Development and Application of Porous Carbons from Biomass of Giant Miscanthus and Algae

Abstract

Development and Application of Porous Carbons from Natural Biomass

Mr. Seokjong Kim Directed by Ph.D./Prof. Jae-Wook Lee Department of Chemical Engineering Graduate School of Chosun University

There is growing interest of the scientific community on production of activated carbon using biocarbon as potential sustainable precursors carbonized from biomass wastes. In general, physical activation and chemical activation are the main methods applied in the activation process. The physical and chemical properties of activated biocarbon can be controlled for multiple applications including water pollution treatment, CO2 capture, and energy storage. The key parameters of carbonization and activation are the feedstock with different compositions and activation conditions with conventional and microwave heating. Compared to traditional activated carbon, activated biocarbon appears to be a new potential cost-effective and environmentally-friendly carbon materials with great application prospect in many field.

In this study, hierachical mesoporous carbon with high surface area an controlled pore size was prepared from two biomass of giant Miscanthus and alge. The activation was conducted by a simple process that involved H2O2 treatment, followed by microwave heating. H2O2 treatment time and microwave irradiation time were optimized based on the adsorption capacity of methylene blue dye on biosorbents. The prepared biosorbent samples were characterized employing TG, SEM, XRD, FTIR, BET, and zeta potential measurement for the evaluation of surface area, pore size distribution and surface morphology. The adsorption equilibrium and kinetic data of methylene blue were fitted with Langmuir and Freundlich isotherm and pseudo second order model kinetic model, respectively. Adsorption isotherm data measured at different temperatures were used for the determination of thermodynamic properties of ΔG0, ΔH0, and ΔS0. Results showed that the adsorption of methylene blue was feasible, spontaneous, and endothermic. The electrochemical properties were measured by cyclic voltammetry and impedance. It was found that microwave-assisted porous carbons exhibited higher adsorption capacity and excellent electrochemical performance due to the well-developed hierarchical pore structures.

On the other hand, the feasibility of a hybrid system consisting of powdered activated carbon (PAC) adsorption and dissolved air flotation (DAF) processes was examined for simultaneous removal of algae (anabaena and mycrocystis) and their secondary algal metabolites (2-methylisoboneol and geosmin). Before studying the hybrid system, adsorption equilibrium and kinetics of organics (2-methylisoboneol and geosmin) produced from algae on three powdered activated carbons were studied. The flotation efficiency of algae and PAC in DAF process was evaluated with zeta potential measurements. Zeta potential is a key parameter of double layer repulsion for individual particles and can usually be used to interpret the trend of coagulation efficiency. This study focused on the measurement of zeta potential of algae and activated carbon under various experimental conditions including water characteristics (pure water, stream water, reservoir water) and coagulant dose (10~50 mg/L). Results showed that the variation of zeta potential was highly sensitive depending on the water characteristics and coagulation conditions. Zeta potential of two genera of algae (anabaena sp. and microcystis sp.) were changed highly with coagulant dosage, especially. On the basis of DLVO theory and trajectory analysis, bubble-floc collision efficiency simulated in terms of zeta potential was fitted well with removal efficiency of chlorophyll-a from algae particles. It was found that the control of zeta potential was important for effective removal of algae particles. Interestingly, we also found that the agglomerate of bubble and PAC particle can be successfully floated by DAF. In addition, the simultaneous removal of algae and organics (i.e., secondary algal metabolites) dissolved in water can be achieved by using the hybrid system of adsorption/DAF processes.| 천연바이오매스 기반 다공성 탄소소재 개발 및 응용

김 석 종 지도교수 : 이 재 욱 화학공학과 조선대학교 대학원

지속가능한 탄소 전구체로서 바이오 폐기물로부터 얻은 바이오탄소는 활성탄소를 생산하는데 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 활성화 공정을 통해 조절된 물리적 화학적 특성을 지닌 활성탄소는 수처리, 이산화탄소 회수 및 에너지 저장 등과 같은 다양한 응용분야에 적용되고 있다. 바이오 매스의 성분과 종류 그리고 기존 방식의 열처리 및 마이크로웨이브 열처리 공정을 통한 활성화 조건은 탄화 및 활성화 공정의 주요 조절변수로 작용한다. 이렇게 제조된 활성탄소는 기존 활성탄소에 비해 저렴하고 친환경적인 탄소 물질로서 다양한 분야에서 활발히 응용되리라 예상된다.

본 학위논문에서는 거대억새 및 조류와 같은 바이오매스를 이용하여 높은 표면적을 지니면서 세공크기 조절이 가능한 규칙적인 메조세공의 탄소물질을 제조하였다. 활성화 공정은 바이오 매스를 과산화수소로 처리한 후, 마이크로웨이브를 이용하여 가열하였다. 최적의 과산화수소수 담지 시간 및 마이크로 웨이브 조사 시간은 메틸렌블루 흡착 용량을 통해 최적화 하였다. 제조된 샘플의 표면적, 세공크기(분포) 및 표면 형태는 TG, SEM, XRD, FTIR, BET 및 zeta potential 측정을 통해 조사하였다. 제조된 다공성 탄소체의 흡착특성을 고찰하기 위해 메틸렌블루 염료에 대한 흡착평형 및 속도 데이터를 확보한 후, 흡착등온선(Langmuir, Freundlich)과 pseudo-second-order 모델을 이용하여 그 특성을 조사하였다. 온도 변화에 따른 흡착등온선을 이용하여 열역학적 매개변수(ΔG0, ΔH0, ΔS0 )를 구하여 확인한 결과, 제조된 바이오 흡착제 상에서 염료의 흡착은 자발적인 흡착 및 흡열 과정임을 확인하였다. 한편 탄소체의 전기화학특성은 cyclic voltametry 및 impedance 측정을 통해 조사하였다. 그 결과 마이크로 웨이브를 통해 제조된 탄소 흡착제는 높은 흡착용량 및 우수한 전기적 특성을 지님을 확인할 수 있었다.

조류입자(anabaena sp. and mycrocystis sp.) 및 조류의 이차대사산물인 용존 유기물(2-methylisoboneol and geosmin)을 동시에 제거하기 위한 연구로서, 분말활성탄 흡착 및 DAF(dissolved air flotation) 결합공정에 관해 조하하였다. 이를 위해 결합공정에 관한 연구이전에 탄소 흡착제 상에서 이차 대사산물의 흡착 평형 및 속도에 관해 조사하였다. 조류 및 PAC의 부상효율은 제타 포텐셜 측정을 통해 평가하였다. 제타 포텐셜은 전기이중층을 이해하는 데 매우 중요한 정보일 뿐만 아니라 응집 효율을 해석하는데도 사용된다. 물 속에 용해된 이차대사산물(2-methylisoboneol and geosmin)을 흡착한 바이오 탄소체의 부상 효율에 관해 조사하였다. 이를 위해 다양한 조건에서 탄소체 입자(PAC)와 조류입자(anabaena sp. and mycrocystis sp.)의 제타전위 변화를 측정하고 부상분리효율에 어떻게 영향을 미치는지를 조사하였다. 본 연구에서는 증류수, 계곡수 및 저수지의 수질 특성과 응집제의 투여량과 같은 다양한 실험조건에서 제타 포텐셜의 변화를 측정하였다. 그 결과 제타 포텐셜은 수질의 특성 및 응집조건에 매우 민감함을 확인 할 수 있었다. 특히 두 종류의 조류(anabaena sp. and microcystis sp.)의 제타 포텐셜은 응집제의 투여량에 크게 바뀐다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 조류 입자를 제거하기 위해서는 매우 조심스러운 제타 포텐셜 조절이 요구됨을 알 수 있었다. 버블과 플럭의 충돌효율은 DLVO 이론과 괘도분석 방법으로 구성된 모델로 잘 모사됨을 확인 할 수 있었다. 특히 흥미로운 사실은 PAC 입자와 버블로 이루어진 플럭 또한 DAF 공정으로 효과적으로 부상될 수 있음을 알았다. 즉 조류 입자와 이들의 이차대사 산물이 물속에 용해된 유기물들의 동시 제거는 흡착-DAF 결합공정을 통해 가능하다는 것을 알 수 있었다.