Moroz, І.
(2025).
Optimising the adsorption characteristics of spent coffee grounds by thermal and chemical activation.
Commodity Bulletin,
18(1),
43-50.
https://doi.org/10.62763/cb/1.2025.43
ISSN 2310-5283
e-ISSN 3041-1432
УДК 67; 68; 33
Оптимізація адсорбційних характеристик відпрацьованої кавової гущі шляхом термічної та хімічної активації
Отримано 02.12.2024, Доопрацьовано 03.04.2025, Прийнято 24.04.2025
Анотація
Метою цього дослідження була оптимізація параметрів адсорбції метиленового синього на відпрацьованій кавовій гущі шляхом поєднання термічної обробки та обробки ортофосфорною кислотою. Дослідження проводилося за допомогою спектрофотометричного методу, інфрачервоної спектроскопії та методу визначення питомої поверхні шляхом адсорбції водяної пари. Запропоновано можливий механізм адсорбції катіонного барвника метиленового синього на кавовій гущі. Було встановлено, що підвищення температури обробки не призводило до лінійного збільшення питомої поверхні та адсорбційних характеристик відпрацьованої кавової гущі. Виявлено, що адсорбційні властивості кавової гущі при температурах 400°C і 800°C були гіршими порівняно з необробленими зразками. Однак термічна активація відпрацьованої кавової гущі при 600°C забезпечила збільшення питомої поверхні на 72 % (з 561 до 958 м²/г). Обробка відходів 60 % розчином ортофосфорної кислоти підвищила питому поверхню на 23 % (до 690 м²/г) у порівнянні з необробленою кавовою гущею. Найефективнішою за адсорбційними характеристиками виявилася комбінована обробка кавової гущі ортофосфорною кислотою з подальшою термічною активацією при 200°C, що забезпечило максимальну питому поверхню 1078 м²/г та адсорбцію водяної пари 0,543 г води на 1 г зразка, що перевищує характеристики деяких зразків комерційного активованого вугілля. За таких умов досягнуто найвищу ефективність видалення метиленового синього з модельних розчинів – 57 % за 30 хвилин і майже 90 % барвника за 180 хвилин контакту. Запропоновані умови модифікації відпрацьованої кавової гущі дозволили отримати ефективний біосорбент для очищення стічних вод від органічних барвників, що має практичне значення для вирішення екологічних проблем у текстильній та поліграфічній промисловості, а також сприяє раціональному використанню відходів кавового виробництва
Ключові слова:
біосорбент; кавові відходи; термічна модифікація; фосфатна активація; метиленовий синій
ЦИТУВАТИ
832 Перегляди
Використані джерела
[1] Ahmed, H., Abolore, R.S., Jaiswal, S., & Jaiswal, A.K. (2024). Toward circular economy: Potentials of spent coffee grounds in bioproducts and chemical production. Biomass, 4(2), 286-312. doi: 10.3390/biomass4020014.
[2] Aouay, F., Attia, A., Dammak, L., Ben Amar, R., & Deratani, A. (2024). Activated carbon prepared from waste coffee grounds: Characterization and adsorption properties of dyes. Materials, 17(13), article number 3078. doi: 10.3390/ma17133078.
[3] Boundzanga, H.M., Cagnon, B., Roulet, M., de Persis, S., Vautrin-Ul, C., & Bonnamy, S. (2022). Contributions of hemicellulose, cellulose, and lignin to the mass and the porous characteristics of activated carbons produced from biomass residues by phosphoric acid activation. Biomass Conversion and Biorefinery, 12, 3081-3096. doi: 10.1007/s13399-020-00816-9.
[4] Bouzikri, S., Ouasfi, N., & Khamliche, L. (2022). Bifurcaria bifurcata activated carbon for the adsorption enhancement of Acid Orange 7 and Basic Red 5 dyes: Kinetics, equilibrium and thermodynamics investigations. Energy Nexus, 7, article number 100138. doi: 10.1016/j.nexus.2022.100138.
[5] Chen, S., Xia, Y., Zhang, B., Chen, H., Chen, G., & Tang, S. (2021). Disassembly of lignocellulose into cellulose, hemicellulose, and lignin for preparation of porous carbon materials with enhanced performances. Journal of Hazardous Materials, 408, article number 124956. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124956.
[6] Clark, M. (Ed.). (2016). Handbook of textile and industrial dyeing: Principles, processes and types of dyes. Sawston: Woodhead Publishing.
[7] Coffee Market Report. (2024). International Coffee Organisation. Retrieved from https://www.ico.org/documents/cy2024-25/cmr-1224-e.pdf.
[8] Gebreeyessus, G.D. (2022). Towards the sustainable and circular bioeconomy: Insights on spent coffee grounds valorization. Science of the Total Environment, 833, article number 155113. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.155113.
[9] Hechmi, S., Guizani, M., Kallel, A., Zoghlami, R.I., Zrig, E.B., Louati, Z., Jedidi, N., & Trabelsi, I. (2023). Impact of raw and pre-treated spent coffee grounds on soil properties and plant growth: A mini-review. Clean Technologies and Environmental Policy, 25, 2831-2843. doi: 10.1007/s10098-023-02544-w.
[10] Ivanichok, N.Ya., Kolkovskyi, P.I., Soltys, A.M., Boychuk, V.M., Mandzyuk, V.I., Yablon, L.S., & Rachiy, B.I. (2023). The effect of orthophosphoric acid on energy-intensive parameters of porous carbon electrode materials. Physics and Chemistry of Solid State, 24(1), 34-45. doi: 10.15330/pcss.24.1.34-45.
[11] Johnson, K., Liu, Y., & Lu, M. (2022). A review of recent advances in spent coffee grounds upcycle technologies and practices. Frontiers in Chemical Engineering, 4, article number 838605. doi: 10.3389/fceng.2022.838605.
[12] Kang, L.-L., et al. (2022). Removal of pollutants from wastewater using coffee waste as adsorbent: A review. Journal of Water Process Engineering, 49, article number 103178. doi: 10.1016/j.jwpe.2022.103178.
[13] La Scalia, G., Saeli, M., Miglietta, P.P., & Micale, R. (2021). Coffee biowaste valorization within circular economy: An evaluation method of spent coffee grounds potentials for mortar production. The International Journal of Life Cycle Assessment, 26, 1805-1815. doi: 10.1007/s11367-021-01968-0.
[14] Lafi, R., ben Fradj, A., Hafiane, A., & Hameed, B.H. (2014). Coffee waste as potential adsorbent for the removal of basic dyes from aqueous solution. Korean Journal of Chemical Engineering, 31, 2198-2206. doi: 10.1007/s11814-014-0171-7.
[15] Młynarczykowska, A., & Orlof-Naturalna, M. (2024). Biosorption of copper (II) ions using coffee grounds – a case study. Sustainability, 16(17), article number 7693. doi: 10.3390/su16177693.
[16] Myglovets, M., Poddubnaya, O.I., Sevastyanova, O., Lindström, M.E., Gawdzik, B., Sobiesiak, M., Tsyba, M.M., Sapsay, V.I., Klymchuk, D.O., & Puziy, A.M. (2014). Preparation of carbon adsorbents from lignosulfonate by phosphoric acid activation for the adsorption of metal ions. Carbon, 80, 771-783. doi: 10.1016/j.carbon.2014.09.032.
[17] Oliveira, W.E., Franca, A.S., Oliveira, L.S., & Rocha, S.D. (2008). Untreated coffee husks as biosorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials, 152(3), 1073-1081. doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.07.085.
[18] Ong, P.J., et al. (2023). Valorization of spent coffee grounds: A sustainable resource for bio-based phase change materials for thermal energy storage. Waste Management, 157, 339-347. doi: 10.1016/j.wasman.2022.12.039.
[19] Samilyk, M., Bolhova, N., Samokhina, E., Cherniavska, T., & Kharchenko, S. (2024). Use of hop extract in the biotechnology of kefir beverage. Scientific Horizons, 27(3), 97-106. doi: 10.48077/scihor3.2024.97.
[20] Senneca, O., Cerciello, F., Russo, C., Wütscher, A., Muhler, M., & Apicella, B. (2020). Thermal treatment of lignin, cellulose and hemicellulose in nitrogen and carbon dioxide. Fuel, 271, article number 117656. doi: 10.1016/j.fuel.2020.117656.
[21] Skorupa, A., Worwąg, M., & Kowalczyk, M. (2023). Coffee industry and ways of using by-products as bioadsorbents for removal of pollutants. Water, 15(1), article number 112. doi: 10.3390/w15010112.
[22] Taleb, F., Ammar, M., ben Mosbah, M., ben Salem, R., & Moussaoui, Y. (2020). Chemical modification of lignin derived from spent coffee grounds for methylene blue adsorption. Scientific Reports, 10, article number 11048. doi: 10.1038/s41598-020-68047-6.
[23] thi Quyen, V., Pham, T.-H., Kim, J., Thanh, D.M., Thang, P.Q., Le, Q.V., Jung, S.H., & Kim, T. (2021). Biosorbent derived from coffee husk for efficient removal of toxic heavy metals from wastewater. Chemosphere, 284, article number 131312. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.131312.
[24] Trieu, Q.-A., Nguyen, H.D., & Bui, T.H. (2022). An in-depth investigation into adsorption equilibrium, kinetics, and thermodynamics of spent coffee grounds for methylene blue removal. AIP Conference Proceedings, 2610(1), article number 040013. doi: 10.1063/5.0099982.
[25] Zhao, N., Liu, Zh., Yu, T., & Yan, F. (2024). Spent coffee grounds: Present and future of environmentally friendly applications on industries – a review. Trends in Food Science & Technology, 143, article number 104312. doi: 10.1016/j.tifs.2023.104312.