Title
Uticaj morfologije i površinskih grupa nanoporoznih ugljeničnih materijala na adsorpciju pesticida iz vode
Creator
Vukčević, Marija, 1975-
Copyright date
2013
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
Other responsibilities
mentor
Laušević, Mila, 1951-
član komisije
Vasiljević, Tatjana, 1968-
član komisije
Kostić, Marijana
član komisije
Laušević, Zoran
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Tehnološko-metalurški fakultet
Alternative title
Influence of nanoporous carbon materials surface morphology and functional groups on pesticide adsorption from water solution
Publisher
Beograd : [M. Vukčević]
Format
PDF/A (164 lista)
description
Hemija i hemijska tehnologija / Chemistry and Chemical Technology
Datum odbrane: 15.03.2013.
Abstract (sr)
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.
Abstract (en)
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
Authors Key words
karbonizacija, aktivacija, kratka vlakna konoplje, karbon monolit,
površinske karakteristike, adsorpcija, ekstrakcija na čvrstoj fazi, pesticidi, teški metali,
antimikrobna aktivnost.
Authors Key words
carbonization, activation, short hemp fibers, carbon monolith, surface
properties, adsorption, solid phase extraction, pesticides, heavy metals, antimicrobial
activity.
Classification
66.017:66.067.8(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
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.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.