BIOCHAR PRODUCTION THROUGH CO-PYROLYSIS OF WASTE PLASTIC WITH SPENT COFFEE GROUNDS FOR ENERGY STORAGE APPLICATIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF COMPLETE MASTER THESIS REPORT AMAL BEN OTHMEN.pdf Restricted to Repository staff only until 2 June 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

استجابةً للتحديات المتزايدة المرتبطة بتراكم النفايات البلاستيكية والعضوية، يُعدّ إنتاج الفحم الحيوي من خلال التحلل الحراري المشترك حلًا مستدامًا واعدًا. في هذه الدراسة، تمّت دراسة مخلفات القهوة المستهلكة (SCG) والبولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) بوصفهما مادتين أوليتين محتملتين لإنتاج فحم حيوي منخفض التكلفة وصديق للبيئة من خلال التحلل الحراري المشترك. كما تم تحديد المعلمات التشغيلية المثلى لتعظيم مردود الفحم الحيوي وتحسين جودته لتطبيقات تخزين الطاقة. أُجريت عملية التحلل الحراري المشترك باستخدام أنبوب من الكوارتز داخل فرن أنبوبي تحت جو خامل. وتُسهِّل النمذجة المعتمدة على تحليل التباين (ANOVA) التنبؤ بسلوك النظام واستمثاله من خلال دمج البيانات التجريبية عبر عدة معاملات. وإلى جانب فائدتها التحليلية، توفّر هذه المقاربة مزايا عملية مقارنةً بالطرق البديلة، من بينها تقليل الزمن واستهلاك المواد، مع ضمان الاستقلالية الإحصائية للعوامل المدروسة. وقد استُخدم تصميم إحصائي للتجارب لتحديد عدد التجارب اللازمة، مع تغيير ثلاثة معلمات هي: درجة الحرارة، ومعدل التسخين، ونسب المواد الأولية. وتبيّن أن المعلمات المثلى للعملية كانت عند درجة حرارة 600 °م، ومعدل تسخين 15 °م/دقيقة، ونسبة 25:75 من LDPE إلى SCG ، مما أدى إلى إنتاج مردود من الفحم الحيوي يقارب 26%. وقد كانت نسبة المواد الأولية ودرجة الحرارة الأكثر تأثيرًا في العملية، في حين لم يكن لمعدل التسخين تأثير معنوي إحصائي. كما جرى التحقق من صحة عملية التحلل الحراري المشترك بواسطة المحاكاة باستخدام برنامج Aspen Plus® تحت الظروف المثلى المحددة تجريبيًا. وبلغ جذر متوسط مربع الخطأ بين مردود الفحم الحيوي التجريبي والمحاكى نحو 4% وزنيًا، مما يؤكد دقة وموثوقية نموذج العملية المطوَّر.ودُرست كذلك الخصائص الفيزيائية الكيميائية والمسامية للفحم الحيوي الناتج، بما في ذلك القيمة الحرارية العليا، والمجموعات الوظيفية السطحية، ومساحة السطح، وحجم المسام، وتوزيع أحجام المسام. وأظهرت التقييمات الكهروكيميائية أن المكثف فائق السعة الذي تم تجميعه أبدى سلوكًا سعويًا واعدًا مع عمر دوري طويل، مما يبرز إمكانات الفحم الحيوي المشتق من النفايات بوصفه مادة مستدامة وعالية الأداء لأجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية من الجيل القادم. الكلمات المفتاحية: الفحم الحيوي، الكتلة الحيوية، التحلل الحراري المشترك، النمذجة، الاستمثال، المكثف فائق السعة

English Abstract

In response to the growing challenges of plastic and organic waste accumulation, biochar production through co-pyrolysis presents a promising sustainable solution. In this study, we investigated spent coffee grounds (SCG) and low-density polyethylene (LDPE) as a potential feedstock for producing cost effective and environmentally friendly biochar through co-pyrolysis. Optimal process parameters for maximizing biochar yield and quality for energy storage application were determined. Co-pyrolysis was carried out using a quartz tube inside a tubular furnace under inert conditions. ANOVA-based modelling facilitates the prediction and optimization of system behavior by integrating experimental data across multiple parameters. Beyond its analytical utility, this approach offers practical advantages over alternative methods, including reduced time and material consumption, while ensuring the statistical independence of the evaluated factors. A statistical design of experiments was employed to determine the number of experiments, varying 3 parameters temperature, heating rate, and feedstock ratios. The optimized process parameters were found at temperature of 600 °C, heating rate of 15 °C /min and a ratio of 25:75 of LDPE: SCG producing ~26% of biochar yield. The feedstock ratio and temperature had the highest impact on the process while the heating rate has no significant impact. The co-pyrolysis process was further validated through simulation using the Aspen Plus® software under the experimentally optimized conditions. Root mean square error between the experimental and simulated biochar yields was found to be ~4 wt%, confirming the accuracy and reliability of the developed process model. The physicochemical and pore properties of the resulting biochar, including calorific value (higher heating value), surface functional groups, surface area, pore volume, pore size distribution were studied. Electrochemical evaluations demonstrated that the assembled supercapacitor showed promising capacitive behavior with thousands of cycle, highlighting the potential of waste-derived biochar as a sustainable and high-performance material for next-generation electrochemical energy storage devices. Keywords: Biochar, Biomass, Co-pyrolysis, Modeling, Optimization, Supercapacitor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Omar Abdelaziz,
Thesis Committee Members:	Abdulrahman Al-betar, Mohammed Mohammed,
Depositing User:	AMAL BENOTHMEN (g202320090)
Date Deposited:	02 Jun 2026 11:35
Last Modified:	02 Jun 2026 11:35
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144321