Carbon Paste Electrodes Obtained from Organic Waste After a Biodrying Process and Validation in an Electro-Fenton System Towards Alternative Valorization

Authors

  • A.Z. Vela-Carrillo Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S. C., Parque Tecnológico Querétaro, 76703 Sanfandila, Pedro Escobedo, Querétaro, México.
  • Luis A. Godínez Facultad de Química, Universidad Autónoma de Querétaro, Cerro de Las Campanas SN, Querétaro, Querétaro 76010, México.
  • J. D. García-Espinoza Facultad de Química, Universidad Autónoma de Querétaro, Cerro de Las Campanas SN, Querétaro, Querétaro 76010, México.
  • R.J. Martínez
  • M.O. Franco-Hernández Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna, Col. Ticomán, CP 07340, México City, México.
  • A.B. Piña-Guzman Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna, Col. Ticomán, CP 07340, México City, México.
  • M.C. Santos Laboratory of Eletrochemistry and Nanostructured Materials (LEMN) – Center for Natural and Human Sciences (CCNH), Federal University of ABC (UFABC), CEP: 09210-170, Rua Santa Adélia 166, Bairro Bangu, Santo André, SP, Brazil.
  • F. Robles-Martínez Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna, Col. Ticomán, CP 07340, México City, México.
  • I. Robles Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C.

DOI:

https://doi.org/10.29356/jmcs.v67i4.1962

Keywords:

Activated carbon, agroindustrial waste, biodrying, carbon paste electrode, electro-Fenton, oxygen reduction reaction

Abstract

Abstract. The transformation of agricultural waste into activated carbon represents an attractive approach as new and alternative source, but also as a reduction of pollution associated to the degradation of precursors.

The organic residues sugarcane (Saccharum officinarum) bagasse-shell, orange (Citrus sinensis) peel-bagasse, and eucalyptus (Eucalyptus globulus) leaves, obtained from a biodrying process were transformed into activated carbons using phosphoric acid as activating agent. The resulting materials were physicochemically characterized and after that, carbonaceous electrodes were prepared to test the feasibility of using them in a discoloration electro-Fenton wastewater treatment process. Orange peel-bagasse biodried precursor transformed into activated carbon showed the highest efficiency when used as the modifier in a carbon paste electrode due to its highest porosity, electroactive area (24.9x10-2 cm2), and roughness (1.21 a.u.), also to its chemical affinity for anionic molecules. These properties, in addition to the capability of electro-sorb iron ions on the surface during the Fenton reaction, allowed a 44 % methyl orange discoloration efficiency. Sugarcane bagasse-peel and eucalyptus leaves biodried residues were also evaluated with efficiencies under 30 %, mainly attributed to intrinsic composition of the precursor materials.

 

 

Resumen. La transformación de los residuos agrícolas en carbón activado representa un enfoque atractivo y novedoso, además de que representa una alternativa a la reducción de la contaminación asociada a la degradación de residuos orgánicos.

Los residuos orgánicos de bagazo de caña de azúcar (Saccharum officinarum), bagazo y cáscara de naranja (Citrus sinensis), y hojas de eucalipto (Eucalyptus globulus), que fueron obtenidos de un proceso de biosecado, se transformaron en carbón activado utilizando ácido fosfórico como agente activante. Los materiales resultantes se caracterizaron fisicoquímicamente y después de eso, se prepararon electrodos de pasta de carbón modificados con estos materiales, para estudiar la viabilidad de utilizarlos en un proceso de tratamiento de aguas residuales mediante electro-Fenton. El precursor biosecado de bagazo y cáscara de naranja transformado en carbón activado mostró la mayor eficiencia cuando se usó como modificador en un electrodo de pasta de carbón, debido a su mayor porosidad, área electroactiva (24.9x10-2 cm2) y rugosidad (1.21), también debido a su mayor afinidad química por moléculas aniónicas. Estas propiedades, aunadas a la capacidad de electro-sorber iones de hierro en la superficie durante la reacción de Fenton, permitieron una eficiencia de decoloración del naranja de metilo del 44 %. También se evaluaron residuos biosecados de bagazo de caña de azúcar y hojas de eucalipto, con eficiencias inferiores al 30 %, atribuidas principalmente a la composición intrínseca de los materiales precursores.

 

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References

Mata, T. M.; Martins, A. A.; Caetano, N. S. Bioresour. Technol. 2018, 247, 1077–1084. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.106. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.106

Ballesteros, L. F.; Teixeira, J. A.; Mussatto, S. I. Food Bioproc. Tech. 2014, 7, 3493–3503. DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-014-1349-z. DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-014-1349-z

Colomer-Mendoza, F. J.; Robles-Martinez, F.; Herrera-Prats, L. Environ. Dev. Sustain. 2012, 14, 1013–1026. DOI: https://doi.org/10.1007/s10668-012-9369-1. DOI: https://doi.org/10.1007/s10668-012-9369-1

Gonçalves, M.; Guerreiro, M. C.; Ramos, P. H. Water Sci. Technol. 2013, 68, 1085–1090. DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2013.349. DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2013.349

Sahu, J. N.; Acharya, J.; Meikap, B. C. Bioresour. Technol. 2010, 101, 1974–1982. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.10.031. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.10.031

Yang, J.; Qiu, K. J. Chem. Eng. 2011, 167, 148–154. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.12.013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.12.013

Biscoe, J.; Warren, B. E. J. Appl. Phys. 1942, 13, 364–371. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1714879. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1714879

Lillo-Ródenas, M. A.; Carratalá-Abril, J.; Cazorla-Amorós, D.; Linares-Solano, A. Fuel Process. Technol. 2002, 77–78, 331–336. DOI: https://doi.org/10.1016/S0378-3820(02)00073-5. DOI: https://doi.org/10.1016/S0378-3820(02)00073-5

Figueiredo, J. L.; Pereira, M. F. R.; Freitas, M. M. A.; Órfão, J. J. M. Carbon. 1999, 37, 1379–1389. DOI: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00333-9. DOI: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00333-9

Reis, R. M.; Beati, A. A.; Rocha, R. S. Ind. Eng. Chem. 2012, 51, 649–654. DOI: https://doi.org/10.1021/ie201317u. DOI: https://doi.org/10.1021/ie201317u

Paz, E. C.; Aveiro, L. R.; Pinheiro, V. S. Appl. Catal. B. 2018, 232, 436–445. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.03.082. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.03.082

Robles, I.; Moreno-Rubio, G.; García-Espinoza, J. D.; Martínez-Sánchez, C.; Rodríguez, A.; Meas-Vong, Y.; Rodríguez-Valadez, R.; Godínez, L. J. Environ. Chem. Eng. 2020, 8, 5, 104414. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104414. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104414

Zhang, L. Y.; Wang, M. R.; Lai, Y. Q.; Li, X. Y. J. Power Sources. 2017, 359, 71–79. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.056. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.056

Ortiz-Martínez, A. K.; Godínez, L. A.; Martínez-Sánchez, C.; García-Espinoza, J. D.; Robles, I. Electrochim. Acta. 2021, 390, 138861. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138861. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138861

Dhelipan, M; Arunchander, A.; Sahu, A. K.; Kalpana, D. J. Saudi Chem. Soc. 2017, 21, 487–494. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jscs.2016.12.003. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jscs.2016.12.003

Chung, D. Y.; Son, Y. J.; Yoo, J. M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 41303–41313. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.7b13799. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.7b13799

Akula, S.; Sahu, A. K. J. Electrochem. Soc. 2019, 166, F93–F101. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0441902jes. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0441902jes

Srinu, A.; Peera, S. G.; Parthiban, V. ChemistrySelect. 2018, 3, 690–702. DOI: https://doi.org/10.1002/slct.201702042. DOI: https://doi.org/10.1002/slct.201702042

Tovar, A. K.; Godínez, L. A.; Espejel, F.; Ramírez-Zamora, R. M.; Robles, I. Waste Manag. 2019, 85, 202–213. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.12.029. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.12.029

Giraldo, S.; Robles. I.; Ramirez, A.; Florez, E.; Acelas, N. SN Appl. Sci. 2020, 2, 1029. DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-020-2736-x. DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-020-2736-x

Oickle, A. M.; Tarasuk, A. C.; Goertzen, S. L. Carbon. 2009, 48, 1–9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.11.050. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.11.050

Fulazzaky, M. A.; Environ. Nanotechnol. 2019, 12, 1100230. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enmm.2019.100230. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enmm.2019.100230

Di, L.; Kerns, E.H. in: Drug-Like Properties. Second Ed., Academic Press, 2016, 307–312. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-18378-X. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801076-1.00024-1

Adan-Mas, A.; Alcaraz, L.; Arévalo-Cid, P. Waste Manag. 2021, 120, 280–289. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.11.043. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.11.043

Švancara, I.; Schachl, K. Chem. Listy. 1999, 93, 498–499.

O’Sullivan, D. W.; Tyree, M. Int. J. Chem. Kinet. 2007, 39, 457–461. DOI: https://doi.org/10.1002/kin.20259. DOI: https://doi.org/10.1002/kin.20259

Nyamful, A.; Nyogbe, E. K.; Mohammed, L. Ghana J. Sci. 2021, 61, 91–104. https://doi.org/10.4314/gjs.v61i2.9. DOI: https://doi.org/10.4314/gjs.v61i2.9

Vela-Carrillo, A.Z.; Martínez, R. J.; Godínez, L. A.; Pérez-Bueno, J. J.; Espejel Ayala, F.; Robles, I. Biomass Convers. Biorefin. 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/s13399-022-02367-7. DOI: https://doi.org/10.1007/s13399-022-02367-7

Paul, E.; Vannke, M. A. Carbon. 1991, 31, 721–730.

Chen, N.; Pilla, S. JCOMC. 2022, 7, 100225. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2021.100225. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2021.100225

Gupta, A., Mohanty, A. K.; Misra, M. JCOMC. 2022, 154, 106759. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106759. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106759

Moraes, A.; Assumpção, M. H. M. T.; Simões, F. C. Electrocatalysis. 2016, 7, 60–69. DOI: https://doi.org/10.1007/s12678-015-0279-5. DOI: https://doi.org/10.1007/s12678-015-0279-5

Assumpção, M. H. M. T.; De Souza, R. F. B.; Rascio, D. C. Carbon. 2011, 49, 2842–2851. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.03.014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.03.014

Lu, Z.; Chen, G.; Siahrostami, S. Nat. Catal. 2018, 1, 156–162. DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-017-0017-x. DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-017-0017-x

Hashemian, S.; Salari, K.; Yazdi, Z. A. J. Ind. Eng. Chem. 2014, 20, 1892–1900. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2013.09.009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2013.09.009

Fernandez, M. E.; Nunell, G. V.; Bonelli, P. R.; Cukierman, A. L. Ind. Crops Prod. 2014, 62, 437–445. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.09.015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.09.015

Cummings, E. A.; Eggins. B. R. Analyst. 1998, 123, 1975–1980. DOI: https://doi.org/10.1039/a804021d. DOI: https://doi.org/10.1039/a804021d

Estrada-Aldrete, J.; Hernández-López, J. M.; García-León, A. M.; Prealta-Hernández, J. M.; Cerino-Cordeva, F. J. Electroanal. Chem. 2020, 857, 113663. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113663. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113663

Bard, A.J.; Faulkner, in: L.R. Fundamentals and applications, 2nd Edition, Ed., John Wiley & Sons, Incorporated, United Estates of America, 2000, 590-594.

Švancara, I.; Hvízdalová, M.; Vytřas, K. Electroanalysis. 1996, 8, 61–65. DOI: https://doi.org/10.1002/elan.1140080113. DOI: https://doi.org/10.1002/elan.1140080113

Svancara, I.; Kalcher, K.; Walcarius, A.; Vytras, K. CRC Press. 2012. DOI: https://doi.org/10.1201/b11478. DOI: https://doi.org/10.1201/b11478

Chmiola, J.; Yushin, G.; Dash, R.; Gogotsi, Y. J. Power Sources. 2006, 158, 765–772. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.09.008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.09.008

Frackowiak, E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 1774–1785. DOI: https://doi.org/10.1039/b618139m. DOI: https://doi.org/10.1039/b618139m

Kötz, R., Carlen, M. Electrochim. Acta. 2000, 45, 2483–2498. DOI: https://doi.org/10.1016/S0013-4686(00)00354-6. DOI: https://doi.org/10.1016/S0013-4686(00)00354-6

Rufford, T. E; Hulicova-Jurcakova, D.; Zhu, Z. J., in: Green carbon materials advances and applications, Ed. Pan Stanford Publishing, CRC Press Taylor & Francis Group, 2014, 93-110. DOI: https://doi.org/10.1201/b15651

He, Y.; Zhang, Y.; Li, X. Electrochim. Acta. 2018, 282, 618–625. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.06.103. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.06.103

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2023-09-19

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Section

Special Issue. Tribute to the electrochemical emeritus researchers of SNI
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