Gliricidia sepiumバイオ炭によるカフェイン除去．熱分解温度と物理化学的性質の影響

Caffeine removal by Gliricidia sepium biochar: Influence of pyrolysis temperature and physicochemical properties.

• S Keerthanan
• Suranga M Rajapaksha
• Lukáš Trakal
• Meththika Vithanage

抄録

本研究では、300, 500, 700℃で熱分解したグリリシディア・セピウム・バイオチャール(GBC)を用いて、医薬品やパーソナルケア製品であるカフェイン(CFN)を水から除去する際の性能に物理化学的特性が及ぼす影響を検討した。GBCの物理化学的特性は、近接分析,究極分析,BET,SEM,FTIR,ラマン分光法により評価した。吸着バッチ実験は、様々なpH値(pH3〜10)、混合時間(24hまで)、初期CFN濃度(10〜500mg/L)で実施した。FTIR分析の結果、高温で誘導されたGBCの表面に極性官能基が消失していることが明らかになった。赤にシフトしたラマンピークと青にシフトしたラマンピークは、GBC上の低分子の縮合を示している。700℃で得られたGBCは、高い表面積と芳香族性により高いCFN吸着能(16.26mg/g)を示した。また、CFNとGBCの間には非特異的な引力が存在することから、酸性pH3.5から4.5の範囲でCFNの吸着が最も高いことがわかった。実験データをElovich, フラクショナルパワーキネティック回帰, Freundlich, Temkin等温モデルを用いて等温実験を行った結果、CFNのGBCへの吸着は、π-π相互作用,水素結合,n-π相互作用,静電引力,電子供与体-受容体引力を含む物理吸着と化学吸着の混合機構によるものであることが示唆された。さらに、表面積と芳香族性指数はいずれもCFN吸着に対して高い正の相関を示しており、バイオ炭の最終利用目的に応じた物理化学的特性の制御が重要であることを示している。

The present study aimed to envisage the effect of physicochemical properties on the performance of Gliricidia sepium biochar (GBC) pyrolyzed at 300, 500, and 700 °C in the removal caffeine (CFN); a pharmaceutical and personal care product, from water. The physicochemical properties of GBC were characterized by proximate and ultimate analysis, BET, SEM, FTIR, and Raman spectroscopy. The adsorption batch experiment was carried out at various pH values (pH 3-10), mixing times (up to 24 h), and initial CFN concentration (10-500 mg/L). The FTIR analysis revealed the loss of polar functional groups on the surface of GBC derived at high temperatures. The red-shifted and blue-shifted Raman peaks indicate the condensation of small molecules on GBC. The GBC derived at 700 °C demonstrated high CFN adsorption capacity (16.26 mg/g) due to its high surface area and aromaticity. The highest adsorption of CFN was occurred at acidic pH range from 3.5 to 4.5 due to the existence of non-specific attraction between CFN and GBC. The kinetics and isotherm experimental data were fitted with Elovich and fractional power kinetic regression, Freundlich, and Temkin isotherm models, which suggested the adsorption of CFN on the GBC by mixed mechanisms; physisorption and chemisorption including π-π interactions, hydrogen bonding, n-π interactions, electrostatic attraction, and electron donor-acceptor attraction. Moreover, both surface area and aromaticity index have demonstrated a high positive correlation for CFN adsorption, signifying the importance of controlling physicochemical properties based on the end-user purpose of biochar.

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