Highly porous alkali activated foams for water and wastewater treatment
Bhuyan, Mohammad (2024-04-26)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202403272470
Kuvaus
Tiivistelmä
Alkali-activated materials (AAMs) have diverse applications in water and wastewater treatment. In this thesis, porous AAM foams were prepared with the goal to explore their potential use in new applications for water and wastewater treatment, namely adsorptive filters, point-of-use water disinfection, and separation of microplastics.
The adsorptive filters were prepared from blast furnace slag and optimized by comparing five different surfactants and doses of H2O2. Porous AAM exhibiting the highest mechanical strength was investigated for methylene blue adsorption. To further enhance the adsorption performance, a lignin-containing composite foam was prepared. In the dynamic adsorption experiments, the highest adsorption amount obtained with the lignin-composite foam was ~40 mg/g. Moreover, peracetic acid was investigated as an alternative foaming agent in the preparation of porous AAMs. During the investigation, lower volume expansion and faster reaction kinetics with reduced setting time were observed for peracetic acid-based porous AAM compared to H2O2-based porous AAM.
To develop material for point-of-use water disinfection, the first goal was to achieve comparable water permeability to traditional ceramic filters by varying the amount of hydrogen peroxide. An optimized foam was then treated with colloidal Ag solution to explore its potential use in disinfecting water for 10 weeks. The modified foam demonstrated a significant reduction (2.84 log10 units) in E. coli bacteria compared to an unmodified filter (1.57 log10 units). Additionally, the environmental impact of the porous AAM was analyzed through life cycle assessment and found to be lower than that of conventional ceramic filter.
Finally, to develop material capable of separating microplastics, porous AAM surface was modified with triethoxy(octyl)silane to render it superhydrophobic. The modified porous AAM demonstrated over 99% separation efficiency when treating 30 L of model water containing 5 mg/L of polyethylene microspheres (53-63 μm). Its performance was also evaluated in treating laundry effluent, where the modified porous AAM achieved approximately 84% separation compared to around 52% for the unmodified porous AAM.
Alkaliaktivoiduilla materiaaleilla on runsaasti erilaisia sovelluksia veden ja jäteveden käsittelyssä. Tässä väitöskirjassa valmistettiin huokoisia alkaliaktivoituja vaahtoja tavoitteena selvittää niiden uusia hyödyntämismahdollisuuksia adsorboivina suodatinmateriaaleina, veden desinfioinnissa ja mikromuovin erottamisessa.
Masuunikuonasta valmistettujen adsorboivien suodattimien koostumus optimoitiin muuttamalla valmistuksessa käytetyn pinta-aktiivisen aineen tyyppiä sekä vaahdotinaineena toimivan vetyperoksidin lisäysmäärää. Optimoidulla materiaalilla tutkittiin metyleenisinisen adsorptiota vedestä. Adsorptiokyvyn lisäämiseksi valmistettiin ligniiniä sisältävää komposiittimateriaalia. Dynaamisessa metyleenisinisen adsorptiokokeessa suurin adsorptiomäärä ligniinikomposiitille oli ~40 mg/g. Lisäksi peretikkahappoa tutkittiin vaihtoehtoisena vaahdotusaineena. Peretikkahappoa käytettäessä havaittiin pienempi turpoaminen valmistuksen aikana ja lyhyempi kovettumisaika verrattuna vetyperoksidilla valmistettuihin vaahtoihin.
Tutkimuksen seuraavassa osassa tutkittiin veden desinfiointia. Alkaliaktivoituja vaahtoja valmistettiin metakaoliinista, masuunikuonasta ja niiden seoksista tavoitteena saavuttaa samanlainen veden läpäisevyys kuin keraamisilla suodattimilla. Tämän jälkeen optimoitua vaahtoa käsiteltiin kolloidisella hopealiuoksella ja sen käyttömahdollisuuksia veden desinfioinnissa tutkittiin 10 viikon ajan. Hopeaa sisältävä vaahto osoitti merkittävää E. coli -bakteerien vähenemistä (2,84 log10) verrattuna hopeaa sisältämättömään suodattimeen (1,57 log10). Lisäksi alkaliaktivoidun vaahdon ympäristövaikutuksia analysoitiin elinkaariarvioinnin avulla ja niiden todettiin olevan pienempiä kuin perinteisen keraamin.
Mikromuovien erottamiseksi alkaliaktivoituja vaahtoja käsiteltiin trietoksi(oktyyli)silaanilla superhydrofobisen pinnan luomiseksi. Käsitelty vaahto poisti yli 99 % mikromuovista kokeessa, jossa käsiteltiin 30 litraa vettä, joka sisälsi 5 mg/l polyetyleenipartikkeleita (koko 53–63 μm). Käsitellyn vaahdon suorituskykyä arvioitiin myös pyykinpesuveden käsittelyssä, jossa sen muovin poistokyky oli noin 84 % kun taas ei-käsitelty vaahto poisti vain 52 %.
Original papers
-
Bhuyan, M. A. H., Gebre, R. K., Finnilä, M. A. J., Illikainen, M., & Luukkonen, T. (2022). Preparation of filter by alkali activation of blast furnace slag and its application for dye removal. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(1), 107051. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107051 https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107051
-
Bhuyan, M. A. H., & Luukkonen, T. (2024). Adsorption of methylene blue by composite foams containing alkali-activated blast furnace slag and lignin. International Journal of Environmental Science and Technology, 21(4), 3789–3802. https://doi.org/10.1007/s13762-023-05245-5 https://doi.org/10.1007/s13762-023-05245-5
-
Bhuyan, M. A. H., Kurtulus, C., Heponiemi, A., & Luukkonen, T. (2023). Peracetic acid as a novel blowing agent in the direct foaming of alkali-activated materials. Applied Clay Science, 231, 106727. https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106727 https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106727
-
Bhuyan, M. A. H., Karkman, A., Prokkola, H., Chen, B., Perumal, P., & Luukkonen, T. (2024). Alkali-activated foams coated with colloidal Ag for point-of-use water disinfection. ACS ES&T Water, 4(2), 687–697. https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00711 https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00711
-
Bhuyan, M. A. H., Busquets, R., Campos, L. C., & Luukkonen, T. (2024). Separation of microplastics from water using superhydrophobic silane-coupling-agent-modified geopolymer foam. Separation and Purification Technology, 339, 126709. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126709 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126709
Osajulkaisut
-
Bhuyan, M. A. H., Gebre, R. K., Finnilä, M. A. J., Illikainen, M., & Luukkonen, T. (2022). Preparation of filter by alkali activation of blast furnace slag and its application for dye removal. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(1), 107051. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107051 https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107051
-
Bhuyan, M. A. H., & Luukkonen, T. (2024). Adsorption of methylene blue by composite foams containing alkali-activated blast furnace slag and lignin. International Journal of Environmental Science and Technology, 21(4), 3789–3802. https://doi.org/10.1007/s13762-023-05245-5 https://doi.org/10.1007/s13762-023-05245-5
-
Bhuyan, M. A. H., Kurtulus, C., Heponiemi, A., & Luukkonen, T. (2023). Peracetic acid as a novel blowing agent in the direct foaming of alkali-activated materials. Applied Clay Science, 231, 106727. https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106727 https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106727
-
Bhuyan, M. A. H., Karkman, A., Prokkola, H., Chen, B., Perumal, P., & Luukkonen, T. (2024). Alkali-activated foams coated with colloidal Ag for point-of-use water disinfection. ACS ES&T Water, 4(2), 687–697. https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00711 https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00711
-
Bhuyan, M. A. H., Busquets, R., Campos, L. C., & Luukkonen, T. (2024). Separation of microplastics from water using superhydrophobic silane-coupling-agent-modified geopolymer foam. Separation and Purification Technology, 339, 126709. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126709 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126709
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [34264]