Influence of activation conditions on the properties and adsorption performance of wood-based activated carbon

Abstract

In this thesis, the effects of activation conditions on the properties of wood-based activated carbon (AC) were studied utilizing experimental design. The aim was to produce suitable ACs for adsorption of adsorbable organic halogens (AOX) from pulp mill wastewaters. The activation conditions chosen as variables were activation temperature, time, and carbon dioxide flow rate. Raw material for the ACs was birch sawdust. The process was started with hydrothermal carbonization (HTC), which produced solid biochar and liquid hydrolysate as a by-product. Solid yield of the HTC was nearly 70%. The biochar was subsequently physically activated with carbon dioxide as an activating agent. Experimental design was utilized in planning the experiments and modelling the effects of the activation variables on the properties of the produced ACs. All of the materials in the process were characterized for their elemental composition. The raw material and the intermediate biochar were characterized for their composition, and the components of the hydrolysate were studied as well. The ACs were characterized for their BET surface area and porosity, and their adsorption capacities were tested with model compound adsorption using 4-chlorophenol. X-ray photoelectron spectroscopy was used to analyze the surface composition of the AC before and after model compound adsorption. Response surfaces for activation yield, BET surface area, and model compound adsorption were created based on the experimental design. Activation yield mostly varied from 16 to 22% from biochar. Highest BET surface area was 938 m²/g, but the yield for that AC was only around 3% from biochar. Adsorption isotherm of one of the top-performing produced ACs was obtained and compared with a commercial alternative. The effect of pH on the adsorption was also studied. The AC produced in this work showed slightly better adsorption capacity than the commercial one. Finally, the AOX removal ability of the AC was tested from real pulp mill wastewater. Even though the BET surface area and model compound adsorption results were promising, the removal of AOX from the wastewater was quite poor at only 11%. Furthermore, the AC dose was relatively high at nearly 1 kg/m³.

Tässä työssä tutkittiin aktivointiolosuhteiden vaikutuksia puupohjaisen aktiivihiilen ominaisuuksiin koesuunnittelua apuna käyttäen. Tarkoituksena oli tuottaa sopivia aktiivihiiliä adsorboituvien orgaanisten halogeeniyhdisteiden (AOX) poistamiseksi sellun tuotannon jätevesistä. Muuttujiksi aktivointiolosuhteiden suhteen valittiin aktivointilämpötila, -aika ja hiilidioksidin virtaus. Raaka-aineena aktiivihiilille käytettiin sahanpurua koivusta. Tuotantoprosessi aloitettiin hydrotermisellä hiiltämisellä (HTC), josta kiinteän puuhiilen lisäksi saatiin nestemäistä hydrolysaattia sivutuotteena. Puuhiilen saanto HTC:ssä oli lähes 70%. Tämän jälkeen puuhiili aktivoitiin fysikaalisesti käyttäen hiilidioksidia aktivointiaineena. Koesuunnittelua käytettiin kokeiden suunnitteluun ja mallintamaan aktivointimuuttujien vaikutuksia aktiivihiilten ominaisuuksiin. Kaikkien prosessiin liittyvien materiaalien alkuainekoostumukset karakterisoitiin. Raaka-aineen ja välituotteen eli puuhiilen koostumukset karakterisoitiin ja myös hydrolysaatin komponentteja tutkittiin. Aktiivihiilten BET-pinta-ala sekä huokoisuus karakterisoitiin ja niiden adsorptiokapasiteettia testattiin adsorboimalla malliainetta, 4-klorofenolia. Aktiivihiilten pintakoostumusta analysoitiin ennen ja jälkeen adsorption röntgenfotoelektronispektroskopialla. Koesuunnitelman pohjalta luotiin vastepinnat aktivoinnin saannolle, BET-pinta-alalle ja malliaineen adsorptiolle. Aktivoinnin saanto vaihteli pääasiassa 16 %:sta 22 %:iin laskettuna puuhiilestä. Korkein saavutettu BET-pinta-ala oli 938 m²/g, mutta kyseisen aktiivihiilen saanto oli vain noin 3 % puuhiilestä. Adsorptioisotermi muodostettiin yhdelle huippuominaisuudet omaavalle aktiivihiilelle, ja sitä verrattiin kaupalliseen aktiivihiileen. Lisäksi pH:n vaikutusta adsorptioon tutkittiin. Tässä työssä tuotettu aktiivihiili osoitti hieman parempaa adsorptiokapasiteettia kuin kaupallinen. Lopuksi testattiin aktiivihiilen kykyä poistaa AOXia oikeasta sellutuotannon jätevedestä. Vaikka BET-pinta-alan sekä malliaineen adsorption tulokset olivat lupaavia, AOXin poisto jätevedestä, noin 11%, oli kohtalaisen heikko. Lisäksi aktiivihiilen annostus oli suhteellisen korkea, lähes 1 kg/m³.