使用済みコーヒーかす及び市販の活性炭を原料とするバイオ炭の物理化学的特性がストロンチウムイオン(Sr)の吸着挙動及び吸着機構に及ぼす影響を明らかにした

Effects of physicochemical properties of biochar derived from spent coffee grounds and commercial activated carbon on adsorption behavior and mechanisms of strontium ions (Sr).

• Jaegwan Shin
• Sang-Ho Lee
• Sangwon Kim
• Duuriimaa Ochir
• Yongeun Park
• Jihye Kim
• Yong-Gu Lee
• Kangmin Chon

抄録

本研究では、使用済みコーヒーかす(SCG)と粉末活性炭(PAC)を原料とするバイオ炭によるSrの吸着等温線,運動方程式,熱力学の違いを調べた。PACの比表面積(957.6m/g)及び細孔容積(0.676cm/g)は、SCGバイオ炭(比表面積=11.0m/g,細孔容積=0.009cm/g)を大きく上回った。しかし、SCG炭はPAC炭（Q=32.79mg/g）に比べて、Srの最大吸着能（Q=51.81mg/g）が高いことがわかった。酸性条件下(pH=1.0-3.0)でのSrの除去効率は、SCGバイオ炭とPACでは無視できるほど低いことから、静電反発が炭素質吸着材によるSrの吸着を著しく阻害している可能性があることが示唆された。擬似2次モデルの高いR値(R≥0.999)は、擬似1次モデル(R≥0.815)と比較して、化学吸着がSrの除去を支配していることを示唆している。さらに、Langmuir等温モデル(R≥0.994)の方がフロイントリッヒ等温モデル(R≥0.982)よりも優れたSrの吸着挙動を示したことから、単層吸着がSrの除去に重要な役割を果たしていることが示唆された。熱力学的研究の結果、SrのSCGバイオ炭やPACへの吸着は吸熱的であり、自然に起こることが明らかになった。また、DOMの阻害効果にもかかわらず、SCGバイオ炭はPACと比較して高いSr除去効率を示した。このことから、SCGはSrの水溶液からの除去にはPACの代替品と考えられる。

This study examined differences in the adsorption isotherms, kinetic equations, and thermodynamics of Sr by biochar from spent coffee grounds (SCG) and powdered activated carbon (PAC). The specific surface area (957.6 m/g) and pore volume (0.676 cm/g) of PAC were much greater than those of SCG biochar (specific surface area = 11.0 m/g, pore volume = 0.009 cm/g). However, SCG biochar showed a higher maximum adsorption capacity of Sr (Q = 51.81 mg/g) compared with PAC (Q = 32.79 mg/g) due to its abundance of O-containing functional groups. The negligible removal efficiencies of Sr by SCG biochar and PAC under acidic conditions (pH = 1.0-3.0) are evidence that the electrostatic repulsion might hinder severely the adsorption of Sr by the carbonaceous adsorbents. The higher R values of the pseudo-second-order model (R ≥ 0.999) compared with the pseudo-first-order model (R ≥ 0.815) suggest that chemisorption governed the removal of Sr using SCG biochar and PAC. Furthermore, the better description of the adsorption behavior of Sr by the Langmuir isotherm model (R ≥ 0.994) than the Freundlich isotherm model (R ≥ 0.982) supports the assumption that the monolayer adsorption played critical roles in the removal of Sr using SCG biochar and PAC. The thermodynamic studies revealed that adsorption of Sr onto SCG biochar and PAC was endothermic and happened spontaneously. Despite the significant inhibitory effects of DOM, SCG biochar exhibited the higher removal efficiencies of Sr compared with PAC. Hence, SCG biochar could be considered as an alternative to PAC for the removal of Sr from aqueous solutions.