Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10833
Title: Μελέτη της διάβρωσης πλαστικών που έχουν εκτεθεί στο περιβάλλον : ανάπτυξη εξανθρακωμάτων από ριζίδια βύνης και υπολείμματα καφέ και χρήση τους ως ροφητικών υλικών
Other Titles: Degradation of plastics in the environment : biochar development by spent coffee grounds and malt spent rootlets and their use as sorbents.
Authors: Φωτοπούλου, Καλλιόπη
Keywords: Πλαστικά απορρίμματα
Πολυαιθυλένιο (PE)
Πολυπροπυλένιο (PP)
Τεραφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET)
Εξίσωση BET
Υπέρυθρη φασματοσκοπία εξασθενημένης ολικής ανάκλασης (ΑΤR-FTIR)
Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM)
Αποδόμηση
Βιο-εξανθράκωμα (biochar)
Πυρόλυση
Ροφητικά υλικά
Ριζίδια βύνης (MSR)
Υπολείμματα καφέ (SCG)
Φαινανθρένιο
Υδράργυρος
Keywords (translated): Plastic waste
Polyethylene (PE)
Polypropylene (PP)
Polyethylene terephtalate (PET)
BET equation
Attenuated total reflectance (ΑΤR)
Scanning electron microscopy (SEM)
Degradation
Biochar
Pyrolysis
Sorbents materials
Malt spent rootlets (MSR)
Spent coffee grounds (SCG)
Phenanthrene
Mercury
Abstract: Η παρούσα ΔΔ αποτελείται από δύο μέρη τα οποία μελετούν δυο περιβαλλοντικά θέματα. Στο πρώτο μέρος γίνεται μελέτη της περιβαλλοντικής αποδόμησης των κυριότερων ομάδων πλαστικών στο περιβάλλον. Στο δεύτερο μέρος μελετάται η ανάπτυξη εξανθρακωμάτων από παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων με στόχο να χρησιμοποιηθούν ως ροφητικά υλικά. Τα πλαστικά αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι του σύγχρονου τρόπου ζωής με αποτέλεσμα η παραγωγή τους συνεχώς να αυξάνεται με την παγκόσμια παραγωγή πλαστικών το 2012 να είναι 280 εκατομμύρια τόνοι. Τα πλαστικά εξαιτίας των ιδιοτήτων τους και του χαμηλού τους κόστους χρησιμοποιούνται για να καλύψουν τις ανάγκες της καθημερινής μας ζωής. Η μη ορθολογική διαχείριση των πλαστικών έχει δημιουργήσει ένα σύγχρονο περιβαλλοντικό πρόβλημα, που αφορά τα πλαστικά που καταλήγουν ανεξέλεγκτα στο περιβάλλον. Τα πλαστικά απόβλητα αυξάνονται συνεχώς και με γοργούς ρυθμούς στο θαλάσσιο περιβάλλον, και έχουν βρεθεί σε όλα τα θαλάσσια περιβάλλοντα από την Αρκτική έως τον Ισημερινό, από τις εκβολές των ποταμών μέχρι το κέντρο του Βόρειου Ειρηνικού Ωκεανού, ενώ η εξάπλωση τους δεν γίνεται μόνο κατά μήκος της θάλασσας αλλά και κατά βάθος με αποτέλεσμα να βρίσκονται πλαστικά παντού από την επιφάνεια της θάλασσας έως και τους πυθμένες. Πρόσφατες έρευνες αποδεικνύουν ότι στον ποταμό Δούναβη τα πλαστικά σωματίδια υπερτερούν από τις προνύμφες των ψαριών. Αν και οι πρώτες αναφορές για την επίδραση των πλαστικών στην θαλάσσια ζωή έγιναν τη δεκαετία του 1960 και εντοπίστηκαν οι επιδράσεις που αφορούσαν τις δυσμενείς επιπτώσεις της κατάποσης των πλαστικών από ψάρια, θαλασσοπούλια, θηλαστικά και χελώνες, σήμερα υπάρχουν πάνω από 340 αναφορές σχετικά με την επίδραση των πλαστικών στην θαλάσσια ζωή, και γίνεται λόγος για 663 είδη θαλάσσιων οργανισμών που επηρεάζονται αρνητικά. Αν και υπάρχουν πολλές αναφορές που αποδεικνύουν την ένταση του προβλήματος καθώς και την διαδικασία της αποδόμησης των πλαστικών σε εργαστηριακές συνθήκες, πολύ λίγες είναι οι αναφορές για την αποδόμηση των πλαστικών σε περιβαλλοντικές συνθήκες χωρίς κανέναν εργαστηριακό έλεγχο. Σύμφωνα με όλα τα παραπάνω είναι ιδιαίτερα σημαντικό να κατανοήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ πλαστικών και περιβάλλοντος, σε συνθήκες περιβάλλοντος αφού είναι μια δυναμική κατάσταση με διαρκώς διαφορετικές παραμέτρους. Η παρούσα ΔΔ είναι η πρώτη μελέτη που γίνεται σε παγκόσμιο επίπεδο, με βάση τα όσα γνωρίζουμε, με στόχο να μελετηθούν πλαστικά που έχουν διαβρωθεί στο περιβάλλον χωρίς καμία εργαστηριακή επεξεργασία. Στην ΔΔ αυτή μελετήθηκαν πλαστικά από το χερσαίο, το παράκτιο και υποθαλάσσιο περιβάλλον ενώ για τα δείγματα του υποθαλάσσιου χώρου υπήρξε και χρονολόγηση της παραμονής τους στο περιβάλλον. Η παρουσία ρύπων σε πλαστικά που βρίσκονται στην θάλασσα είναι ένα θέμα ύψιστης περιβαλλοντικής σημασίας. Είναι λοιπόν απαραίτητο να κατανοήσουμε τις επιφανειακές αλλαγές στα πλαστικά ενώ αυτά έχουν προέλθει από το περιβάλλον διότι μόνο έτσι θα κατανοήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ πλαστικών και ρύπων στο περιβάλλον. Στην παρούσα ΔΔ μελετήθηκαν τα πιο κοινά χρησιμοποιούμενα πλαστικά. Πλαστικά σφαιρίδια πολυαιθυλενίου (ΡΕ) και πολυπροπυλενίου (ΡΡ) μετά από δειγματοληψίες σε 47 παραλίες του κόσμου μελετήθηκαν ως προς τις επιφανειακές τους ιδιότητες. Επιφανειακές ιδιότητες όπως το σημείο μηδενικού φορτίου, ειδική επιφάνεια, πορώδες, επιφανειακή τοπογραφία, η οξεοβασική συμπεριφορά, καθώς και οι επιφανειακές ομάδες μελετήθηκαν διότι είναι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ρόφηση. Τα αδιάβρωτα πλαστικά είναι ομογενή με λείες επιφάνειες και δεν παρουσιάζουν καμία οξεοβασική συμπεριφορά. Τα διαβρωμένα σφαιρίδια ΡΕ παρουσιάζουν αλλοιωμένη επιφάνεια που στο θαλασσινό νερό εμφανίζει αρνητικό φορτίο εξαιτίας των καινούργιων ομάδων που δημιουργούνται από τη διάβρωση. Αυτό το αρνητικό φορτίο που δημιουργείται στην επιφάνεια του ΡΕ από την αποδόμηση θα μπορούσε να εξηγήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ του ΡΕ με τα μικρόβια και τα μέταλλα. Επιπλέον μελετήθηκαν πλαστικά που συλλέχθηκαν από παράκτιες περιοχές. Η σύσταση των πλαστικών που μελετήθηκαν είναι: υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο (ΗDPE), πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), και τεραφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET). Τα δείγματα εξετάστηκαν ως προς τις επιφανειακές τους ιδιότητες. Τεχνικές χαρακτηρισμού όπως ο προσδιορισμός της ειδικής επιφάνειας με τη μέθοδο ρόφησης εκρόφησης N2 και την εξίσωση ΒΕΤ, η φασματοσκοπία υπερύθρου ΑΤR-FTIR, ποτενσιομετρικές τιτλοδοτήσεις μάζας PMTs, χρησιμοποιήθηκαν για να κατανοήθούν οι επιφανειακές ιδιότητες. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι το HDPE αποδομείται και καινούργιες ομάδες δημιουργούνται στην επιφάνεια του, το ΡΕΤ αποκτά ανώμαλη τοπογραφία μετά την αποδόμηση είναι κίτρινο μακροσκοπικά, και αποικίζεται από μικρόβια. Η μείωση των κορυφών του στο φάσμα ATR-FTIR αποδίδεται στην αποδόμηση. Το PVC αλλάζει επιφανειακή τοπογραφία εξαιτίας της αποδόμησης και η επιφάνεια του φαίνεται «ανοιγμένη». Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι το ΡΕ, το ΡΡ καθώς και το ΡΕΤ, που είναι τα πιο κοινά χρησιμοποιούμενα πλαστικά μπορούν να αποδομηθούν εξαιτίας βιοτικών ή και αβιοτικών παραγόντων. Η πορεία της αποδόμησης είναι διαφορετική και εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Το ΡΕ φωτοαποδομείται με αποτέλεσμα να δημιουργούνται στην επιφάνεια του καινούργιες ομάδες όπως οι κετόνες, εστέρες καρβονυλικά οξέα κλπ. Το ΡΡ είναι ανθεκτικότερο στην διάβρωση από το ΡΕ. Η φωτοαποδόμηση για το ΡΕΤ περιλαμβάνει τον σχηματισμό των υδρο-υπεροξειδίων μέσω οξείδωσης των ομάδων CH2 που γειτνιάζουν με τον εστερικό δεσμό. Και για τα τρία υλικά η αλληλεπίδραση με μικρόβια είναι δυνατόν να σχηματίσει biofilm, με διαφορετικό τρόπο για το καθένα. Γενικά η βιο-αποδόμηση ακολουθεί την φωτο-αποδόμηση με αποτέλεσμα να υπάρχει μείωση στις ομάδες που αντιστοιχούν στις κετόνες, εστέρες, καρβονυλικά οξέα κλπ. Όπως προαναφέρθηκε υπάρχουν πολλές αναφορές για την παρουσία των πλαστικών στο θαλάσσιο περιβάλλον καθώς και τις αρνητικές συνέπειες που προκαλούνται. Όμως δεν υπάρχουν πληροφορίες για τη διάρκεια ζωής των πλαστικών στο θαλάσσιο περιβάλλον καθώς και για τον τρόπο αποδόμησής τους. Η παρούσα ΔΔ μελέτησε πλαστικά που συλλέχθηκαν από το υποθαλάσσιο περιβάλλον με σύσταση HDPE και PET και χαρακτηρίστηκαν ως προς τις επιφανειακές τους ιδιότητες χρησιμοποιώντας την τεχνική ATR-FTIR. Χρησιμοποιήθηκε η ημερομηνία λήξης που έφεραν τα δείγματα από τον κατασκευαστή για να υπολογιστεί ο χρόνος παραμονής των δειγμάτων στο περιβάλλον. Τα δείγματα ΡΕΤ φαίνεται να μην επηρεάζονται για 15 χρόνια. Μετά την πάροδο αυτών των χρόνων φαίνεται μια σημαντική μείωση στις κορυφές που εμφανίζονται στο φάσμα ATR-FTIR. Το δεύτερο θέμα που απασχολεί αυτή την Διδακτορική Διατριβή είναι η ανάπτυξη βιο-εξανθρακωμάτων από ριζίδια βύνης και υπολείμματα καφέ εσπρέσο. Τα βιο-εξανθρακώματα είναι υλικά πλούσια σε άνθρακα και είναι «παραπροϊόν» καύσης βιομάζας μέσω της διαδικασίας της πυρόλυσης. Σε συνθήκες μερικής ή ολικής έλλειψης οξυγόνου η θερμική αποσύνθεση της βιομάζας είναι δυνατόν να χειραγωγηθεί για να δώσει εκτός από το CO2, εύφλεκτα αέρια, πτητικά έλαια, πίσσα, ατμούς, και ένα σταθερό κατάλοιπο άνθρακα που ονομάζεται εξανθράκωμα (char). Η προσθήκη βιο-εξανθρακωμάτων στο έδαφος έχει σημαντικά λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τις παλαιότερες μεθόδους και μπορεί να δεσμεύσει ρύπους, να μειώσει την κινητικότητα τους στο νερό καθώς και να βελτιώσει την ποιότητα του εδάφους παρέχοντας θρεπτικές ουσίες για την προώθηση της ανάπτυξης των φυτών και την τόνωση της οικολογικής αποκατάστασης. Ο όρος βιο-εξανθράκωμα, ‘’biochar’’, δεν είναι σαφώς διαχωρισμένος από το εξανθράκωμα, “char’’, και χρησιμοποιείται κυρίως για τα υλικά βιομάζας που προέρχονται από θερμική επεξεργασία (πυρόλυση) που προβλέπεται η χρήση τους στο έδαφος. Ένα κοινό χαρακτηριστικό των βιο-εξανθρακωμάτων με το εξανθρακώματα, είναι ότι αποτελούνται από σταθερές ενώσεις άνθρακα οργανικής προέλευσης οι οποίες δεν επιστρέφουν στην ατμόσφαιρα με την μορφή του CO2, ακόμα και όταν υπάρχουν ευνοϊκές περιβαλλοντικές και βιολογικές συνθήκες, όπως αυτές που υπάρχουν στο έδαφος. Η ικανότητα των βιο-εξανθρακωμάτων να παραμένουν σταθερά στο έδαφος σε συνδυασμό με την ικανότητά τους να συγκρατούν θρεπτικά συστατικά καλύτερα από την οργανική ύλη του εδάφους τα καθιστούν ένα ιδιαίτερα υποσχόμενο υλικό για περιβαλλοντικές εφαρμογές. Στην παρούσα ΔΔ αναπτύχθηκαν βιο-εξανθρακώματα από παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων και πιο συγκεκριμένα από υπολείμματα καφέ εσπρέσο και ριζίδια βύνης. Τα παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων αφού κρατήθηκαν σε θερμοκρασία 50 οC για μια νύχτα, έπειτα πυρολύθηκαν σε διαφορετικά προγράμματα πυρόλυσης. Τα ριζίδια βύνης αφού κοσκινίστηκαν σε κατάλληλο μέγεθος, πυρολύθηκαν σε διαφορετικά προγράμματα θερμοκρασίας. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε θερμοκρασίες από τους 300 έως τους 900 οC. Τα παραγόμενα εξανθρακώματα μελετήθηκαν ως προς τα φυσικά και χημικά τους χαρακτηριστικά. Τεχνικές όπως οι διαφορικές ποτενσιομετρικές τιτλοδοτήσεις (DPMT), ο προσδιορισμός της ειδικής επιφάνειας με την μέθοδο ρόφησης εκρόφησης Ν2 (BET), η φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR), η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) είναι κάποιες από τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των υλικών ως ροφήτες. Με την χρήση της εξίσωσης των Harkins and Jura υπολογίστηκε το μικροπορώδες και η ανοικτή ειδική επιφάνεια των παραγόμενων βιο-εξανθρακωμάτων. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι η υψηλότερη ειδική επιφάνεια προκύπτει από το δείγμα που πυρολύθηκε στους 800 οC. Το δείγμα αυτό έχει ειδική επιφάνεια 340 m2/g και πορώδες 0,21 cm3/g ενώ το 67% του πορώδους οφείλεται σε μικροπόρους <2nm. Τα εξανθρακώματα που προήλθαν από πυρόλυση σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσίασαν έντονα αλκαλικό pH αιωρήματος συγκρινόμενο το αιώρημα του αρχικού υλικού και ίσο με 9,9. Όπως προέκυψε από την FTIR φασματοσκοπία οι επιφανειακές ομάδες που υπήρχαν στο αρχικό – μη πυρολυμένο δείγμα, σταδιακά εξαφανίζονται με την αύξηση της θερμοκρασίας πυρόλυσης χωρίς να δημιουργείται κάποια καινούργια ομάδα και άρα το επιφανειακό φορτίο των εξανθρακωμάτων υψηλής θερμοκρασίας είναι χαμηλό. Μελετήθηκε η ροφητική συμπεριφορά των βιοεξανθρακωμάτων και από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι για τα δείγματα που πυρολύθηκαν από τους 750 οC και πάνω η ρόφηση αυξάνεται κατά τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους αν συγκριθεί με το αρχικό μη πυρολυμένο δείγμα. Η ρόφηση του υδραργύρου αυξάνεται 4 έως 6 φορές για τα δείγματα χαμηλής (300−500 °C) και υψηλής (750−900 °C) θερμοκρασίας πυρόλυσης, αντίστοιχα. Τα υπολείμματα καφέ εσπρέσο αφού κρατήθηκαν σε θερμοκρασία 50 οC για μια νύχτα, έπειτα πυρολύθηκαν στους 850 οC με διαφορετικές αναλογίες υπερκείμενου όγκου Ο2. Μετά την διαδικασία της πυρόλυσης έγινε λεπτομερής χαρακτηρισμός των παραγόμενων εξανθρακωμάτων για να προσδιορισθούν οι φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι οι ιδιότητες των παραγόμενων υλικών θα μπορούσαν να συγκριθούν με τις ιδιότητες του ενεργού άνθρακα. Τα παραγόμενα εξανθρακώματα παρουσιάζουν ειδικές επιφάνειες από 21 έως 770 m2/g και ανοικτή ειδική επιφάνεια από 21 έως 65 m2/g, ενώ πάνω από το 90% του πορώδους οφείλεται στο μικροπορώδες. Ο συνολικός άνθρακας στα βιο-εξανθρακώματα κυμαίνεται από 45 έως 74%. Από τα αποτελέσματα της ρόφησης προκύπτει ότι για τον Hg καλύτερη ροφητική συμπεριφορά έχει το δείγμα με τη μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και πορώδες, ενώ για τα άλλα υλικά η ροφητική συμπεριφορά είναι παραπλήσια στο μισό του μέγιστου και περίπου 4 φορές μεγαλύτερη από το αρχικό δείγμα. Ο ροφητής με τη μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια παρουσιάζει τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερη ροφητική συμπεριφορά από το αρχικό δείγμα. Για το φαινανθρένιο βλέπουμε την ίδια συμπεριφορά η διαφορά όμως ως προς τη ροφητική ικανότητα του αρχικού δείγματος σε σχέση με αυτό που είχε τη μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια είναι λιγότερο έντονη από ότι ήταν για τον Hg.
Abstract (translated): Τhe present PhD Thesis consists of two parts which both studyenvironmental issues. The first part is a study of the environmental degradation of the main groups of plastic waste in the environment. In the second part, biochars from byproducts of the food agro-industry sector are developed in order to be used as sorbents. Plastics are an integral part of modern life so that their production is constantly increasing with the global plastic production in 2012 being 280 million tonnes. Plastics, because of their properties and their low cost, are used to meet the needs of everyday life. Improper management of plastic has created a modern environmental problem and plastics uncontrollably reach the environment. Plastic wastes are constantly and rapidly growing in the marine environment and have been found in all marine environments from the Arctic to the Equator, from the river mouths to the center of the North Pacific Ocean. They spread both across and down the sea, and thus, they are everywhere from sea surface to the sea bottom. Recent research shows that the Danube River plastic particles outperform the fish larvae. Τhe first reports on the impact of plastic on marine life were in the 1960s and demontrated adverse effects of ingestion of plastic by fish, seabirds, mammals and turtles. Now, there are over 340 reports on the effect of plastics in marine life, and 663 species of marine organisms that are negatively affected. Although there are many reports that show the intensity of the problem and the process of degradation of plastics in laboratory conditions, very few are the references for the degradation of plastics in environmental conditions without any laboratory testing. According to all the above, it is particularly important to understand the interaction between plastics and environment at ambient conditions since it is a dynamic situation with constantly different parameters. In the present PhD Thesis, the most commonly used plastics are studied. Plastic pellets of polyethylene (PE) and polypropylene (PP) sampled at 47 beaches in the world, are studied for their surface properties. Eroded and virgin PE and PP pellets were studied to better understand the interaction between plastic and compounds in marine environment. Surface properties such as point of zero charge, surface area and pore volume, surface topography, functional groups and acid-base behavior are important factors which affect sorption. Virgin plastic pellets had homogeneous smooth surfaces that do not have any acid-base behavior. Eroded PE demonstrates an altered surface that at seawater pH acquires a negative charge due to ketone groups. The uneven surface and possible functional groups could have been formed from the erosion processes while floating at the sea surface and might explain the interaction of eroded plastics with microbes and metals. Furthermore high-density polyethylene (HDPE), polyethylene terephalate (PET), and polyvinyl chloride (PVC) samples were collected from the coastal environment in order to study their surface properties. Surface properties such as surface functional groups, surface topography, point of zero charge, and color change are important factors that change during degradation. Eroded HDPE demonstrated an altered surface topography and color and new functional groups. Eroded PET surface was uneven, yellow, and occasionally, colonized by microbes. A decrease in Fourier transform infrared (FTIR) peaks was observed for eroded PET suggesting that degradation had occurred. For eroded PVC, its surface became more lamellar and a new FTIR peak was observed. These surface properties were obtained due to degradation and could be used to explain the interaction between plastics, microbes, and pollutants. According to the above the dominance and persistence of plastic debris in the marine environment are well documented. No information exists in respect to their lifespan in the marine environment. Nevertheless, the degradation potential of plastic litter items remains a critical issue for marine litter research. In the present study, PET bottles collected from the submarine environment are characterized using ATR-FTIR in respect to their degradation potential attributed to environmental conditions. A temporal indication is used as indicative to the years of presence of the PETs in the environment as debris. PETs seem to remain robust for approximately fifteen years. Afterwards, a significant decrease of the native functional groups is recorded. At a later stage, using the PET time series collected from the Saronikos Gulf (Aegean Sea–E. Mediterranean), it was possible to date bottles that were collected from the bottom of the Ionian Sea (W. Greece). It is the first time that such a study has been conducted with samples that were actually degraded in the marine environment. The second part of this Doctoral Thesis deals with the development of biochars from malt spent rootlets and spent coffee grounds. The biochars are materials rich in carbon and "product" burning biomass via the process of pyrolysis. For partial or total lack of oxygen conditions the thermal decomposition of the biomass can be manipulated to give other than CO2, a flammable gas, volatile oils, tar vapors, and a solid carbon residue called char (char). Adding char in soil is significantly less environmental impact than the older methods and can bind contaminants to reduce their mobility in water and improve the quality of the soil by providing nutrients to promote plant growth and stimulating ecological restoration. The term ''biochar'', is clearly separated from the "char '', and is mainly used for biomass materials from heat treatment (cracking) provided for use in soil. A common feature of biochar to char is that both of them are composed of stable carbon compounds of organic origin and are not returned to the atmosphere in the form of CO2, even when there are favorable environmental and biological conditions, such as those on the ground. The ability of the biochar to remain firmly on the ground together with the ability to retain nutrients better than the organic matter of the soil, makes it a very promising material for environmental applications. In the present study biochars are developed from byproducts of the food industry and more specifically spent coffee grounds (SCG) and malt spent rootlets (MSR). The preparation and characterization of biochars produced from MSR under different pyrolysis temperatures. The biochars are characterized for their surface area, microporosity, suspension pH, acid−base behavior, and functional groups on their surface. The highest surface area (340 m2/g) and porosity (0.21 cm3/g) are observed for MSR pyrolized at 800 °C. For the same biochar, 67% of the pore volume corresponds to micropores (<2 nm). The high-temperature biochars resulted in highly alkaline suspensions (pH 9.9) compared to MSR suspensions (pH 5.3). The functional groups (e.g., hydroxyl, phosphonic, amine, or carbon-bonded sulfhydryl) found on the MSR surface disappear as the pyrolysis temperature increases without new ones forming. Thus, the surface charge of high-temperature biochars is low. For phenanthrene, the sorption capacity of biochars pyrolyzed at or above 750 °C increases by almost 1 order of magnitude compared to the raw material. For mercury, sorption capacity of biochars increases by a maximum factor of 4 and a factor of 6 for low- (300−500 °C) and high-temperature (750−900 °C) biochars, respectively. The present study characterizes the surface properties of biochar produced, and investigates the effect of thermal treatment conditions on key characteristics that affect sorptive properties. The SCG were obtained after the coffee was brewed through espresso machines in coffee shops. The SCG was dried and kept in an oven at 50oC until its pyrolysis at 850oC. Pyrolysis with different coffee mass and containers were tested in order to find optimum biochar characteristics. Detailed characterization techniques were carried out to determine the properties of the produced biochar. The surface area, the pore volume, and the average pore size of the biochars were determined using gas (N2) adsorption-desorption cycles using the Brunauer, Emmett, and Teller (BET) equation. Open surface area and micropore volume were determined using the t-plot method and the Harkins & Jura equation. Total organic carbon was also determined because it is an important factor that affects sorption. The results were compared with the corresponding properties of activated carbons. The biochar produced exhibited a wide range of surface area from 21 to 770 m2/g and open surface area from 21 to 65 m2/g. It is obvious that the surface area results from the formation of pores. Actually it was calculated that up to 90% of the porosity is due to the micropores. More specifically the average size of the pores for the high surface area biochars was 32 Å. Finally, the organic carbon content of the produced biochar ranged from 45 to 75%.
Appears in Collections:Τμήμα Χημείας (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhD_KNF_τελικο.pdf3.88 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.