SYNTHESIS OF ACTIVATED CARBON FROM FLY ASH AND ITS APPLICATION FOR THE REMOVAL OF ACIDIC GAS AND OTHER POLLUTANTS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Thesis) Phd_Thesis(zaheer)-Final_Version.pdf - Accepted Version Download (9MB) | Preview

Arabic Abstract

رماد النفط المتطاير (OFA) رماد النفط المتطاير (OFA) عبارة عن منتج جانبي من عديد من الصناعات ومصانع انتاج الكهرباء.ان (OFA) يتسبب بمخاطر صحية وبيئية ويتطلب تخلص آمن. رماد النفط المتطاير (OFA) بوز ولاني/ pozzolanic في الطبيعة, ويتكون اساسا من 80% من كربون غير محترق مع اكاسيد معدنية مثل SiO2- Fe2O3- Al2O3- CaO وآثار من المعادن الثقيلة. استغلال رماد النفط المتطاير (OFA) مصدر للكربون النشط يعد ذا فائدة وذلك لانخفاض سعره وتوفره وخطوة واحدة للتنشيط مقارنة للطرق التقليدية لتحضير الكربون النشط بخطوتين. خليط من الاحماض HNO3- H2SO4- H3PO4 تم استعماله لاستخلاص المعادن من رماد النفط المتطاير وزيادة مسامية المادة الخام. بعد المعالجة الحمضية, المسام الدقيقة تم زيادتها فيزيائيا بثاني اكسيد الكربون في درجات حرارة مرتفعة. العينات تم معالجتها 20 % H2SO4, 40 % HNO3 40. % H3PO4 حجميا تنشط عند 990 oC تتحصل مساحة سطح قدرها 375.7m2/g عند مقارنتها بالرماد النفط المتطاير (OFA) الاصلي 2.8 m2/g. مساحة السطح العالية تم اختبارها بواسطة (SEM)-(FTIR) - (XRD) -(TGA).. الكربون النشط تم معالجته بمحاليل HNO3 - NH4OH لاضافة الزمرات الكربوكسيلية والامينية للسطح. تم استخدام FTIR لتأكيد وجود الزمر الوظيفية عبى سطح الكربون النشط في مراحل مختلفة من تطويره. اداء الكربون النشط جربت لازالة H2S من غاز طبيعي محضر عن طريق ...../ Breakthrough experiment. نتائج هذه التجارب اوضح سعة الادمصاص 0.3 mg/g عند الكربون النشط بـ NH4OH مع 86.43% كفاءة تجديد. الكربون النشط المعالج هيدروكسيد الامونيوم اكثر كفاءة في ارالة H2S من العالج بالحمض مثل ما تم تأكيده بـ ...../ Breakthrough experiment. النتائج اشارت الى وجود كثير من الزمرات الحمضية يقلل من كفاءة ادمصاص H2S من خليط الغاز. عينة اخرى تم معالجتها 20% HNO3 - 80% H3PO4 وايضا 2M KOH لتحسين مساحة السطح وايضا ألفة السطح لادمصاص H2S.تم دراسة ادمصاص H2S الى رماد النفط المتطاير (OFA) النشط عن طريق حركية التفاعل و..../ breakthrough experimentباستعمال نماذج الادمصاص التماثلية مثل Langmuir, Freundlich, Sips , dual site Langmuir (DSL). نماذج الادمصاص الاتزانية اوضحت ان OFA لديه مواقع مزدوجة ذات ألفة عالية ومنخفضة لادصاص H2S. تأثير معدل التدفق وتركيز التغذية درس عن طريق نموذج Yoon-Nelson و نموذج Thomasو نموذج Clark. اقصى سعة 8.5 mg/g تحصلت عند معدل تدفق 0.2L/min وتركيز 100 ppm. ازالة الاصباغ تم دراسته بتقنية تحميل التنشيط الحمضي NH4OH لرماد النفط المتطاير النشط وتجربتها لازالة الاصباغ من المحاليل المائية. سعة الادصاص للكربون النشط تم اختبارها لثلاث اصباغ Methylene blue, Mthyl orange Rhodamine 6G. تجربة الادمصاص تم اجراؤها للاصباغ احاديا وثنائيا في المحاليل المائية. الادمصاص الاحادي, كل من Methylene blue , Rhodamine 6G سعة 19 mg/g بينما methyl orange سعته 12 mg/g. الادمصاص الثنائي يتكون من أيوني وكاتيوني من الاصباغ نتج عنه تأثير تآزري/ synergistic. محلول المتكون من اصباغ كاتيونية (Methylene Blue , Rhodamine 6G) نتج عنه سعة ثابتة لكل التراكيز المدروسة. البيانات الحركية التفاعلية اوضحت الادمصاص ماص للحرارة لكل الاصباغ عند الادمصاص الاحادي. ولكن عند الادمصاص الثنائي بعض نتج عنه مثل (methylene blue / methyl orange _ methylene blue / Rhodamine 6G) ادمصاص طارد للحرارة بينما المحلول المتكون من Rhodamine 6G , Methyl orange نتج عنه ادمصاص ماص للحرارة.

English Abstract

OFA (oil fly ash) is by product of many industrial and power generation plant operations. OFA usually causes environmental and health problems and requires safe disposal. OFA is pozzolanic in nature; it contains mainly unburned carbon (∼80%) with some inorganic oxides like SiO2, Fe2O3, Al2O3, and CaO and traces of heavy metals. Exploiting the use of fly ash as a precursor of activated carbon is advantageous due to its cheap source, availability, and one step activation procedure as compared to conventional production of activated carbon by two step activation. Acid mixture comprising of HNO3, H2SO4, and H3PO4 was used to leach out the mineral contents from ash and increases the porosity of raw material. After acid treatment, mico porosity was further increased by physically activating it with CO2 at elevated temperatures. The specimens treated with 20 vol. % H2SO4, 40 vol. % HNO3 and 40 vol. % H3PO4 and activated at 990oC have a BET surface area of 375.7m2/g when compared to 2.8 m2/g for the original OFA. The synthesized high surface area activated carbon were characterized by Scanning Electron microscopy (SEM), Fourier Transform spectroscopy (FTIR), ASAP 2020 surface area analyzer, X-ray diffraction, thermo-gravimetric analysis (TGA). The AC was further treated with HNO3and NH4OH solutions in order to attach the carboxylic and amine groups on the surface, respectively. FTIR characterization was used to confirm the presence of the functional groups on the surface of AC at different stages of its development. The performance of functionalized AC samples is tested for the removal of H2S from a synthetic natural gas by carrying out breakthrough experiments. The results from these tests have shown maximum adsorption capacity of 0.3mg/g for NH4OHfunctionalized activated carbon with 86.43% regeneration efficiency. The ammonium hydroxide treated AC is found to be more effective for H2S removal than acid treated AC as confirmed by breakthrough experiments. The results indicate that the presence of more acidic functionalities on the surface reduces the H2S adsorption efficiency from the gas mixture. Another sample that was treated with acid mixture (20% HNO3 and 80% H3PO4) followed by 2M KOH to improve surface area as well as surface affinity to adsorb H2S. Adsorption of H2S onto activated OFA were studied using kinetic and breakthrough modeling using well-known Langmuir, Freundlich, Sips and dual site Langmuir (DSL) model. Equilibrium isotherm modeling showed that OFA has dual site with higher and lower affinity for H2S adsorption. The effect flow rates and inlets concentrations have been explain through Yoon-Nelson model, Thomas model and Clark model. Maximum uptake capacity of 8.5mg/g was obtained for 0.2L/min flow rate with 100 ppm inlet concentration. Dyes removal tests were also done by impregnating the acid activated fly ash with NH4OH and tested it to remove the dyes from an aqueous solution by batch experiments. The adsorption capacity of activated ash were tested with three different dyes namely Methylene blue, Methyl-orange and Rhodamine 6G. The adsorption experiments were performed with both single and binary dye aqueous solutions. As single component adsorption, both Methylene blue and Rhodamine 6G have 19mg/g uptake capacity while methyl orange have 12mg/g adsorption capacity. Adsorption experiments with binary solution comprise of cationic and anionic combinations of dyes shows synergistic effect. Solution comprises of only cationic dyes (Methylene Blue and Rhodamine 6G exhibits a constant uptake for all concentration tested. Kinetic data shows the endothermic adsorption of all three dyes as single component adsorption. During binary component adsorption some combination (like methylene blue / methyl orange and methylene blue / Rhodamine 6G) exhibits exothermic adsorption while the solution comprises of Rhodamine 6G and Methyl orange presents endothermic adsorption.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Environmental Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Shawabkeh, Dr. Reyad A. Shawabkeh
Committee Co-Advisor:	Hussein, Dr. Ibnelwaleed Ali Hussein
Committee Members:	Amin, Dr. Muhamed B. Amin and Ba-Shammakh, Dr. Mohammed Ba-Shammakh and Hossain, Dr.Mohammead Mozahar Hossain
Depositing User:	ASLAM HAFI MUHAAMAD ZAHEER (g201101530)
Date Deposited:	09 Aug 2015 06:32
Last Modified:	01 Nov 2019 16:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139699