Aktivt kol från rötslam Potential som adsorbent i avloppsvatten och dagvatten Alexander Betsholtz VA-teknik, LTH
Bakgrund SLAM? Deponi/anläggningsjord Aktivt kol/biokol Åkermark Förbränning Extraktion av fosfor ur aska?
Innehåll Mål Aktivt kol vad är det? Produktion av aktivt kol från slam Labförsök Resultat från litteraturen Slutsats och framtida studier
Mål 1. Utvärdera litteratur kring produktion av slambaserat aktivt kol (SBAK) och dess potential som adsorbent i avloppsvatten och dagvatten (2). Producera SBAK i lab och (3). Jämföra dess egenskaper med ett kommersiellt aktivt kol (KAK)
Aktivt kol Poröst material bestående av aromatiska kolstrukturer Grafen-lager Grafit Som grafit, fast ej kompletta lager som ligger huller om buller Kan skapas från organiskt material (Ex. kokosnötskal, träflisor och stenkol) Aktivt kol
Aktivt kol egenskaper Porstorlek och distribution Ø Mikroporer (<2 nm) Ø Ansvarar för majoriteten av den fysiska adsorptionen ØMesoporer (2-50 nm) Ø Adsorption av stora molekyler Ø Viktiga för masstransporten Ø Makroporer (>50 nm) Ø Viktiga för masstransporten Specifik yta (m 2 /g) Ø Ø Proportionell mot andelen mikroporer Kan ge en indikation på adsorptionskapaciteten Aktivt kol Mikroporer Mesoporer Makroporer
Aktivt kol egenskaper Ytans kemiska karaktär ØFunktionella grupper på kanterna av det aktiva kolets aromatiska lager. Funktionella grupper ØKolets oorganiska innehåll ØViktiga för kemisk adsorption (via kemiska bindningar).
Produktion av aktivt kol Två steg: 1. Pyrolys Ø Upphettning av material till 500-1000 C i syrefri miljö. Ø Skapar grundstrukturen hos det aktiva kolet 2. Aktivering Ø Selektiv/försiktig oxidation med gas (CO 2, H 2 O) eller kemikalier (starka syror och baser) Ø Öppnar upp otillgängliga porer Ø Kan introducera funktionella grupper HO O
Produktion av SBAK genom aktivering med vattenånga SBAK Torkat rötslam Ugn 550-800 C N 2 +H 2 0
Mål Utforska hur olika produktionsparametrar påverkar kolets porositet. Temperatur Närvaron av vattenånga Exponeringstid
Resultat Specifik yta Specifik Yta (m 2 /g) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 800 C + H 2 O (30 min) 800 C + H 2 O 800 C 550 C 550 C + H 2 O Sludge ash P_550_60 PA_550_60 P_800_60 PA_800_60 PA_800_30
Resultat Specifik yta 1200 1000 Specifik yta (m 2 /g) 800 600 400 200 0 Sludge ash P_550_60 PA_550_60 P_800_60 PA_800_60 PA_800_30 Commercial carbon
Adsorption av organiskt material (COD) % Avskiljning 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 COD-adsorption 0 200 400 600 800 1000 1200 Koncentration PAC [mg/l] SBAC CAC
Resultat från litteraturen SBAK innehåller en högre halt oorganiskt material än CAC, vilket ger SBAK mindre specifik yta (färre mikroporer) CAC är generellt bättre på att adsorbera små, organiska, hydrofoba, oladdade. Den oorganiskt delen är dock viktig för adsorption av laddade/hydrofila ämnen Kemiskt aktivering genererar SBAK med högre specifika ytor, högre utbyte och fler funktionella grupper, men kräver kemikalier... Material Askhalt (%) Rötslam 30-40 SBAC 40-90 Trä 0,3-1 KAK < 20
Resultat från litteraturen SBAK kan vara bra på att adsorbera: Tungmetaller (till exempel Cu 2+ och Cd 2+ ) Tackvare hög jonbytesförmåga från sura funktionella grupper eller andra oorganiska joner i kolet (ex. Ca 2+ ). Färgämnen SBAK har visat sig bra på att adsorbera stora organiska molekyler, tackvare deras generellt sett höga andel mesoporer Hydrofila organiska molekyler SBAK kan adsorbera vissa små, vattenlösliga ämnen bättre än än KAK.
Slutsatser SBAK är generellt sätt sämre än KAK på att adsorbera små, organiska, hydrofoba föroreningar men dess oorganiska innehåll kan möjliggöra en högre adsorption av hydrofila föroreningar, bland annat tungmetaller. Finns skäl att studera mer
Framtida studier Kemisk eller fysisk aktivering? Optimering och uppskalning av tillverkningsprocesser Testa adsorption av mikroföroreningar (läkemedelsrester, PFOS, mm) Hur värderar vi SBAK? Vad är alternativen för slammet (åkermark, förbränning, biokol mm?)
Tack!
Porstorleksdistribution med och utan vattenånga Porvolym (cm^3/g*å) 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 Porstorleksdistribution Med vattenånga J Utan vattenånga (endast! " ) L PA_800_60 P_800_60 10 40 160 640 Porstorlek (Å)
Olika exponeringstid Porstorleksdistribution 0,01 Porvolym (cm^3/g*å) 0,008 0,006 0,004 0,002 30 min J 60 min L PA_800_60 PA_800_30 0 10 40 160 640 Porstorlek (Å)
Jämförelse SBAK och KAK Porvolym (cm^3/g*å) 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 Porstorleksdistribution KAK J SBAK L 10 40 160 640 Porstorlek (Å) Commercial carbon PA_800_30
Organiskt utbyte 0 % Carbon 10 % Carbon 30 % Carbon