Χαρακτηρισμός βιοεξανθρακωμάτων που παράχθηκαν από υπολείμματα ελληνικού και γαλλικού καφέ και ανάλυση της χρωστικής μπλε του μεθυλενίου και πετρελαιοειδών ουσιών στο νερό μετά την επαφή τους με τα βιοεξανθρακώματα
Loading...
Date
2024-09-12
Authors
Χαλάτση, Παρασκευή
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η επίδραση του ανθρώπινου παράγοντα στην επιβάρυνση του περιβάλλοντος και των οικοσυστημάτων με ρυπογόνες ουσίες, είναι ένα θέμα που απασχολεί την επιστημονική κοινότητα εδώ και πολλά χρόνια. Η ανθρώπινη δραστηριότητα άλλωστε, έχει αποδειχθεί ότι, είναι η κύρια αιτία για τη ρύπανση και την καταστροφή του περιβάλλοντος, με βραχυχρόνιες και μακροχρόνιες συνέπειες για την ποιότητα ζωής όλων των ειδών. Το παραπάνω είναι ιδιαίτερα εμφανές τις τελευταίες δεκαετίες, όπου οι κλιματικές και περιβαλλοντικές μεταβολές έχουν οδηγήσει σε περαιτέρω μείωση του πόσιμου νερού και μαζική εξαφάνιση των ειδών. Έτσι, με την παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται προσπάθεια εκμετάλλευσης ενός αποβλήτου, με σκοπό την απομάκρυνση από το νερό δύο διαφορετικού τύπου ρύπων. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται χρήση των υπολειμμάτων από την παρασκευή του καφέ, με σκοπό την χρήση τους ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοεξανθρακώματος. Το βιοεξανθράκωμα αποτελεί ένα ανθρακούχο πορώδες υλικό, το οποίο παράγεται από την πυρόλυση της βιομάζας. Τα τελευταία χρόνια, έχει αποκτήσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, καθώς βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς τομείς, όπως στην καλλιέργεια ως εδαφοβελτιωτικό, στην κατάλυση ως υπόστρωμα, στην εξυγίανση των υδάτων ως ροφητικό υλικό, κ.α. Ως πυρόλυση, ορίζεται η θερμική επεξεργασία σε θερμοκρασίες 300-1300 οC υπό συνθήκες έλλειψης οξυγόνου, κατά την οποία η οργανική ύλη αποσυντίθεται. Εν προκειμένω, η βιομάζα που χρησιμοποιήθηκε για την πυρόλυση, είναι τα υπολείμματα από ελληνικό καφέ (SCG Greek), καφέ φίλτρου (SCG Filter), καθώς και κατακάθια από ελληνικό καφέ τα οποία αφέθηκαν μέχρι να ξεκινήσει η φυσική τους βιοαποικοδόμηση (SCG Greek Fungi). Για την παρασκευή των ροφημάτων του ελληνικού καφέ, χρησιμοποιήθηκε ζάχαρη, της οποίας ποσότητα κατέληξε στα κατακάθια των SCG Greek και SCG Greek Fungi. Αν και έχουν ήδη πραγματοποιηθεί έρευνες με βιοεξανθρακώματα από πρώτη ύλη τα υπολείμματα καφέ, δεν έχει μελετηθεί η επίδραση της παρουσίας της ζάχαρης σε αυτά. Έτσι, στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας πραγματοποιείται η μελέτη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των βιοεξανθρακωμάτων που προήλθαν από τις ανωτέρω πρώτες ύλες. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των παραγόμενων βιοεξανθρακωμάτων πραγματοποιήθηκε με την χρήση διάφορων αναλυτικών τεχνικών: της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy-SEM), της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διέλευσης (Transmission Electron Microscopy-ΤEM), της Περίθλασης Ακτίνων Χ (X-Ray Diffraction-XRD), της Ποροσιμετρίας με τη Μέθοδο Ρόφησης/Εκρόφησης Αζώτου και της Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Μετασχηματισμού Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy/ FTIR). Τα αποτελέσματα ανέδειξαν τα βιοεξανθρακώματα ως εξαιρετικά ροφητικά υλικά, με ειδικές επιφάνειες από 668 m2 g-1 έως 1016 m2 g-1, εκ των οποίων το 68-79% του εμβαδού καλύπτεται από μικροπόρους διαμέτρου ~2nm. Σχετικά με τα pH ισορροπίας, οι πρώτες ύλες εμφάνισαν ελαφρώς όξινο pH (4.7 - 5.5), ενώ τα βιοεξανθρακώματα κυμάνθηκαν σε εύρος τιμών αλκαλικού pH: 10.4 – 10.6 , πιθανώς λόγω της απομάκρυνσης των όξινων λειτουργικών ομάδων κατά την πυρόλυση. Επιπλέον, τα περιθλασιγράμματα XRD των biochar, παρουσίασαν κορυφές στα 2θο : 25ο & 43ο, οι οποίες τα χαρακτηρίζουν ως άμορφα υλικά με μικρή κρυσταλλικότητα. Τα φάσματα FTIR των biochar κατέγραψαν πολύ λιγότερες κορυφές και με μικρή ένταση, σε αντίθεση με τις πρώτες ύλες, το οποίο αποδεικνύει την ύπαρξη διάφορων λειτουργικών ομάδων πριν από την πυρόλυση. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, μελετήθηκε η ροφητική ικανότητα των βιοεξανθρακωμάτων για δύο ρύπους σε υδατικά διαλύματα-μείγματα: την χρωστική μπλε του μεθυλενίου (MB) και το πετρέλαιο κίνησης diesel. Αναλυτικότερα για την χρωστική MB, πραγματοποιήθηκε μελέτη της κινητικής της ρόφησης και της επίδρασης του pH στην ένταση της απορρόφησης της χρωστικής και στη ρόφηση της από το biochar. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η τιμή του pH δεν επιδρά στην ένταση της απορρόφησης της χρωστικής, ενώ η προσρόφηση της ΜΒ από το biochar επιταχύνεται σε όξινο περιβάλλον. Τέλος, όπως ήταν αναμενόμενο και από τα αποτελέσματα της BET, τα βιοεξανθρακώματα, σε αντίθεση με τις πρώτες ύλες, είχαν μεγάλες τιμές qe, και απομάκρυναν όλη την ποσότητα της χρωστικής εντός 60 ημερών. Έπειτα, μελετήθηκε η ροφητική ικανότητα του biochar για το πετρέλαιο diesel και συγκρίθηκε με την αντίστοιχη ροφητικότητα του ενεργού άνθρακα, χωρίς την ανταγωνιστική επίδραση του νερού στην προσρόφηση (Oil Absorption short test). Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι, το BC προσροφά έως και ~2.5 φορές περισσότερο πετρέλαιο από τον ενεργό άνθρακα. Στη συνέχεια, η μελέτη επικεντρώθηκε στην ποιοτική ανάλυση του υδατοδιαλυτού κλάσματος των πετρελαιοειδών, με την χρήση φασματοφωτόμετρου UV και φθορισμόμετρου. Έτσι, αναλύθηκαν δείγματα από την υδατική φάση μειγμάτων νερού-πετρελαίου πριν και μετά την χρήση biochar. Τα αποτελέσματα των φασμάτων UV και 3D EEM, ανέδειξαν μεγάλη μείωση της ολικής συγκέντρωσης των υδατοδιαλυτών πετρελαιοειδών μετά την χρήση του biochar, και οι ενώσεις που παρέμειναν στο νερό μετά την χρήση των βιοεξανθρακωμάτων βρέθηκαν να είναι οι εξής: αλειφατικές αλυσίδες μικρού μήκους με καρβονύλια στο μόριο τους, PAHs μικρού μοριακού βάρους από 1-6 αρωματικούς δακτυλίους (και οξειδωμένα παράγωγα αυτών), καθώς και παραπροϊόντα από τη δράση μικροοργανισμών.
Description
Keywords
Χρησιμοποιημένοι κόκκοι καφέ, Υπόλειμμα καφέ φίλτρου, Ίζημα ελληνικού καφέ, Μερικώς βιοαποικοδομημένο ίζημα ελληνικού καφέ, Βιοεξανθράκωμα, Πυρόλυση, Πορώδη υλικά, Ρόφηση, Αξιοποίηση απόβλητων, Μπλε του μεθυλενίου, Πετρέλαιο, Πετρελαιοειδή