 300, 400 and 500 °C, thereafter the parameters such as percent biochar yields, moisture, ash, volatile matter, fixed carbon as well as pH values of biochars and raw materials were measured. Then considering the results of lead (Pb 10 mg/L) and cadmium (Cd 2 mg/L) adsorption, barley straw biochar which was produced at 500 °C (BS500) was selected for assessment of changing the biochar quality in various temperatures. Biochar quality was investigated through the elemental analysis, determination of specific surface area and pore size (BET) and surface imaging by scanning electron microscopy (SEM). Finally, different factors affecting the absorption process including pH (4,5,6,7,8), the amount of sorbent (0.1, 0.5, 1, 2 g/L), the initial concentration of Pb (2, 5, 10, 20, 50 mg/L) and cadmium concentration (0.1, 0.5, 1, 5, 10 mg/L) in the solution and the contact time (5, 10, 15, 30, 45, 60 120 minutes) were investigated and consequently the optimum values were used in Pb and Cd adsorption and desorption column test. The results showed that biochar yields, moisture and volatile matter of biochar samples were reduced, whereas ash content, fixed carbon and pH of the samples increased with increasing pyrolysis temperature. The results of BET and SEM imaging analyses of barley straw biochar showed that specific surface area increased with increasing temperature to 400° C and then decreased until 500° C. Besides, the pore size of BS500 was in the range of mesopores. By increasing the temperature from 300 to 500° C, the pores were emerged on the surface of biochar samples. Investigation of effective factors in Pb and Cd adsorption by BS500 revealed the optimum conditions of adsorption which were pH=6, the amount of sorbent 1 g/L and Cd concentration of 1 mg/L, Pb concentration of 10 mg/L and the contact time of 45 min. The results of the column experiments in optimum conditions showed that the amount of Pb and Cd adsorption by BS500 was 33 and 29 %, respectively. Furthermore, the desorption amounts of Pb and Cd using distilled water were, 6.5 and 9.8 %, respectively. Therefore, it can be concluded that the biochar samples derived from agricultural wastes have a considerable potential for removal of Pb and Cd from aquatic environments. Key words: Biochar, Climate change, Agricultural residue, Adsorption, Heavy metals
فعالیت های انسانی در دهه های اخیر اثرات منفی بر کیفیت محیط زیست داشته است. سوزاندن ضایعات کشاورزی به‌جامانده پس از برداشت محصول باعث انتشار گازهایی نظیر مونواکسیدکربن، دی اکسیدکربن، اکسید نیتروژن و سایر گازهای گلخانه ای به اتمسفر شده که از عوامل اصلی آسیب رساننده به لایه ازن، گرمایش جهانی و تغییر اقلیم هستند. راهکارهای نوینی برای کاهش دی اکسید کربن اتمسفر ارایه شده است که یکی از آنها تثبیت کربن مواد آلی بوسیله ی تولید بیوچار است. بیوچار یک ترکیب کربنی است که از فرایند پیرولیز (حرارت دهی در غیاب و یا کمبود اکسیژن محیط) حاصل می گردد. با توجه به مشکلات سوزاندن بقایا در کشور و اهمیت ارایه یک راهکار مناسب جایگزین، این مطالعه با هدف تبدیل انواع مختلف ضایعات کشاورزی به بیوچار و بررسی پتانسیل آنها به عنوان جاذب فلزات سنگین در محیط های آبی انجام شد. ضایعات کشاورزی مورد استفاده در این مطالعه شامل کاه گندم، کاه جو، سبوس برنج و خاک اره بودند که در ابتدا از طریق کوره ی پیرولیز با اتمسفر گاز نیتروژن در سه دمای 300، 400 و 500 درجه سانتی گراد به بیوچار تبدیل و سپس پارامترهای مختلفی نظیر درصد بازدهی تولید بیوچار، رطوبت، خاکستر، مواد فرار و کربن تثبیت شده، همچنین مقادیر pH برای بیوچارهای تولید شده و ماده ی خام آنها اندازه گیری شد. سپس با درنظر گرفتن نتایج جذب سرب و کادمیم (غلظت 10 و2 میلی گرم بر لیتر) و بیوچار کاه جو تولید شده در دمای 500 درجه سانتی گراد به عنوان بیوچار بهینه برای بررسی روند تغییرات کیفیت بیوچار با افزایش دما انتخاب و روند تغییرات کیفیت بیوچار به وسیله ی انجام آنالیزهای عنصری ، تعیین سطح ویژه و اندازه منافذ(BET) و تصویربرداری به وسیله ی میکروسکوپ الکترونی(SEM) مورد بررسی قرار گرفت. در انتها، فاکتورهای مختلف موثر در جذب نظیر pH (8،7،6،5،4)، مقدار جاذب (1/0، 5/0، 1، 2 گرم بر لیتر)، غلظت اولیه فلزات سرب(2، 5، 10، 20، 50 میلی گرم بر لیتر) و کادمیم(1/0، 5/0، 1، 5، 10 میلی گرم بر لیتر) در محلول و زمان تماس(5، 10، 15، 30، 45، 60، 120 دقیقه) بررسی و با استفاده از مقادیر بهینه به دست آمده آزمایش جذب و واجذب ستونی برای هر دو فلز سرب و کادمیم انجام شد. نتایج نشان داد با افزایش دما بازدهی تولید بیوچار، درصد رطوبت و مواد فرار در انواع بیوچارهای تولید شده کاهش و درصد خاکستر، کربن تثبیت شده و pH نمونه ها افزایش یافت. نتایج آنالیز BET و تصویربرداری SEM بیوچار کاه جو نشان داد که با افزایش دما تا 400 درجه سانتی گراد، سطح ویژه افزایش و سپس تا 500 درجه سانتی گراد کاهش یافت. همچنین اندازه ی حفرات در بیوچار تولید شده در دمای 500 درجه در ابعاد مزوحفره قرار داشت. با افزایش دما از 300 به 500 درجه سانتی گراد حفرات در سطح نمونه های بیوچار بوجود آمد. بررسی عوامل مختلف موثر در جذب سرب و کادمیم توسط بیوچار کاه جو تولید شده در 500 درجه سانتیگراد نشان داد که شرایط بهینه ی جذب در6 pH= و مقدار جاذب 1 گرم بر لیتر برای جذب هر دو فلز و غلظت 1 و 10 میلی گرم بر لیتر کادمیم و سرب و زمان تماس 45 دقیقه بود. همچنین نتایج حاصل از آزمایش های ستونی در شرایط بهینه نشان داد که جذب فلزات سرب و کادمیم به وسیله نمونه بیوچار به ترتیب حدود، 33 و 29 درصد بود. همچنین درصد واجذب نمونه پس از مرحله ی احیاء توسط آب مقطر برای فلزات سرب و کادمیم، 6/5 و 9/8 درصد به دست آمد. بنابراین بیوچار حاصل از ضایعات کشاورزی پتانسیل قابل توجهی برای جذب فلزات سرب و کادمیم از محیط های آبی دارند. کلمات کلیدی: بیوچار، تغییر اقلیم، ضایعات کشاورزی، جذب سطحی، فلزات سنگین

ارتقاء امنیت وب با وف بومی