Hydrothermal carbonization in the synthesis of sustainable porous carbon materials

Carbon materials are found versatile and applicable in wide range of applications. During the recent years research of carbon materials has focussed on the search of environmentally friendly, sustainable, renewable and low-cost starting material sources as well as simple cost-efficient synthesis techniques. As an alternative synthesis technique in the production of carbon materials hydrothermal carbonization (HTC) has shown a great potential. Depending on the application HTC can be performed as such or as a pretreatment technique. This technique allows synthesis of carbon materials i.e. hydrochars in closed vessel in the presence of water and self-generated pressure at relatively low temperatures (180-250 ˚C). As in many applications well developed porosity and heteroatom distribution are in a key role. Therefore in this study different techniques e.g. varying feedstock, templating and post-treatment in order to introduce these properties to the hydrochars structure were performed. Simple monosaccharides i.e. fructose or glucose and more complex compounds such as cellulose and sludge were performed as starting materials. Addition of secondary precursor e.g. thiophenecarboxaldehyde and ovalbumin was successfully exploited in order to alter heteroatom content. It was shown that well-developed porosity (SBET 550 m2/g) can be achieved via one-pot approach (i.e. exploitation of salt mixture) without conventionally used post-carbonization step. Nitrogen-enriched hydrochars indicated significant Pb(II) and Cr(VI) removal efficiency of 240 mg/g and 68 mg/g respectively. Sulphur addition into carbon network was not found to have enhancing effect on the adsorption of methylene blue or change acidity of the carbon material. However, these hydrochars were found to remove 99.9 % methylene blue and adsorption efficiency of these hydrochars remained over 90 % even after regeneration. In addition to water treatment application N-rich high temperature treated carbon materials were proven applicable as electrocatalyst and electrocatalyst support. Hydrothermal carbonization was shown to be workable technique for the production of carbon materials with variable physico-chemical properties and therefore hydrochars could be applied in several different applications e.g. as alternative low-cost adsorbent for pollutant removal from water.

Hiilimateriaalit ovat monipuolinen ja useissa sovelluksissa hyödynnettävä materiaaliryhmä. Viime vuosina hiilimateriaalien tutkimus on keskittynyt ympäristöystävällisten, uusiutuvista ja edullisista lähtömateriaaleista tuotettujen materiaalien tuottamiseen ja lisäksi yksinkertaisten sekä kustannustehokkaiden tekniikoiden luomiseen. Märkäpyrolyysi on tavallisista hiilimateriaalien valmistustekniikoista poikkeava menetelmä, jossa synteesi tapahtuu suljetussa astiassa vesiliuoksessa suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (180-250 ˚C) ja korkeassa paineessa. Useissa sovelluksissa materiaalin huokoisuus ja heteroatomien jakautuminen ovat avainasemassa. Märkäpyrolyysissä erityisesti huokoisuuden tuottaminen on haasteellista tekniikan asettamien rajoitteiden vuoksi. Hiilimateriaalien ominaisuuksia muokattiin erilaisilla lähestymistavoilla joita ovat lähtöaineen valinta, templaatin hyödyntäminen ja jälkimodifiointi. Märkähiiltä tuotettiin yksinkertaisista monosakkarideista, kuten fruktoosista ja glukoosista, sekä monimutkaisemmista rakenteista, kuten selluloosasta ja lietteestä. Hiilimateriaaleihin onnistuttiin lisäämään typen sekä rikin toiminnallisia ryhmiä hyödyntäen toissijaisia lähtöaineita, kuten ovalbumiinia ja tiofeenikarboksaldehydiä. Huokoisuutta (SBET 550 m2/g) onnistuttiin lisäämään ilman tavanomaista korkealämpötilakäsittelyä. Märkähiilien haitta-aineiden poistokyky vesiliuoksista oli korkea, erityisesti runsaasti typpeä sisältävien hiilimateriaalien havaittiin poistavan tehokkaasti lyijyä (Pb(II) qe=240 mg/g) ja kromia (Cr(VI) qe=68 mg/g). Rikin funktionaalisuuksien lisäämisellä ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta metyleeninsinisen poistossa. Metyleenin sininen onnistuttiin poistamaan 99.9 % vesiliuoksesta ja näiden hiilimateriaalien adsorptiotehokkuus oli suuri regeneroinnin jälkeenkin. Vedenkäsittely sovelluksen lisäksi märkähiili materiaalit osoittivat elektrokatalyyttistä aktiivisuutta. Korkealämpötilakäsitelty typpeä sisältävä hiilimateriaali antoi positiivisen vasteen hapetus-pelkistysreaktiossa polttokennosovelluksia silmälläpitäen. Märkäpyrolyysi osoittautui toimivaksi menetelmäksi fysikaalis-kemiallisilta ominaisuuksiltaan vaihtelevien hiilimateriaalien valmistamisessa. Nämä märkähiilet olivat erityisen tehokkaita haitta-aineiden poistamisessa vedestä.