Production of advanced adsorptive materials based on biochar
Authors: Ρεγκούζας Παναγιώτης 
Published: June 2024

Η κλιματική αλλαγή σε συνδυασμό με την ανάγκη μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα οδήγησαν στην ανάγκη αναθεώρησης του γραμικού μοντέλου που έχει ακολουθήσει η ανθρωπότητα μέχρι σήμερα, δημιουργώντας την ανάγκη μετάβασης σε ένα κυκλικό μοντέλο διαχείρισης πόρων και αποβλήτων, με στόχο έναν βιώσιμο τρόπο ζωής. Το βιοεξανθράκωμα είναι το στερεό κλάσμα που προκύπτει από την πυρόλυση της βιομάζας, το οποίο παρουσιάζει αρκετές ευεργετικές φυσικοχημικές ιδιότητες που το καθιστούν ικανό για πολυποίκιλες εφαρμογές σε διαφορετικούς τομείς. Για την παραγωγή του μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε είδος βιομάζας, όπως αγροβιομηχανικά απόβλητα, αστικά στερεά απόβλητα, λυματολάσπη, κοπριά ζώων και άλλες κατηγορίες οργανικών βιομηχανικών αποβλήτων. Η μετατροπή αυτών των υλικών σε βιοεξανθράκωμα αλλάζει την αρχική τους θεώρηση ως απόβλητα σε πολύτιμες πρώτες ύλες για την παραγωγή νέων υλικών. Το βιοεξανθράκωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές, όπως εδαφοβελτιωτικό, προσροφητικό υλικό, υπόστρωμα τεχνητών υγροβιότοπων, ενισχυτής κομποστοποίησης, αποθήκευση ενέργειας ως υλικό για κατασκευή μπαταριών, ως αειφόρο δομικό υλικό και ως στερεό καύσιμο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην τεχνολογία παραγωγής του βιοεξανθρακώματος ως βάση για την παραγωγή προηγμένων και στοχευμένων ανά εφαρμογή προσροφητικών υλικών, τα οποία είναι σημαντικά πιο αποτελεσματικά σε σύγκριση με τα συμβατικά και μπορούν να αποτελέσουν μια βιώσιμη λύση για την αντιμετώπιση δύσκολα επεξεργάσιμων αποβλήτων, όπως η απομάκρυνση Επίμονων και Αναδυόμενων Μικρο-Ρύπων από νερά και υγρά απόβλητα. Τα προϊόντα που παράχθηκαν είναι σε πλήρη συμμόρφωση με τις βασικές αρχές της κυκλικής οικονομίας, καθώς υλικά που μέχρι σήμερα θεωρούνταν ως απόβλητα χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτες ύλες για την παραγωγή ενός προϊόντος που χρησιμοποιήθηκε για περαιτέρω αντι-ρυπαντικούς σκοπούς. Για να επιτευχθεί αυτό πραγματοποιήθηκαν τρεις πειραματικοί κύκλοι για τη διερεύνηση διαφορετικών παραμέτρων, με στόχο την παραγωγή του αποδοτικότερου προσροφητικού υλικού. Αρχικά, έξι διαφορετικές βιομάζες αγρονομικής και ανθρωπογενούς προέλευσης χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή συμβατικών βιοεξανθρακωμάτων σε δύο θερμοκρασίες πυρόλυσης, προκειμένου να χαρακτηριστούν εκτενώς φυσικοχημικά και να αξιολογηθούν ως προς την καταλληλότητά τους για αγρονομικές ή περιβαλλοντικές εφαρμογές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες πυρόλυσης ευνοούν τις περιβαλλοντικές εφαρμογές του βιοεξανθρακώματος, παρουσιάζοντας σταθερές δομές άνθρακα και πορώδη δομή. Με βάση τα αποτελέσματα του πρώτου κύκλου, επιλέχθηκαν οι φλοιοί ρυζιού ως αγρονομική και η λυματολάσπη ως απόβλητη βιομάζα για την παραγωγή προηγμένων προσροφητικών υλικών. Κατά τον δεύτερο πειραματικό κύκλο, παράχθηκε αρχικά το νανοϋλικό οξείδιο του γραφενίου, το οποίο στη συνέχεια ενσωματώθηκε στις δύο βιομάζες πριν την πυρόλυση, σε δύο αναλογίες, για την παραγωγή προηγμένων προσροφητικών υλικών, γνωστά και ως νανοσύνθετα βιοεξανθρακώματος. Τα υλικά που παράχθηκαν χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά και στη συνέχεια εφαρμόστηκαν ως προσροφητικά υλικά, σε συνδυασμό με τα συμβατικά βιοεξανθρακώματα, για την απομάκρυνση έξι Επίμονων και Αναδυόμενων Μικρο-Ρύπων από δείγματα νερού και δευτεροβάθμιας εκροής αστικών υγρών αποβλήτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα νανοσύνθετα βιοεξανθρακώματος είχαν καλύτερη απόδοση συγκριτικά με τα συμβατικά βιοεξανθρακώματα, μειώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο προσρόφησης από τα 60min στα 30min. Η ανάγκη για μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα προσρόφησης οδήγησε στην υιοθέτηση του τρίτου πειραματικού κύκλου, κατά τον οποίο παράχθηκαν νανοσύνθετα βιοεξανθρακώματος με χρήση εμπορικά διαθέσιμων Νανοσωλήνων Άνθρακα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων προσρόφησης έδειξαν ότι αυτά τα προσροφητικά υλικά μπορούν να απομακρύνουν >80% των υπό μελέτη ρύπων, μετά από μόλις 5min χρόνου επαφής, κάτι το οποίο καθιστά αυτά τα υλικά κατάλληλα για εφαρμογή ως τριτοβάθμιο στάδιο επεξεργασίας σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού και υγρών αποβλήτων.