The preparation and performance of lignin-based activated carbon fiber adsorbents for treating gaseous streams

Abstract

Two types of lignin-based carbon fibers were prepared by electrospinning method. The first was activated with Fe₃O₄ (LCF-Fe), and the second was not activated with Fe₃O₄ (LCF). Gas phase adsorption isotherms for toluene on LCF-Fe and LCF were studied. The gas phase adsorption isotherm for 0% RH showed LCF-Fe have about 439 mg/g adsorption capacity which was close to that of commercially available activated carbon (500 mg/g). The Dubinin-Radushkevich equation described the isotherm data very well. Competitive adsorption isotherms between water vapor and toluene were measured for their RH from 0 to 80%. The effect of humidity on toluene gas-phase adsorption was predicted by using the Okazaki et al. model. In addition, a constant pattern homogeneous surface diffusion model (CPHSDM) was used to predict the toluene breakthrough curve of continuous flow-packed columns containing LCF-Fe, and its capacity was 412 mg/g. Our study, which included material characterization, adsorption isotherms, kinetics, the impact of humidity and fixed bed performance modeling, demonstrated the suitability of lignin-based carbon fiber for volatile organic compound removal from gas streams.

Graphical abstract

Keywords

lignin / carbon fiber / electrospinning / toluene / humidity

References

[1] Lillo-Ródenas M A ,  Cazorla-Amorós D ,  Linares-Solano A . Behaviour of activated carbons with different pore size distributions and surface oxygen groups for benzene and toluene adsorption at low concentrations. Carbon, 2005, 43(8): 1758–1767

[2] Gupta V K, Verma  N. Removal of volatile organic compounds by cryogenic condensation followed by adsorption. Chemical Engineering Science, 2002, 57(14): 2679–2696

[3] Das D, Gaur  V, Verma N . Removal of volatile organic compound by activated carbon fiber. Carbon, 2004, 42(14): 2949–2962

[4] Long C, Liu  P, Li Y ,  Li A, Zhang  Q. Characterization of hydrophobic hypercrosslinked polymer as an adsorbent for removal of chlorinated volatile organic compounds. Environmental Science & Technology, 2011, 45(10): 4506–4512

[5] Sullivan P, Moate  J, Stone B ,  Atkinson J D ,  Hashisho Z ,  Rood M J . Physical and chemical properties of PAN-derived electrospun activated carbon nanofibers and their potential for use as an adsorbent for toxic industrial chemicals. Adsorption, 2012, 18(3-4): 265–274

[6] Hashisho Z, Emamipour  H, Rood M J ,  James Hay K ,  Kim B J ,  Thurston D . Concomitant adsorption and desorption of organic vapor in dry and humid air streams using microwave and direct electrothermal swing adsorption. Environmental Science & Technology, 2008, 42(24): 9317–9322 

[7] Foster K L, Fuerman  R G, Economy  J, Larson S M ,  Rood M J . Adsorption characteristics of trace volatile organic compounds in gas streams onto activated carbon fibers. Chemistry of Materials, 1992, 4(5): 1068–1073

[8] Qiao W M, Huda  M, Song Y ,  Yoon S H ,  Korai Y ,  Mochida I ,  Katou O ,  Hayashi H ,  Kawamoto K . Carbon fibers and films based on biomass resins. Energy & Fuels, 2005, 19(6): 2576–2582

[9] Carrott P J M ,  Carrott M M L R . Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresource Technology, 2007, 98(12): 2301–2312

[10] Hayashi J, Kazehaya  A, Muroyama K ,  Watkinson A P . Preparation of activated carbon from lignin by chemical activation. Carbon, 2000, 38(13): 1873–1878

[11] Ruiz-Rosas R, Bedia  J, Lallave M ,  Loscertales I G ,  Barrero A ,  Rodríguez-Mirasol J ,  Cordero T . The production of submicron diameter carbon fibers by the electrospinning of lignin. Carbon, 2010, 48(3): 696–705

[12] Ahmad J J, Babak  K, Nemat J ,  Roshanak R K ,  Mehdi A ,  Ali A B . Fenton-like catalytic oxidation of tetracycline by AC@Fe₃O₄ as a heterogeneous persulfate activator: Adsorption and degradation studies. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2017, 45: 323–333

[13] Chiang Y C, Chiang  P C, Huang  C P. Effects of pore structure and temperature on VOC adsorption on activated carbon. Carbon, 2001, 39(4): 523–534

[14] Lordgooei M, Kim  M S. Modeling volatile organic compound sorption in activated carbon. I: Dynamics and single-component equilibrium. Journal of Environmental Engineering, 2004, 130(3): 212–222

[15] Cosnier F, Celzard  A, Furdin G ,  Bégin D ,  Marêché J F . Influence of water on the dynamic adsorption of chlorinated VOCs on active carbon: Relative humidity of the gas phase versus pre-adsorbed water. Adsorption Science and Technology, 2006, 24(3): 215–228

[16] Kim T Y, Kim  S J, Cho  S Y. Effect of relative humidity on the adsorption characteristics of carbon tetrachloride in a fixed bed. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2004, 10(2): 188–195

[17] Russell B P, LeVan  M D. Coadsorption of organic compounds and water vapor on BPL activated carbon. 3. Ethane, propane, and mixing rules. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1997, 36(6): 2380–2389

[18] Marban G, Fuertes  A B. Co-adsorption of n-butane/water vapour mixtures on activated carbon fibre-based monoliths. Carbon, 2004, 42(1): 71–81

[19] Kaplan D, Nir  I, Shmueli L . Effects of high relative humidity on the dynamic adsorption of dimethyl methylphosphonate (DMMP) on activated carbon. Carbon, 2006, 44(15): 3247–3254

[20] Ryu Y K, Lee  H J, Yoo  H K, Lee  H C. Adsorption equilibria of toluene and gasoline vapors on activated carbon. Journal of Chemical & Engineering Data, 2002, 47(5): 1222–1225

[21] El-Sharkawy I I ,  He J M ,  Ng K C ,  Yap C, Saha  B B. Adsorption equilibrium and kinetics of gasoline vapors onto carbon-based adsorbents. Journal of Chemical & Engineering Data, 2007, 53(1): 41–47

[22] Brosillon S, Manero  M H, Foussard  J N. Mass transfer in VOC adsorption on zeolite: Experimental and Theoretical Breakthrough Curves. Environmental Science & Technology, 2001, 35(17): 3571–3575

[23] Díez N, Álvarez  P, Granda M ,  Blanco C ,  Santamaría R ,  Menéndez R . A novel approach for the production of chemically activated carbon fibers. Chemical Engineering Journal, 2015, 260: 463–468

[24] Song M, Jin  B, Xiao R ,  Yang L, Wu  Y M, Zhong  Z P, Huang  Y J. The comparison of two activation techniques to prepare activated carbon from corn cob. Biomass and Bioenergy, 2013, 48: 250–256

[25] Yun J H, Hwang  K Y, Choi  D K. Adsorption of benzene and toluene vapors on activated carbon fiber at 298, 323, and 348 K. Journal of Chemical & Engineering Data, 1998, 43(5): 843–845

[26] Wood G O. Affinity coefficients of the Polanyi/Dubinin adsorption isotherm equations: A review with compilations and correlations. Carbon, 2001, 39(3): 343–356

[27] Stoeckli F, Lavanchy  A. The adsorption of water by active carbons, in relation to their chemical and structural properties. Carbon, 2000, 38(3): 475–477

[28] Crittenden J C ,  Rigg T J ,  Perram D L ,  Tang S R ,  Hand D W . Predicting gas-phase adsorption equilibria of volatile organics and humidity. Journal of Environmental Engineering, 1989, 115(3): 560–573

[29] Okazaki M, Tamon  H, Toei R . Prediction of binary adsorption equilibria of solvent and water vapor on activated carbon. Journal of Chemical Engineering of Japan, 1978, 11(3): 209–215

[30] Defay R, Prigogine  I, Bellemans A . Surface Tension and Adsorption.New York: Longman, 1966

[31] Crittenden J C ,  Cartright P D ,  Rick B, Tang  S R, Perram  D L. An Evaluation of the Technical Feasibility of the Air-Stripping Solvent Recovery Process.Denver: American Water Works Association Research Foundation, 1987

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg