Απομάκρυνση πτητικών οργανικών ενώσεων με τη χρήση βιοεξανθρακώματος για σκοπούς απόσμησης

Abstract

Η παρούσα Διατριβή Μάστερ μελέτησε την ικανότητα των βιοεξανθρακωμάτων (biochar) από βιομάζα ως πρόσθετο υλικό (φίλτρο) για απομάκρυνση πτητικών οργανικών ενώσεων (ΠΟΕ, VOCs), που εκπέμπονται από διάφορες δύσοσμες διεργασίες. Για το σκοπό αυτό, ως πρώτη ύλη των βιοεξανθρακωμάτων επιλέχθηκαν διάφορες βιομάζες, όπως απόβλητα φρούτων (φλούδα από ρόδι (PB) και παπουτσόσυκο (PPB)) ή καρπός και άλλα μέρη (χαρούπι (CB) και κόμμι χαρουπιού (LBGB)), τα οποία συγκρίθηκαν με αντίστοιχο βιοεξανθράκωμα από ζωικά απόβλητα (ΜΒ). Η κάθε ακατέργαστη πρώτη ύλη πυρολύθηκε σε αδρανή ατμόσφαιρα N2 σε θερμοκρασίες πυρόλυσης 350 και 550 ?, αντίστοιχα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των 8 βιοεξανθρακωμάτων με διάφορες αναλυτικές μεθόδους. Η ανάλυση SEM χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εικόνων υψηλής διακριτικής ικανότητας στην επιφάνεια των βιοεξανθρακωμάτων. Η στοιχειακή ανάλυση έδειξε ότι για τα βιοεξανθρακώματα και τις πρώτες ύλες η % C περιεκτικότητα κυμαίνεται από 59.9-95.6% και 37.3-62.1 %, αντίστοιχα. Επιπλέον, η ανάλυση DRIFTS, φανέρωσε τις διαφορές στις λειτουργικές χημικές ομάδες των βιοεξανθρακωμάτων με αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ με ανάλυση BET προσδιορίστηκε η τιμή της ειδικής επιφάνειας και της διαμέτρου των σχετικών πόρων. Στο βιοεξανθράκωμα (PB 550 ?) με τα βέλτιστα χαρακτηριστικά, πραγματοποιήθηκε χημική ενεργοποίηση με υδροξείδιο του καλίου (KOH), προκειμένου να συγκριθεί με το αντίστοιχο μη-ενεργοποιημένο βιοεξανθράκωμα. Παράλληλα, η προσθήκη νανοσωματιδίων αργύρου (silver nanoparticles, Ag-NPs), επιβεβαιώθηκε μέσω αναλύσεων SEM και SERS. Επιπλέον, μελετήθηκε η ικανότητα του PB 550 ? για επαναχρησιμοποίηση για τουλάχιστον 3 κύκλους προσρόφησης - εκρόφησης. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ικανότητα του MB σαν υλικό απόσμησης σε δείγματα κοπριάς αγελάδας και πραγματοποιήθηκε σχετική ανάλυση μέσω της μεθόδου headspace solid-phase microextraction gas chromatography/mass spectrometry (HS-SPME-GC/MS), για τον προσδιορισμό των εκπεμπόμενων ΠΟΕ. Ακολούθησε η προσθήκη λεπτού στρώματος (10% κ.β.) βιοεξανθρακώματος και προσδιορίστηκε το ποσοστό απομάκρυνσης της κάθε ΠΟΕ. Αφού εντοπίστηκαν οι ΠΟΕ-στόχοι, τα βιοεξανθρακώματα μελετήθηκαν ως προς την ικανότητα απομάκρυνσης των συγκεκριμένων ΠΟΕ σε συνάρτηση με το χρόνο επαφής (30-480 min), τη μάζα (0.1-1 g) και τη συγκέντρωση της επιλεγμένης ΠΟΕ σε διάφορες συγκεντρώσεις (50-1000 ppbv). Το PB 550 ? φάνηκε να είναι το βέλτιστο βιοεξανθράκωμα από τα 8 παραχθέντα, αφού στο λιγότερο χρόνο επαφής απομάκρυνε πλήρως τις ΠΟΕ-στόχους στις εξεταζόμενες συγκεντρώσεις. Επιπλέον, μελετήθηκε η ικανότητα απομάκρυνσης 54 ΠΟΕ βάση του πρότυπου της EPA 502/524 (ΠΟΕ στο πόσιμο νερό), οπότε και προσδιορίστηκαν τα σχετικά ποσοστά απομάκρυνσης ανά χημική κατηγορία.

The ability of biochar originated from biomass was examined as an additive filter, to remove volatile organic compounds (VOCs) emitted from various odorous processes. Towards this, various biomasses were selected; fruit waste peels from pomegranate (PB) and prickly pear (PPB), as well as fruit-parts, such as carob (CB) and locust bean gum (LBGB). The produced biochars were compared with an animal waste biochar (MB). Biochar production was performed at two pyrolysis temperatures (350 °C and 550 °C), respectively, under N2 atmosphere.