Naslov (srp)

Uticaj morfologije i površinskih grupa nanoporoznih ugljeničnih materijala na adsorpciju pesticida iz vode : doktorska disertacija

Autor

Vukčević, Marija, 1975-

Doprinosi

Laušević, Mila, 1951-
Vasiljević, Tatjana, 1968-
Kostić, Marijana
Laušević, Zoran

Opis (eng)

Due to the fact that surface characteristics of carbon material depend of carbon precursor nature and manufacturing parameters, the main objective of this work was to find appropriate carbonization and activation parameters in order to obtain activated hemp fibers (ACh) and carbon monolith (CM) with good adsorption properties toward pesticides. Chemical modification of short hemp fibers prior to carbonization was used to examine the influence of carbon precursor chemical structure and morphology on carbonized material characteristics. The factor of the influence on the final porous texture and adsorptive properties of activated carbon materials by production conditions are as follows: carbonization temperature, activating agent/carbon material ratio and activation temperature. Optimal production conditions were selected based on the adsorption properties of carbonized materials toward pesticides. Activated hemp fibers and carbon monolith surface were characterized by specific surface area and porosity, obtained from adsorption and desorption isotherms of N2 and by the amount and nature of surface oxygen groups, obtained by temperature-programmed desorption (TPD). As a specific test for surface activity, adsorption of silver was used. Obtained carbon materials impregnated with silver were also used for water disinfection. The possibility of using obtained materials in water purification was tested through adsorption of heavy metals and pesticides. Adsorption of heavy metal ions was tested through adsorption isotherms and kinetics. The experimental data obtain in this way was used for development of the mathematical model that would describe both the phenomenon of metal ions transport through the porous matrices, and the structure of carbonized hemp fibers. For the pesticides adsorption study, pesticides with different chemical structure were chosen: acetamiprid, dimethoate, nicosulfuron, carbofuran and atrazine. Decrease of pesticide concentration, as a consequence of the adsorption, was determined by liquid chromatography–tandem mass spectrometry technique. The possibility of using carbonized and activated hemp fibers as a sorbent in the solid-phase extraction (SPE) for pesticide analysis in water samples were also tested. Abstract The removal of lignin by chemical modification of carbon precursor brings the increase in the amount of surface oxygen groups, while polymorphic transformation of Cell I to Cell II increases specific surface area. Scanning electron microscopy (SEM) showed that the main feature of the carbonized samples are partial or complete fibrillation, caused by alteration of carbon precursor chemical structure. By varing the parameters of carbonisation and activation, different ACh and CM samples were obtained. Based on the adsorption capacities of ACh and CM samples toward pesticides, the optimal production parameters were chosen: carbonization temperature of 1000 oC, activated agent/carbon material ratio of 2/1 and activation temperature of 900 oC. It was shown that by following optimal production parameters microporous samples with high specific surface area (SBET, = 2192 m2/g) and amount of surface oxygen groups were obtained. Surface oxygen groups have dominant influence on silver deposition on the carbon material surface. Increased amount of CO yielding groups leads to the increased amount of Ag deposit and decreases its crystallite sizes. Activated hemp fibers and carbon monolith impregnated with silver are suitable for water disinfection due to the strong antimicrobial activity against Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Candida albicans. Carbonized hemp fibers show good adsorption properties toward heavy metal ions, which is mostly influenced by specific surface area. A good agreement between model prediction and the experimental data indicates that the proposed mathematical model can be used for optimization of heavy metal ions adsorption process by correlating the model parameters to the carbonized hemp fibers performances. All tested samples have good adsorption properties toward pesticides. The nature and the amount of surface oxygen groups show dominant effect on pesticide adsorption, while specific surface area is not the crucial factor. Due to the good adsorption properties toward heavy metals and pesticides, along with the strong antimicrobial effect, examined materials could be successfully used as filter materials in water purification. Also, results obtained from SPE experiments indicate that the activated hemp fibers could be successfully applied as a solid-phase sorbent for the pesticides analysis in water samples. For same pesticides, recoveries obtained by these cartridges were even higher than recoveries obtained by commercial cartridges. Abstract

Opis (srp)

Cilj ovog rada je razvoj metode dobijanja i funkcionalizacije površine nanostrukturisanih ugljeničnih materijala različitih morfologija u cilju postizanja maksimalne adsorpcije pesticida na tako dobijenim materijalima. Hemijska modifikacija kratkih vlakana konoplje pre karbonizacije, korišćena je u cilju ispitivanja uticaja hemijske strukture i morfologije ugljeničnog prekursora na svojstva karbonizovanog materijala. U cilju ispitivanja uticaja parametara dobijanja na površinske karakteristike rezultujućih ugljeničnih materijala, variranjem temperature karbonizacije, temperature aktivacije i odnosa količina aktivirajućeg agensa i karbonizovanog materijala, dobijeni su uzorci ugljeničnih materijala različitih površinskih karakteristika, a optimalni parametri dobijanja izabrani su na osnovu efikasnosti uklanjanja pesticida iz vodenih rastvora. Aktivirana vlakna konoplje i karbon monolit okarakterisani su sa aspekta specifične površine i poroznosti, određenih na osnovu adsorpcionih i desorpcionih izotermi azota, i količine površinskih grupa, dobijene metodom temperaturnoprogramirane desorpcije. Kao specifičan test za ispitivanje površinske aktivnosti dobijenih ugljeničnih materijala, korišćena je adsorpcija srebra na njihovoj površini, a potom je ispitana i mogućnost dezinfekcije vode ugljeničnim materijalima impregnisanim srebrom. Mogućnost korišćenja dobijenih ugljeničnih materijala u prečišćavanju vode ispitana je i sa aspekta adsorpcije teških metala i pesticida. Adsorpcija teških metala okarakterisana je adsorpcionim izotermama i adsorpcionom kinetikom. Dobijeni eksperimentalni podaci iskorišćeni su za matematičko modelovanje samog procesa transporta jona kroz poroznu matricu, kao i za karakterizaciju površinske strukture karbonizovanih vlakana konoplje. Za ispitivanje adsorpcije pesticida, korišćena je smeša rastvora pet pesticida različitih hemijskih struktura: acetamiprida, dimetoata, nikosulfurona, karbofurana i atrazina. Koncentracija pesticida u rastvoru određivana je metodom tečne hromatografije u kombinaciji sa tandem masenom spektrometrijom. Takođe, ispitana je i mogućnost korišćenja karbonizovanih i aktiviranih vlakana Rezime konoplje kao sorbenata u metodi ekstrakcije na čvrstoj fazi, pri analizi pesticida iz vodenih rastvora. Pokazano je da hemijska struktura ugljeničnog prekursora ima višestruki uticaj na karakteristike karbonizovanog materijala. Značajnije uklanjanje lignina iz strukture prekursora utiče na povećanje količine kiseoničnih površinskih grupa, dok polimorfna transformacija celuloze iz Cell I u Cell II izaziva povećanje specifične površine karbonizovanog materijala. Promene hemijskog sastava prekursora indirektno utiču i na morfologiju karbonizovanih vlakana konoplje, što je detektovano skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). Variranjem parametara karbonizacije i aktivacije dobijeni su različiti uzorci aktiviranih vlakana konoplje i karbon monolita. Optimalni parametri proizvodnje odabrani su na osnovu kapaciteta materijala za adsorpciju pesticida: temperatura karbonizacije od 1000oC, odnos aktivacioni agens : karbonizovani materijal – 2:1 i temperatura aktivacije od 900oC. Na ovaj način dobijeni su mikroporozni materijali visokih vrednosti specifične površine (SBET, = 2192 m2/g) i količine kiseoničnih površinskih grupa. Pokazano je da kiseonične grupe imaju dominantan uticaj na adsorpciju srebra, i da se povećanjem količine kiseoničnih grupa koje termalnom dekompozicijom otpuštaju CO može povećati količina i smanjiti veličina kristalita depozita Ag. Aktivirana vlakna konoplje i karbon monolit impregnisani srebrom pokazuju jako antimikrobno dejstvo na smešu Escherichia coli, Staphylococcus aureus i Candida albicans. Karbonizovana vlakna konoplje pokazuju dobre karakteristike u adsorpciji jona teških matala, pri čemu je efikasnost sorpcije uslovljena veličinom specifične površine. Matematički model razvijen u cilju opisivanja samog procesa transporta jona teških metala, kao i strukture adsorbenta pokazuje jako dobra slaganja između eksperimentalnih podataka i predikcije modela, pa se na zadovoljavajući način može koristiti za modelovanje procesa adsorpcije teških metala na karbonizovanim vlaknima konoplje. Svi ispitivani uzorci pokazuju visoku efikasnost adsorpcije pesticida, pri čemu vrsta i količina površinskih grupa imaju dominantan uticaj na adsorpciju pesticida, dok specifična površina nema presudnog uticaja u ovom procesu. Visoka efikasnost u uklanjanju pesticida i teških metala, kao i mogućnost dezinfekcije vode, omogućavaju uspešno korišćenje ovih materijala u izradi filtera za prešišćavanje vode. Rezime Rezultati dobijeni u SPE eksperimentu pokazuju da se aktivirana vlakna konoplje mogu koristiti kao sorbent za predkoncentrisanje pesticida, što ih čini adekvatnom zamenom za skupe komercijalne kertridže.

Opis (srp)

Hemija i hemijska tehnologija / Chemistry and Chemical Technology Datum odbrane: 15.03.2013.

Jezik

srpski

Datum

2013

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 2.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 2.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Ispitivanje materijala. Inženjerstvo materijala

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Organska hemijska tehnologija

carbonization, activation, short hemp fibers, carbon monolith, surfaceproperties, adsorption, solid phase extraction, pesticides, heavy metals, antimicrobialactivity

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Ispitivanje materijala. Inženjerstvo materijala

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Organska hemijska tehnologija

karbonizacija, aktivacija, kratka vlakna konoplje, karbon monolit,površinske karakteristike, adsorpcija, ekstrakcija na čvrstoj fazi, pesticidi, teški metali,antimikrobna aktivnost.