Biomassapohjaisten hiilimateriaalikomposiittien käyttö vedenpuhdistuksessa ja akkusovelluksissa

Puhtaan veden puute ja tarve uusille kestävämmille energiaratkaisuille ovat globaaleja haasteita. Teollisuuden ja yhdyskuntien jätevedet sisältävät usein haitallisia aineita, kuten raskasmetalleja, väriaineita ja lääkejäämiä, joita on vaikea poistaa. Energiantuotanto ja –varastointi ovat taas riippuvaisia​ uusiutumattomista materiaaleista, jotka aiheuttavat ympäristöhaasteita koko elinkaarensa ajan.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan kuinka paikallisesti saatavilla olevaa, uusiutuvaa biomassaa voidaan muuttaa hiilipohjaisiksi materiaaleiksi, jotka vastaavat molempiin haasteisiin: vesien puhdistamiseen ja kestäviin energianvarastointiratkaisuihin. Väitöstutkimuksessa kehitettiin katalyyttisen ja hydrotermisen hiilestyksen, pintavarauksen ja MOF-rakenteiden muokkauksen, ja selluloosananokuitujen avulla hiilikomposiitteja, joilla on räätälöity rakenne ja korkea huokoisuus. Nämä materiaalit ovat suunniteltu poistamaan monenlaisia ​​epäpuhtauksia vedestä ja toimimaan tehokkaasti anodimateriaalina natriumioniakuissa, mikä osoittaa biomassan potentiaalin monipuolisena, kestävänä ratkaisuna puhtaamman veden ja vihreämmän energian tuotantoon.

Tutkimuksessa valmistettiin useita biomassapohjaisia hiilimateriaaleja. Vedenkäsittelyssä materiaalit poistivat onnistuneesti veden epäpuhtauksia, kuten raskasmetalleja, väriaineita ja lääkejäämiä. Hiilikomposiitin avulla poistettiin vedestä kuparia (adsorptiokapasiteetti 5.97 mg/g) ja mangaania (adsorptiokapasiteetti 4.84 mg/g) jatkuvatoimisessa kolonnissa. Toisella hiilikomposiitilla saavutettiin korkea metyleenisinisen värinpoisto (106 mg/g panoskokeissa ja 71.14 mg/g kolonnikokeessa) ja 93 %:n kokonaisorgaanisen hiilen poistotehokkuus. Lisäksi yksi hiilimateriaali osoitti tehokkuutta väriaineiden osalta poistaen 263 mg/g metyylisinistä ja 278 mg/g Kongon punaista. Lisäksi zirkoniumpohjainen komposiitti poisti natriumdiklofenaakkia erinomaisesti adsorptiokapasiteetin ollessa 384.6 mg/g. Energian varastoinnissa biomassapohjainen hiili-MOF-komposiitti toimi natriumioniakun anodina tarjoten suuren kapasiteetin (348.5 mAh/g), pitkän aikavälin syklisen stabiilisuuden (yli 600 sykliä) ja yli 98 %:n Coulombisen tehokkuuden. Yhdessä nämä tulokset osoittavat biomassasta peräisin olevan hiilen toimivan tehokkaana ja kestävänä raaka-aineena sekä puhtaan veden että puhtaan energian ratkaisuille.