Preparation and characterization of activated carbon from date palm fibers: application as adsorbents and super capacity

Abstract

Date palm fibers (Ghars) from Ouargla-Algeria were invested in this work to prepare activated carbon by physical activation using CO2 under different parameters pyrolysis temperature, pyrolysis time, and sample size. Activated carbon has been characterized using the Physical characterization (Burn-off, Gas adsorption method (N2 adsorption-desorption), and Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray diffraction and fluorescence microanalysis), Chemical characterization (Studies on point of charge, Study of surface functional group, and FT-IR analysis). In Adsorption tests the effect of mass, initial concentration, time, and temperature on the adsorption capacity of Phenol and Methylene Blue on activated carbon were studied, the adsorption model, Langmuir and Freundlich's isotherms were adopted. To study the adsorption kinetics, a pseudo-first-order model, a second-order model, and a thermodynamic adsorption plot were applied. The results can be summarized as follows the largest surface area 313.4 m2.g-1 with pore diameter 1.93 nm had a high amount of adsorption of N2, while the smallest surface area 166.29 m2.g-1 with pore diameter 2.11 nm. The highest adsorption capacity was recorded of 11.96, 2.82 mg.g–1 for adsorption of Phenol and MB. XRD showed activated carbon samples have an amorphous structure more than a crystalline structure, while XRF indicate that The raw fiber and the activated carbon samples consist of the common elements such as calcium (Ca), Iron (Fe), Copper (Cu). The pHzpc and Boehm titration also showed the richness of negative charges and their strongly acidic character respectively of ACs. From FTIR study of both RF's and ACF's was found the common functional groups are: C= C acetone, C-H of (CH3band) alkane, C-O ether, C-O-C, aromatic C-H. The supercapacitors for energy storage were prepared using the prepared activated carbon and was successful. while were characterized using the following techniques: Cyclic voltammetry, Charge-discharge galvanostatic, Scanning Electron Microscope (SEM). The Higher specific capacitance was observed at 91.64 F.g-1 while the lower specific capacitance was of 29.05 F.g-1, and the maximum specific energy and specific power were produced with values of 45.82 Wh.kg-1 and 1800 W.kg-1, respectively.

Fibres de palmier dattier variété (Ghars) de Ouargla-Algeria a été investi dans ce travail pour préparer du charbon actif par activation physique à l'aide de CO2 sous différents paramètres de température de pyrolyse, de temps de pyrolyse et de taille d'échantillon. Le charbon actif a été caractérisé en utilisant la Caractérisation Physique (Burn-off, Méthode d'adsorption de gaz (N2 adsorption-désorption) et Microscope Electronique à Balayage (MEB), et Diffraction et fluorescence des rayons X), Caractérisation Chimique (Etudes sur le point de charge, Etude du groupe fonctionnel de surface, et FT-IR Analyse). Dans les tests d'adsorption, l'effet de la masse, de la concentration initiale, du temps et de la température sur la capacité d'adsorption du Phénol et du Bleu de méthylène sur charbon actif a été étudié. Les modèle d'adsorption, les isothermes de Langmuir et Freundlich ont été adoptés. Pour étudier la cinétique d'adsorption, un modèle de pseudo-premier ordre, un modèle de second ordre et un graphique d'adsorption thermodynamique ont été appliqués. Les résultats peuvent être résumés comme suit, la plus grande surface spécifique 313,4 m2.g-1 avec un diamètre de pores de 1,93 nm avait une quantité élevée d'adsorption de N2, tandis que la plus petite surface spécifique 166,29 m2.g-1 avec un diamètre de pores de 2,11 nm. La capacité d'adsorption la plus élevée a été enregistrée de 11,96, 2,82 mg.g-1 pour l'adsorption du Phénol et du MB respectivement. XRD a montré que les échantillons de charbon actif ont une structure amorphe plus qu'une structure cristalline, tandis que XRF indique que la fibre brute et les échantillons de charbon actif sont constitués d'éléments communs tels que le calcium (Ca), le fer (Fe), le cuivre (Cu). Le pHzpc et Boehm titrage ont également montré la richesse en charges négatives et un fort caractère acide respectivement des ACs. D'après l'étude FT-IR des RF et des ACF, les groupes fonctionnels communs sont les suivants : C = C acétone, C-H de (CH3band) alcane, C-O éther, C-O-C, C-H aromatique. Les supercondensateurs pour le stockage d'énergie ont été préparés à l'aide du charbon actif préparé et ont été couronnés de succès. Tandis qu’ont été caractérisés à l'aide des techniques suivantes : voltamétrie cyclique, charge-décharge galvanostatique, microscope électronique à balayage (MEB). La capacité spécifique supérieure a été notée de 91,64 F.g-1 tandis que la CS inférieure était de 29,05 F.g-1, et l'énergie spécifique maximale et la puissance spécifique ont été produites avec des valeurs de 45,82 Wh.kg-1 et 1800 W.kg-1, respectivement

تم استثمار ألياف نخيل التمر (غرس) من ورقلة-الجزائر في هذا العمل لتحضير الكربون المنشط عن طريق التنشيط الفيزيائي باستخدام ثاني أكسيد الكربون في معايير مختلفة لدرجة حرارة الانحلال الحراري ، وزمن الانحلال الحراري ، وحجم العينة. تم توصيف الكربون المنشط باستخدام التوصيف الفيزيائي (الإحتراق ، طريقة إمتزاز الغازات (إمتزاز النيتروجين) ، المجهر الإلكتروني الماسح، و حيود الأشعة السينية و وميض الأشعة السينية) ، التوصيف الكيميائي (تحديد الرقم الهيدروجيني عند نقطة الصفر ، دراسة المجموعة الوظيفية السطحية ، و تحليل بالأشعة الفوق الحمراء)، في إختبارات الإمتزاز تمت دراسة تأثير الكتلة والتركيز الأولي والوقت ودرجة الحرارة على قدرة إدمصاص الفينول والميثيلين الأزرق على الكربون المنشط، وتم إعتماد نموذج الإمتزاز ، متساوي الحرارة لانجموير وفرندليش. لدراسة حركية الإمتزاز ، تم تطبيق نموذج زائف من الدرجة الأولى ، ونموذج زائف من الدرجة الثانية ، ومخطط إمتزاز ديناميكية الحراري. يمكن تلخيص النتائج على النحو التالي: أكبر مساحة سطحية 313.4 متر مربع لكل غرام بقطر مسامي 1.93 نانومتر كان بها كمية عالية من إدمصاص النيتروجين، بينما أصغر مساحة سطحية 166.29 متر مربع لكل غرام بقطر مسامي 2.11 نانومتر. تم تسجيل أعلى قدرة على الامتصاص من 11.96 ، 2.82 ملي غرام لكل غرام من الممتز لإدمصاص الفينول والميثيلين الأزرق. أظهر حيود الأشعة السينية أن عينات الكربون المنشط لها بنية غير متبلورة أكثر من هيكل بلوري ، بينما يشير وميض الأشعة السينية إلى أن الألياف الخام وعينات الكربون المنشط تتكون من عناصر مشتركة مثل الكالسيوم والحديد والنحاس. أظهرت نتائج تحديد الرقم الهيدروجيني عند نقطة الصفر و معايرة بوهام أيضًا ثراء الشحنات السالبة وخاصية حمضية قوية لعينات الفحم المنشط على التوالي. من دراسة الأشعة الفوق الحمراء لكل من الليف الخام و عينات الكربون المنشط تم العثور على المجموعات الوظيفية المشتركة التالية: أسيتون C = C، C-H من (CH3band) ألكان ، C-O إيثر ،C-O-C ، عطري . C-H تم تحضير المكثفات الفائقة لتخزين الطاقة باستخدام الكربون المنشط المحضر وكانت ناجحة. بينما تم توصيفها باستخدام التقنيات التالية: قياس الفولتميتر الدوري ، الجلفانوستاتيك لتفريغ الشحنات، المسح المجهري الإلكتروني. لوحظ أن القدرة النوعية الأعلى كانت 91.64 فرادي لكل غرام بينما كانت القدرة النوعية الأدنى 29.05 فرادي لكل غرام، وتم إنتاج الطاقة النوعية القصوى والقوة النوعية بقيم 45.82 واط ساعي لكل كيلو غرام و 1800 واط لكل كيلو غرام، على التوالي.