The use of spectral methods to identify the microstructure and chemical structure of biocarbons used in the processes of the exploitation of technological liquids

• Autorzy: Molenda Jarosław , Kaźmierczak Bernadetta

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie metod spektralnych do identyfikacji mikrostruktury i budowy chemicznej biowęgli wykorzystywanych w procesach eksploatacji cieczy technologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the dynamic development work in the use of plant waste to produce biocarbons, the assumed sorption capacity resulting from the chemical structure of the surface determines the need to adapt the advanced spectral methods to test the quality of newly-manufactured materials. In this paper, the usefulness of X-ray energy dispersion spectroscopy (EDS), infrared spectrophotometry (FTIR), and Raman spectroscopy techniques to determine the chemical composition and identification of functional groups and the ordering of the biocarbon crystal structure were determined. In particular, examples of the interpretation of obtained spectra are presented. The EDS technique allows the determination of changes in the chemical composition occurring during pyrolysis under certain thermal conditions. Thanks to infrared spectrophotometry (FTIR), information was obtained about functional groups present on the surface of biocarbon, as well as directions of structural changes occurring in cellulose waste due to pyrolysis, which are dependent on temperature conditions. The Raman spectroscopy allowed the assessment of the degree of ordering of biocarbon structures based on the identification of the intensity of spectral signals corresponding to the D band, characteristic for the amorphousity of carbon structures and the G band, indicating the ordering of carbon structures. These techniques are a package of complementary analytical methods that allow for a comprehensive study of the chemical structure of biochar, which is a product of the pyrolysis of waste of plant origin, which is used, among others, in processes of the exploitation of technological fluids, particularly for purifying industrial waters.

PL

Dynamiczny rozwój prac w zakresie wykorzystania odpadów roślinnych do produkcji biowęgli o założonych zdolnościach sorpcyjnych, wynikających m.in. ze struktury chemicznej powierzchni, determinuje konieczność adaptacji zaawansowanych metod spektralnych do badania jakości nowo wytwarzanych materiałów. W niniejszej pracy określono przydatność techniki spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS), spektrofotometrii w podczerwieni (FTIR) i spektroskopii Ramana do określenia składu chemicznego oraz identyfikacji grup funkcyjnych oraz uporządkowania struktury krystalicznej biowęgli. W szczególności przedstawiono przykładowe sposoby interpretacji uzyskiwanych widm. Technika EDS pozwala na określenie zmian w składzie chemicznym zachodzących podczas pirolizy w określonych warunkach termicznych. Dzięki spektrofotometrii w podczerwieni (FTIR) uzyskano informacje o grupach funkcyjnych obecnych na powierzchni biowęgli, a także o kierunkach przemian strukturalnych zachodzących w odpadach celulozowych na skutek pirolizy, które są zależne od warunków temperaturowych. Natomiast spektroskopia Ramana pozwoliła na ocenę stopnia uporządkowania struktur biowęglowych na podstawie identyfikacji intensywności sygnałów spektralnych odpowiadających pasmu D, charakterystycznemu dla amorficzności struktur węglowych i pasmu G, świadczącym o uporządkowaniu struktur węglowych. Wymienione techniki stanowią pakiet uzupełniających się metod analitycznych, pozwalających na kompleksowe zbadanie struktury chemicznej biowęgli, stanowiących produkt pirolizy odpadów pochodzenia roślinnego, znajdujący zastosowanie m.in. w procesach eksploatacji cieczy technologicznych, w szczególności do oczyszczania wód przemysłowych.

Słowa kluczowe

EN

biocarbon; biocarbon structure; X-ray energy dispersion spectroscopy; EDS; infrared spectrophotometry; FTIR; Raman spectroscopy

PL

biowęgiel; budowa biowęgli; rentgenowska spektroskopia dyspersji energii; EDS; spektrofotometria w podczerwieni; FTIR; spektroskopia Ramana

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Journal of Machine Construction and Maintenance - Problemy Eksploatacji
• Rocznik: 2019
• Tom: no. 4
• Strony: 55--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Molenda Jarosław

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, Radom, Poland

autor

Kaźmierczak Bernadetta

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, Radom, Poland

Bibliografia

• 1. Malińska K., Dach J.: Biowęgiel jako materiał pomocniczy w procesie produkcji biogazu. Inżynieria Ekologiczna, 2015, 41, pp. 117-124 [in Polish].
• 2. Choma J., Kloske M.: Otrzymywanie i właściwości impregnowanych węgli aktywnych. Ochrona Środowiska, 1999, 2(73), pp. 3-17 [in Polish].
• 3. Jaramillo J., Alvarez P.M., Gomez-serrano V.: Oxidation of activated carbon by dry and wet methods. Surface chemistry and textural modifications. Fuel Prcessing Technology, 2010, 91, pp. 1768-1775.
• 4. Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., Freitas M.M.A., Orfao J.J.M.: Modification of the surface chemistry of activated carbons. Carbon, 1999, 37, pp. 1379-1389.
• 5. Figueiredo J.L., Pereira M.F.R.: The role of surface chemistry in catalysis with carbons. Catalysis Today, 2010, 150, pp. 2-7.
• 6. Jansen J.J., Van Bekkum H.: Amination and amoxidation of activated carbons. Carbon, 1994, 32, pp. 1507-1516.
• 7. Weisser P., Malińska K.: Od biomasy do biowęgla - pomysł na biznes. Biomasa, 2016, 1(19), pp. 42-45 [in Polish].
• 8. Malińska K.: Biowęgiel odpowiedzią na aktualne problemy ochrony środowiska.Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2012, 15(4), pp. 387-403 [in Polish].
• 9. Kobyłka A.: Zastosowanie adsorpcji na węglu aktywnym w różnych układach technologicznych oczyszczalni ścieków. Technical Issues, 2016, 4, pp. 27-34 [in Polish].
• 10. Chwiałkowski W.: Zastosowanie mieszaniny węgli aktywnych o różnym charakterze powierzchni do oczyszczania oleju posmażalniczego. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2016, 16(3), pp. 361-371 [in Polish].
• 11. Kaleta J., Kida M., Koszelnik P., Papciak D., Puszkarewicz A., Tchórzewska-Cieślak B.: The use of activated carbons for removing organic master from groundwater. Archives of Environmental Protection, 2017, 43(3), pp. 32-41.
• 12. Kuśmierek K., Świątkowski A.: Wpływ chemii powierzchni węgli aktywnych na adsorpcję kwasu 2,4-dichlorofenoksyoctowego. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2016, 19(2), pp. 255-263 [in Polish].
• 13. Lach J., Ociepa E.: Wpływ wysokotemperaturowej modyfikacji węgla aktywnego na sorpcję anionów Cr(VI) i kationów Cr(III) z roztworów wodnych. Ochrona Środowiska, 2003, 25(3), pp. 57-60 [in Polish].
• 14. Hofman M., Pietrzak R.: Adsorpcja fenolu z roztworów wodnych na modyfikowanych azotem adsorbentach otrzymanych z pestek śliwek. Przemysł Chemiczny, 2012, 91(12), pp. 2461-2466 [in Polish].
• 15. Ouhammou M., Lahnine L., Mghazli S., Hidar N., Bouchdoug M., Jaouad A., Mandi L., Mahrouz M.: Valorisation of cellulosic waste basic cactus to prepare activated carbon. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 2019, 18, pp. 133-140.
• 16. Chen Y., Zhu Y., Wang Z., Li Y., Wang L., Ding L., Gao X., Ma Y., Guo Y.: Application studies of activated carbon derived from rice husks produced by chemicalthermal process - A review. Advances in Colloid and Interface Science, 2011, 163, pp. 39-52.
• 17. Valente Nabais J.M., Laginhas C.E.C., Carrott P.J.M., Ribeiro Carrott M.M.L.: Production of activated carbons from almond shell. Fuel Processing Technology, 2011, 92, pp. 234-240.
• 18. Sobiesiak M., Gawdzik B., Puziy A.M., Poddubnaya O.I.: Analysis of structure and properties of active carbons and their copolymeric precursors. Applied Surface Science, 2010, 256, pp. 5355-5360.
• 19. Molenda J.: The influence of the protective pyrolysis atmosphere of vegetable waste on biocarbon construction. Journal of Machine Construction and Maintenance, 2018, 4, pp. 99-104.
• 20. Zofka A., Maliszewska D., Maliszewski M.: Zastosowanie techniki FT-IR w badaniach materiałów asfaltowych. Budownictwo i Architektura, 2014, 13(4), pp. 317-324 [in Polish].
• 21. Dudkiewicz M., Berłowska J., Kręgiel D.: Oznaczanie białek metodą FTIR w produktach spożywczych i biotechnologicznych – cz. II. Laboratorium Przemysłowe, 2015, 9-10, pp. 44-49 [in Polish].
• 22. Szurgot M., Tszydel I.: Zastosowanie spektroskopii Ramana do identyfikacjiminerałówmeteorytu NWA 4967. Acta Societatis Metheoriticae Polonorum, Rocznik Polskiego Towarzystwa Meteorytowego, 2011, 2, pp. 158-170 [in Polish].
• 23. Merlen A., Buijnsters J.G., Pardanaud C.: A Guide to and Review of the Use of Multiwavelength Raman Spectroscopy for Characterizing Defective Aromatic Carbon Solids: from Graphene to Amorphous Carbons. Coatings, 2017, 7, 153, pp. 2-55.
• 24. Grodecki K.: Spektroskopia ramanowska grafenu. Materiały Elektroniczne, 2013, 41(1), pp. 47-53 [in Polish].
• 25. Nykiel P.: Spektroskopia Ramana: nowoczesna technika w diagnostyce medycznej i analizie biochemicznej. Biul. Wydz. Farm. WUM, 2013, 4, pp. 27-36 [in Polish].
• 26. Smith M.W., Dallmeyer I., Johnson T.J., Brauer C.S., McEwen J.S., Espinal J.F., Garcia-Perez M.: Structural analysis of char by Raman spectroscopy: Improving band assignments through computational calculations from first principles. Carbon, 2016, 100, pp. 678-692.
• 27. Słowik G.: Podstawy mikroskopii elektronowej i jej wybrane zastosowania w charakterystyce katalizatorów nośnikowych. In: Ryczkowski J. (ed.): Adsorbenty i katalizatory. Wybrane technologie a środowisko. Uniwersytet Rzeszowski, pp. 219-243 [in Polish].
• 28. Wang X., Chi Q., Liu X., Wang Y.: Influence of pyrolysis temperature on characteristics and environmental risk of heavy metals in pyrolyzed biochar made from hydrothermally treated sewage sludge. Chemosphere, 2019, 216, pp. 698-706.
• 29. Zhang G., Guo X, Zhao Z., He Q., Wang S., Zhu Y., Yan Y., Liu X., Sun K., Zhao Y., Qian T.: Effects of biochars on the availability of heavy metals to ryegrass in an alkaline contaminated soil. Environmental Pollution, 2016, 218, pp. 513-522.
• 30. Valente Nabais J.M., Laginhas C.E.C, Carrott P.J.M., Ribeiro Carrott M.M.L.: Production of activated carbons from almond Shell. Fuel Processing Technology, 2011, 92, pp. 234-240.
• 31. Molenda J., Swat M., Wolszczak M.: Budowa chemiczna i mikrostrukturalna biowęgli otrzymanych pirolitycznie z odpadów roślinnych. Przemysł Chemiczny, 2018, 97, pp. 1380-1386 [in Polish].
• 32. Ferrari A.C., Robertson J.: Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphus carbon. Phys. Rev. B., 2000, 61, pp. 14096-14107.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).