بررسی اثر پارامترهای سنتز کربن فعالِ مبتنی بر لیگنین بر روی ویژگیهای ساختاری آن

قانع, سارا; کریم زاده, رامین; موسوی, الهام

بررسی اثر پارامترهای سنتز کربن فعالِ مبتنی بر لیگنین بر روی ویژگیهای ساختاری آن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

سارا قانع ¹

رامین کریم زاده ²

الهام موسوی ²

¹ دانشجو

² هیات علمی

چکیده

موضوع تحقیق: کربن فعال یک جاذب متخلخل با سطح ویژه، حجم حفرات و توزیع اندازه حفرات قابل‌قبول برای بسیاری از کاربردها ازجمله جذب سطحی هست. این ماده از منابع متعدد طبیعیِ حاوی کربن به دست میآید. به دلیل افزایش تقاضا برای کربن فعال، پیش ماده‌های ارزان‌قیمت بسیار مورد توجه هستند. در این میان مایع سیاه که پسماند صنعتیِ حاصل از فرآیند لیگنین کرافت در کارخانجات کاغذسازی و حاوی مقادیر بالایی از کربن است، میتواند به‌عنوان پیش ماده مناسب و ارزان‌قیمت برای تولید کربن فعال استفاده شده و ارزش افزوده بالایی ایجاد کند.

روش تحقیق: در این تحقیق، در ابتدا لیگنین از پسماند صنعتی مایع سیاه که تهیه‌شده از کارخانه صنایع چوب و کاغذ ایران است، تحت شرایط مشخص و با بررسی تاثیر pH استخراج شد و سپس کربن پودری با استفاده از روش فعالسازی شیمیایی توسط عامل فعالسازی شیمیایی فسفریک اسید از لیگنینِ استخراج شده سنتز شد. به‌منظور بررسی اثر پارامتر دمای فعالسازی بر روی ساختار کربن فعال، شامل مساحت سطح ویژه، حجم حفرات و توزیع اندازه حفرات، سه دمای فعالسازی 400 و 500 و 600 درجه سانتیگراد در نسبت عامل فعالسازی 2 موردبررسی قرار گرفت. جاذبهای سنتز شده به‌منظور بررسی خواص فیزیکی و مورفولوژی سطح تحت آنالیزهای FTIR، BET و SEM قرار گرفتند.

نتایج اصلی: نتایج حاکی از آن بود که بالاترین میزان لیگنین با ساختاری مشابه به لیگنینِ تخریب‌شده، در 2pH= بازیابی شد. بررسی اثر پارامتر درجه حرارت فعالسازی نشان داد که دمای 500 درجه سانتیگراد میتواند دمای مناسبی برای سنتز کربن فعال با مساحت سطح ویژه بالا باشد و افزایش دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد مؤثر نیست. از میان جاذبهای سنتز شده، نمونه کربن فعالِ سنتز شده در دمای فعالسازی 500 درجه سانتیگراد، دارای بالاترین مساحت سطح ویژه و حجم حفرات کل به ترتیب m²/g 31/1573 و cm³/g 89/0 بود که پتانسیل بالای این پیش ماده را به عنوان جاذب کربن فعال نشان میدهد.

کلیدواژه‌ها

کربن فعال

مایع سیاه

لیگنین

جاذب

سطح ویژه

موضوعات

جذب و ذخیره انرژی

عنوان مقاله English

Investigation of Lignin-based activated carbon synthesis parameters on its structural properties

نویسندگان English

Sara Ghane ¹

ramin KArimzadeh ²

Elham moosavi ²

¹ Student

² FM

چکیده English

Research subject: Activated carbon is a porous absorbent with reasonable specific surface area, pore volume, and pore size distribution for many applications such as adsorption. This material is obtained from various natural sources of carbon. Due to increasing demand for activated carbon, the economical precursors have been highly noticed. In the meanwhile, black liquor, industrial residue from Lignin Kraft process in paper factories, has high amount of carbon which can be used as an appropriate and cheap precursor for activated carbon production, and make high value added.

Research approach: In this study, at first, lignin was extracted from black liquor, prepared from Iran wood & paper industries-Chouka factory, under defined conditions and investigation of pH effect, and then, powdered carbon was synthesized from extracted lignin using chemical activation method by phosphoric acid chemical agent. To consider the effects of activation temperature parameter on activated carbon structure, including specific surface area, pore volume, and pore size distribution, three activation temperature of 400, 500 and 600 ^⁰C in impregnation ratio of 2 were investigated. To study the physical and morphological properties of sensitized absorbents, they were analyzed by BET, SEM, and FTIR methods.

Main results: The results confirmed that the highest amount of lignin with a similar structure to the degraded lignin was recovered at pH = 2. Investigation of the effect of activation temperature parameter suggested that the activation temperature of 500 ^°C can be a reasonable temperature for the synthesis of high specific surface area activated carbon and increasing the temperature above 500 ^°C is not effective. Among these sensitized adsorbents, the activated carbon sensitized in activation temperature of 500 ^⁰C showed the highest specific surface area and the pore volume of 1573.31 m²/g and 0.89 cm³/g respectively, which exhibits the high potential of this precursor as activated carbon adsorbent.

کلیدواژه‌ها English

Activated carbon

Black Liquor

Lignin

Adsorbent

Specific Surface Area

1. Hu Z. and Srinivasan M.P., Preparation of High-Surface-Area Activated Carbons from Coconut Shell, Microporous and Mesoporous Materials, 27(1), 11-18, 1999.
2. Hu, L., Pan H., Zhou Y. and Zhang M., Methods to Improve Lignin’s Reactivity as A Phenol Substitute and as Replacement for Other Phenolic Compounds: A Brief Review, Bioresources, 6(3), 3515-3525, 2011.
3. Akpan EI. and Adeosun SO., Sustainable Lignin for Carbon Fibers: Principles, Techniques, and Applications, Springer, pp. 1-50, 2019.
4. Lee S.H., Doherty T.V., Linhardt R.J. and Dordick J.S., Ionic Liquid‐Mediated Selective Extraction of Lignin from Wood Leading to Enhanced Enzymatic Cellulose Hydrolysis, Biotechnology and Bioengineering, 102(5), 1368-1376, 2009.
5. Brinchi L., Cotana F., Fortunati E and Kenny J.M., Production of Nanocrystalline Cellulose from Lignocellulosic Biomass: Technology and Applications, Carbohydrate Polymers, 94(1), 154-169, 2013.
6. Rosas JM., Berenguer R.,Valero-Romero MJ., Rodríguez-Mirasol J. and Cordero T., Preparation of Different Carbon Materials by Thermochemical Conversion of Lignin, Frontiers in Materials, 1(1), 29-46, 2014.
7. Kim D., Cheon J., Kim J., Hwang D., Hong I., Kwon OH., Park WH. and Cho D., Extraction and Characterization of Lignin from Black Liquor and Preparation of Biomass-Based Activated Carbon There-From, Carbon Letters, 22(1), 81-88, 2017.
8. Tadda MA., Ahsan A., Shitu A., ElSergany M., Arunkumar T., Jose B., Razzaque MA. and Nik NN., Journal of Advanced Civil Engineering Practice and Research, 2(1), 7-13, 2016.
9. Alizadeh M., Nasehi P., Moghaddam MS., Agarwal S. and Gupta VK., Electrochemical Sensing of Phenol In Different Water Sources by a Titanium Oxide Nanotubes/Single-Wall Carbon Nanotubes Nanocomposite-Ionic Liquid Amplified Sensor., International Journal of Electrochemical Science, 16(7), 2021.
10. Nasehi P., Moghaddam MS., Abbaspour SF. and Karachi N., Preparation and Characterization of a Novel Mn-Fe2O4 Nanoparticle Loaded on Activated Carbon Adsorbent for Kinetic, Thermodynamic and Isotherm Surveys of Aluminum Ion Adsorption., Separation Science and Technology, 55(6), 1078-1088, 2020.
11. Li W., Yang K., Peng J., Zhang L., Guo S. and Xia H., Effects of Carbonization Temperatures On Characteristics of Porosity in Coconut Shell Chars and Activated Carbons Derived From Carbonized Coconut Shell Chars, Industrial Crops And Products, 28(2), 190-198, 2008.
12. Mussatto SI., Fernandes M. and Roberto IC., Lignin Recovery from Brewer’s Spent Grain Black Liquor, Carbohydrate Polymers, 70(2), 218-223, 2007.
13. Zhang J., Yu L., Wang Z., Tian Y., Qu Y., Wang Y., Li J. and Liu H., Spherical Microporous/Mesoporous Activated Carbon from Pulping Black Liquor, Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 86(9), 1177-1183, 2011.
14. Higuchi T., Biochemistry of Wood Components: Biosynthesis and Microbial Degradation of Lignin, Wood Research: Bulletin of the Wood Research Institute Kyoto University, 89(1), 43-51, 2002.
15. Zhou A., Ma X. and Song C., Effects of Oxidative Modification of Carbon Surface On the Adsorption of Sulfur Compounds in Diesel Fuel, Applied Catalysis B: Environmental, 87(3-4), 190-199, 2009.
16. Yang T. and Lua AC., Characteristics of Activated Carbons Prepared from Pistachio-Nut Shells by Physical Activation, Journal of Colloid and Interface Science, 267(2), 408-417, 2003.
17. Tan IA., Ahmad AL. and Hameed DB., Preparation of Activated Carbon from Coconut Husk: Optimization Study on Removal of 2, 4, 6-Trichlorophenol Using Response Surface Methodology, Journal of Hazardous Materials, 153(1-2), 709-717, 2008.
18. Duggan O. and Allen SJ.en., Study of the Physical and Chemical Characteristics of a Range of Chemically Treated, Lignite Based Carbons, Water Science and Technology, 35(7), 21-27, 1997.
19. Gao Y., Yue Q., Gao B. and Li A., Insight Into Activated Carbon from Different Kinds of Chemical Activating Agents: A Review, Science of the Total Environment, 141094, 2020.‏
20. McKee DW., Mechanisms of the Alkali Metal Catalyzed Gasification of Carbon, Fuel, 62(2), 170-175, 1983.