Оценка адсорбционных свойств пористого углеродного материала из «отработанного» кофе

Статья посвящена изучению и оценке адсорбционных свойств нового высокопористого углеродного материала в широком интервале давлений при температурах выше критической. Показано, что активированный углеродный материал, полученный из «отработанного кофе» является эффективным адсорбентом для CH₄. Так, в данном исследовании карбонизированная кофейная гуща использовалась в качестве прекурсора для получения высокопористого углеродного материала (ВУМ5), путем химической активации при 750 °С для эффективной адсорбции CH₄. Порометрия показывает, что полученный адсорбент является микромезопористым с узким распределением пор по размерам, обладающий удельной площадью поверхности по БЭТ 3456 м²/г и объемом пор 1,604 см³/г. Изучена адсорбция CH₄ на полученном углеродном материале при температурах 298.15…323.15 K и давлении до 100 бар. ВУМ5 демонстрирует высокую адсорбционную способность по CH₄ 19 ммоль/г при 10 МПа и 298,15 K. Экспериментальные данные адсорбции CH4 на ВУМ5 проанализированы с использованием типовых моделей адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха в интервале температур 298,15…323,13 K. Результаты показывают, что адсорбция CH₄ на ВУМ5 в рассматриваемом диапазоне температур и давлений соответствуют адсорбции Ленгмюра. Данный факт подтверждается полученными значениями коэффициентов корреляции равными 0,99 и средних относительных отклонений между экспериментальными результатами и результатами, полученными с помощью модели Ленгмюра, которые составляют менее 3 %. Рассчитаны значения изостерических теплот при различных абсолютных количествах адсорбции CH₄ на полученном ВУМ5, которые находятся в диапазоне от ~10,0 до 17,0 кДж/моль, что указывает на то, что процесс представляет собой физическую адсорбцию, а сила связи между молекулой CH₄ и поверхностью адсорбента относится к силе Ван-дер-Ваальса. Данные изотерм адсорбции и термодинамические параметры, оцененные в настоящем исследовании, полезны для проектирования систем хранения газа на основе адсорбции.

1. Refaat TF, Ismail S, Nehrir AR, Hair JW, Crawford JH, Leifer I, Shuman T. Performance evaluation of a 1.6-µm methane DIAL system from ground, aircraft and UAV platforms. Optics Express. 2013;21:30415-30432. DOI:10.1364/OE.21.030415

2. Massie C, Stewart G, McGregor G, Gilchrist JR. Design of a portable optical sensor for methane gas detection. Sensors and Actuators B: Chemical. 2006;113:830-836. DOI:10.1016/j.snb.2005.03.105

3. Morris JR, Contescu CI, Chisholm MF, Cooper VR, Guo J, He L, et al. Modern approaches to studying gas adsorption in nanoporous carbons. Journal of Materials Chemistry A. 2013;1:9341-9350. DOI:10.1039/C3TA10701A

4. Alcañiz-Monge D, Lozano-Castelló D, CazorlaAmorós A. Linares-solano fundamentals of methane adsorption in microporous carbons. Microporous and Mesoporous Materials. 2009;124(1-3):110-116. DOI: 10.1016/j.micromeso.2009.04.041

5. Casco ME, Martínez-Escandell M, Gadea-Ramos E, Kaneko K, Silvestre-Albero J, Rodríguez-Reinoso F. Highpressure methane storage in porous materials: are carbon materials in the pole position? Chemistry of Materials. 2015;27:959-964. DOI:10.1021/cm5042524

6. Policicchio A, Filosa R, Abate S, Desiderio G, Colavita E. Activated carbon and metal organic framework as adsorbent for low-pressure methane storage applications: an overview. Journal of Porous Materials. 2017;24:905-922. DOI:10.1007/s10934-016-0330-9

7. Wang XL, French J, Kandadai S, Chua HT. Adsorption measurements of methane on activated carbon in the temperature range (281 to 343) K and pressures to 1.2 MPa. Journal of Chemical & Engineering Data. 2010;55:2700-2706. DOI:10.1021/je900959w

8. Kumar KV, Kathrin O, Titirici M-M, RodríguezReinoso M-M. Nanoporous materials for the onboard storage of natural gas. Chemical Reviews. 2017;117:1796-1825. DOI:10.1021/acs.chemrev.6b00505

9. Bimbo N, Smith JP, Aggarwal H, Physick AJ, Pugsley A, Barbour LJ, Ting VP, Mays TJ. Kinetics and enthalpies of methane adsorption in microporous materials AX-21, MIL-101 (Cr) and TE7. Chemical Engineering Research and Design. 2021;169:153-164. DOI:0.1016/j.cherd.2021.03.003

10. Mason JA, Veenstra M, Long JR. Evaluating metal-organic frameworks for natural gas storage. Chemical Science. 2014;5:32-51. DOI:10.1039/C3SC52633J

11. Nour UM, Tayeb AM, Farag HA, Awad S. Enhanced discharge of ANG storage for vehicle use. International Journal of Engineering & Technology. 2009;9:381-389.

12. Beckner M, Dailly A. Adsorbed methane storage for vehicular applications. Applied Energy.2015;149:69-74. DOI:10.1016/j.apenergy.2015.03.123

13. DoE technical targets for hydrogen storage systems for material handling equipment fuel cell technologies office. Office of energy efficiency & renewable energy, energy.gov. Available from: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-hydrogen-storage-systems-material-handling-equipment [Accessed 21 July 2023].

14. The advanced research projects agency – Energy (ARPA-E) of the U.S department of energy. DE-FOA0000672: Methane Opportunities for Vehicular Energy (MOVE). Available from: htps://arpa-e-foa.energy.gov/ Default.aspx?Search=move&SearchType=https://arpa-e-foa.energy.gov/Default.aspx?Search=move&SearchType=#FoaIddc1d731e-f2cf-4be9-b6ac-ab315582d000 [Accessed 21 July 2023].

15. Konstas K, Osl T, Yang Y, Batten M, Burke N, Hill AJ, Hilla MR. Methane storage in metal organic frameworks. Journal of Materials Chemistry. 2012;22:16698-16708. DOI:10.1039/C2JM32719H

16. Sharafinia S, Rashidi A, Babaei B. et al. Nanoporous carbons based on coordinate organic polymers as an efficient and eco-friendly nano-sorbent for adsorption of phenol from wastewater. Scientific Reports. 2023;13:13127. DOI:10.1038/s41598-023-40243-0

17. Park J, Jung M, Jang L, Lee K, Attia NF, Oh H. A facile synthesis tool of nanoporous carbon for promising H2, CO2, and CH4 sorption capacity and selective gas separation. Journal of Materials Chemistry. 2018;6:23087-23100. DOI:10.1039/C8TA08603F

18. Choi P-S, Jeong J-M, Choi Y-K, Kim M-S, Shin G-J, Park S-J. A review: methane capture by nanoporous carbon materials for automobiles. Carbon Letters. 2016;17:18-28. DOI:10.5714/CL.2016.17.1.018

19. Tong W, Lv Y, Svec F. Advantage of nanoporous styrene-based monolithic structure over beads when applied for methane storage. Applied Energy. 2016;183: 1520-1527. DOI:10.1016/j.apenergy.2016.09.066

20. Alshareef SA Alqadami AA, Khan MA, Alanazi HS, Siddiqui MR, Jeon B-H. Simultaneous cohydrothermal carbonization and chemical activation of food wastes to develop hydrochar for aquatic environmental remediation. Bioresource Technology. 2021:126363. DOI:10.1016/j.biortech.2021.126363

21. Tehrani NF, Aznar JS, Kiros Y. Coffee extract residue for production of ethanol and activated carbons. Journal of Cleaner Production. 2015;91:64-70. DOI:10.1016/j.jclepro.2014.12.031

22. Wang H, Li X, Cui Z, Fu Z, Yang L, Liu G, Li M. Coffee grounds derived N enriched microporous activated carbons: efficient adsorbent for post-combustion CO2 capture and conversion. Journal of Colloid and Interface Science. 2020;578:491-499. DOI: 10.1016/j.jcis.2020.05.125

23. Paredes-Laverde M, Salamanca M, DiazCorrales JD, Flórez E, Silva-Agredo J, Torres-Palma RA. Understanding the removal of an anionic dye in textile wastewaters by adsorption on ZnCl2 activated carbons from rice and coffee husk wastes: A combined experimental and theoretical study. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021;9:105685. DOI:10.1016/j.jece.2021.105685

24. Thithai V, Jin X, Ajaz Ahmed M, Choi JW. Physicochemical properties of activated carbons produced from coffee waste and empty fruit bunch by chemical activation method. Energies. 2021;14:3002. DOI:10.3390/en14113002

25. Tang X, Ripepi N, Luxbacher K, Pitcher E. Adsorption models for methane in shales: Review, Comparison, and application. Energy & Fuels. 2017;31(10): 10787-10801. DOI:10.1021/acs.energyfuels.7b01948

26. Du X, Cheng Y, Liu Z, Yin H, Wu T, Huo L, et al. CO2 and CH4 adsorption on different rank coals: a thermodynamics study of surface potential, Gibbs free energy change and entropy loss. Fuel. 2021;283:118886, DOI:10.1016/j.fuel.2020.118886

27. Álvarez-Gutiérrez N, Gil MV, Rubiera F, Pevida C. Adsorption performance indicators for the CO2/CH4 separation: application to biomass-based activated carbons. Fuel Processing Technology. 2016;142:361-369. DOI:10.1016/j.fuproc.2015.10.038

28. Tian H, Li TF, Zhang TW, et al. Characterization of methane adsorption on overmature Lower SilurianUpper Ordovician shales in Sichuan Basin, southwest China: experimental results and geological implications. International Journal of Coal Geology. 2016;156:36-49. DOI:10.1016/j.coal.2016.01.013

29. Yang F, Ning ZF, Wang Q, Liu HQ, Kong DT. Thermodynamic analysis of methane adsorption on gas shale. Journal of Central South University, Science and Technology. 2014;45:2871-2877.

30. Zhou SW, Wang HY, Zhang PY, et al. Investigation of the isosteric heat of adsorption for supercritical methane on shale under high pressure. Adsorption Science & Technology. 2019;37:590-606. DOI:10.1177/0263617419866986

31. Mason JA, Oktawiec J, Taylor MK. Methane storage in flexible metal-organic frameworks with intrinsic thermal management. Nature. 2015;527:357-361. DOI:10.1038/nature15732

32. Peng Y, Krungleviciute V, Eryazici I. Methane storage in metal-organic frameworks: current records, surprise findings, and challenges. Journal of the American Chemical Society. 2013;135:11887-11894. DOI:10.1021/ja4045289

33. Yuan D, Lu W, Zhao D, Zhou H-C. Highly stable porous polymer networks with exceptionally high gasuptake capacities. Advanced Materials. 2011;23(32):3723-3725. DOI:10.1002/adma.201101759

34. Alezi D, Belmabkhout Y, Suyetin M. MOF crystal chemistry paving the way to gas storage needs: aluminum-based SOC-MOF for CH4, O2, and CO2 storage. Journal of the American Chemical Society. 2015;137: 13308-13318. DOI: 10.1021/jacs.5b07053

35. Kong G-Q, Han Z-D, He Y. Expanded organic building units for the construction of highly porous metalorganic frameworks. Chemistry A European Journal. 2013;19(44):14886-14894. DOI:10.1002/chem.201302515

36. He Y, Zhou W, Yildirim T, Chen B. A series of metal-organic frameworks with high methane uptake and an empirical equation for predicting methane storage capacity. Energy & Environmental Science. 2013;6:2735-2744. DOI:10.1039/c3ee41166d

37. Wang B, Zhang X, Huang H. A microporous aluminum-based metal-organic framework for high methane, hydrogen, and carbon dioxide storage. Nano Research. 2021;14:507-511. DOI:10.1007/s12274-020-2713-0

38. Al-Naddaf Q, Majedi Far H, Cheshomi N. Exceptionally high gravimetric methane storage in aerogelderived carbons. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020;59:19383-19391. DOI: 10.1021/acs.iecr.0c03225

39. Li B, Wen H-M, Zhou W. Porous metal-organic frameworks: promising materials for methane storage. Chem. 2016;1(4):557-580. DOI:10.1016/j.chempr.2016.09.009

40. Thu K, Kim Y-D, Ismil AB. Adsorption characteristics of methane on Maxsorb III by gravimetric method. Applied Thermal Engineering. 2014;72(2):200205. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2014.04.076

41. Wegrzyn J, Wisemann H, Lee Wegrzyn T, Low J. Pressure storage of natural gas on activated carbon. SAE Proceeding of Annual Automotive Technology. 1992:1-11.

42. Rozyyev V, Thirion D, Ullah R. et al. Highcapacity methane storage in flexible alkane-linked porous aromatic network polymers. Nature Energy.2019;4:604-611. DOI:10.1038/s41560-019-0427-x