Activated carbon from renewable resources : carbonization, activation and use

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Biomass is the most abundant renewable material present on Earth and has been widely used e.g. in energy production. Recently, new applications for biomass utilization have been developed, e.g. the use of biomass as a raw material for synthesizing new chemicals. This research aimed to produce activated carbon (AC) from waste wood-based materials and peat through carbonization followed by physical or chemical activation. Physical steam activation and chemical activation generate the porosity in AC after the carbonization. The desired properties of AC (porosity, pore size distribution, surface functionality) are dependent on the application in which AC is used.</p><p>The first part of the research focused on setting up the carbonization and activation device. The most important variables affecting carbonization and activation and the AC properties were studied. The process parameters were optimized through the design of experiments (DOE). The results showed that in the physical activation, the most important variables affecting the characteristics of AC are the holding time, temperature, and the steam feed. Consequently, a model for tailoring the microporosity or mesoporosity of AC and maximizing the yield is proposed.</p><p>The second part of the research focused on chemical activation using zinc chloride. The aim was to study the effect of activation variables on the yield and properties of AC. Finally, the use of AC as an adsorbent was studied. Especially, the applicability of birch sawdust based activated carbon on the removal of dyes, zinc metal, nitrate, phosphate, and sulfate ions was evaluated. Based on the results, a difference was shown between one and two step process for carbonization and activation, and a single-step process was suggested to maximize the quality of AC.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Biomassa on maapallon eniten saatavilla olevaa uusiutuvaa materiaalia, jota on hyödynnetty jo pitkään mm. energiantuotannossa. Viime aikoina uusia biomassan käyttökohteita on kehitetty laajalti, kuten esimerkiksi uusien kemikaalien valmistukseen. Tässä tutkimuksessa puupohjaista jätebiomassaa ja turvetta hyödynnetään fysikaalisesti ja kemiallisesti aktivoidun aktiivihiilen valmistuksessa. Fysikaalinen höyryaktivointi ja kemiallinen aktivointi lisäävät aktiivihiilen huokoisuutta hiilestyksen jälkeen. Aktiivihiilen halutut ominaisuudet (huokoskokojakauma, pinnan toiminnalliset ryhmät) määräytyvät käyttökohteen mukaan.</p><p>Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa keskityttiin hidas pyrolyysilaitteiston ja aktivointilaitteiston rakentamiseen sekä hiilestyksen ja aktivoinnin kannalta keskeisimpien muuttujien tutkimiseen. Prosessimuuttujien vaikutusten tarkastelussa ja optimoinnissa hyödynnettiin koesuunnitteluohjelmaa. Tulosten perusteella todettiin, että fysikaalisessa aktivoinnissa olennaisimmat muuttujat olivat lämpötila, pitoaika sekä höyrysyöttö. Tämän pohjalta esitettiin malli aktiivihiilen mikro- ja mesohuokoisuuden muokkaamiseksi ja saannon maksimoimiseksi.</p><p>Tutkimuksen toisessa vaiheessa tutkittiin kemiallista aktivointia hyödyntämällä sinkkikloridia aktivointikemikaalina. Tavoitteena oli selvittää eri aktivointimuuttujien vaikutusta saantoon ja aktiivihiilen laatuun. Tutkimuksen viimeisessä vaiheessa tutkittiin valmistettujen aktiivihiilien käyttöä adsorbenttina. Erityisesti tutkittiin koivupurusta valmistetun aktiivihiilen soveltuvuutta väriaineiden, metallien ja anionien sidontaan. Tutkimuksen keskeisenä tuloksena voitiin osoittaa merkittävä ero yksi- ja kaksivaiheisen hiilestyksen ja aktivoinnin välillä, ja ehdotettiin yksivaiheista prosessia hiililaadun optimoimiseksi.</p></div>

<div lang="it" class="abs"><p class="abs_header">Sommario</p><p>La biomassa è il materiale rinnovabile più abbondante presente sulla Terra ed è stata intensamente usata e.g. nella produzione di energia. Recentemente sono state sviluppate nuove applicazioni per la biomassa, ad esempio come materiale di base per sintetizzare nuovi prodotti chimici. Lo scopo di questa ricerca è produrre carbone attivo (CA) attraverso attivazione fisica e chimica da materiali legnosi di scarto come segatura, cippato e torba. L’attivazione fisica e l’attivazione chimica, creano la porosità nel CA dopo la carbonizzazione. Il prodotto finale può essere usato in differenti applicazioni in base a diversi fattori tra cui la distribuzione della porosità e la tipologia dei gruppi funzionali presenti sulla superficie.</p><p>La prima fase della ricerca è stata dedicata alla progettazione e installazione dell’hardware necessario per l’attivazione e nell’individuazione dei parametri di processo più importanti. I parametri di processo sono stati ottimizzati attraverso il design of experiments (DOE) e sono state considerate le differenti variabili che interagiscono nella formazione del CA. I risultati hanno mostrato che i parametri di processo più importanti che influiscono sulle caratteristiche del CA sono il tempo, la temperatura di attivazione e la quantità di vapore iniettato nel reattore. È stato proposto un modello per progettare CA microporoso o mesoporoso con massa finale massimizzata. La seconda parte della ricerca è stata incentrata sull’attivazione chimica con cloruro di zinco. Lo scopo é stato studiare l’effetto delle variabili di attivazione su massa finale e proprietà del carbone attivo. Infine, è stata studiato il CA come adsorbente. In particolare è stata considerata l’applicabilità del CA da segatura di betulla per la rimozione di coloranti, zinco metallico, ioni di nitrato, fosfato e solfato. In base a questi risultati, una differenza é stata evidenziata tra il processo di carbonizzazione e attivazione a uno o due stadi, ed il processo a singolo stadio è stato proposto per massimizzare la qualità del CA.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Bergna, D., Romar, H., Tuomikoski, S., Runtti, H., Kangas, T., Tynjälä, P., & Lassi, U. (2017). Activated Carbon from Renewable Sources: Thermochemical Conversion and Activation of Biomass and Carbon Residues from Biomass Gasification. In Waste Biomass Management – A Holistic Approach (pp. 187–213). <a href="https://doi.org/10.1007/978-3-319-49595-8_9">https://doi.org/10.1007/978-3-319-49595-8_9</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2019110636913">Self-archived version</a></p></li><li><p>Bergna, D., Varila, T., Romar, H., & Lassi, U. (2018). Comparison of the Properties of Activated Carbons Produced in One-Stage and Two-Stage Processes. C, 4(3), 41. <a href="https://doi.org/10.3390/c4030041">https://doi.org/10.3390/c4030041</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2018081333615">Self-archived version</a></p></li><li><p>Bergna, D., Romar, H., & Lassi, U. (2018). Physical Activation of Wooden Chips and the Effect of Particle Size, Initial Humidity, and Acetic Acid Extraction on the Properties of Activated Carbons. C, 4(4), 66. <a href="https://doi.org/10.3390/c4040066">https://doi.org/10.3390/c4040066</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201901041364">Self-archived version</a></p></li><li><p>Bergna, D., Hu, T., Prokkola, H., Romar, H., & Lassi, U. (2019). Effect of Some Process Parameters on the Main Properties of Activated Carbon Produced from Peat in a Lab-Scale Process. Waste and Biomass Valorization. <a href="https://doi.org/10.1007/s12649-019-00584-2">https://doi.org/10.1007/s12649-019-00584-2</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201902044010">Self-archived version</a></p></li><li><p>Varila, T., Bergna, D., Lahti, R., Romar, H., Hu, T., & Lassi, U. (2017). Activated carbon production from peat using ZnCl2: characterization and applications. BioResources, 12(4), 8078-8092. 10.15376/biores.12.4.8078-8092</p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2017103150414">Self-archived version</a></p></li><li><p>Lahti, R., Bergna, D., Romar, H., Tuuttila, T., Hu, T., & Lassi, U. (2017). Physico-chemical properties and use of waste biomass-derived activated carbons. Chemical Engineering Transactions, 57, 43-48. <a href="https://doi.org/10.3303/CET1757008">https://doi.org/10.3303/CET1757008</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201709078526">Self-archived version</a></p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Bergna, D., Romar, H., Tuomikoski, S., Runtti, H., Kangas, T., Tynjälä, P., & Lassi, U. (2017). Activated Carbon from Renewable Sources: Thermochemical Conversion and Activation of Biomass and Carbon Residues from Biomass Gasification. In Waste Biomass Management – A Holistic Approach (pp. 187–213). <a href="https://doi.org/10.1007/978-3-319-49595-8_9">https://doi.org/10.1007/978-3-319-49595-8_9</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2019110636913">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Bergna, D., Varila, T., Romar, H., & Lassi, U. (2018). Comparison of the Properties of Activated Carbons Produced in One-Stage and Two-Stage Processes. C, 4(3), 41. <a href="https://doi.org/10.3390/c4030041">https://doi.org/10.3390/c4030041</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2018081333615">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Bergna, D., Romar, H., & Lassi, U. (2018). Physical Activation of Wooden Chips and the Effect of Particle Size, Initial Humidity, and Acetic Acid Extraction on the Properties of Activated Carbons. C, 4(4), 66. <a href="https://doi.org/10.3390/c4040066">https://doi.org/10.3390/c4040066</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201901041364">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Bergna, D., Hu, T., Prokkola, H., Romar, H., & Lassi, U. (2019). Effect of Some Process Parameters on the Main Properties of Activated Carbon Produced from Peat in a Lab-Scale Process. Waste and Biomass Valorization. <a href="https://doi.org/10.1007/s12649-019-00584-2">https://doi.org/10.1007/s12649-019-00584-2</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201902044010">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Varila, T., Bergna, D., Lahti, R., Romar, H., Hu, T., & Lassi, U. (2017). Activated carbon production from peat using ZnCl2: characterization and applications. BioResources, 12(4), 8078-8092. 10.15376/biores.12.4.8078-8092</p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2017103150414">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Lahti, R., Bergna, D., Romar, H., Tuuttila, T., Hu, T., & Lassi, U. (2017). Physico-chemical properties and use of waste biomass-derived activated carbons. Chemical Engineering Transactions, 57, 43-48. <a href="https://doi.org/10.3303/CET1757008">https://doi.org/10.3303/CET1757008</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201709078526">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li></ol></div>