Investigation of solvent type effect on the structural properties of bio-polyol-based carbon foam

Öz

Nowadays, the increase in studies about the improvement of technology has enabled the development of new materials and their properties. Natural/industrial/pyrolytic graphite, graphite/carbon foams, diamond, graphene, carbon nanotube/nanofibers and carbon composites are carbonaceous materials used in the production of electronic devices and thermal management applications. As oil resources are beginning to diminish, the liquefaction of biomass is becoming a new area of biomass usage. In thermochemical conversion processes of biomass, biomaterials are obtained by using solvolysis liquefaction process, which is a subsection of direct liquefaction process. Cellulose, lignin and hemicellulose in the biomass structure contain a large number of hydroxyl groups. Conversion of liquefied biomass to biopolymers takes place through hydroxyl groups. Within the scope of the study, solvolytic liquefaction of hornbeam tree sawdust obtained as industrial waste was carried out in order to prepare carbon foam from low cost and renewable materials. The effect of solvent type (phenol and phenol + tar mixture) on the structure of carbon foams was investigated in the solvolytic liquefaction process. In order to overcome the irregularities in the foam structure as a result of the addition of tar to the synthesis medium, the processes were repeated by increasing the amount of surfactant. Elemental analysis, scanning/transmission electron microscopy, nitrogen sorption, and x-ray diffraction analyses were performed for the carbon foam characterization, compression strength and density measurements were also carried out. According to the characterization data, it is concluded that biomass-based carbon foams with adjustable crystallographic, morphological and structural properties can be produced by changing the solvent type and the amount of surfactant.

Anahtar Kelimeler

• Hornbeam sawdust,carbon foam,pyrolysis,solvolytic liquefaction

Proje Numarası

2018-01.BŞEÜ.03-10

Biyo-poliol-esaslı karbon köpüğün yapısal özellikleri üzerinde çözücü türü etkisinin incelenmesi

Öz

Günümüzde teknolojinin geliştirilmesi üzerindeki çalışmaların artışı, yeni malzemelerin üretimini ve özelliklerinin geliştirilmesini sağlamıştır. Doğal/endüstriyel/pirolitik grafit, grafit/karbon köpükler, elmas, grafen, karbon nanotüp/nanofiber ve karbon kompozitler elektronik aletlerin üretiminde ve ısıl yönetim uygulamalarında kullanılan karbonlu malzemelerdir. Petrol kaynakları giderek azalmaya başlarken, biyokütlenin sıvılaştırılması biyokütle kullanımının yeni bir alanı olarak yaygınlaşmaktadır. Biyokütlenin termokimyasal dönüşüm yöntemleri içerisinde doğrudan sıvılaştırma prosesinin bir kolu olan solvoliz sıvılaştırma işlemi kullanılarak biyomalzemeler elde edilmektedir. Biyokütlenin yapısında bulunan selüloz, lignin ve hemiselüloz çok sayıda hidroksil grubu içermektedir. Hidroksil grupları sayesinde sıvılaştırılmış biokütlenin biyopolimerlere dönüşümü gerçekleşmektedir. Bu çalışma kapsamında, düşük maliyetli ve yenilenebilir malzemelerden karbon köpük hazırlanması amacıyla endüstriyel atık olarak temin edilen gürgen ağacı talaşının solvolitik sıvılaştırılması gerçekleştirilmiştir. Solvolitik sıvılaştırma yönteminde reaktif türünün (fenol ve fenol+katran karışımı) karbon köpüklerin yapısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Katranın sentez ortamına eklenmesi sonucu köpük yapısında meydana gelen düzensizliklerin üstesinden gelinmesi amacıyla, yüzey aktif madde miktarı arttırılarak işlemler tekrar edilmiştir. Karbon köpüklerin karakterizasyonu için elementel analiz, taramalı/geçirimli elektron mikroskopi, azot sorpsiyon ve x-ışını kırınım analizleri uygulanmış, ayrıca basma dayanımı ve yoğunluk ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon verilerine göre, çözücü türü ve yüzey aktif madde miktarı değiştirildiğinde ayarlanabilir kristalografik, morfolojik ve yapısal özelliklere sahip biyokütle-esaslı karbon köpüklerin üretilebileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Gürgen talaşı,karbon köpük,piroliz,solvolitik sıvılaştırma

Destekleyen Kurum

Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi

Proje Numarası

2018-01.BŞEÜ.03-10

Teşekkür

Yazarlar 2018-01.BŞEÜ.03-10 projesine verdiği destek için Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü’ne teşekkür ederler.

Kaynakça

1. [1] Kyotani, T., Control of Pore Structure In Carbon, Carbon, 38(2), 269-286, 2000.
2. [2] Wu Z., Zhao D., Ordered Mesoporous Materials as Adsorbents, Chem. Commun., 47(12), 3332-3338, 2011.
3. [3] Zhou J., Yuan X., Xing W., Si W.J., Zhuo S.P., Mesoporous Carbons Derived from Citrates for Use in Electrochemical Capacitors, New Carbon Mater., 25(5), 370-375, 2010.
4. [4] Sánchez-Martín J., Beltrán-Heredia J., Delgado-Regana A., Rodríguez-González M.A., Rubio-Alonso F., Optimization of Tannin Rigid Foam As Adsorbents For Waste Water Treatment, Ind. Crops Prod., 49, 507-514, 2013.
5. [5] Lin M., Huang C., Lo M., Mou C., Well-Ordered Mesoporous Carbon Thin Film With Perpendicular Channels: Application To Direct Methanol Fuel Cell, J. Phys. Chem. C., 112(3), 867-873, 2008.
6. [6] Gao P., Wang A., Wang X., Zhang, T., Synthesis of Highly Ordered Ir-Containing Mesoporous Carbon Materials By Organic–Inorganic Self-Assembly, Chem. Mater., 20(5), 1881-1888, 2008.
7. [7] Hu S., Li Y., Polyols and Polyurethane Foams From Base-Catalyzed Liquefaction of Lignocellulosic Biomass By Crude Glycerol: Effects of Crude Glyc-Erolimpurities, Ind. Crops Prod., 57, 188-194, 2014.
8. [8] Jana P., Fierro V., Pizzi A., Celzard A., Biomass-Derived, Thermally Conducting, Carbon Foams For Seasonal Thermal Storage, Biomass Bioenergy, 67, 312-318, 2014.

9. [9] Lin L., Yao Y., Yoshioka M., Shiraishi N., Liquefaction Mechanism of Cellulose In The Presence of Phenol Under Acid Catalysis, Carbohydr. Polym., 57(2), 123-129, 2004.
10. [10] Liu Z., Zhang F., Effects of Various Solvents On The Liquefaction of Biomass To Produce Fuels and Chemical Feedstocks, Energy Convers. Manage., 49(12), 3498-3504, 2008.
11. [11] Fan S.P., Zakaria S., Chia C.H., Jamaluddin F., Nabihah S., Liew T.K., Pua, F.L., Comparative Studies of Products Obtained From Solvolysis Liquefaction of Oil Palm Empty Fruit Bunch Fibres Using Different Solvents, Bioresour. Technol., 102(3), 3521-3526, 2011.
12. [12] Wang R., Li W., Liu S., A Porous Carbon Foam Prepared from Liquefied Birch Sawdust, J. Mater. Sci., 1977-1984, 2012.
13. [13] Apaydın-Varol E., Farklı Biyokütlelere Değişik Isıl Işlemler Uygulanması ve Elde Edilen Ürün Özelliklerinin Belirlenmesi, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 2007.
14. [14] Yargıç A.Ş., Karbon Köpük Üretimi ve Karakterizasyonu, Doktora Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi-Anadolu Üniversitesi Ortak Protokol, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bilecik, 2017.
15. [15] Özbay N., Apaydın-Varol E., Uzun B., Pütün, A., Characterization of Bio-Oil Obtained from Fruit Pulp Pyrolysis, Energy, 33, 1233-1240, 2008.
16. [16] Uzun B.B., Apaydin-Varol E., Ateş F., Özbay N., Pütün A.E., Synthetic Fuel Production from Tea Waste: Characterisation of Bio-Oil and Bio-Char, Fuel, 89, 176-184, 2010.
17. [17] Özbay N., Pamuk Çiğidi Pres Küspesinin Pirolizi ve Sıvı Ürünlerinin Karakterizasyonu, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 1998.
18. [18] Araújo R., Pasa V., Melo B., Effects of Biopitch On The Properties of Flexible Polyurethane Foams, Eur. Polym. J., 41(6), 1420-1428, 2005.
19. [19] Rios R., Martinez-Escandell M., Molina-Sabio M., Rodriguez-Reinoso F., Carbon Foam Prepared by Pyrolysis of Olive Stones Under Steam, Carbon, 1448-1454, 2006.
20. [20] Lee S., Teramoto Y., Shiraishi N., Resol-Type Phenolic Resin From Liquefied Phenolated Wood and Its Application To Phenolic Foam, J. Appl. Polym. Sci., 84, 468-472, 2002.
21. [21] Ozbay N., Yargic A.S. Carbon foam production from bio‐based polyols of liquefied spruce tree sawdust: Effects of biomass/solvent mass ratio and pyrolytic oil addition, J. Appl. Polym. Sci., 136(11), 47185, 2019.
22. [22] Li W., Huang Z., Wu Y., Zhao X., Liu S., Honeycomb Carbon Foams With Tunable Pore Structures Preparedfrom Liquefied Larch Sawdust By Self-Foaming, Ind. Crops Prod., 64, 215-223, 2014.
23. [23] Strano M.S., Zydney A.L., Barth H., Wooler G., Agarwal H., Foley H.C., Ultra-Filtration Membrane Synthesis by Nanoscale Templating of Porous Carbon, J. Membr. Sci., 198(2), 173-186, 2002.
24. [24] Takagi H., Maruyama K., Yoshizawa N., Yamada Y., Sato Y., XRD Analysis of Carbon Stacking Structure in Coal During Heat Treatment, Fuel, 83(17-18), 2427-2433, 2004.
25. [25] Bansode R.R., Losso J.N., Marshall W.E., Rao R.M., Portier R.J., Adsorption Ofvolatile Organic Compounds By Pecan Shell- and Almond Shell-Based Granular Activated Carbons, Bioresour. Technol., 90(2), 175-184, 2003.
26. [26] Liu S., Huang Z., Wang R., A Carbon Foam With A Bimodal Micro–Mesoporous Structure Prepared From Larch Sawdust For The Gas-Phase Toluene Adsorption, Mater. Res. Bull., 2437-2441, 2013.
27. [27] Septevani A.A., Evans D.A.C., Chaleat C., Martin D.J., Annamalai P.K., A Systematic Study Substituting Polyether Polyol with Palm Kernel Oil Based Polyester Polyol in Rigid Polyurethane Foam, Ind. Crops Prod., 66, 16-26, 2015.
28. [28] Dos-Santos C., Costa M., De Morais W., Pasa V., Phenolic Foams From Wood Tar Resols, J. Appl. Polym. Sci., 115, 923-927, 2010