Title Lebdeći pepeo iz biomase kao potencijalni sorbens – procjena utjecaja na okoliš, modificiranje i primjena Title (english) Fly ash from biomass as a potential sorbent – environmental impact assessment, modification and application Author Mirela Jukić Mentor Lidija Ćurković (mentor)Committee member Juraj Šipušić (predsjednik povjerenstva)Committee member Dragana Mutavdžić Pavlović (član povjerenstva)Committee member Mirela Rožić (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2017-12-12, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 66 - Chemical technology. Chemical and related industries 502/504 - Environmental science. Conservation of natural resources. Threats to the environment and protection against them Abstract U radu je korišten lebdeći pepeo biomase dobiven izgaranjem miješane drvne mase (jela i bukva) u kogeneracijskom postrojenju (Lika Energo Eko, Udbina, Hrvatska) za dobivanje električne energije i topline (0,95 MWel i 4,1 MWtopl). Sva ispitivanja provedena su na
(i) nemodificiranom uzorku lebdećeg pepela biomase i njegove dvije modifikacije: (ii) lebdeći pepeo ispran u vodi i (iii) hidrotermalno obrađeni lebdeći pepeo. Na svim uzorcima lebdećeg pepela biomase nakon odgovarajuće pripreme provedena je potpuna karakterizacija koja je obuhvaćala: fizikalnu karakterizaciju, određivanje elementarnog sastava (CHNS-analiza), kemijsku karakterizaciju određivanjem sadržaja glavnih i sporednih elemenata s energijskim disperzivnim spektrometrom (EDXRF), sadržaj elemenata u tragovima primjenom spektrometrije masa s ionizacijom u plazmi (ICP-MS), mineralošku karakterizaciju primjenom rendgenske difrakcijske analize praha (XRD) i morfološku karakterizaciju pretražnim elektronskim mikroskopom s energijskim disperzivnim rendgenskim analizatorom (SEM-EDS), termičku karakterizaciju primjenom termogravimetrijskog mjerenja (TGA) i infracrvenu spektroskopsku analizu (FTIR). Procijenjen je utjecaj na okoliš lebdećeg pepela biomase uporabom tri različite standardizirane metode izluživanja te modificiranom metodom sekvencijske ekstrakcije, BCR-metodom (Community Bureau of Reference) u tri koraka uključujući i rezidualnu. Testovi izluživanja provedeni su statičkim (šaržnim) postupkom u tri različite otopine i to: (i) destiliranoj vodi; (ii) u 2,5 %-tnoj etanskoj kiselini (CH3COOH) te (iii) u 0,5 mol/L nitratnoj kiselini (HNO3). Rezultati dobiveni u prvoj frakciji, tj. izmjenjivoj (lako topljivoj), primjenom BCR sekvencijalne ekstrakcijske analize korišteni su za procjenu potencijalnog ekološkog rizika od lebdećeg pepela. Prema izračunatom potencijalnom indeksu ekološkog rizika, potvrđeno je da pepeo pokazuje mali rizik za okoliš. Ispitana je mogućnost primjene nemodificiranog i modificiranog lebdećeg pepela biomase kao potencijalnog sorbensa za uklanjanje toksičnog i karcinogenog diazo bojila (kongo crvene, KC) iz vodene otopine. Istražio se utjecaj promjene početne koncentracije bojila, temperature i vremena na proces sorpcije. Šaržnim postupkom određeni su ravnotežni, kinetički i termodinamički parametri procesa sorpcije diazo bojila na nemodificiranom i modificiranom lebdećem pepelu biomase. U svrhu određivanja brzine i mehanizma sorpcije, primijenjeni su Lagergrenov model pseudo-prvog reda, Hoov model pseudo-drugog reda i modeli unutarčestične difuzije (prema Weberu i Morrisu, odnoso Boydu). Za analizu ravnotežnih podataka na različitim temperaturama korištene su Langmuirova, Freundlichova i Dubinin-Radushkevich izoterma. Rezultati kinetičkih istraživanja pokazali su da je sorpcija kongo crvene boje na biomasu lebdećeg pepela najbolje opisana pomoću kinetičkog modela pseudo-drugog reda. Analizom eksperimentalnih podataka s dva modela unutarčestične difuzije (Weber-Morrisov te Boydov model) utvrđeno je da procesom sorpcije uglavnom upravlja vanjski prijenos mase odnosno difuzija kroz film. Langmuirov model sorpcijske izoterme, pokazao je najbolje slaganje sa eksperimentalnim podacima za sorpciju ispitivanog bojila na uzorcima lebdećeg pepela (R^2 > 0,9904). Najveći kapacitet sorpcije bojila postignut je nemodificiranim lebdećim pepelom. Izračunati termodinamički parametri (promjena molarne slobodne Gibbsove energije (ΔG°), promjena molarne standardne entalpije (ΔH°) i promjena molarne standardne entropije (ΔS°) pokazali su da je sorpcija KC izvodljiva, spontana i endotermna. Eksperimentalni rezultati potvrdili su da je lebdeći pepeo biomase moguće uporabiti kao jeftini sorbens za uklanjanje bojila kongo crvene iz vodenih medija.
Abstract (english) This disertation describes characterization of biomass fly ash obtained after the combustion of mixed woody biomass in the cogeneration plant (Lika Energo Eko, Udbina) and its two modifications: fly ash washed in water and hydrothermal treated ash. After preparation of fly ash samples, complete characterization has been carried: physical characterization, determination of elementary composition (CHNS-analysis), chemical characterization by determining of content of main and minor elements with energy dispersive X-ray fluorescence (EDXRF), content of trace elements by inductively coupled plasma mass spectrometry
(ICP-MS), X-ray powder diffraction (XRD) analysis, scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectrometer (SEM/EDS) analysis, thermo gravimetric analysis (TG) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy analysis. The environmental impact of fly ash biomass was assessed by three different standardized leaching methods and the modified BCR three-stage sequential extraction procedure. Leaching test was performed by static (batch) process by three different solutions, namely: (i) distilled water; (ii) 2.5% CH3COOH and (iii) 0.5 mol/L nitric acid. The results obtained in the first fraction, i.e. exchangeable (easily soluble), using BCR sequential extraction procedure were used to estimate the potential ecological risk of biomass fly ash. According to the calculated potential index of ecological risk, it is confirmed that biomass fly ash show low environmental risk. Possibility of application of nonmodified fly ash and modified fly ash as a potential sorbent for the removal of toxic and carcinogenic diazo dye (Congo red) from aqueous solutions was examined. Batch sorption experiments were carried out to evaluate the influence of experimental parameters, such as initial dye concentration, contact time and temperature on the sorption process. The experimental data were analyzed using different isotherm and kinetic models. The best fit was achieved by the Langmuir isotherm equation (R^2 > 0,9904). The higest sorption capacity was obtained by nonmodified biomass fly ash. Results of the kinetic studies showed that the Congo red dye sorption onto the biomass fly ash was best described by the pseudo-second order kinetic model. The Weber-Morris intraparticle diffusion model indicated that the intraparticle diffusion is not the rate-limiting step, while the Boyd model suggested that the film diffusion might be rate-limiting. The calculated thermodynamic parameters
(ΔG°, ΔH° and ΔS°) showed that the sorption of Congo red is feasible, spontaneous and endothermic. Experimental results confirmed that the biomass fly ash had the potential to be utilized as a low-cost sorbent material for the removal of Congo red dye from aqueous media.
Keywords
izluživanje
karakterizacija
lebdeći pepeo biomase
sorpcija
Keywords (english)
leaching
characterization
fly ash biomass
sorption
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:149:521009 Promotion 2017 Study programme Title: Engineering Chemistry - Doctoral Course Type of resource Text Extent 159, XI str. ; 30 cm File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2023-12-06 10:37:42
