فرایند الکتروفنتون در صنایع رنگ

خانه / مقاله / فرایند الکتروفنتون در صنایع رنگ

فرایند الکتروفنتون در صنایع رنگ

در مقاله
فرایند الکتروفنتون در صنایع رنگReviewed by رضا فرضی on Nov 27Rating: 5.0فرایند الکتروفنتون در صنایع رنگفرایند الکتروفنتون در صنایع رنگ

بررسی پارامترهای موثر بر عملکرد فرایند الکتروفنتون در حذف رنگ و COD از فاضلاب رنگی سنتتیک

محمد ملکوتیان۱،مهدی اسدی۲،امیرحسین محوی۳

 

۱-   دکتر محمد ملکوتیان : استاد، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت ، دانشگاه علوم پزشکی کرمان ، کرمان ، ایران – نویسنده مسئول- تلفن: ۳۴۱۳۲۰۵۰۷۴ ۰ فکس:۰۳۴۱۳۲۰۵۱۰۵        Email:m.malakootian@yahoo.com

کرمان ، ابتدای جاده هفت باغ علوی ، دانشگاه علوم پزشکی کرمان ، دانشکده بهداشت ، گروه بهداشت محیط

  • مهدی اسدی ، دانشجوی کارشناسی ارشد ، گروه مهندسی بهداشت محیط ، دانشکده بهداشت ، دانشگاه علوم پزشکی کرمان ، کرمان ، ایران

۳- دکتر امیرحسین محوی : استادیار، گروه مهندسی بهداشت محیط ، دانشکده بهداشت و انستیتو تحقیقات بهداشتی ،

دانشگاه علوم پزشکی تهران ، تهران، ایران

نویسنده مسئول: دکتر محمد ملکوتیان

 

Malakootian M.,Professor of Environmental Health Engineering, Department of Environmental Health, school of Public Health , Kerman University of Medical Science,Kerman, Iran.

Asadi M., MSc.student,Department of Environmental Health Engineering, school of Public Health, Kerman University of medical science, Kerman, Iran

Mahvi AH., Assistant Professor ,Department.of Environmental Health, school of Public Health and institute of Public Health Research , Tehran University of Medical Science,Tehran,Iran

بررسی پارامترهای موثر بر عملکرد فرایند الکتروفنتون در حذف رنگ و COD از فاضلاب رنگی سنتتیک

چکیده

مقدمه : رنگهای سنتتیک از آلاینده های متداول در فاضلاب های صنایع رنگرزی هستند. شاخص ترین ویژگی فاضلاب صنایع رنگرزی ، شدت رنگ بالاو بعضا غیر قابل تجزیه بیولوژیکی بودن آنها است. تخلیه این فاضلاب ها به درون آبهای پذیرنده علاوه بر جنبه های زیباشناختی، ایجاد مشکلات جدی زیست محیطی و کاهش فعالیت فتوسنتز محیط های آبی می نماید. روشهای متداول برای حذف رنگ از این فاضلاب ها اغلب غیر تخریب کننده ، غیر موثر و گران هستند و اغلب منجر به تولید حجم زیاد لجن می شوند که خود مشکلات تصفیه و دفع لجن را در پی دارد. فرایند های اکسیداسیون پیشرفته الکتروشیمیایی بهره برداری ساده و قدرت بالایی در معدنی سازی آلاینده ها دارندو فرایند ا لکتروفنتون متداولترین این فرایند ها است . در این مطالعه ،عوامل موثر بر این فرایند با هدف تعیین شرایط بهینه جهت حذف رنگ و COD از فاضلاب حاوی رنگ Reactive Blue 19 مورد بررسی قرار گرفت.

روش بررسی : این پژوهش مطالعه ای تجربی است که در نیمه اول سال ۱۳۸۹ در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. نمونه های سنتتیک حاوی رنگ Reactive Blue 19 با استفاده از پودر رنگ و آب مقطر دوبار تقطیر تهیه و به سلول پایلوت الکتروشیمیایی که برای همین منظور ساخته شد منتقل گردید. با افزودن یون هایFe3+ به نمونه و برقراری اختلاف پتانسیل الکتریکی ، فرایند الکتروفنتون آغاز گردید.پس از آن و در زمان های مشخص از سلول پایلوت الکترشیمیایی نمونه برداری انجام و با اندازه گیری غلظت رنگ و میزان COD، کارایی فرایند بررسی گردید.

یافته ها : بر اساس نتایجی که حاصل شد ، شرایط بهینه فرایند الکتروفنتون درحذف رنگ و COD تعیین گردید.بر این اساس، اختلاف پتانسیل ۲۰ ولت برای غلظت رنگ تا mg/L 100 و اختلاف پتانسیل ۳۰ ولت برای غلظت رنگ mg/L 200 به بالا، زمان واکنش ۶۰ دقیقه ، غلظت mg/L 3/0 یون آهنIII برای غلظت رنگ تا ۲۰۰ و غلظتmg/L 5/. یون آهنIII برای غلظت رنگ mg/L 300 ، و pH مناسب جهت بالاترین بازده حذف برای غلظت رنگ تا mg/L 200 برابر ۴ و برای غلظت رنگ mg/L 300 برابر ۱۰ ،بدست آمد.

نتیجه گیری : بر اساس نتایج بدست آمده مشخص گردید که فرایند الکتروفنتون علاوه بر حذف رنگ، توانایی کاهش چشمگیر COD را دارا می باشد. براین اساس اختلاف پتانسیل الکتریکی، غلظت یونهای آهن و زمان الکترولیز ، پارامتر های موثر بر کارایی فرایند الکتروفنتون در حذف رنگ Reactive Blue19هستند .

واژه های کلیدی : فرایند الکتروفنتون ، اکسیداسیون پیشرفته ، رنگ Reactive Blue19 ، اختلاف پتانسیل الکتریکی.

مقدمه :وجود رنگ در آب نتیجه وجود مواد رنگی طبیعی و یا ورود فاضلاب های رنگی صنعتی به آب ها می باشد.[۱]رنگهای سنتتیک از آلاینده های متداول موجود در فاضلاب های صنعتی است.صنایع نساجی و رنگرزی از مهمترین مصرف کننده گان رنگ های سنتتیک و مواد شیمیایی جهت فرایند های رنگ رزی هستند.[۳, ۲] غلظت مواد رنگی در فاضلاب این صنایع نسبت به دیگر مواد شیمیایی کمتر است اما شدت رنگ این فاضلابها بدلیل وجود مواد رنگی باقیمانده در فاضلاب این صنایع به حدی بالاست که حتی در غلظتهای بسیار پایین قابل رویت می باشند.[۴] از ویژگیهای فاضلاب های رنگی تولید شده در صنعت نساجی ، درخشندگی، قابلیت رویت رنگ در غلظتهای بسیار پایین ، ساختار شیمیایی متنوع ، مقاومت آنها در برابر نور و مواد شیمیایی ودامنه pH متغیر است که آنها را در برابر تجزیه بیولوژیکی مقاوم پذیر می سازد.[۴, ۵] برخی از انواع رنگها بخصوص رنگ های آزو ممکن است سرطانزا و جهش زا باشند.[۵] در سالهای اخیر استفاده وسیع از رنگ های راکتیو بخصوص رنگ های دارای گروه های آزو که عمدتا دارای قابلیت تجزیه بیولوژیکی ضعیف در شرایط هوازی هستند باعث تاثیر برروی روشهای متداول تصفیه فاضلاب های نساجی شده است .[۶]حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد رنگهای مصرفی جهت رنگرزی از رنگهای راکتیو هستند و بیشترین رنگ های راکتیو (حدود ۸۰%)رنگ های آزو هستند.[۷]در ترکیب شیمیایی رنگهای راکتیو برای بالا بردن درجه ی تثبیت رنگ مقادیر زیادی نمک و اوره ( به ترتیب gr/ L 60 و ۲۰۰) وجود دارد به همین جهت ، ۱۰ تا ۵۰% رنگ با الیاف واکنش نمی دهد و به صورت هیدرولیز شده در فاز آب باقی می ماند. بنابراین هنگام استفاده از این رنگ ها پساب رنگی با شدت رنگ بالا ایجاد خواهد شد.[۶] بنابراین دفع آنها به درون آبهای پذیرنده نه تنها بروی جنبه های زیباشناختی تاثیر گذار است بلکه ایجاد مشکلات جدی زیست محیطی از طریق جلوگیری از انتقال و جذب نور خورشید درون جریان های آبی و کاهش فعالیت فتوسنتز محیط های آبی می نماید. [۱, ۴] تصفیه رضایت بخش فاضلاب های رنگرزی بدلیل تنوع زیاد در ترکیبشان، شدت رنگ و میزان COD بالا، نسبت به آبهای رنگی طبیعی بسیار مشکل است .[ ۸]روشهای متداول فیزیکی و شیمیایی تصفیه فاضلاب مانند جذب برای تصفیه این فاضلاب ها مورد استفاده قرار گرفته اند اما معمولا این روشها غیر تخریب کننده ، غیر موثر و گران هستند.[۳] ازفرایند های اکسیدسیون پیشرفته فرایند فنتون روشی بسیار موثر دارای گونه های با قدرت اکسیدکنندگی بسیار قوی است که شامل مخلوطی اسیدی از هیدروژن پراکساید و یونهای Fe2+ است و به دلیل کارایی اکسیداسیون بالا اغلب آلاینده های آلی مقاوم را تخریب می نمایند.[۸, ۹] بدلیل مصرف مقادیر زیاد مواد شیمیایی، تشکیل مقادیر زیاد لجن آهن III و همچنین مشکلات ذخیره و حمل و نقل هیدروژن پراکساید غلیظ ،کاربرد این روش با محدودیت مواجه شده است. [۸] جهت حل این مشکلات ، فرایند اکسیداسیون پیشرفته الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار گرفتند که اکسیداسیون آندیک و فرایند الکتروفنتون متداولترین این فرایند ها هستند .[۱۰] دلیل ترکیب نمودن فرایند تولید الکتروشیمیایی H2O2 و فرایند فنتون ، افزایش ظرفیت اکسیداسیون هر کدام از این دو فرایند درون یک سیستم که اثر تشدید کنندگی بر روی همدیگر دارندو همچنین رفع مشکلات فرایند فنتون متداول است.[۲, ۳] از جمله مزایای آنها هزینه بهره برداری پایین، پتانسیل بالا در تخریب و حذف کامل آلاینده های الی و تبدیل آنها به ترکیبات بی ضرر مانند CO2 ، آب و نمکهای معدنی در مقایسه با فرایند های شیمیایی و فتوشیمیایی است.[۱۰, ۱۱]

فرایند الکتروفنتون بر مبنای تولید الکتروشیمیایی غیر مستقیم و در محل رادیکال های هیدروکسیل عمل می نماید .رادیکال های هیدروکسیل دومین اکسیدکننده قوی(E0 = 2.87 V) بعد از یونهای فلوراید ( E0=3.06 V) هستند.[۱۲] در این فرایند ابتدا اکسیژن به فاز محلول منتقل می شود سپس به سطح کاتد جذب و در نهایت در محیط اسیدی به طریق الکتروشیمیایی به H2O2 احیاء می شود. [۸] در طی این فرایند هیدروژن پراکساید و یونهای فرو (Fe2+)   در محیط واکنش به طور همزمان بوسیله احیاء الکتروشیمیایی مولکولهای اکسیژن محلول و یونهای فریک (Fe3+) افزوده شده به محیط واکنش در سطح کاتد تولید می شوند.[۹, ۱۳]

(۱)                                                ۲H2O                  O2 + 4H+ + 4e-

O2 + 2H+ + 2e-            H2O2                                                                       (۲)

(۳)                                                      Fe3+ + e-                 Fe2+

(۴)        Fe2+ + H2O2               Fe3+ + OH˚ + OH-                                                        

با شروع واکنش ها و الکترولیز آب در آند(واکنش ۱)،در کاتد واکنش های احیاء اکسیژن صورت می گیرد که طی آن H2O2 نیز تولید می شود(واکنش ۲).با افزودن یونهای فرو به نمونه نیز در کاتد، یونهای فریک تولید می شود(واکنش ۳) و به این ترتیب با واکنش H2O2 با یونهای Fe2+ مطابق واکنش ۴ ، در کاتد رادیکال های آزاد هیدروکسیل تولید می شود و اکسیداسیون شیمیایی آغاز می گردد.[۱۴] احیاء الکتروشیمیایی اکسیژن به میزان زیادی به جنس ماده کاتد بستگی دارد . تاکنون از مواد مختلفی مانند کربن ، گرافیت، mercury pool و الکترود های منتشر کننده گاز (gas-diffusion electrode) استفاده شده است .الکترود های پایه کربنی دارای کارایی مناسبی در تولید H2O2 هستند.[۸] میزان تولید هیدروژن پراکساید با پتانسیل استاندارد اکسیداسیون برابر ۸/۱ و ۸۷/۰ ولت در pH های برابر صفر و ۱۴ نقش مهمی را در کارایی تصفیه با فرایند الکتروفنتون دارد. قدرت اکسیدکنندگی آن به میزان زیادی با اضافه نمودن یونهای Fe2+ تولید شده از واکنش فنتون افزایش می یابد.[۳, ۸]

هدف از انجام این مطالعه ، بررسی تصفیه فاضلاب حاوی رنگ(RB19) Reactive Blue 19 توسط فرایند الکتروفنتون و تعیین شرایط بهینه جهت حذف رنگ و COD توسط این فرایند می باشد.

۲- روش بررسی : این مطالعه از نوع تجربی است که در نیمه اول سال ۱۳۸۹ در آزمایشگاه پژوهشی، دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی کرمان انجام گرفت.

۱-۲- وسایل و موادآزمایش: اندازه گیری جذب نور توسط دستگاه Spectrophotometer UV-Vis ((Philips Model PU 8740 وتنظیم pH نمونه ها توسط pH متر (متروم مدل ۶۹۱ )انجام شد . سلول الکتروشیمیایی استوانه ای، دارای حجم ml500 و دارای دو الکترود آند از جنس آهن و کاتد از جنس کربن گرافیت بود که به دستگاه تولید الکتریسیته (DC power) متصل گردید. در شکل ۱ دیاگرام کلی فرایند الکتروفنتون نشان داده شده است . جهت اندازه گیری COD نمونه ها از دستگاه پرتابل اندازه گیری COD مدل ( Hunna instrument ) و جهت تنظیم pH نمونه ها از H2SO4 و NaOH با غلظت ۱/۰ مولار استفاده گردید. از سولفات آهن هفت آبه (FeSO4.7H2O) و سولفات سدیم ساخت شرکت مرک آلمان جهت انجام آزمایشات استفاده گردیدوپودر رنگ مورد استفاده نیز ساخت شرکت Dystar آلمان بود . در جدول ۱ برخی از خصوصیات این رنگ ذکر شده است. کلیه نمودارها نیز با استفاده از نرم افزار Excel رسم گردید .

phento1

۲-۲- دامنه متغیرهای مورد بررسی :انجام آزمایشات در سه محدوده pH قلیایی (۱۰) ، خنثی (۷) و اسیدی (۴) ، غلظت آهن مصرفی در سه محدوده۱/۰ ،۳/۰و ۵/۰ میلی گرم بر لیتر ، زمان انجام واکنش در ۴ سطح ۵ ، ۱۵ ،۳۰ و ۶۰ دقیقه ، اختلاف پتانسیل الکتریکی در سه محدوده متفاوت۱۰ ،۲۰ و ۳۰ ولت, و میزان رنگ نیز در سه غلظت متفاوت ۱۰۰،۲۰۰ و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر انجام شد که در این میان تاثیر پارامترهایی چون ولتاژ سلول ، غلظت ماده اکسیدان ،pH محلول ، وزمان الکترولیز در راهبری فرایند تعیین گردید.

۳-۲- آماده سازی نمونه ها: نمونه های سنتتیک با استفاده از پودر رنگ و با سه غلظت ۱۰۰ ، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتربا استفاده از آب مقطر دوبار تقطیر تهیه شد.سپس pH نمونه ها در یکی ازسه محدوده مورد آزمایش، تنظیم گردید . برای رسم نمودار منحنی استاندارد ابتدا با استفاده از پودر رنگ غلظت های مختلف و مشخصی از محلول رنگی آماده و میزان جذب آنها با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر و در طول موج ۵۵۰ نانومتر خوانده ومنحنی استاندارد جهت هر سه غلظت رنگ ، رسم گردید .

۴-۲- روش انجام آزمایش : کلیه آزمایشات در دمای آزمایشگاه انجام گردید. ابتدا نمونه فاضلاب تهیه شده درون سلول الکتروشیمیایی منتقل و سپس جهت شروع واکنش های فرایندالکترو فنتون ،   ماده کاتالیزور Fe3+ در محدوده تعیین شده به نمونه اضافه گردید .جهت بالا بردن قدرت یونی و افزایش هدایت الکتریکی محلول، ماده الکترولیت سولفات سدیم(Na2SO4) و به مقدارثابت ۰۵/۰ مول به تمام نمونه ها افزوده شد. سپس با برقرار نمودن جریان الکتریکی ، عمل الکترولیز محلول آغاز و به این ترتیب،واکنش اکسیداسیون الکترو فنتون آغاز شد. بعد از آن در زمان های مشخص شده، از سلول الکتروشیمیایی نمونه لازم برداشت و میزان جذب نور در نمونه ها نیز اندازه گیری وبا استفاده از منحنی استاندارد، غلظت رنگ در نمونه های تصفیه شده مشخص و درصد حذف رنگ محاسبه شد . COD نمونه ها نیز قبل و بعد از انجام فرایند بوسیله دستگاه اندازه گیری COD پرتابل اندازه گیری و میزان حذف COD نیز محاسبه گردید .

۳- یافته ها :

در بررسی نتایج بدست آمده از تاثیر هر کدام از پارامترهای موثر بر عملکرد فرایند ، تنها تاثیر همان پارامتر در دامنه های مختلف ذکر گردیده ودامنه بقیه پارامترها به صورت ثابت در نظر گرفته شده است.

 

  • تاثیر غلظت یونهای Fe2+

نمودار ۱و۲ تاثیرغلظت یونهای آهن بر کارایی حذف رنگ و COD در زمان ۶۰ دقیقه ، pH برابر ۴ ، اختلاف پتانسیل ۳۰ ولت و غلظت های رنگ ۱۰۰ ، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر را نشان می دهد.نتایج مطالعه نشان داد که با افزایش غلظت یونهای آهن، میزان حذف رنگ و COD افزایش می یابد. در این مطالعه مشاهده گردید در غلظت یونهای آهن ۱/۰ میلی گرم بر لیتر و تحت شرایط بهینه حذف ۱۰۰ درصدی رنگ و COD بدست نمی آید . در کارایی فرایند بین غلظت ۳/۰ و ۵/۰ یونهای آهن تفاوت بسیار کمی وجود دارد و در غلظت رنگ mg/L 100 بازده فرایند در غلظت ۳/۰ یونهای آهن نسبت به بازده در غلظت ۵/۰ یونهای آهن بالاتر است . مشاهده شد که در غلظت ۳/۰ میلی گرم بر لیتر یونهای آهن ودر غلظت های رنگ ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر،حذف ۱۰۰ درصد رنگ و COD و در غلظت رنگ۲۰۰و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر نیز حذف۹۳ و ۸۵ درصد رنگ و حذف ۸۵و۸۰ درصد COD قابل حصول است . با افزایش غلظت یونهای آهن تا ۵/۰ میلی گرم بر لیتر ، در غلظت های رنگ ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر بازده فرایند کاهش یافته و در غلظت های بالاتراز ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر رنگ ، بازده فرایند افزایش می یابد.

phento2

  • تاثیر ولتاژ سلول الکتروشیمیایی

شکل ۳و۴ تاثیر ولتاژ سلول بر کارایی حذف رنگ و COD در زمان ۶۰ دقیقه ، pH برابر ۴ ، غلظت یونهای آهن ۳/۰ میلی گرم بر لیتر و غلظت های رنگ ۱۰۰ ، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود ، با افزایش اختلاف پتانسیل ، میزان حذف رنگ به میزان چشمگیری افزایش می یابد . در اختلاف پتانسیل پایین (۱۰ ولت) ، برای هیچ کدام از غلظت های رنگ حداکثرحذف رنگ و COD بدست نمی آید. در اختلاف پتانسیل ۲۰ ولت ، در نمونه با غلظت ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر رنگ به حذف۹۵ درصدرنگ و ۸۵ درصد COD می رسیم و برای غلظت های بیشتر رنگ بازده حداکثری بدست نمی آید . در اختلاف پتانسیل ۳۰ ولت در تمام غلظتها حذف حداکثری رنگ بدست آمد .

phento3

  • تاثیر pH محلول

شکل ۵و۶ تاثیر pH محلول بر کارایی حذف رنگ و COD در زمان ۶۰ دقیقه ، اختلاف پتانسیل ۳۰ ولت ،غلظت یونهای آهن ۳/۰ میلی گرم بر لیتر و غلظت های رنگ ۱۰۰ ، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر را نشان می دهد. به منظور بررسی اثر pH در میزان حذف رنگ و COD، نمونه های حاوی رنگ در سه محدوده pH مورد آزمایش قرار گرفتند. بر اساس نتایج بدست آمده مشخص گردید که راندمان کلی فرایند در pH های اسیدی نسبت به pH های قلیایی برتری محسوسی دارد .با افزایش غلظت رنگ تا ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر و با ثابت بودن بقیه عوامل، بازده فرایند در pH های قلیایی در مقایسه با pH های اسیدی اندکی بیشتر است . در نتیجه ، در محدوده pH مورد آزمایش (۴-۱۰) و در حالتهای بهینه، بازده ۱۰۰-۹۰ درصدی حذف رنگ و COD قابل دستیابی است.

  • تاثیر زمان واکنش

شکل ۷و۸ تاثیر زمان واکنش بر کارایی حذف رنگ و COD در pH برابر ۴ ، اختلاف پتانسیل ۳۰ ولت ، غلظت یونهای آهن ۳/۰ میلی گرم بر لیتر و غلظت های رنگ ۱۰۰ ، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر را نشان می دهد.بر این اساس ، با افزایش زمان واکنش ، کارایی فرایند افزایش می یابد.همانطور که مشاهده می شود ، در زمان های کمتر از ۱۵ دقیقه میزان حذف رنگ بسیار پایین است اما با گذشت زمان و در نتیجه تولید بیشتر رادیکال های هیدروکسیل ، میزان حذف رنگ بطور چشمگیری افزایش می یابد ، به طوری که در بیشتر حالات آزمایش بعد از گذشت زمان ۳۰ دقیقه و در غلظت های مختلف رنگ ، تا ۵۰ درصد راندمان حذف بدست می آید و در پایان زمان ۶۰ دقیقه و در شرایط بهینه فرایند ، حداکثر حذف رنگ و COD صورت می گیرد.

phento4

  • بحث: اکسیداسیون الکتروشیمیایی فاضلاب حاوی رنگ RB19 بوسیله فرایند الکتروفنتون تحت شرایط مختلف آزمایش به منظور بررسی تاثیر پارامترهای موثر بر کارایی فرایند مورد مطالعه قرار گرفت. فرایند الکتروفنتون به دلیل سادگی و عدم نیاز به تجهیزات ویژه و کارایی بالا در حذف آلاینده های آلی، به عنوان یک جایگزین عالی جهت تخریب و تجزیه آلایند ه های مقاوم و سمی موجود در فاضلاب ها مطرح است.در فرایند الکتروفنتون کنترل مقدار تولید رادیکال های هیدروکسیل بهتر صورت می گیردو محصولات نهایی ناشی از تجزیه آلاینده هاتنها آب و اکسیژن می باشد و به دلیل عدم استفاده از ماد شیمیایی خطرناک ، این فرایند به عنوان یک عامل سبز و دوستدار محیط زیست شناخته شده است.[۳,۹] در این مطالعه میزان pH بهینه برابر با ۴ بدست آمد. مقدار pH در اکسیداسیون ترکیبات آلی و تولید رادیکالهای هیدروکسیل به طور مستقیم و غیر مستقیم اثر می گذارد و کارایی اکسیداسیون را تحت تاثیر قرار می دهد. در pH های پایین تر از ۵/۲ ، تشکیلFe(OH)2+ که با H2O2 به آرامی واکنش می دهد باعث کاهش مقدار رادیکال های OHº شده و در نتیجه بازدهی فرایند کاهش می یابد.در این شرایط ، هیدروژن پراکساید تولید شده بروش الکتریکی، یک بار مثبت ( پروتون) جذب نموده و یون اکسونیوم (H3O2+) تشکیل می گردد که پایدارتر از H2O2 است و میزان واکنش آن با یونهای فروس کاهش یافته و در نتیجه کاهش تولید OH˚ و کارایی فرایند مشاده می شود.[۱۶] در pH های قلیایی نیز Fe2+ به Fe3+ تبدیل شده وبه صورت Fe(OH)3 رسوب نموده و از چرخه کاتالیستی خارج می شود.در این حالت ، انعقاد الکتریکی نیز به طور همزمان با اکسیداسیون اتفاق می افتد . بنابراین ، pH نه تنها در تولید H2O2 موثر است ، بلکه تولید گونه های کاتالیست آهن فروس را نیز کنترل می نماید.[۳] در غلظت های پایین رنگ ( mg/L100) در pH های اسیدی بازده فرایند به میزان اندکی بالاتر است اما در غلظت های بالاتر رنگ ( mg/L300) راندمان در pH های قلیایی نسبت به pH های اسیدی به میزان اندکی بیشتر است که عامل آن مربوط به ویژگیها و ساختار شیمیایی رنگ Blue 19 Reactiveاست.[۱] اما راندمان کلی فرایند در pH های اسیدی نسبت به pH های قلیایی بالاتر است .در مطالعه zhou و همکاران که حذف متیل رد بوسیله فرایند الکتروفنتون بررسی گردید و همچنین در مطالعه chiou و همکاران حذف رنگ Reactive Black5 بوسیله این فرایند بررسی شد و pH بهینه برابر ۳ بدست آمد و با افزایش pH راندمان فرایند کاهش یافت و مشخص گردید که راندمان فرایند در pH های اسیدی نسبت بهpH های قلیایی بسیار بالاتر است.[۳, ۱۷]با افزایش غلظت رنگ ، میزان مصرف رقابتی رادیکال های هیدروکسیل بوسیله محصولات میانی تولید شده بیشتر است ، بنابراین کارایی فرایند کاهش می یاید .[۳] در این مطالعه مشخص شد که با افزایش غلظت رنگ ، زمان مورد نیاز برای حذف درصد مشخصی از رنگ نیز افزایش می یابد بطوری که در غلظت های پایین رنگ (mg/L100) و در شرایط بهینه فرایند ، در مدت زمان ۴۵ دقیقه می توان به بازده حذف رنگ بالای ۸۰ درصد دست یافت اما در غلظت های بالا (mg/L 300) ، در پایان ۶۰ دقیقه زمان واکنش ، همین میزان حذف رنگ بدست می آید . نتیجه مطالعه zhou و همکاران که در آن حذف متیل رد بوسیله فرایند الکتروفنتون بررسی شده بود نشان دادکه با افزایش غلظت رنگ ، کارایی فرایند کاهش می یابد [۳]. این در حالی است که در مطالعه Gonzalez و همکاران که حذف رنگ Acid Yellow 36 بوسیله فرایند الکتروفنتون بررسی گردید ، مشخص شد که افزایش غلظت رنگ ، تاثیر ناچیزی در کارایی فرایند دارد و در زمان ۴۸ دقیقه ، حداکثر ۹۸ درصد حذف رنگ بدست آمد.[۲] زمان واکنش یکی از عوامل موثر در انجام فرایند های اکسیداسیون پیشرفته است . با گذشت زمان میزان محصولات حد واسط ناشی از تجزیه هیدروژن پراکساید بیشتر شده و از طرفی با ایجاد اختلاط در محیط آزمایش ، شانس تماس یونهای آهن با محصولات حد واسط تجزیه هیدروژن پراکساید افزایش یافته و در نهایت روند تولید رادیکال هیدروکسیل در محیط افزایش و بنابراین بازده فرایند بهبود می یابد [۱۰] .در این مطالعه مشخص شد که میزان حذف رنگ و CODدر زمان های ۶۰ دقیقه به حداکثر خود می رسد و در مدت زمان ۳۰ دقیقه به طور متوسط بازده حذف ۴۰ تا ۶۰ درصد می باشد . همچنین با افزایش غلظت رنگ ، زمان مورد نیاز برای رسیدن به درصد حذف مشابه رنگ بیشتر است .

غلظت بهینه یون های آهن نقش اصلی در عوامل فنتونی را داراست . Fe3+معمولا به عنوان یک ماده کاتالیزور به محلول افزوده می شود . با افزایش اختلاف پتانسیل نیز میزان تولید و قدرت اکسیدکنندگی H2O2 تولید شده بروش الکتریکی در کاتد افزایش می یابد .[۸] نتایج مطالعه نشان داد که در pH های اسیدی میزان یون آهن کمتر و در pH های قلیایی میزان یون آهن بیشتری برای رسیدن به راندمان مشابه نیاز است بنابراین با افزایش pH ، میزان یون آهن مورد نیاز بیشتر است . همچنین در اختلاف پتانسیل پایین میزان یون آهن بیشتر و در اختلاف پتانسیل بالاتر ، میزان یون آهن کمتری برای رسیدن به راندمان مشابه مورد نیاز است . در برخی شرایط آزمایش غلظت یونهای آهن mg/L 3/0 بسیار موثرتر و بازده حذف بالاتری نسبت به غلظت mg/L 5/0 یونهای آهن دارند که به دلیل تاثیر معکوس یونهای آهن در اثر تشکیل کمپلکس با رادیکال های هیدروکسیل و کاهش میزان رادیکال های آزاد و کاهش بازده حذف رنگ می باشد . بنابراین غلظت مناسب Fe2+ پارامتر تاثیرگذاری درفرایند الکتروفنتون است .در پژوهشی که chiou و همکاران در حذف رنگ Reactive Black 5 بوسیله این فرایند انجام دادند، مشخص شد که غلظت یونهای آهن عامل تاثیر گذاری در کارایی فرایند می باشد و با افزایش یونهای آهن از صفر تا ۲۰ mg/L ، افزایش حذف رنگ مشاهده شد اما افزایش بیشتر یونهای آهن تا mg/L 30 بازده فرایند را کاهش داد.[۱۷] در مطالعه Wang و همکاران در حذف رنگ Acid red 14 و مطالعه Panizza و همکاران در حذف رنگهای سنتتیک، کارایی فرایند با افزایش یونهای آهن تا غلظت معینی افزایش یافت ، اما با افزایش بیشتر غلظت یون های آهن در محیط ، کارایی فرایند در معدنی سازی(کاهش COD) کاهش یافت.[۱۶, ۱۸] در مطالعه Martinez و همکاران که حذف علف کش کلروبرومورون بوسیله این فرایند بررسی شد و مطالعه Wang و همکاران که حذف رنگ از فاضلاب واقعی رنگرزی بررسی شده بود ، ثابت گردید که با افزایش شدت جریان ، میزان معدنی سازی فرایند و میزان حذف TOC و رنگ افزایش می یابد.[۸, ۹]

۵- نتیجه گیری : در شرایط بهینه آزمایش ، فرایند الکتروفنتون قادر به حذف تمام رنگ موجود در محیط آزمایش و معدنی سازی نهایی محلول است. اختلاف پتانسیل الکتریکی موثرترین عامل جهت انجام فرایند است و یونهای آهن دومین عامل تاثیر گذار در فرایند الکتروفنتون در حذف رنگ و کاهش COD محلول می باشد.pH محیط و زمان واکنش نیز در کارایی فرایند تاثیر گذارند.در مجموع این فرایند برای تصفیه فاضلاب های صنعتی حاوی رنگ بسیار موثر است.

  • تشکر و قدردانی

موضوع این مقاله به عنوان طرح تحقیقاتی به شماره ۸۹۵۳ در معاونت تحقیقات و فناوری دانشگاه علوم پزشکی کرمان به تصویب رسیده است. از کمیته تحقیقات بهداشت محیط دانشکده بهداشت کرمان که با انجام این تحقیق موافقت نمودند تشکر می گردد.

Evaluation of effective parameters on Electro-Fenton process performance in dye and COD removal at Synthetic dying wastewater

Abstract

Background&Objective: Synthetic dyes represent one of the largest groups of pollutants in wastewater of dying industries.The most typical characteristic of dying wastewaters is their strong color and non biodegradability. Discharging of these wastewaters into receiving streams not only affects the aesthetic but also reduces photosynthetic activity . Various traditional processes have been attempted for the treatment of these kinds of wastewater are usually non-destructive, inefficient or expensive which production large rates of sludge and caused treatment and disposal problems. Electrochemical Advanced Oxidation Process are low operational and high mineralization degree of pollutants. In this sense, electro- Fenton processes are most commonly this process.In this study, affecting factors in this process to determine the optimum conditions for dye and COD removal were investigated.

Materials and methods:This study is an experimental study in the first half of 1389 was conducted in laboratory scale. Synthetic samples containing of Reactive Blue 19 dye using the powder dye by distilled twice water were prepared and Was transferred to Pilot electrochemical cell was constructed for that purpose . with adding of Fe3+ ions and to establish of Potential difference,Electro-fenton process was bigan.After testing and in specified time in the pilot cell , sampling was done and with dye concentration and COD measurement, process performance was evaluated.

Results: Based on the results obtained, optimum conditions of Electro-fenton process in dye and COD removal was determined. Accordingly, potential difference of 20 volt to the dye concentration to 100 mg/L and potential difference of 30 volt to dye concentration of 200mg/L to up, reaction time 45-60 minutes , 0.3 mg/L of Fe3+ concentration for dye concentrations of 200 mg/L and 0.5 mg/L of Fe3+ concentration for dye concentrations of 300 mg/L, and pH suitable for the highest removal efficiency for dye concentrations of 100 and 200 mg/L equal 4 and for dye concentrations of 300 mg/L equal 10 respectively.

Conclusion: Based on resulting obtained ,Was determined that Electro-Fenton process also removed greatly amounts of dye, the ability have to reduce COD. Accordingly, it was found that the electric Potential difference, concentration of iron ions and electrolysis time, are effecting parameters on Electro-Fenton process to removal of Reactive Blue19 dye .

Keywords: electro-Fenton process, advanced oxidation, Reactive Blue19 dye, electrical Potential difference.

منابع:

 

  1. ۱٫ Chen TY,Kao CM,Hong A,Lin CE,Liang SH.Application of ozone on decolorization of reactive dyes

     – Orange13 and Blue 19. Desalination.2009;249:1238-1242.

  1. ۲٫ Gonzalez KC,Lopez T,Leon G,Guzmam JL,Reyes LH,Ramirez AH,et al.Determination of optimum

     operating parameters for Acid Yellow 36 decoloration by electro-Fenton process using BDD cathode.

   Chemical Engineering and Processing.2010;160:199-206.

  1. ۳٫ Zhou M,Yu Q,Lei L,Barton G.Electro-Fenton method for the removal of methyl red in an efficient

     electrochemical system.Separation and Purification Technology.2007;57:380-387

  1. ۴٫ Pantelis A,Xekoukoulotakis N,Mantzavinos D.Treatment of textile dyehouse wastewater by TiO2

     photocatalysis.water research.2006;40:1276-1286.

۵ .Desouza SM,Bonilla K,Desouza AAU.Removal of COD and color from hydrolyzed textile azo dye by

   combined ozonation and biological treatment.Journal of Hazardous materials.2010;179:35-42.

۶ .Hsieh L,Kang H,shyu HL.Optimisation of a ultrasound-Assisted nanoscale Fe/fenton process for dye

     wastewater through a statistical experiment design method. Environmental informatics archives.

     ۲۰۰۷;۵:۶۶۴-۶۷۳٫

  1. ۷٫ Mehrali SH,Alavi moghaddam MR,Hashemi SH.Removal of reactive Blue 19 by Adding

     polyaluminum chloride to sequencing batch reactor System.Iran.j.Environ.Health.Sci.Eng.2010;7(1):

     ۶۳-۷۰٫

  1. ۸٫ Wang C,Hu JL,Chou WL,Kuo YM.Removal of color from real dyeing wastewater by Electro-Fenton

     technology using a three-dimensional graphite cathode.Journal of Hazardous materials.2008;152:601-

     ۶۰۶

  1. ۹٫ Martinez SS,Bahena CL.Chlorbromuron urea herbicide by electro-Fenton reaction in aqueous

     effluents.water research.2009;43:33-40.

  1. ۱۰٫ Ozcan A,Sahin Y,Koparal AS,Oturan MA.A comparative study on the efficiency electro-Fenton

     process in the removal of propham from water.applied catalysis B:Environmental.2009;89: 620-626.

  1. ۱۱٫ Virkutyte J,JegatheesanV.Electro-Fenton,hydrogenotrophic and Fe+2 ions mediated TOC and nitrate

     removal from aquaculture system:different experimental strategies.Bioresource Technology.2009;22:

     ۱۲۸۹-۱۲۹۷

  1. ۱۲٫ Zhang H,Fei C,Zhang D,Tang F.Degradation of 4-nitrophenol in aqueous medium By electro-Fenton

     method.Journal of Hazardous matherials.2007;145: 227-232.

  1. ۱۳٫ Pimentel M,Oturan N,Dezotti M,Oturan MA.Phenol degradation by advanced electrochemical

       oxidation process electro-Fenton using a carbon felt cathode.Applied catalysis B:Environmental.

     ۲۰۰۸;۸۳:۱۴۰-۱۴۹٫

۱۴ .Oturan N,Trajkovska S,Oturan MA,Couderchet M,Aaron JJ.Study of the toxicity of diuron and its

       metabolites formed in aqueous medium during application of the electrochemical advanced oxidation

     process electro-Fenton.Chemosphere.2008;73:1550-1556.

  1. ۱۵٫ RojKumar D,Song B.electrochemical degredation of Reactive Blue 19 in chloride medium for the

       treatment of textile dyeing wastewater with identification of intremediate compounds.dyes and

     pigments.2007;72:1-7.

  1. ۱۶٫ Panizza M,Cerisola G.Electro-Fenton degradation of synthetic dyes.water research.2009;43:339-344.
  2. ۱۷٫ Chiou CS,Chang C,Shie JL,Liu ch,Li YS.Decoloration of reactive black 5 in aqueous solution by

       electro-fenton reaction.environmental engineering and management.2006;16(4):243-248.

  1. ۱۸٫ Wang A,Qu J,Ru J,Liu H,Ge J.Mineralization of an azo dye Acid red 14 by electro-Fenton s reagent

     using an activated carbon fiber cathode.Dyes and pigments.2005;56:227-233.

رضا فرضی
رضا فرضی
رضا فرضی هستم متولد 71 در شهرستان دیر استان بوشهر، فارغ التحصیل مقطع کارشناسی رشته مهندسی شیمی دانشگاه خلیج فارس بوشهر.
Recent Posts

ارسال نظر


*

Protected by WP Anti Spam

تماس با ما

پیغام خود را بگذارید تا در سریع ترین زمان پاسخگوی شما باشیم.

قابل خواندن نیست ؟ تغییر دهید.. captcha txt

متن خود را برای جستجو وارد نماید

oxidemud