Optimizacija procesa hidrotermalne karbonizacije komine grožđa i primena dobijene hidročađi

Abstract

Predmet rada ove doktorske disertacije je ispitivanje mogućnosti upotrebe otpadne biomase na bazi kukuruza (oklasak kukuruza i kukuruzna svila) za adsorpciju Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona iz njihovih vodenih rastvora. Karakterizacija uzoraka kukuruzne svile i oklaska kukuruza, u ovom radu vršena je: određivanjem hemijskog i elementarnog sastava, određivanjem kapaciteta katjonske izmene (KKI), tačke nultog naelektrisanja (pHPZC), određivanjem teksturalnih osobina (BET), termijskom analizom (TGA / DTA), skenirajućom elektronskom mikroskopijom i energijsko – disperzivnom rendgenskom spektroskopijom (SEM–EDX) i infracrvenom spektroskopijom sa Furijeovom transformacijom (FTIR). U cilju odabira uzorka sa boljim adsorpcionim karakteristikama izvršena su preliminarna ispitivanja procesa biosorpcije Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona na oklasku kukuruza i kukuruznoj svili. Maksimalne adsorbovane količine Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona na oklasku kukuruza iznosile su 0,027; 0,0413 i 0,019 mmol g-1, respektivno, dok su maksimalno adsorbovane količine Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona na kukuruznoj svili iznosile 0,400; 0,220 i 0,190 mmol g- 1, respektivno. Dobijeni rezultati ukazuju da je kukuruzna svila uzorak sa boljim adsorpcionim karakteristikama u odnosu na oklasak kukuruza. Stoga je kukuruzna svila odabrana za detaljna ispitivanja procesa biosorpcije Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona. Uticaj radnih parametara kao što su: početna pH vrednost, masa biosorbenta, početna koncentracija jona metala, vreme kontakta i temperatura na proces biosorpcije Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona na kukuruznoj svili, ispitan je u šaržnom sistemu. Proces biosorpcije Pb2+ jona može se opisati Lengmirovim i Frojndlihovim modelom dok se proces biosorpcije Cu2+ i Zn2+ jona najbolje opisuje Lengmirovim modelom. Afinitet kukuruzne svile ka vezivanju jona metala opada u sledećem nizu: Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. Ispitivanjem kinetike procesa biosorpcije jona metala na kukuruznoj svili ustanovljeno je da kinetički model pseudo – drugog reda najbolje opisuje eksperimentalne rezultate. Takođe, ispitivanja izvršena pri različitim temperaturama ukazuju da je vezivanje Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona na kukuruznoj svili u osnovi spontan i endoterman proces. Ispitivanja adsorpciono – desorpcionih procesa pokazala su da se kukuruzna svila lako može regenerisati rastvorom HNO3 i koristiti za dalju upotrebu kao efikasan biosorbent za uklanjanje jona teških metala iz njihovih vodenih rastvora. Na osnovu eksperimentalnih rezultata ustanovljeno je da se proces biosorpcije Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona na kukuruznoj svili odvija jonskom izmenom i hemisorpcijom pri čemu se između jona metala i biosorbenta formiraju veze jonskog i kovalentnog karaktera. Rezultati ispitivanja procesa biosorpcije jona metala iz uzoraka otpadnih voda Rudarskog kombinata Trepča, Rudarsko – topioničarskog basena Bor i pogona za uslužno cinkovanje ukazuju da je kukuruzna svila efikasan biosorbent za uklanjanje Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona iz realnih industrijskih voda. S obzirom na nisku cenu, dostupnost i visoku efikasnost, kukuruzna svila je nakon imobilizacije Na – alginatom ispitana za uklanjanje Pb2+, Cu2+ i Zn2+ jona u kontinualnom sistemu.

This study aims to investigate the possibility of the usage of waste corn biomass (corn cob and corn silk) for removal of Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions from aqueous solutions. The characterization of corn silk and corn cob was performed by determination of chemical and elemental composition, cation exchange capacity (KKI), point of the zero charge (pHPZC), specific surface area and pore volume (BET analysis), thermal analysis (TGA / DTA), scanning electron microscopy and energy dispersive X – ray analysis (SEM – EDX) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). In order to select material with better sorption performances the preliminary experiments were done. The maximum biosorptive capacity for Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions by corn cob was 0,027; 0,0413 and 0,019 mmol g-1, respectively, while the maximum biosorptive capacity for Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions by corn silk was 0,400; 0,220 and 0,190 mmol g-1, respectively. According to results, the corn silk is more efficient than corn cob to remove chosen metal ions from aqueous solutions. The effect of operating parameters such as: initial pH, amount of adsorbent, initial metal ion concentration, contact time and temperature on biosorption process of Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions by corn silk was investigated in batch system. The sorption process of Pb2+ ions by corn silk could be described by Langmuir and Freundlich isotherm models, while the equilibrium sorption process of Cu2+ and Zn2+ ions was well described by Langmuir isotherm model. The affinity of corn silk by interaction with metal ions was in descending order Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. The kinetic study indicated that the removal of Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions by corn silk follows pseudo – second order model. Also, investigations performed at different temperatures indicated that removal of lead, copper and zinc from aqueous solutions by corn silk is a spontaneous and endothermic process. Based on adsorption – desorption study results, the corn silk can be efficienltly recovered by HNO3 solution and used in new adsorption cicle as effective biosorbent for heavy metals removal from aqueous solutions. The biosorption process of Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions by corn silk is result of ion exchange and chemisorption. Biosorption experiments which have been performed with actual waste waters obtained from: Trepča Mines, Mining and Smelting Basin Bor and from electroplating, indicates that corn silk is very efficient biosorbent for removal of Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions from the industrial effluents. For practical application corn silk was immobilised in Na – alginate and it was investigated for Pb2+, Cu2+ and Zn2+ ions removal in a fixed bed system.