الوسم: تقنية

Selected Nanomaterials applications in waste water treatment

Ahmed Hasham (M.Sc. Env. Chemistry) /  Ahmedhasham83@outlook.com

Introduction:

Water pollution is the most difficult environmental challenges facing society. Therefore, the release of pollutants from sewage or industrial wastewater in the must be considered as a threat to the environment. Characterizing the physical, chemical and biological aspects of raw water and treated water is crucial to ensure that they are safe for disposal in the aquatic or desert environment.

Water pollution:

Leaching of pollutants into groundwater from sewage or industrial water cause serious health problems, which may be used by humans for drinking and other purposes in some areas. It is worth mentioning that a man cannot live more than three days without water.

Heavy metals are likely to be the most common water problem consumers face. Heavy metals (such as arsenic, zinc, iron, manganese, aluminum, cadmium, lead, etc.) cause many health problems if found in drinking water at concentrations higher than permitted.

Nanotechnology history:

Nanotechnology first appeared millions of years ago as molecules began to arrange in complex shapes and structures that launched life on Earth. At the nanoscale, substances have different physical, chemical and biological properties than their normal size characteristics.

Nanomaterials

Nanomaterials may be defined as materials smaller than 100 nm in at least one dimension. At this scale, materials regularly have novel size-dependent properties different from their large scale.

Nano-materials has the ability to clean up huge polluted locations, saving time, excluding the need for removal of pollutants, and hence decreasing pollutant concentration to the minimum levels. Advances in nanoscale science suggest that many of the current problems on water quality could be solved or avoided by using nanomaterials such as non-adsorbent, nanocatalyst, bioactive nanoparticles, nanostructured catalytic membranes, nano-powder, nanotubes, magnetic nanoparticles, nanosensors. Nanomaterials are the main players that promise many profits through their nanoenabled applications in multiple fields. Nanomaterials has been used in many environmental applications such as the treatment of contaminated water for drinking, agriculture and more recent application than through conventional means. The explosive development in nanotechnology research has presented new strategies in environmental remediation.

Some of these applications using the nanomaterials properties that relate to their high specific surface area, such as fast dissolution, high reactivity, and strong sorption. Others take advantage of their discontinuous properties, such as superparamagnetic, localized surface plasmon resonance (SPR), and quantum confinement effect. Most applications discussed in this article are still in the stage of research and development.

Titanium dioxide nanoparticles

 Titanium dioxide nanoparticles, also called ultrafine titanium dioxide, are particles of titanium dioxide (TiO₂) with diameters less than 100 nm. Ultrafine TiO₂ is used in sunscreens due to its ability to block UV radiation while remaining transparent on the skin, and its photocatalytic sterilizing properties also make it useful for many applications.

Nano particles of TiO₂ are found different in their surface-to-volume ratio, their properties change so that they acquire catalytic ability. Activated by the ultraviolet (UV) component in sunlight, they break down toxins or enhance other relevant reactions. Titanium oxide photocatalysts have been broadly studied for solar energy conversion and environmental applications in the past several decades, because of their high chemical stability, good photoactivity, relatively low cost, and nontoxicity.

Photocatalytic oxidation process:

In the photocatalytic oxidation process, organic pollutants are cracked in the presence of semiconductor photocatalysts, an energetic light source, or an oxidant such as oxygen or air. Only photons with energies greater than the band gap energy (ΔE) can result in the excitation of valence band (VB) electrons that then promote possible reactions.

Recently, advanced oxidation processes (AOPs) using (TiO₂) have been used successfully to toxic pollutants removal from industrial wastewater.

TiO₂ features as photocatalytic agent:

1. High photochemical reactivity.
2. High photocatalytic activity.
3. Low cost.
4. Stability in aquatic systems.
5. Low environmental toxicity.

 Mechanism of dye degradation upon irradiation

Photocatalytic oxidation is an AOP for elimination of trace pollutants and microbial pathogens. It is a valuable pretreatment for hazardous and non biodegradable pollutants to enhance their biodegradability. Photocatalysis can also be used as a polishing step to treat recalcitrant organic compounds. The major barrier for its wide application is slow kinetics, due to limited light fluence and photocatalytic activity. Current research focuses on increasing photocatalytic reaction kinetics and photoactivity range.

Gold nanoparticles

The modification of the Au surface with appropriate chemical species can improve separation and preconcentration efficiency, analytical selectivity; make the Gold nanoparticles (AuNPs), is consider the one of the wide selections of core resources available, coupled with tunable surface properties in the form of inorganics or inorganic–organic amalgams, have been described as an excellent platform for a broad range of analytical methods.

Advantage of Gold nanoparticles (AuNPs):

1. High surface-to-volume ratio.
2. Easy surface modification.
3. Simple synthesis methods.

The AuNPs have been applied successfully used in:

1. Removal of peptides.
2. Removal of proteins.
3. Removal of heavy metal ions.
4. Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Zerovalent iron nanoparticles

 Elemental iron has been used as an ideal candidate for remediation, for the following reasons:

1. Low-cost,
2. Extremely easy to prepare and apply to a variety of systems.
3. No toxicity induced by its usage.

The idea of using metals such as iron as remediation is depend on reduction–oxidation reactions, in which a neutral electron donor (a metal) chemically reduces an electron acceptor (a pollutant). Nanoscale iron particles have surface areas greater than larger-sized powders, which leads to enhanced reactivity for the redox process.

Iron nanoparticles applications such as:

1. Decomposition of halogenated hydrocarbons to benign hydrocarbons.
2. Remediation of heavy metals.
3. Solvents dechlorination

A significant loss of reactivity can occur before the particles are able to reach the target contaminant. In addition, zerovalent iron nanoparticles tend to flocculate when added to water, resulting in a reduction in the effective surface area of the metal.

Therefore, the effectiveness of a remediation depends on the accessibility of the contaminants to the nanoparticles, and the maximum efficiency of remediation will be achieved only if the metal nanoparticles can effectively migrate without oxidation to the contaminant or the water– contaminant interface.

 To overcome such difficulties, a regularly used strategy is to integrate iron nanoparticles within support materials, such as polymers, porous carbon, and polyelectrolytes.

Finally, Nanotechnology for water and wastewater management is depending on the matchless properties of nanomaterials and their conjunction with current treatment technologies present great chances to revolutionize water and wastewater treatment. Nanotechnology has shown huge possibility in water treatment technologies. The recent development of nanotechnology has raised the possibility of environmental decontamination through several nanomaterials cut the process and tools.

Another nanomaterials application in water treatment field may be discussed in another article.

للاطلاع على أكبر مكتبة مجانية في مجال علوم وهندسة المياه يرجى زيارة المنتدى من الرابط التالي

watertechexperts.com/vb/forum.php

للاطلاع على مزيد من المقالات باللغة الانجليزية يرجى زيارة مدونتنا باللغة الانجليزية من الرابط التالي

www.water-tech-market.com/blog

لارسال أي استفسارات أو أسئلة أو طلبات يرجى الانضمام لجروب المنتدى على الفيس بوك من الرابط التالي

www.facebook.com/groups/waterexperts

References

Abhijith, K.S., and Thakur, M.S. Analytical Methods, 2012, 4, 4250–4256.

Cao, G.Z. Nanostructures and Nanomaterials, Synthesis, Properties and Application, Imperial College Press,

London, 329, 2004.

Chae, H.K., Perez, D.Y.S., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A.J., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. A route

to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature, 2004, 427, 523–525.

Chen, L., Lou, T., Yu, C., and Kang, Q. N-1-(2-mercaptoethyl)thymine modification of gold nanoparticles: A highly selective and sensitive colorimetric chemosensor for Hg

. Analyst, 2011, 136, 4770–4773.

Chun, C.L., Penn, R.L., and Arnold, W.A. Environmental Science and Technology 2006, 40, 3299–3304.

Cloete, T.E., Kwaadsteniet, M.D., Botes, M., and Lopez-Romero, J.M., Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, Wymondham, UK, 2010.

Elimelech, M., and Phillip, W.A. The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment. Science, 2011, 333, 712.Eshel, K. British Medical Journal, 2007, 334, 610–616.

Furukawa, H., Cordova, K.E., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science, 2013, 341, 1230–1234.

Guzman, K.A.D., Taylor, M.R., and Banfield, J.F. Environmental Science and Technology, 2006, 40, 1401–1407.

Hang, Y., Qin, Y., and Shen, J. Separation and microcolumn preconcentration of traces of rare earth elements on nanoscale TiO₂ and their determination in geological samples by ICP-AES, Journal of SeparationScience, 2003, 26, 957–960.

Harada, M. Minamata disease: Methylmercury poisoning in Japan caused by environmental pollution. Critical Reviews in Toxicology, 1995, 25, 1–24.

Hidaka, H., Jou, H., Nohara, K., and Zhao, J. Photocatalytic degradation of the hydrophobic pesticidePermethrin in fluoro surfactant/TiO₂ aqueous dispersions. Chemosphere, 1992, 25, 1589–1597

بعض تطبيقات تقنية النانوتكنولوجي في معالجة مياه الصرف

بقلم/ أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

Ahmedhasham83@outlook.com

مقدمة

يعد تلوث المياه أصعب التحديات البيئية التي تواجه المجتمع. لذلك ، يجب اعتبار الملوثات من مياه الصرف الصحي أو مياه الصرف الصناعية تهديدًا للبيئة. ولذلك يعتبر تميّز الجوانب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للمياه الخام والمياه المعالجة أهمية حاسمة لضمان أنها آمنة للتخلص منها في البيئة المائية أو الصحراوية.

ويتسبب وصول الملوثات للمياه الجوفية من مياه المجاري أو المياه الصناعية في مشاكل صحية خطيرة ، لأن المياه الجوفية يمكن أن يستخدمها البشر لأغراض الشرب ولأغراض أخرى في بعض المناطق. ومن المرجح أن تكون المعادن الثقيلة هي المشكلة المائية الأكثر شيوعًا التي يواجهها المستهلكون. تسبب المعادن الثقيلة (مثل الزرنيخ والزنك والحديد والمنجنيز والألمنيوم والكادميوم والرصاص وما إلى ذلك) العديد من المشاكل الصحية إذا وجدت في مياه الشرب بتركيزات أعلى من المسموح به.

تقنية النانو

ظهرت تقنية النانو لأول مرة منذ ملايين السنين حيث بدأت الجزيئات بالترتيب في أشكال وهياكل معقدة أطلقت الحياة على الأرض. ومن الجدير بالذكر أن المواد في المقياس النانوي لها خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية مختلفة عن خصائص الحجم الطبيعي.ويمكن تعريف المواد النانوية كمواد أصغر من 100 نانومتر في بعد واحد على الأقل. في هذا المقياس ، تحتوي المواد بشكل منتظم على خصائص جديدة تعتمد على الحجم تختلف عن نطاقها الكبير.

خواص المواد النانومترية:

استخدام تقنية النانو في  معالجة المواقع الملوثة أثبت جدارة ، وتوفير الوقت وتقليل تركيز الملوثات إلى الحد الأدنى من المستويات المسموحة. تشير التطورات في العلوم النانوية إلى أن العديد من المشاكل الحالية المتعلقة بجودة المياه يمكن حلها أو تجنبها باستخدام مواد متناهية الصغر ، مثل المواد الممتزات النانوية ، أو الجسيمات النانوية النشطة بيولوجيًا ، أو الأغشية الحفزية النانومترية ، أو مساحيق النانو ، أو الأنابيب النانوية ، أو الجسيمات النانوية المغناطيسية ، أو أجهزة الاستشعار النانوية. المواد النانوية هي الجهات الرئيسية التي تعد بالكثير من المزايا من خلال تطبيقاتها النانوية في مجالات متعددة. وقد استخدمت المواد النانوية في العديد من التطبيقات البيئية مثل معالجة المياه الملوثة للشرب والزراعة والتطبيقات الحديثة أكثر من الوسائل التقليدية. وقد قدم التطور المتسارع في بحوث تكنولوجيا النانو استراتيجيات جديدة في مجال المعالجة البيئية.

بعض هذه التطبيقات تستخدم خصائص المواد النانوية التي ترتبط بمساحة سطحها العالية ، ومثل الذوبان السريع ، التفاعل العالي ، والامتصاص القوي. ويستفيد آخرون من خصائصهم المتقطعة ، مثل رنين البلازمون السطحي الموضعي(SPR) ، والتأثير الكمي. معظم التطبيقات التي نوقشت في هذه المقالة لا تزال في مرحلة البحث والتطوير.

جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية

جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية ، التي تسمى أيضًا ثاني أكسيد التيتانيوم المتناهية الصغر ، هي جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم  وبأقطار أقل من 100 نانومتر. وتستخدم جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم متناهية الصغر في واقيات الشمس بسبب قدرته على منع الأشعة فوق البنفسجية مع الحفاظ على شفافية البشرة ، كما أن خصائص التعقيم الضوئي لها تجعلها مفيدة للعديد من التطبيقات.

تم العثور على جزيئات نانو TiO₂ مختلفة في نسبة سطح إلى حجم ، تتغير خصائصها بحيث اكتساب القدرة التحفيزية. تنشط بواسطة عنصر الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس ، فإنها تكسر السموم أو تعزيز ردود الفعل الأخرى ذات الصلة. تمت دراسة عوامل التحفيز الضوئي لأكسيد التيتانيوم على نطاق واسع من أجل تحويل الطاقة الشمسية والتطبيقات البيئية في العقود الماضية ، وذلك بسبب ثباتها الكيميائي العالي ، ونشاطها الضوئي الجيد ، وتكلفتها المنخفضة نسبياً ، وعدم السمية.

في عملية أكسدة التحفيز الضوئي ، يتم تكسير الملوثات العضوية في وجود محفزات ضوئية لأشباه الموصلات ، أو مصدر ضوء نشيط ، أو أكسدة مثل الأكسجين أو الهواء. فقط الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من طاقة الإستثارة ΔE  يمكن أن تؤدي إلى إثارة إلكترونات نطاق التكافؤ التي تحفز لاحقًا للتفاعلات المحتملة.

 

التحفيز الضوئي

في الآونة الأخيرة ، استخدمت عمليات الأكسدة المتقدمة  (AOPs) باستخدام (TiO₂) بنجاح لإزالة الملوثات السامة من مياه الصرف الصناعي. يحتوي TiO₂ على ميزات فريدة تجعله حفاز ضوئي مميزللأسباب التالية :

1. تفاعلية ضوئية عالية.
2. النشاط التحفيزي العالي.
3. منخفض التكلفة.
4. الاستقرار في النظم المائية.
5. سمية بيئية منخفضة.

آلية ازالة  الأصباغ عند استخدام التحفيز الضوئي كما يلي:

أكسدة التحفيز الضوئي (AOP) للقضاء على الملوثات والجراثيم المسببة للأمراض هي عبارة عن معالجة مسبقة للملوثات الخطرة وغير القابلة للتحلل البيولوجي لتحسين قدرتها على التحلل البيولوجي. يمكن أيضًا استخدام التحفيز الضوئي كخطوة تمهيدية لمعالجة المركبات العضوية. الحاجز الرئيسي لتطبيقه على نطاق واسع هو الحركية البطيئة ، وذلك بسبب محدودية انسيابية الضوء والنشاط التحفيزي.

جسيمات الذهب النانوية

يمكن أن يؤدي تعديل سطح جزيئات الذهب مع الأنواع الكيميائية المناسبة إلى تحسين كفاءة الفصل ، والانتقائية التحليلية ؛مما جعل الجسيمات  الذهب النانوية (AuNPs) ، تعتبر واحدة من الاختيارات الواسعة للموارد الأساسية المتاحة ، مقترنة بخصائص سطح قابلة للانضغاط في شكل غير عضوي أو ملغمات “عضوية-غير عضوية “، وقد وصفت بأنها ممتازة لمجموعة واسعة من التطبيقات البيئية وذلك بسبب:

1. ارتفاع نسبة السطح / الحجم.
2. سهولة تطوير السطح.
3. طرق تحضير بسيطة.

تم استخدام جسيمات  الذهب النانوية بنجاح في:

1. إزالة الببتيدات.
2. إزالة البروتينات.
3. إزالة أيونات المعادن الثقيلة.
4. إزالة الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات

 

جسيمات الحديد النانوية صفرية التكافؤ

تم استخدام الحديد العنصري في تقنيات معالجة مختلفة للأسباب التالية:

1. منخفضة التكلفة،
2. سهلة التحضير والتطبيق.
3. لاتوجد سمية للأنظمة المائية.

تعتمد فكرة استخدام المعادن مثل الحديد كتقنية معالجة على تفاعلات الأكسدة  والأختزال، حيث يقوم مانح الإلكترون المحايد (المعدن) بتقليل مستقبِل الإلكترون (أحد الملوثات) كيميائياً. تحتوي جسيمات الحديد النانوية على مساحات سطحية أكبر من المساحيق الأكبر حجمًا ، مما يؤدي إلى تعزيز التفاعل لعملية إزالة الأكسدة.

تم فحص جسيمات الحديد النانوية على نطاق واسع للعديد من التطبيقات مثل:

1. تحلل الهيدروكربونات المهلجنة للهيدروكربونات الحميدة.
2. علاج المعادن الثقيلة.
3. إزالة الكلور المذيبات

يمكن أن يحدث فقد كبير في التفاعل قبل أن تتمكن الجزيئات من الوصول إلى الملوث المستهدف. بالإضافة إلى ذلك ، تميل الجسيمات النانوية للحديد صفرية التكافؤ إلى التلبد عند إضافتها إلى الماء ، مما يؤدي إلى انخفاض في المساحة السطحية الفعالة للمعادن.ولذلك ، تعتمد فعالية المعالجة على إمكانية الوصول إلى الملوثات إلى الجسيمات النانوية ، ولن تتحقق أقصى كفاءة للعلاج إلا إذا كانت الجسيمات النانوية المعدنية يمكن أن تنتقل بفعالية دون أكسدة إلى المادة الملوثة أو السطح الملوث بالماء. وللتغلب على هذه الصعوبات ، تتمثل الإستراتيجية المستخدمة في دمج جسيمات الحديد النانوية مع مواد مثل البوليمرات ، والكربون المسامي ، والبولي إلكتروليت.

 

وأخيرًا ، تعتمد تقنية النانو المستخدمة في معالجة المياه والصرف الصحي على الخواص الفريدة للمواد النانوية ، كما أن تقاربها مع تقنيات المعالجة الحالية تقدم فرصًا كبيرة لإحداث ثورة في معالجة المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي. أظهرت تقنية النانو إمكانية هائلة في تقنيات معالجة المياه. وقد أدى التطور الأخير في تكنولوجيا النانو إلى زيادة إمكانية التطهير البيئي من خلال العديد من المواد النانوية.

ويمكن مناقشة تطبيق آخر من المواد النانوية في مجال معالجة المياه في مقال أخرى.

 

 

References

Abhijith, K.S., and Thakur, M.S. Analytical Methods, 2012, 4, 4250–4256.

Cao, G.Z. Nanostructures and Nanomaterials, Synthesis, Properties and Application, Imperial College Press,

London, 329, 2004.

Chae, H.K., Perez, D.Y.S., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A.J., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. A route

to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature, 2004, 427, 523–525.

Chen, L., Lou, T., Yu, C., and Kang, Q. N-1-(2-mercaptoethyl)thymine modification of gold nanoparticles: A highly selective and sensitive colorimetric chemosensor for Hg

. Analyst, 2011, 136, 4770–4773.

Chun, C.L., Penn, R.L., and Arnold, W.A. Environmental Science and Technology 2006, 40, 3299–3304.

Cloete, T.E., Kwaadsteniet, M.D., Botes, M., and Lopez-Romero, J.M., Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, Wymondham, UK, 2010.

Elimelech, M., and Phillip, W.A. The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment. Science, 2011, 333, 712.Eshel, K. British Medical Journal, 2007, 334, 610–616.

Furukawa, H., Cordova, K.E., O’Keeffe, M., and Yaghi, O.M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science, 2013, 341, 1230–1234.

Guzman, K.A.D., Taylor, M.R., and Banfield, J.F. Environmental Science and Technology, 2006, 40, 1401–1407.

Hang, Y., Qin, Y., and Shen, J. Separation and microcolumn preconcentration of traces of rare earth elements on nanoscale TiO₂ and their determination in geological samples by ICP-AES, Journal of SeparationScience, 2003, 26, 957–960.

Harada, M. Minamata disease: Methylmercury poisoning in Japan caused by environmental pollution. Critical Reviews in Toxicology, 1995, 25, 1–24.

Hidaka, H., Jou, H., Nohara, K., and Zhao, J. Photocatalytic degradation of the hydrophobic pesticidePermethrin in fluoro surfactant/TiO₂ aqueous dispersions. Chemosphere, 1992, 25, 1589–1597

ACTIVATED CARBON PRODUCTION & APPLICATIONS

What is activated Carbon?

Activated carbon is a form of carbon that has been treated to make it extremely porous and thus to have a very large surface area available for adsorption and chemical reactions. It is usually derived from charcoal (also called active carbon, activated charcoal, or activated coal).¹

Importance of activated carbon:

Activated carbons are considered to be the most successful adsorbent materials due to:

• High adsorption capacity for pollutants, e.g. dyes, heavy metals, pharmaceuticals, phenols.
• They possess large surface area.
• They possess different surface functional groups, which include carboxyl, carbonyl, phenol, quinone, lactone and other groups bound to the edges of the graphite-like layers.

So that, they are considered as good adsorbents both in liquid and gas phases.²

The most widely used carbonaceous resources for the manufacturing of activated carbons are coal, wood and coconut shell. These types of origins are quite expensive and often imported, in many countries; later making it necessary, for developing countries, to find a cheap and available source for the preparation of activated carbon.³

Surface area of activated carbon:

It is treated physically or chemically to generate microfissures that hugely rise its adsorptive surface area. The great surface area (between 500 and 1500 m²/g) and electrical charge successfully adsorb a wide range of polar combinations, particularly phenols and their derivatives.⁴

Examples of Activate Carbon Applications:

• Drinking water purification
• Wastewater treatment.
• Glycerin manufacturing.
• Dye removal
• Decolorize wine.
• Odor control systems.⁵

Deodorizing carbons are valuable in removing mercaptan off-odors, but may also remove desired flavor compounds. Activated carbon may also give the treated wine an atypical odor.⁶

Additionally, activated carbon has an oxidizing assets. Although this can be valuable, trials using small wine samples are vital to avoiding undesirable, unexpected effects.⁷

Alternative sources:

To reduce the production cost of activated carbons, some green by products are lately suggested like:⁸

1. Olive-waste cakes ⁹
2. Cattle-manue compost.¹⁰
3. Bamboo materials.¹¹
4. Apple pulp.¹²
5. Potato peel. ¹³
6. Banana peel.¹⁴

Environmental pollution:

Environmental pollution can be defined as the contamination of the physical and biological components of the earth/atmosphere system to such a normal level of environmental processes are badly affected. The presence of contaminants into the environment lead to harm to humans or other living organisms.

Environmental pollution is categorized in three main groups:

• Air pollution.
• Water pollution.
• Soil pollution.⁸

lignocellulosic bio-mass

Biomass derived from plants, called lignocellulosic bio-mass, is the richest and bio-renewable bio-mass on earth. The major components of woody plants, as well as grasses and agricultural residues are:

three structural polymers:

• Lignin (10–25%),
• Hemicellulose (20–30%)
• Cellulose (40– 50%).

non-structural components such as:

• proteins,
• chlorophylls,
• ash,
• waxes,
• tannins (in the case of wood)
• and pectin (in most of fibers). ⁸

Specifically, lignocellulosic wastes are a low cost natural carbon source for the production of various materials including activated carbon.

The lignin is considered to be the main sponsor for activated carbons production, properties such as the mean pore size versus the specific porous volume are achieved by all originator’s components whatever is its weight input.

Activated Carbons Production:

The production of activated carbons from lignocellulosic materials is a two stage process:

1. Carbonization at low temperatures (700–800 K), in the absence of oxygen, to eliminate volatile materials.
2. Subsequent activation at higher temperatures (1100–1300 K) to increase the porosity and the surface area of the solid.⁸

Activation Process:

The process of activation can be carried out through different ways:

• Chemical activation using chemicals such as (KOH, H₃PO4, ZnCl₂.
• Physical / Thermal activation using CO, air or water vapor.
• Previous two methods combined.⁸

Advantage of physical activation:

• Low-cost process with a lower environmental impact.¹⁵

Advantage of chemical activation:

• Porosity improvement (adsorption capacity) of the final material.¹⁵

Diagram for activated carbon production:

 

Source: http://www.acarbons.com/activated-carbon-manufacture-steam-activation/

Source : https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/gc/c6gc03206k

Source: https://rbpaonline.com/activated-carbon-process-flow-chart/high-surface-area-oxygenenriched-activated-carbon-synthesized/

Pre-treatment process of biomass should follow the following criteria: ⁸

1. Low energy and resource consumption.
2. Low water and chemical consumption.
3. Low operation risk and safe to operate.
4. Cost effective
5. Eco-friendly.

Optimized manufacturing processes allow the production of materials with surface areas ranging up to 3000 m²g^-1 and pore volumes of up to 1.8 cm³g^-1, bringing about an immense diversity of applications.¹⁶

The challenge is to develop adsorbents which are not only cost effective and environmentally friendly, but also have high efficiency, selectivity and regeneration δ rate and cycles. ⁸

Factors affecting activated carbon properties:

The preparation conditions of carbonaceous materials affect the physicochemical properties of the produced material such as:

• Surface area.
• Pore size distribution.

Another critical factor is physicochemical properties of the origin itself; depending on:

• Weather conditions.
• Harvesting methods.
• The season that it is collected.
• Initial moisture and oxygen content.
• Derived components fraction of cellulose, hemicellulose and lignin.⁸

By/ Ahmed Hasham

        M.Sc. Env. Analytical Chemistry

      Ahmedhasha83@outlook.com

        ORCID: 0000-0002-0202-6664

 

^References

• Pierson, H. O. (2012).Handbook of carbon, graphite, diamonds and fullerenes: processing, properties and applications. William Andrew.
• Pan, B., Pan, B., Zhang, W., Lv, L., Zhang, Q., & Zheng, S. (2009). Development of polymeric and polymer-based hybrid adsorbents for pollutants removal from waters.Chemical Engineering Journal, 151(1-3), 19-29.
• Emrich, W. (2013).Handbook of charcoal making: The traditional and industrial methods (Vol. 7). Springer Science & Business Media.
• Kalderis, D., Bethanis, S., Paraskeva, P., & Diamadopoulos, E. (2008). Production of activated carbon from bagasse and rice husk by a single-stage chemical activation method at low retention times.Bioresource technology, 99(15), 6809-6816.
• Hiltzik, Laurence, Edward Tolles, and David Walker. “Coated activated carbon for contaminant removal from a fluid stream.” U.S. Patent Application 10/929,845, filed February 17, 2005.
• Bhatnagar, A., Hogland, W., Marques, M., & Sillanpää, M. (2013). An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applications.Chemical Engineering Journal, 219, 499-511.
• Olivares-Marín, M., Del Prete, V., Garcia-Moruno, E., Fernández-González, C., Macías-García, A., & Gómez-Serrano, V. (2009). The development of an activated carbon from cherry stones and its use in the removal of ochratoxin A from red wine.Food Control, 20(3), 298-303.
• Crini, G., & Lichtfouse, E. Green Adsorbents for Pollutant Removal.
• Baccar, R., Bouzid, J., Feki, M., & Montiel, A. (2009). Preparation of activated carbon from Tunisian olive-waste cakes and its application for adsorption of heavy metal ions.Journal of Hazardous Materials,162(2-3), 1522-1529.
• Kosheleva, R., Mitropoulos, A. C., & Kyzas, G. Z. (2018). Activated Carbon from Food Waste. InGreen Adsorbents for Pollutant Removal (pp. 159-182). Springer, Cham.
• Hameed, B. H., Din, A. M., & Ahmad, A. L. (2007). Adsorption of methylene blue onto bamboo-based activated carbon: kinetics and equilibrium studies.Journal of hazardous materials, 141(3), 819-825.
• Srinivasakannan, C., & Bakar, M. Z. A. (2004). Production of activated carbon from rubber wood sawdust.Biomass and Bioenergy, 27(1), 89-96.
• Moreno-Piraján, J. C., & Giraldo, L. (2011). Activated carbon obtained by pyrolysis of potato peel for the removal of heavy metal copper (II) from aqueous solutions.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 90(1), 42-47.
• Mopoung, S. (2008). Surface image of charcoal and activated charcoal from banana peel.Journal of Microscopy Society of Thailand, 22, 15-19.
• Maciá-Agulló, J. A., Moore, B. C., Cazorla-Amorós, D., & Linares-Solano, A. (2004). Activation of coal tar pitch carbon fibres: Physical activation vs. chemical activation.Carbon,42(7), 1367-1370.
• Leimkuehler, E. P. (2010).Production, characterization, and applications of activated carbon (Doctoral dissertation, University of Missouri–Columbia).

Heavy metals removal using modified leaves biomass

By: Ahmed Hasham

M.Sc. Env. Analytical Chemistry

Introduction:

Continuous industrial development has resulted in raised levels of toxic heavy metals. This has been entangled, almost everywhere, in most industrial applications involving leakage and redistribution of heavy metals, such as metallurgy, iron and steel, electroplating, leather working etc. Wastewater produced from these industrial activities affect the environment, the human health and ecosystem.¹

The heavy metals, such as Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn, etc. must be removed from water to avoid the harmful effect on the environment and human health.

Many methods have been applied for removing metal ions from aqueous solution generally depending on physical, chemical, and biological technologies.²

Most of these are ineffective or excessively expensive when the metal concentrations are less than 100 mg/L.

For example, some of these treatment methods will be very costly, especially when treating large amounts of wastewater, so it is became necessary to found an cheap, effective and eco- friendly method to remove heavy metals from water.⁴

Researches on biosorption focus on the biosorbents, the biosorption mechanism, and large-scale experiments. Although many biological materials can bind heavy metals, only those with sufficiently high metal-binding capacity and selectivity for heavy metals are suitable for use in a full-scale biosorption process. ⁵

 Raw leaves as Biosorbents:

Leaf adsorbents are among the most studied biosorbents for the removal of metal ions, because leaves are considered as adsorbents because it is:

• Available,
• Cheap
• Eco- friendly materials
• The high sorption capacity.⁶

 But, it has been often ignored because it has:

• Low mechanical strength.

So that it must be modified to be avoid this advantage.⁷

What is the mechanism of metal removal using leaves?

The leaves containing functional groups such as carboxyl, amine, amide, methyl groups and hydroxyl groups which considered the major groups responsible for the biosorption process.⁸

The pH of the aqueous solution has been considered the most important parameter controlling the metal adsorption by adsorbents. The pH can affect the form and the quantity of metal ions in water and the form and quantity of an adsorbent’s surface sites. In general, the removal of metal cations due to the well-known competition between H ions and metal ions in the solution.⁹

Modified Leaf Biomass as Heavy Metal Biosorbents:

 Methods of surface modification:

 The main goal of surface modification is to improve the biosorption efficiency. The greatest valuable and widely studied surface modification of leaf biomass is the chemical modification. ¹⁰

Advantage of surface chemical modification:

• Low cost
• Procedure is very easy.
• It is a one-step process in the most of the cases.

 

• Classification of surface modification and its aims ⁶

 The use of each modification method aims to a specific effect like to improve the chemical surface heterogeneity, increase the number and spreading of the functional groups available for mandatory with the metal and/or alter the surface morphology; thus the useful pretreatment method should be chosen according to the targeted metal ion.¹¹

Maximum adsorbent capacity an increased with the increase in temperature this is due to the increase in the number of available active sites on the adsorbent.¹²

 The most important factor affected the adsorption performance is the particle size of the biomass powder.

 Two different approaches during the developing of the raw biomass was followed:

• To control the particle size of the biomass in a specific range by sieving. The most commonly range was between 250 and 500 μm. ¹³
• The second one is to collect and use the powder of less than a specific maximum in size value. Different maximum particle sizes were reported, such as 500,180, 100, or even 80 μm.⁶

Regeneration of biosorbents

The reusability of biosorbents offer an economic benefit and is preferred for the practical and profitable usefulness in wastewater treatment processes. Numerous studies have been done for regeneration and reuse of modified leaf biomass after metal adsorption.⁸

 Desorption studies also help to control the biosorption mechanisms such as ion exchange, complexation and physisorption. The most common eluents used are diluted HCl, NaOH, HNO, and EDTA solutions, usually in concentration up to0.1 mol/L.⁶

The contact of biosorbents in acidic conditions due to strong desorption agents such as HCl, can affect the biomass rigidity due to biomass degradation and decrease of binding sites number.^6,8

References:

 Sun, J., Ji, Y., Cai, F., & Li, J. (2012). Heavy Metal Removal Through Biosorptive Pathways. In Advances in Water Treatment and Pollution Prevention (pp. 95-145). Springer, Dordrecht. ‏

Barakat, M. A. (2011). New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arabian journal of chemistry, 4(4), 361-377.‏

Fu, F., & Wang, Q. (2011). Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review. Journal of environmental management, 92(3), 407-418.‏

Garg, V. K., Gupta, R., Kumar, R., & Gupta, R. K. (2004). Adsorption of chromium from aqueous solution on treated sawdust. Bioresource technology, 92(1), 79-81.‏

Volesky, B. (1990). Removal and recovery of heavy metals by biosorption. Biosorption of heavy metals, 7-43.‏

Kyzas, G. Z., & Kostoglou, M. (2014). Green adsorbents for wastewaters: a critical review. Materials, 7(1), 333-364.‏

Crini, G., & Lichtfouse, E. (Eds.). (2018). Green Adsorbents for Pollutant Removal: Innovative materials (Vol. 19). Springer.‏

Ngah, W. W., & Hanafiah, M. A. K. M. (2008). Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: a review. Bioresource technology, 99(10), 3935-3948.‏

Larous, S., Meniai, A. H., & Lehocine, M. B. (2005). Experimental study of the removal of copper from aqueous solutions by adsorption using sawdust. Desalination, 185(1-3), 483-490.‏

Bai, R. S., & Abraham, T. E. (2002). Studies on enhancement of Cr (VI) biosorption by chemically modified biomass of Rhizopus nigricans. Water Research, 36(5), 1224-1236.‏

Wang, J., & Chen, C. (2009). Biosorbents for heavy metals removal and their future. Biotechnology advances, 27(2), 195-226.‏

Babel, S., & Kurniawan, T. A. (2003). Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review. Journal of hazardous materials, 97(1-3), 219-243.‏

Volesky, B. (1990). Removal and recovery of heavy metals by biosorption. Biosorption of heavy metals, 7-43.‏

الكربون النشط هو شكل من أشكال الكربون الذي تم معالجته لجعله مساميًا للغاية ، وبالتالي يكون لديه مساحة كبيرة جدًا متاحة للادمصاص والتفاعلات الكيميائية.

أهمية الكربون النشط:

يعتبر الكربون النشط أنجح المواد الممتزة بسبب:

• قدرتة العالية علي الامتزاز للملوثات مثل الأصباغ ، المعادن الثقيلة ، المستحضرات الدوائية والفينولات.
• مساحة السطح الكبيرة.
• المجموعات الوظيفية المختلفة علي السطح، والتي تشمل الكربوكسيل والكربونيل والفينول والكوينون واللاكتون والمجموعات الأخرى المرتبطة بحواف طبقات الجرافيت.

لذلك ، فهو يعتبر من الممتزات الجيدة سواء للملوثات السائلة أوالغازية. الموارد الكربونية الأكثر استخدامًا لتصنيع الكربون النشط هي الفحم والخشب وقشرة جوز الهند. هذه الأنواع من الموارد باهظة التكاليف وغالبا ما تستورد في العديد من البلدان ؛ مما يجعل من الضروري ، بالنسبة للبلدان النامية ، إيجاد مصدر رخيص ومتاح لإنتاج الكربون النشط .

المساحة السطحية للكربون النشط:

يتم علاجها فيزيائياً أو كيميائيا لتوليد microfissures التي ترفع بشكل كبير مساحة سطح الامتزاز. المساحة السطحية الكبيرة (بين 500 و 1500 م ² / جم) والشحنة الكهربائية تمتز بنجاح مجموعة واسعة من المركبات القطبية ، خاصة الفينولات ومشتقاتها.

أمثلة لتفعيل تطبيقات الكربون:

• تنقية مياه الشرب.
• معالجة مياه الصرف الصحي.
• تصنيع الجليسرين.
• إزالة الصبغة.
• يزيل اللون النبيذ.
• نظم إزالة الرائحة.

تعد أنظمة إزالة الروائح بإستخدام الكربون النشط ذات قيمة كبيرة، ولكنها قد تؤدي أيضًا إلى إزالة مركبات النكهة المطلوبة.

مصادر بديلة:

لتقليل تكلفة إنتاج الكربون النشط ، اقترحت بعض المنتجات الخضراء في الآونة الأخيرة مثل: 8

• قشر البطاطا
• قشر الموز
• قشر الرمان
• أوراق الأشجار

التلوث البيئي:

يمكن تعريف التلوث البيئي حيث أن تلوث المكونات الفيزيائية والبيولوجية لنظام الأرض / الغلاف الجوي إلى هذا المستوى الطبيعي من العمليات البيئية يتأثر بشدة. يؤدي وجود الملوثات في البيئة إلى الإضرار بالبشر أو الكائنات الحية الأخرى. ويتم تصنيف التلوث البيئي إلي ثلاث مجموعات رئيسية:

• تلوث الهواء.
• تلوث المياه.
• تلوث التربة

الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوزية:

إن الكتلة الحيوية المشتقة من النباتات ، والتي تسمى الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوزية ، هي الكتلة الحيوية المتجددة على الأرض. المكونات الرئيسية للنباتات الخشبية ، وكذلك الأعشاب والبقايا الزراعية هي:

ثلاث بوليمرات :

• اللجنين (10-25 ٪) ،
• هميسيلوز (20-30 ٪)
• السليلوز (40-50 ٪).

بالإضافة إلي : البروتينات والكلوروفيل والرماد والشموع والتانينات (في حالة الخشب) والبكتين (في معظم الألياف).

على وجه التحديد ، تعتبر المخلفات الليجنوسيلولوزية مصدر الكربون الطبيعي منخفضة التكلفة لإنتاج مواد مختلفة بما في ذلك الكربون النشط.ويعتبر اللجنين هو المصدر الرئيسي لإنتاج الكربون النشط ، ويتم تحقيق خصائص مثل حجم المسام المتوسط ​​مقابل الحجم المسامي المحدد من قبل جميع مكونات المنشئ مهما كان وزنه.

إنتاج الكربون النشط:

إنتاج الكربون النشط من مواد lignocellulosic في مرحلتين:

1. الكربنة في درجات حرارة منخفضة (700-800 كلفن) ، في غياب الأكسجين ، للقضاء على المواد المتطايرة.
2. التنشيط اللاحق في درجات حرارة أعلى (1100-1300 كلفن) لزيادة المسامية ومساحة سطح المادة الصلبة.

عملية التنشيط:

يمكن إجراء عملية التنشيط بطرق مختلفة:

• التنشيط الكيميائي باستخدام المواد الكيميائية مثل (KOH ، H₃PO4 ، ZnCl₂)
• التنشيط الفيزيائي / الحراري باستخدام أول أكسيد الكربون أو الهواء أو بخار الماء.
• الطريقة الثالثة تجمع بين الطريقتين السابقتين.

مزايا التنشيط الحراري الفيزيائي:

• عملية منخفضة التكلفة مع انخفاض الأثر البيئي

مزايا التنشيط الكيميائي:

• تحسين المسامية (قدرة الامتزاز) للمادة النهائية

العوامل المؤثرة على خواص الكربون المنشط:

تؤثر شروط تحضير المواد الكربونية على الخواص الفيزيائية الكيميائية للمواد المنتجة مثل:

• مساحة السطح.
• توزيع حجم المسام.

عامل مهم آخر هو الخصائص الفيزيائية الكيميائية للمنشأ نفسه ؛ اعتمادا علي:

• احوال الطقس.
• طرق الحصاد.
• الموسم الذي تم جمعها فيه.
• الرطوبة الأولية ومحتوى الأوكسجين.
• مكوناته من السليلوز ، هيميسيلولوز والليجنين.

 

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية بيئية