Production of activated carbon derived from rice hulls using sugar cane bagasse as activating agent

Abdolkarimi, Pegah (2024). Production of activated carbon derived from rice hulls using sugar cane bagasse as activating agent. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Widespread contamination of natural water resources by pollutants poses a significant environmental challenge. This thesis explores the potential of activated carbon derived from rice husk as a viable adsorbent for eliminating contaminants from aqueous solutions, specifically focusing on methylene blue as a model solution. The study provides a comprehensive analysis of adsorption kinetics, isotherms, and their implications for environmental remediation. It involves the gasification of rice husk using sugarcane bagasse, another economical agricultural byproduct, as a source of carbon dioxide (CO2) in an oxygen-rich environment to activate the carbon. This process utilizes the two crucible method minimizing oxygen use and using CO2 as an oxidizing agent. This approach enhances activated carbon development by increasing its porosity and providing a substantial surface area, making it suitable for various treatment applications.

The present work demonstrated that the adsorption efficiency of methylene blue and iodine was maximum when rice husk underwent chemical and physical treatment with HNO3 and NaOH 1N for 2 hours at 710◦C for 30 minutes, with a heating rate of 10◦C·min-1, and sugarcane bagasse as the activating agent. The activated carbon derived from rice husk exhibited an iodine number of 836 mg·g-1, methylene blue removal rate at 94.1% and its adsorption capacity was reported as 285 mg·g-1 at a temperature of 25◦C.

Adsorption kinetics were explored by examining the contact time and initial concentration of the pollutant. Experimental data were fitted to various kinetic models, including pseudo-first-order, pseudo-second-order, Elovich, and intraparticle diffusion models. The results of methylene blue adsorption were in agreement with the pseudo-second-order kinetic model (R² > 0.99), indicating that chemisorption is the rate-controlling step. Additionally, the study evaluated adsorption isotherms by varying the initial concentrations of the pollutant. Langmuir, Freundlich, BET, and Temkin isotherm models were applied to the dataset. The Langmuir isotherm model showed the best fit (R² > 0.99), suggesting monolayer adsorption with a finite number of adsorption sites.

This research has practical implications for designingwater treatment systems based on adsorption to eliminate water contaminants. Activated carbon from rice husk, enhanced by using sugarcane bagasse as an activating agent, emerges as a promising adsorbent with minimal technical constraints. Future research may focus on optimizing activated carbon production strategies and designing larger-scale adsorption systems."

Titre traduit

Production de charbon actif dérivé de coques de riz en utilisant la bagasse de canne à sucre comme agent activateur

Résumé traduit

La contamination généralisée des ressources naturelles en eau par des polluants constitue un défi environnemental majeur. Ce mémoire explore le potentiel du charbon actif dérivé de coque de riz en tant qu’adsorbant viable pour l’élimination des contaminants des solutions aqueuses, en se concentrant spécifiquement sur le bleu de méthylène en tant que solution modèle. L’étude présente une analyse complète des cinétiques d’adsorption, des isothermes et de leurs implications pour la remédiation environnementale. Elle implique la gazéification de la balle de riz en utilisant la bagasse de canne à sucre, un autre sous-produit agricole économique, comme source de dioxyde de carbone CO2 dans un environnement riche en oxygène pour activer le carbone. Ce processus utilise une technique appelée méthode des deux creusets, qui réduit au minimum l’utilisation d’oxygène tout en utilisant le CO2 comme agent activateur. Cette approche améliore le développement du charbon actif en augmentant sa porosité et en lui conférant une importante surface spécifique, le rendant ainsi adapte à diverses applications de traitement.

Les présents travaux ont montré que l’efficacité d’adsorption du bleu méthylène et de l’iode était maximale lorsque de la balle de riz a été soumises à un traitement chimique et physique avec HNO3 et NaOH 1N pendant 2 heures a 710◦C pendant 30 minutes, avec une vitesse de chauffage de 10◦C·min-1 et de la bagasse de canne a sucre comme agent activateur. Le charbon active dérivé de la balle de riz a présenté un nombre d’iode de 836 mg·g-1, taux d’élimination du bleu de méthylène a 94.1% et sa capacite d’adsorption a été rapportée à 285 mg·g-1 a une température de 25◦C.

Les cinétiques d’adsorption ont été explorées en examinant le temps de contact et la concentration initiale du polluant. Les données expérimentales ont été ajustées a divers modèles cinétiques, notamment les modèles de pseudo-premier ordre, de pseudo-deuxième ordre, d’Elovich et de diffusion intraparticules. Les résultats d’adsorption du bleu de méthylène est en accord avec le modèle cinétique de pseudo-deuxième ordre (R² > 0.99), indiquant que la chimisorption est l’étape de contrôle. De plus, l’étude a évalué les isothermes d’adsorption en faisant varier les concentrations initiales du polluant. Les modèles d’isothermes de Langmuir, de Freundlich, de BET et de Temkin ont été appliques à l’ensemble de données. Le modèle d’isotherme de Langmuir a montré le meilleur ajustement (R² > 0.99), suggérant une adsorption en monocouche avec un nombre fini de sites d’adsorption.

Cette recherche présente des implications pratiques pour la conception de systèmes de traitement de l’eau bases sur l’adsorption visant à éliminer les contaminants de l’eaux. Le charbon actif provenant de la balle de riz, renforce par l’utilisation de la bagasse de canne à sucre en tant qu’agent physique, émerge comme un adsorbant prometteur qui implique un minimum de contraintes techniques. Les recherches futures pourront se pencher sur les stratégies d’optimisation de la production de charbon actif et sur la conception de systèmes d’adsorption a plus grande échelle.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in environmental engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 87-95).
Mots-clés libres:	adsorption, production de charbon actif, balles de riz, la bagasse de canne, résidus agricoles, activation physique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monette, Frédéric
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt:	23 avr. 2024 18:34
Dernière modification:	23 avr. 2024 18:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3444

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