Pyrolysis brings three main products: a gas phase fraction made of syngas, a liquid fraction and a solid residue with a high carbon content. When this anaerobic digestion is made on biomass this solid residue is called biochar. Biochar has really interesting physical chemical proprieties that make this solid useful in many treatments. It can be used, for example, in soil treatment in order to enhance soil quality, since it increases nutrient availability, microbial activity, and promotes carbon sequestration. In addition it exhibits remarkable adsorption proprieties that have made it an interesting material in water remediation as effective as activated carbon. The goal of this project was the development of a method for the evaluation of adsorption capacity in a biochar sample in order to use it as an adsorbent for heavy metals. In this study, four different biochar samples have been considered: two made of Soft Wood Pellet and the other two made of Miscanthus Straw pellet, both pyrolysed at 550 and 700°C. Cadmium and Lead have been chosen for this study. The sample with the best adsorption capacity has been identified through a preliminary characterization of the superficial area, analyzing adsorption iodine number, and through the determination of the isothermal adsorption curve for Cd. The amount of Cd adsorbed on the surface has been detected quantifying the pollutant's concentration before and after contact with biochar through atomic adsorption spectroscopy. Adsorption kinetics, isothermal adsorption curve of Lead and pH variations were additionally investigated. In addition we focused our study on the influence of pH on the adsorption mechanism, since there aren't many studies that check pH during the adsorption process. Through the proper design of the experiments, it is has been possible to build a model capable of determining adsorption capacity's as a function of pH and pollutant's concentration. The model chosen is the Central Composite Design "CCD" and the range set up for pH was from 5 to 8,3 and for Cd concentration from 1 to 30 mg/L. Through the results obtained from the CCD it has been possible to obtain the response surface, which enabled to identify the best adsorption conditions .
Il processo di pirolisi consiste nel trattamento termico di materiale organico in assenza di ossigeno. Tale processo genera tre prodotti principali: una frazione gassosa, syngas, una frazione liquida, olio di pirolisi, e una frazione solida costituita dal residuo carbonioso. Nel caso di pirolisi di biomassa, la frazione solida prende il nome di biochar. Il biochar presenta caratteristiche chimico fisiche interessanti che lo rendono adatto a molti utilizzi. Esso, ad esempio, può essere usato nel trattamento dei suoli per migliorarne le proprietà agronomiche, in quanto è in grado di favorire l'accumulo di carbonio all'interno del terreno e di rilasciare nutrienti quali NH4+ e PO43-.Oltre a queste proprietà, il biochar presenta notevoli capacità adsorbenti che l'hanno reso un materiale ¿emergente¿ nel trattamento dei reflui per la rimozione di inquinanti, al pari dei carboni attivi. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un metodo per la determinazione della capacità adsorbente di un campione di biochar al fine di utilizzarlo nella rimozione di metalli pesanti da soluzioni acquose. Nel dettaglio, sono stati studiati quattro differenti campioni di biochar provenienti da due tipi di biomassa: Soft Wood Pellet e Miscanthus Straw Pellet, pirolizati a 550 e 700°C.I metalli scelti per lo studio sono stati: Cd e Pb. Attraverso una caratterizzazione preliminare dell'area superficiale, eseguita mediante identificazione del numero di adsorbimento di Iodio, e la derivazione di isoterme di adsorbimento per il Cd, è stato possibile selezionare il biochar avente maggiori capacità adsorbenti. Su tale materiale, Mischantus straw pellet pirolizzato a 700°C, sono state effettuate ulteriori caratterizzazioni: determinazione del pH, identificazione della cinetica di adsorbimento e costruzione dell'isoterma di adsorbimento per il Pb. Una volta determinati i parametri fondamentali per avere una stima della capacità adsorbente, si è voluta investigare l'influenza del pH sul processo di adsorbimento. Infatti, in letteratura non vi sono molti studi che controllano il pH durante tutto il processo di adsorbimento. Mediante l'utilizzo della tecnica del disegno sperimentale è stato costruito un modello in grado di determinare la variazione della capacità di adsorbimento in funzione di due variabili: concentrazione iniziale di inquinante in soluzione e pH. Il modello scelto è stato il Central Composite Design "CCD" e il range investigato è compreso tra 5 e 8,3 per il pH e tra 1 e 30 mg/L per la concentrazione di Cd. Dai risultati ottenuti attraverso il disegno sperimentale è stato possibile costruire il grafico della superficie di risposta, al fine di determinare le condizioni ottimali di adsorbimento.
Caratterizzazione avanzata di biochar come materiale adsorbente in acque contaminate
DI FELICE, CHIARA
2013/2014
Abstract
Il processo di pirolisi consiste nel trattamento termico di materiale organico in assenza di ossigeno. Tale processo genera tre prodotti principali: una frazione gassosa, syngas, una frazione liquida, olio di pirolisi, e una frazione solida costituita dal residuo carbonioso. Nel caso di pirolisi di biomassa, la frazione solida prende il nome di biochar. Il biochar presenta caratteristiche chimico fisiche interessanti che lo rendono adatto a molti utilizzi. Esso, ad esempio, può essere usato nel trattamento dei suoli per migliorarne le proprietà agronomiche, in quanto è in grado di favorire l'accumulo di carbonio all'interno del terreno e di rilasciare nutrienti quali NH4+ e PO43-.Oltre a queste proprietà, il biochar presenta notevoli capacità adsorbenti che l'hanno reso un materiale ¿emergente¿ nel trattamento dei reflui per la rimozione di inquinanti, al pari dei carboni attivi. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un metodo per la determinazione della capacità adsorbente di un campione di biochar al fine di utilizzarlo nella rimozione di metalli pesanti da soluzioni acquose. Nel dettaglio, sono stati studiati quattro differenti campioni di biochar provenienti da due tipi di biomassa: Soft Wood Pellet e Miscanthus Straw Pellet, pirolizati a 550 e 700°C.I metalli scelti per lo studio sono stati: Cd e Pb. Attraverso una caratterizzazione preliminare dell'area superficiale, eseguita mediante identificazione del numero di adsorbimento di Iodio, e la derivazione di isoterme di adsorbimento per il Cd, è stato possibile selezionare il biochar avente maggiori capacità adsorbenti. Su tale materiale, Mischantus straw pellet pirolizzato a 700°C, sono state effettuate ulteriori caratterizzazioni: determinazione del pH, identificazione della cinetica di adsorbimento e costruzione dell'isoterma di adsorbimento per il Pb. Una volta determinati i parametri fondamentali per avere una stima della capacità adsorbente, si è voluta investigare l'influenza del pH sul processo di adsorbimento. Infatti, in letteratura non vi sono molti studi che controllano il pH durante tutto il processo di adsorbimento. Mediante l'utilizzo della tecnica del disegno sperimentale è stato costruito un modello in grado di determinare la variazione della capacità di adsorbimento in funzione di due variabili: concentrazione iniziale di inquinante in soluzione e pH. Il modello scelto è stato il Central Composite Design "CCD" e il range investigato è compreso tra 5 e 8,3 per il pH e tra 1 e 30 mg/L per la concentrazione di Cd. Dai risultati ottenuti attraverso il disegno sperimentale è stato possibile costruire il grafico della superficie di risposta, al fine di determinare le condizioni ottimali di adsorbimento.| File | Dimensione | Formato | |
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