Possibility of reducing water hardness with biochar derived from waste biomass

Authors

  • Chuluun Buyan Department of Chemistry, Natural Science Division, School of Arts and Sciences, National University of Mongolia, Ulaanbaatar 14201, Mongolia https://orcid.org/0000-0002-6584-6686
  • Bayartsengel Bayarjargal RC Inspection Asia Assayers LLC, Ulaanbaatar 17033, Mongolia

DOI:

https://doi.org/10.5564/bicct.v10i10.2596

Abstract

By heating waste biomass in an oxygen-deficient environment (pyrolysis), biochar is produced, which is a carbon-like
combustion product with a porous structure, alkaline properties, and a large surface area. Research on the absorption of heavy metals, drug residues, dyes, and fluoride ions from the aquatic environment using biochar has been conducted in other countries of the
world, but limited experiments have been conducted to reduce the major ions that compose water hardness. This research aims to
investigate the possibility of reducing water hardness using biochar derived from animal waste bones and dung. Sheep waste bones
and cow dung were pyrolyzed in a TLUD furnace at a temperature of 500-550°C for 1-2 hours to obtain appropriate biochar. To
reduce the content of calcium, magnesium, and hydrocarbonate ions, which compose water hardness, the biochar obtained was used
as adsorbent material in series (batch) experiments in synthetic (artificially mineralized) water and natural (well) water, respectively. The optimal conditions for the adsorption process were determined with the type of primary raw materials, the mixing amount
(dosage) of biochar with water, and the time of adsorption. Bone char adsorbed water hardness better than dung char, and the adsorption capacity was higher when the initial ion concentration of ions was higher. As a result of the adsorption test, taking into
account the content of calcium, magnesium and hydrogen carbonate ions, 38%; 19%; was reduced by 34%, while total water hardness was reduced by an average of 22%. Biochar derived from animal waste bones can reduce water hardness by adsorbing the
major ions

Хаягдал биомассаас гарган авсан бионүүрсээр усны хатуулгийг бууруулах боломж

Хураангуй: Хаягдал биомассыг хүчилтөрөгч дутмаг орчинд халаах (пиролиз) замаар нүх сүвэрхэг бүтэцтэй, шүлтлэг шинж
чанартай, гадаргуугийн талбай ихтэй нүүрс төст шаталтын бүтээгдэхүүн болох бионүүрсийг гарган авдаг. Бионүүрс
ашиглан усан орчноос төрөл бүрийн хүнд металл, эмийн үлдэгдэл бодис, будагч бодис, фторид ион зэргийг шингээдэг
судалгаа дэлхийн бусад орнуудад нэлээд хийгдсэн боловч усны гол катион, анионуудыг бууруулах туршилт төдийлөн олон
хийгдээгүй байна. Энэхүү судалгааны ажлаар малын яс, аргалаас гарган авсан бионүүрсийг ашиглан усны хатуулгийг
бууруулах боломжийг судлахыг зорилоо. Хонины хаягдал яс, үхрийн аргалыг TLUD-ын зуухан дотор 500-550°C-ийн
температурт 1-2 цагийн турш пиролизод оруулж зохих бионүүрсийг гарган авсан. Гарган авсан бионүүрсээ шингээгч
материал болгон ашиглаж, усны хатуулгийг бүрдүүлэгч кальци, магни, гидрокарбонат ионуудын агуулгыг бууруулах
цуврал (batch) туршилтыг зохиомол эрдэсжилттэй ус болон байгалийн усанд тус тус хийж гүйцэтгэсэн. Шингээлтэд
бионүүрсний анхдагч түүхий эд, бионүүрсийг усанд холих хэмжээ (тун), шингээлт явуулах хугацаа хэрхэн нөлөөлж буйг
туршин шингээлтийн процессын зохист нөхцөлийг тодорхойлсон. Ясны бионүүрс аргалын бионүүрснээс илүүтэйгээр усны
хатуулгийг сайн шингээж байсан бөгөөд анхны ионы концентрац өндөр байхад адсорбцын багтаамж өндөр байсан.
Адсорбцын туршилтын үр дүнд кальци, магни, гидрокарбонат ионуудын агуулгыг харгалзан 38%; 19%; 34%-иар бууруулж
байсан бол усны нийт хатуулгийн хэмжээг дунджаар 22%-иар бууруулж байсан. Малын хаягдал яснаас гарган авсан
бионүүрс нь усны хатуулгийг бүрдүүлэгч гол ионуудыг өөртөө шингээж, хатуулгийн хэмжээг бууруулах бүрэн боломжтой.

Түлхүүр үг: малын яс, аргал, шингээгч материал, усны эрдэсжилт, усны чанар

Downloads

Download data is not yet available.
Abstract
95
PDF 152

References

Үндэсний статистикийн хороо, “Мал тооллогын дүн,” 2021. Мал аж ахуй (1212.mn)

Байгаль орчин аялал жуулчлалын яам, Улаанбаатар хотын ахуйн хог хаягдлын бүтцийн судалгаа, 2018.

Б.Мөнхбат, С.Дугарсүрэн, М.Сайнзаяа. (2022) Монгол орны нөхцөлд бионүүрсний үйлдвэрлэлээр хүлэмжийн хийг бууруулах боломж, Хөдөө аж ахуйн инженер технологийн сэтгүүл, 6-15.

J.Xiao, R.Hu, G.Chen (2020). Micro-nano-engineered nitrogenous one biochar developed with a ball-milling technique for high-efficiency removal of aquatic Cd(II), Cu(II) and Pb(II). Journal of Hazardous Materials. 387:121980. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121980

Y.Tong, B.Mayer, P.J.McNamara (2019). Adsorption of organic micropollutants to biosolids-derived biochar: estimation of thermodynamic parameters, Environmental Science: Water Research Technology. 1-33. https://doi.org/10.1039/C8EW00854J

P.Srivatsav, B.S.Bhargav (2020). Biochar as an eco-friendly and economical adsorbent for the removal of colorants (Dyes) from aqueous environment: A Review. Water. 12(12):3561. https://doi.org/10.3390/w12123561

N.Medellin-Castillo, R.Leyva-Ramos, E.Padilla-Ortega, R.O.Perez, J.Flores-Cano .(2014) Adsorption capacity of bone char for removing flouride from water solution. Role of hydroxyapatite content, adsorption mechanismand competing anions. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 20(6):4014-4021. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2013.12.105

B.Purevsuren, B.Avid, J.Narangerel, T.Gerelmaa, Y.Davaajav .(2004) Investigation on the pyrolysis products from animal bone. Journal of Materials Science. 39:737-740. DOI:10.1023/B:JMSC.0000011545.51724.ad

Газарзүй, геоэкологийн хүрээлэн, Баянхонгор аймгийн төв болон сум, суурин газрын ундны усны чанарын судалгаа, дүгнэлт, зөвлөмж, Улаанбаатар, 2019.

H.S.Peter, T.Bucheli, C.Kammann, B.Glaser, S.Abiven, J.Leifeld (2015). European biochar certificate - Guidelines for a sustainable production of biochar. European Biocahr Foundation, Switzerland.

B.Bayarjargal, E.Nomuunzaya, B.Sainzaya, T.Saurjan, J.Erdenedalai, B.Munkhbat, S.Buyan (2021). Characterization of biochars produced from various biowastes. Atlantis press part of Springer Nature. 1-9. https://doi.org/10.2991/ahcps.k.211004.012

G.Kharel, O.Sacko, X.Feng, J.R.Morris, C.L.Phillips, K.Trippe, S.Kumar. J.W.Lee .(2019) Biochar surface oxygenation by ozonization for super high cation exchange capacity. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 7(19):16410-16418. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b03536

J.F.Rippy, P.V.Nelsson (2007). Cation exchange capacity and base saturation variation among Alberta, Canada, Moss Peats. HortScience. 24(2):349-352. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.42.2.349

A.Itodo, F.Abdulrahman, L.Hassan, S.Maigandi, H.Itodo (2010). Application of methylene blue and iodine adsorption in the measurement of specific surface area by four acid and salt treated activated carbons. New York Science Journaal. 3(5):25-33.

C.Nunes, M.Guerreiro (2011). Estimation of surface area and pore volume of activated carbons by methylene blue and iodine numbers. Quimica Nova. 34(3):472-476. https://doi.org/10.1590/S0100-40422011000300020

Газарзүй, геоэкологийн хүрээлэн, Говийн бүсийн гурван сав газрын нутагт хамаарах сумдын төв, суурин газруудын ундны усны чанарын судалгааны ажлын нэгдсэн тайлан, 2019.

Х.Цоохүү, О.Болормаа, Н.Тэгшбаяр (2020). Монгол орны ундны усан дахь уран, Улаанбаатар, ISBN:978-9919-24-213-8.

Хими, химийн технологийн хүрээлэн, Өмнөговь аймгийн төв болон сум, суурин газрын ундны усны чанарын судалгаа, дүгнэлт, зөвлөмж, 2021.

Хими, химийн технологийн хүрээлэн, Говь-Алтай аймгийн төв болон сум, суурин газрын ундны усны чанарын судалгаа, дүгнэлт, зөвлөмж, Улаанбаатар, 2020.

Газарзүй, геоэкологийн хүрээлэн, Сүхбаатар аймгийн төв болон сум, суурин газрын ундны усны чанарын судалгаа, дүгнэлт, зөвлөмж, Улаанбаатар, 2021.

Т.Булган (2004). Усны химийн шинжилгээний аргачлал, Улаанбаатар.

MNS 6831:2020, Байгаль орчин. усны чанар. Усан дахь гидрокарбонатын агууламжийг тодорхойлох урвуу титрлэлтийн арга. Монгол Улсын стандарт. 1-4

MNS 6778:2019, Ундны ус. Хатуулаг тодорхойлох арга. Монгол Улсын стандарт. 1-6

MNS ISO 6059:2005, Усны чанар-кальци ба магнийн нийт агуулгыг тодорхойлох - Трилон Б-гээр титрлэх арга. Олон Улсын стандарт.

MNS ISO 9297:2005, Усны чанар. хлоридын агууламжийг тодорхойлох. Хромат илрүүлэгчийн оролцоотойгоор мөнгөний нитратаар титрлэх (Морын арга). Олон Улсын стандарт.

J.H.Park, J.J.Wang, S.H.Kim, S.W.Kang, J.S.Cho, R.D.Delaune (2018). Lead sorption characteristics of various chicken bone part-derived chars. Environmental Geochemistry and Health. 41:1675-1685. https://doi.org/10.1007/s10653-017-0067-7

J.Qin, S.Qian, Q.Chen, L.Chen, L.Yan, G.Shen (2019). Cow manure-derived biochar: Its catalytic properties and influential factors. Journal of Hazardous Materiials. 371:381-388. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.03.024

M.P.Sika, A.G.Hardie (2013). Effect of pine wood biochar on ammonium nitrate leaching and availability in a South African sandy soil. European Journal of Soil Science. 65(1):113-119. https://doi.org/10.1111/ejss.12082

J.Zhang, B.Huang, L.Chen, Y.Li, W.Li, Z.Luo (2018). Characteristics of biochar produced from yak manure at different pyrolysis temperatures and its effects on the yield and growth of highland barley. Chemical Speciation and Bioavailability. 30(1):67-67. https://doi.org/10.1080/09542299.2018.1487774

D.C.Harris .(2010) Quantitative Chemical Analysis, New York , W.H. Freeman and Company.

S.George, D.Mehta, V.K.Saharan (2018). Application of hydroxyapatite and its modified forms as adsorbents for water defluoridation: an insight into process synthesis. Reviews in Chemical Engineering. 36(3):369-400. https://doi.org/10.1515/revce-2017-0101

T.M.Huggins, A.Haeger, J.C.Biffinger, Z.J.Ren (2016). Granular biochar compared with activated carbon for wastewater treatment and resource recovery. Water Research. 94(1):225-232. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.02.059

S.S.Alkurdi, R.A.Al-Juboori, J.Bundschuh, I.Hamawand(2019) , Bone char as a green sorbent for removing health threatening fluoride from drinking water. Environment International. 127:704-719. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.03.065

C.Rolence (2014). Water hardness removal by coconut shell activated carbon. International Journal of Science, Technology and Society. https://doi: 10.11648/j.ijsts.20140205.11

C.Rolence .(2016) Adsorption studies on water hardness removal by using cashewnut shell activated carbon as an adsorbent. African Journal of Science and Resaerch. 5(4):78-81.

M.M.Abdel Rahim .(2017) Sustainable use of natural zeolites in aquaculture: A short review. Oceanography and Fisheries. 2(24):1-7.

S.El-Nahas, A.I.Osman, A.S.Arafat, A.H.Al-Muhtasab, H.M.Salman. (2020). Facile and affordable synthetic route of nano powder zeolite and its application in fast softening of water hardness. Journal of Water Process Engineering. 33:101104. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2019.101104

Downloads

Published

2022-12-28

How to Cite

Buyan, C., & Bayarjargal, B. (2022). Possibility of reducing water hardness with biochar derived from waste biomass. Bulletin of the Institute of Chemistry and Chemical Technology, 10(10), 65–74. https://doi.org/10.5564/bicct.v10i10.2596

Issue

Section

Articles