Abstract

The use of biomass has grown tremendously among energy-producing factories recently. In addition to burning biomass to produce heat and electricity, new and environment friendly products are being developed in order to utilize biomass more efficiently. Due to the variety of rich carbon sources in biomass, this thesis focuses on the use of such carbon sources in producing activated carbon foams.

The first part of this thesis consists of two sections. First, it notes that carbon foams are produced using sugar as a source of carbon. It further notes that the sugar-based carbon foams that have been produced were too brittle and, therefore, require further adjustment in order to produce mechanically stronger foams. In the second section of the first part, this thesis addresses how hydrolysable tannin, as well as hydrolysable tannin in combination with different lignin types, is used to produce carbon foams and activated carbon foams. This section also studies the physical properties of these foams. The results indicate that changing the catalyst during foaming, or using the right lignin-to-tannin ratio (25 w%) and a four-hour thermal treatment at 1073 K, obtains the highest influence on these foams’ mechanical strength. Up to 10 times stronger foams, can be achieved with this method.

The second part of this thesis focuses on studying the properties and performance of activated carbon foams based on hydrolysable tannin, pine bark, and spruce bark extracts as catalyst supports in the conversion of furfural to 2-methylfuran and as adsorbents for the removal of methylene blue. Based on the results, chemically activated carbon foams from spruce bark work better than physically activated carbon foams in removing methylene blue from solutions due to their more developed pore size distribution and higher specific surface area. The performance of activated carbon foam derived from pine bark extracts in the conversion of furfural to 2-methylfuran was similar to commercial reference materials’ 58%.

Tiivistelmä

Biomassan hyödyntäminen energiaa tuottavissa laitoksissa on kasvanut hurjasti viime aikoina. Vaikka biomassaa poltetaankin lämmön ja energian tuotannon takia, uusia ja ympäristöystävällisiä tuotteita pyritään kuitenkin tuottamaan biomassasta, jotta sen hyödyntäminen olisi mahdollisimman tehokasta. Tässä opinnäytetyössä käytetään biomassan sisältäviä hiilirikkaita yhdisteitä kuten tanniineja, sokereita ja ligniiniä aktivoitujen hiilivaahtojen valmistamiseen.

Väitöstutkimuksen ensimmäinen osa koostuu kahdesta osasta: Ensiksi, hiilivaahtoja ja aktiivihiilivaahtoja tuotetaan käyttämällä sokeria hiilen lähteenä. Tutkimuksissa huomattiin, että hiilivaahdot olivat mekaanisesti liian hauraita. Vahvempien vaahtojen tuottamiseksi, käytetään tutkimuksen toisessa osassa hydrolysoituvaa tanniinia ja hydrolysoituvaa tanniinia yhdessä eri ligniinityyppien kanssa hiilivaahtojen ja aktiivihiilivaahtojen tuottamiseksi sekä tutkittiin niiden fysikaalisia ominaisuuksia. Tulokset osoittivat, että mekaaniseen lujuuteen voidaan vaikuttaa käyttämällä eri katalyyttiä vaahdotuksessa tai käyttämällä oikeaa ligniini / tanniinisuhdetta (25 paino-%) ja 4 tunnin lämpökäsittelyä lämpötilassa 1073 K. Jopa 10 kertaa vahvempia vaahtoja voidaan saavuttaa tällä tavoin.

Väitöstutkimuksen toisessa osassa tutkitaan puhtaista hydrolysoituvista tanniini-, mänty- ja kuusenkuoriuutteista valmistettuja aktiivihiilivaahtoja furfuraalin konversiossa 2-metyylifuraaniksi ja adsorbentteina metyleenisinisen poistossa. Tulosten perusteella kuusen kuoriuutteesta tehdyt kemiallisesti aktivoidut hiilivaahdot toimivat metyleenisinisen poistossa kehittyneemmän huokoskokojakaumansa ja suuremman ominaispinta-alansa vuoksi paremmin kuin fysikaalisesti aktivoidut hiilivaahdot. Männyn kuoriuutteesta valmistettu aktiivihiilivaahto toimi furfuraalin konversiossa 2-metyylifuraaniksi lähes kaupallisten vertailukatalyyttien 58 %:n tavoin.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Varila, T., Romar, H., & Lassi, U. (2019). Catalytic Effect of Transition Metals (Copper, Iron, and Nickel) on the Foaming and Properties of Sugar-Based Carbon Foams. Topics in Catalysis, 62(7–11), 764–772. https://doi.org/10.1007/s11244-019-01171-4

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Varila, T., Romar, H., Luukkonen, T., & Lassi, U. (2019). Physical activation and characterization of tannin-based foams enforced with boric acid and zinc chloride. AIMS Materials Science, 6(2), 301–314. https://doi.org/10.3934/matersci.2019.2.301

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Varila, T., Romar, H., Luukkonen, T., Hilli, T., & Lassi, U. (2020). Characterization of lignin enforced tannin/furanic foams. Heliyon, 6(1), e03228. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e03228

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Varila, T., Mäkelä, E., Kupila, R., Romar, H., Karinen, R., Puurunen, R., & Lassi, U. (in press). Conversion of furfural to 2-methylfuran with CuNi catalysts supported on biobased carbon foams. Catalysis Today.

5. Varila, T., Brännström, H., Kilpeläinen, P., Hellström, J., Romar, H., Nurmi, J., & Lassi, U. (2020). From Norway spruce bark to carbon foams, characterization and applications. BioResources, 15(2), 3651–3666.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version