Μελέτη δομής και εφαρμογών ενεργού άνθρακα προερχόμενου από πυρηνόξυλο και άλλα γεωργικά προϊόντα
Authors: Μεταξάς Μιχαήλ 
Published: August 2021

Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής ενεργών ανθράκων από πυρηνόξυλο και η σύγκρισή τους με ενεργούς άνθρακες από άλλα γεωργικά παραπροϊόντα, κυρίως πυρήνα ελιάς, ως προς την ανάπτυξη της δομής και του πορώδους καθώς και ως προς την ικανότητά τους να απομακρύνουν επιβλαβείς προσμίξεις από υδατικά διαλύματα και απόβλητα ελαιουργείων.Η παραγωγή των ανθράκων έγινε με τη μέθοδο της φυσικής ενεργοποίησης με υδρατμό, σε διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας ανθρακοποίησης και ενεργοποίησης, ως προς τον χρόνο παραμονής σε κάθε στάδιο και το ρυθμό ανόδου θερμοκρασίας. Η μελέτη της δομής πραγματοποιήθηκε με ποροσιμετρία αζώτου και αριθμό ιωδίου, για τον υπολογισμό της εσωτερικής επιφάνειας και του μικροπορώδους όγκου, καθώς και με ποροσιμετρία υδραργύρου για τον υπολογισμό του μεσοπορώδους (σε συνδυασμό με τα στοιχεία της ποροσιμετρία αζώτου) και του μακροπορώδους όγκου. Ρυθμός ανόδου θερμοκρασίας 10°C/min τόσο κατά την ανθρακοποίηση όσο και κατά την ενεργοποίηση οδήγησε σε περισσότερο ανεπτυγμένες δομές, τόσο για το πυρηνόξυλο όσο και για τον πυρήνα ελιάς, έναντι ρυθμού ανόδου 5°C/min. Αύξηση του χρόνου ανθρακοποίησης από 90min σε 120min οδήγησε σε διάνοιξη των πόρων προς την περιοχή του μεσοπορώδους, με ταυτόχρονη αύξηση της εσωτερικής επιφάνειας. Αύξηση του χρόνου ενεργοποίησης (και συνεπώς του ποσοστού καύσης) οδήγησε σε ανάπτυξη όλης της κλίμακας των πόρων, με ακόλουθη μείωση της απόδοσης σε τελικό προϊόν. Το εκχυλισμένο πυρηνόξυλο έδωσε πολύ διαφορετικές δομές από τον πυρήνα ελιάς το βερίκοκο και το ροδάκινο, γεγονός που αποδίδεται στη διαφορετική λιγνοκυτταρική σύσταση αυτών των πρώτων υλών. Παράλληλα εφαρμόσθηκε και η ταυτόχρονη πυρόλυση και ενεργοποίηση παρουσία υδρατμού που αποτελεί μία οικονομική μέθοδο παραγωγής μια και πραγματοποιείται σε ένα και μόνο στάδιο, η εφαρμογή της οποίας ωστόσο απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Επιπλέον δοκιμάσθηκε η τροποποίηση της επιφάνειας, ελαφρώς ενεργοποιημένων ανθράκων χρήσει γλυκοζαμίνης, υδροχλωρικής γλυκοζαμίνης και ουρίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ουρία δύναται να μεταβάλλει τις ιδιότητες του προκύπτοντος τελικού προϊόντος προς την κατεύθυνση του μικρο- και του μακροπορώδους. Η διάχυση της τελευταίας στο εσωτερικό δίκτυο των πόρων αφενός τους προστατεύει από τη δράση του υδρατμού (μικρότεροι μικροπόροι), αφετέρου δρα καταλυτικά στη διάνοιξη των ευρύτερων μικροπόρων και μεσοπόρων προς μακροπόρους οι οποίοι εμφανίζονται σημαντικά διευρυμένοι. Η γλυκοζαμίνη και η υδροχλωρική γλυκοζαμίνη, που είναι σαφώς μεγαλύτερα μόρια από την ουρία, φαίνεται ότι εναποτίθενται στους μεσοπόρους, οι στενότεροι των οποίων φράζουν ενώ οι ευρύτεροι διανοίγονται προς μακροπόρους. Το μικροπορώδες τους αυξάνει σε σχέση με τους μη εμποτισμένους άνθρακες ωστόσο παραμένει χαμηλότερο αυτού, των τροποποιημένων με ουρία, ανθράκων. Υψηλότερος χρόνος εμποτισμού επιτρέπει την καλύτερη διάχυση της ουρίας στο εσωτερικό δίκτυο πόρων και τη διάνοιξη των μέσο- προς μακροπόρους, φαινόμενο που εξαρτάται από τη δομή του ανθρακοποιημένου ενδιαμέσου. Σε άνθρακες με πιο ανεπτυγμένο δίκτυο πόρων, η ουρία αποτίθεται κυρίως στο εσωτερικό τους παρά στην επιφάνεια, προστατεύοντάς τους από τον υδρατμό και οδηγώντας σε δημιουργία νέων πόρων, παρά σε διάνοιξη των υπαρχόντων. Μείωση στη συγκέντρωση της ουρίας κατά τον εμποτισμό οδηγεί σε μείωση του μικροπορώδους και αύξηση του μεσοπορώδους, λόγω μειωμένης απόθεσης στην περιοχή των μικροπόρων. Εμποτισμός της πρώτης ύλης ή του ανθρακοποιημένου ενδιαμέσου δεν βελτίωσε τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του τελικού προϊόντος, γεγονός που αποδίδεται στο «φτωχό» δίκτυο πόρων που δεν επέτρεψε τη διάχυση της ουρίας στο εσωτερικό. Όλοι οι ενεργοί άνθρακες που παρήχθησαν είναι άμορφοι ενώ η οπτική παρατήρηση SEM μικροφωτογραφιών επιλεγμένων ανθράκων, δείχνει ανομοιογενείς μορφολογίες και διαστρωματώσεις σε όλη τη μάζα του υλικού. Επιλεγμένοι ενεργοί άνθρακες μελετήθηκαν ως προς τη δυνατότητά τους να απομακρύνουν μέταλλα από υδατικά διαλύματα. Οι άνθρακες αυτοί είχαν βασικό χαρακτήρα (ρΗ>7) και υψηλό αριθμό βασικών επιφανειακών οξειδίων. Χρησιμοποιήθηκαν τα μέταλλα Th+4, Cu+2 και Zn+2. Ως προς το ιόν θορίου, οι άνθρακες από πυρηνόξυλο έδειξαν υψηλότερη ρόφηση αυτής του άνθρακα από πυρήνα ελιάς, γεγονός που αποδόθηκε στη διαφορετική επιφανειακή χημεία των υλικών. Ο άνθρακας από πυρήνα ελιάς αν και είχε πιο ανεπτυγμένη δομή παρουσίασε μικρότερη ρόφηση. Οι εμποτισμένοι με ουρία και υδροχλωρική γλυκοζαμίνη, άνθρακες, έδωσαν ελαφρώς υψηλότερα νούμερα από τον μη εμποτισμένο. Ως προς το ιόν χαλκού, οι άνθρακες από βερίκοκο και πυρήνα ελιάς έδωσαν τα υψηλότερα ποσοστά ρόφησης, με τον άνθρακα από εκχυλισμένο πυρηνόξυλο να βρίσκεται σε πολύ κοντινά επίπεδα, παρά το γεγονός ότι είχε σαφώς λιγότερο ανεπτυγμένη δομή. Ο άνθρακας από ροδάκινο έδωσε χαμηλά επίπεδα ρόφησης για το ιόν χαλκού. Ως προς το ιόν ψευδαργύρου, οι άνθρακες από πυρηνόξυλο έδειξαν μία σημαντικά υψηλότερη δυνατότητα δέσμευσης, σε σχέση με αυτούς από τα υπόλοιπα υλικά. Ωστόσο ακόμα και πιο ανεπτυγμένες δομές, σε άνθρακες από πυρηνόξυλο, δεν βελτίωσαν τα επίπεδα της ρόφησης. Εκδίωξη των ανόργανων προσμίξεων με έκπλυση της πρώτης ύλης με H2SO4 ή του ενεργού άνθρακα με θερμό νερό οδήγησε σε ελάττωση της προσρόφησης. Οξείδωση ενός επιλεγμένου ενεργού άνθρακα, που αύξησε τα όξινα επιφανειακά οξείδια, είχε επίσης το ίδιο αποτέλεσμα. Όταν έγινε ρύθμιση του pH στα επίπεδα των υπολοίπων ανθράκων, η ρόφηση του οξειδωμένου άνθρακα αυξήθηκε σημαντικά φθάνοντας την αντίστοιχη του μη οξειδωμένου. Αντίθετα όταν έγινε ρύθμιση του pH σε τιμή 3, για τον άνθρακα Π7, η ρόφηση μειώθηκε σημαντικά. Τα παραπάνω δεικνύουν ότι το φαινόμενο της ρόφησης μετάλλων από τους ενεργούς άνθρακες δεν εξαρτάται από το πορώδες των υλικών αλλά από μία σειρά παραμέτρων όπως επιφανειακά οξείδια, ανόργανες προσμίξεις του άνθρακα και pH. Επιπλέον μελετήθηκε η δυνατότητα επιλεγμένων ενεργών ανθράκων για δέσμευση οργανικών μορίων. Συγκεκριμένα μελετήθηκε το μόριο διμεθυλοφαινόλη (DMP) σε υδατικά διαλύματα καθώς και η ικανότητα μείωσης των ολικών φαινολών και ελάττωσης του COD σε απόβλητα ελαιουργείων. Η ρόφηση οργανικών μορίων αποδείχθηκε ότι εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή του άνθρακα ενώ το μεσοπορώδες φαίνεται ότι αποτελεί ρυθμιστικό παράγοντα στη ρόφηση των φαινολικών μορίων. Σε περιπτώσεις παρόμοιας δομής, η παρουσία καρβονυλικών ομάδων ευνοεί τη ρόφηση λόγω σχηματισμού συμπλοκών EDA. Ως προς το σύνολο των οργανικών μορίων που ευρίσκονται στον κατσίγαρο, και καλύπτουν ένα εύρος μεγέθους (από αλειφατικά έως πολυφαινόλες), η εσωτερική επιφάνεια και το μικροπορώδες φαίνεται να αποτελούν επίσης σημαντικό παράγοντα, για την μέγιστη προσροφητική ικανότητα των ανθράκων. Τα πρώτα πειράματα που έγιναν για τη χρησιμοποίηση παραχθέντων ενεργών ανθράκων ως πρόδρομα υλικά για την κατασκευή βιοαισθητήρων, μέσω ακινητοποίησης του ενζύμου GOx, είναι ενθαρρυντικά και ανοίγουν μία πολύ ενδιαφέρουσα προοπτική προς την κατεύθυνση αυτή. Υπολογίζεται ότι κατά την παραγωγική διαδικασία του ελαιολάδου, το παραγόμενο πυρηνόξυλο ευρίσκεται σε αναλογία ελαιόλαδο πυρηνόξυλο 1:1,37 ενώ ο πυρήνας ελιάς σε αναλογία ελαιόλαδο:ελαιοπυρήνα 1:1,77. Μια και η Ελλάδα είναι η τρίτη χώρα στον κόσμο σε παραγωγή ελαιολάδου, μετά την Ιταλία και την Ισπανία, το πυρηνόξυλο καθώς και η ελαιοπυρήνα, που μελετήθηκαν σε αυτήν την εργασία, αποτελούν παραπροϊόντα που ευρίσκονται σε αφθονία στη χώρα μας και που αν αξιοποιηθούν κατάλληλα μπορούν να προσφέρουν σε ένα πλήθος εφαρμογών. Χρήση των ενεργών ανθράκων, από γεωργικά παραπροϊόντα, στα πρώτα στάδια του καθαρισμού του νερού, μπορεί να δώσει διπλή λύση στα περιβαλλοντικά προβλήματα. Ο όγκος των στερεών αποβλήτων θα μειωθεί ενώ η διαχείριση του επιβαρυμένου νερού, δύναται να επιτευχθεί με λογικό κόστος.