Framställning av ligninbaserat aktivt kol för avskiljning av organiska mikroföroreningar

Abstract (Swedish)

Aktivt kol har identifierats som en av de mer effektiva metoderna när det kommer till att avlägsna organiska mikroföroreningar (OMF) från avloppsvatten. Aktivt kol är ett poröst material med stor ytarea som kan adsorbera andra ämnen. Det är inget som existerar naturligt utan behöver framställas. Framställningen kan ske från i princip vilket material som helst som har en hög kolhalt. En stor del av det som framställs idag kommer från fossila källor eller material som inte är tillgängliga lokalt i Sverige. I det senaste avloppsdirektivet från EU berörs rening av organiska mikroföroreningar och större krav ställs på avloppsreningsverken att implementera ett fjärde reningssteg med avancerad rening. Att kunna producera aktivt kol som använder en lokal råvara och är fossilfritt är därför av stort intresse när efterfrågan ökar.
I detta arbete har framställning av aktivt kol från lignin studerats närmare. Lignin är en lovande råvara, då det är en restprodukt från massabruken som idag till stor del förbränns för energi då den saknar lönsamma användningsområden. Som råvara till aktivt kol är den dock inte tidigare studerad i någon stor omfattning. Under arbetes gång har därför olika processparametrar i framställningen behövts varieras och utvärderas. Dessa är temperatur och tid för både karbonisering och aktivering samt olika fysikaliska framställningsmetoder.
Arbetets metod bestod av tre faser, där den första fokuserar på framställning under olika förhållande och screening av de aktiva kolen med hjälp av mätningar av UVA254 för att utvärdera adsorptionsförmågan. I nästa fas valdes de mest lovande kolen ut för en systematisk utvärdering av deras adsorptionsförmåga av DOC, vid olika doser aktivt kol. I slutfasen testades de mest lovande kolen på fyra 14C märkta organiska mikroföroreningar, bisfenol A, diklofenak, mecoprop samt PFOA.
Resultaten från samtliga utvärderingsmetoder var lovande. Ligninbaserat aktivt kol reducerade de studerade organiska mikroföroreningarna i samma utsträckning som det kommersiella kolet NORIT® SAE Super men krävde något högre doser. För att nå en adsorptionsgrad av organiska mikroföroreningarna på 80 % behövdes endast 0–30 % mer ligninbaserat kol. Resultaten var också positiva ur ett framställningsperspektiv då det mest effektiva linginbaserade kolet framställdes via en av de mest tids- och energieffektiva metoderna.

Abstract

Activated carbon has been identified as one of the more effective methods of removing organic micropollutants (OMP) from wastewater. Activated carbon is a porous material with a large surface area that allows adsorption of other substances. The material does not exist naturally and therefore has to be produced. The production can be done from any carbon-rich material and today the precursor is mainly of fossil origin or material not local to Sweden. The latest wastewater directive from the European Union highlights the need to implement advanced wastewater treatment that removes organic micropollutants. Therefore, producing activated carbon from local raw material is of great interest, as the demand is expected to increase.
In this thesis, the production of activated carbon made from lignin is studied. Lignin is a promising precursor since it is a residual product from pulp mills and is mainly used for energy since it lacks other profitable areas of use. It has not been especially studied as a precursor to activated carbon before. Different process parameters in the production have therefore, in this study, been varied and evaluated. These are temperature and time for both carbonization and activation, as well as different physical production methods.
The methodology is divided into three main phases, where the first one consists of the production under different conditions and a parallel work with evaluating the produced carbons by measuring their capacity of adsorption with UVA254. In the next phase, the most promising lignin-based activated carbons were chosen for a systematic evaluation of the adsorption capacity with different carbon dosages. In the last phase, the different activated carbons were evaluated on four different 14C-labeled organic micropollutants. These were bisphenol A, diclofenac, mecoprop and PFOA.
The results of the study were promising. The produced lignin-derived activated carbon reduced the studied organic micropollutants to the same extent as the commercialized one, NORIT® SAE Super. However, it required a slightly higher dosage of activated carbon. To reduce the organic micropollutants by 80 % only 0-30 % more lignin-based activated carbon was needed. The results were also promising from a production perspective since the most efficient activated carbon was produced with one of the most time and energy-efficient methods.

Popular Abstract (Swedish)

Kan en restprodukt från massaindustrin stoppa spridning av föroreningar till våra vattendrag?
Fiskar som får i sig hormonstörande ämnen via läkemedel i havet och människors hälsa som riskeras av kemikalier i dricksvattnet är bara några exempel på vad organiska mikroföroreningar kan ställa till med. En stor del av de mikroföroreningar som vi hittar i våra vattendrag har passerat genom avloppsreningsverk utan att brytas ner eller avlägsnas. Men detta ska det bli ändring på!
I ett nytt förslag från EU kommer krav på att större reningsverk, på mer än 150 000 personekvivalenter, ska införa rening som avlägsnar mikroföroreningar från vattnet innan det släpps ut i naturen. Aktivt kol är ett poröst kolmaterial som fångar upp föroreningarna ur vattnet och som skulle kunna användas i avloppsreningsverken. Men med en större efterfrågan på aktivt kol behövs nya sätt att framställa det.
I denna studie har försök gjorts för att undersöka om en restprodukt från massaindustrin, lignin, skulle kunna vara en lämplig råvara att framställa aktivt kol av. Traditionellt sätt framställs aktivt kol från fossilt kol och importeras till Sverige. Men genom att utnyttja den del av träet vi inte vill ha i pappersmassan, ligninet, kan en lokal och mer miljövänlig råvara användas. Detta skulle inte bara innebära en lägre miljöbelastning utan också en reningsprocess som inte är beroende av andra länder.
Studien visar att aktivt kol kan framställas av lignin och att det kan mäta sig med kommersiellt kol i hur effektivt det är på att ta upp föroreningar. I tester med miljö- och hälsofarliga ämnen så som läkemedel, växtbekämpningsmedel och andra kemikalier, är kolet bra på att fånga upp en stor del av ämnena. Vårt arbete har därmed visat att ligninbaserat aktivt kol har potential att stoppa spridningen av föroreningar från avloppsvattenverken till våra vattendrag.

• author: Önnevik, Charlotte and Åkerhielm, Olivia
• supervisor: Per Falås
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: aktivt kol, lignin, avancerad avloppsvattenrening, organiska mikroföroreningar, vattenförsörjnings- och avloppsteknik
• language: Swedish
• id: 9163744
• date added to LUP: 2024-06-17 12:15:39
• date last changed: 2024-06-17 12:15:39