بخشی از مقاله
خلاصه
از میان روشهای موجود برای حذف و کاهش نیترات، انعقاد الکتریکی با توجه به سازگاری با محیطزیست، کاهش هزینهها و کاهش لجن تولیدی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. هدف از این تحقیق، بررسی کارایی و تأثیر پارامترهای عملیاتی مهم - شامل چهار پارامتر غلظت اولیه نیترات، دبی ورودی جریان، دانسیته جریان و pH اولیه محلول - بر سیستم پیوسته فرآیند انعقاد الکتریکی برای حذف نیترات از آب است. برای این منظور با بکارگیری یک سیستم پایلوت آزمایشگاهی فرآیند انعقاد الکتریکی پیوسته با حجم مفید 2/4 لیتر، این موضوع بررسی و با روش تاگوچی و آنالیز واریانس تحلیل شد. نتایج این تحقیق نشان داد که در بین پارامترهای منتخب، بیشترین تأثیر مربوط به دبی جریان ورودی با سهم نسبی %25/36 بود. همچنین، بیشترین میزان حذف نیترات - %61/70 - در شرایط غلظت اولیه 100 mg/l ، دبی ورودی 50 ml/min ، دانسیته جریان 80 A/m2 و pH اولیه 8 بدست آمد.
کلمات کلیدی: انعقاد الکتریکی، سیستم پیوسته، آنالیز واریانس، حذف نیترات، دبی جریان
1. مقدمه
آب یکی از حیاتیترین سرمایههای زندگی انسان و اصلی ترین عامل توسعه بشری محسوب میشود. افزایش تدریجی بار آلودگی، تغییر ماهیت آلایندههای منابع آب، دور شدن منابع تأمین آب از نقاط مصرف و گستردگی خطوط انتقال و شبکه توزیع آب، کاهش تدریجی کیفیت آب های سطحی و زیرزمینی را در پی داشته است که در بیشتر بخش های جهان به عنوان منابع آب آشامیدنی به شمار میروند2]،.[1 نیترات یکی از عوامل آلودگی شیمیایی آب های سطحی و زیرزمینی است و از طریق فعالیتهای انسانی مانند رواناب کشاورزی و شهری، رهاسازی فاضلاب های شهری و صنعتی تصفیه نشده در محیط، نشت از سیستمهای جذب، دفن غیر بهداشتی و کودهای حیوانی نیتروژندار باعث آلودگی منابع آبهای آشامیدنی میشود. غلظت بالای نیترات در آب به ویژه برای شیرخواران و کودکان مضر میباشد و منجر به بیماری متهموگلوبینمیا میشود.[2] توجه و نگرانی های مربوط به بهداشت و سلامت ناشی از آلاینده نیترات در آب موجب گردیده تا میزان حداکثر غلظت نیترات در آب مصرفی، در اکثر استانداردهای زیست محیطی دنیا مطرح شود. حداکثر مجاز نیترات در آب آشامیدنی بر اساس استانداردهای مختلف دنیا به شرح زیر تعیین شده است: 50 mg/l - 1 بر حسب نیترات طبق استاندارد ایران[3]، 50 mg/l - 2 بر حسب نیترات طیق استاندارد سازمان بهداشت جهانی [4] - WHO - ، 45 mg/l - 3 برحسب نیترات 10 mg/l - بر حسب نیتروژن - در استاندارد سازمان حفاظت از محیطزیست آمریکا [5] - US EPA - و 50 mg/l - 4 بر حسب نیترات مطابق با استاندارد آژانس محیطزیست اروپا .[6] - EEA -
برای حذف نیترات از آب از روش های متنوعی چون روشهای غشایی - اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، تبادل یونی - ، روشهای بیولوژیکی و فیزیکی- شیمیایی استفاده میشود. انعقاد الکتریکی یک روش تصفیه الکتروشیمیایی است و برای حذف آلاینده های مختلفی از آب آشامیدنی و فاضلاب مورد استفاده قرار گرفته است.[7] در این روش آندهای فلزی - معمولاً آهن یا آلومینیوم - تحت شرایط ولتاژ و جریان ثابت خورده میشوند.
کاتیونهای فلزی بصورت پیوسته با تجزیه فلز در محل آزاد شده و تبدیل به هیدروکسیدهای فلزی شده و به عنوان منعقدکننده، جاذب یا ماده ترسیبکننده وارد محیط محلول میشوند. در ادامه آلایندهها با لختهسازی، تهنشینی و یا شناورسازی از محلول های آبی حذف میشود. عدم نیاز به اضافه کردن مواد شیمیایی، کاهش تولید لجن، تجهیزات ساده و متراکم، تطابقپذیری با شرایط مختلف، قابلیت تنظیم خودکار، سازگاری با شرایط زیستمحیطی و بهره برداری آسان از مزایای این روش به شمار میروند7]،.[1
برای آغاز و انجام یک فرآیند انعقاد الکتریکی طراحی راکتور به دو صورت پیوسته و ناپیوسته انجام میگیرد. با توجه به دائمی بودن عملیات و ثابت بودن غلظت آلاینده، سیستم پیوسته گزینه مناسبی برای تصفیه به نظر میرسد.[8] از جمله از پارمترهای تأثیرگذار در سیستمهای پیوسته دبی وردی، زمان ماند، غلظت اولیه آلاینده، pH اولیه محلول و دانسیته جریان را میتوان نام برد.[9] تا کنون سیستم ناپیوسته انعقاد الکتریکی برای حذف نیترات مورد بررسی قرار گرفته است، اما بر اساس مطالعات کتابخانهای، مطالعهای جهت بررسی سیستم پیوسته انعقااد الکتریکی برای حذف این آلاینده صورت نگرفته است1 ]،. [16-10
هدف از انجام این تحقیق بررسی پارامترهای مهم و مؤثر در حذف نیترات با استفاده از الکترودهای آلومینیومی در سیستم پیوسته انعقاد الکتریکی میباشد. در این راستا، اثرچهار پارامتر غلظت اولیه نیترات، دبی ورودی جریان، دانسیتیه جریان و pH اولیه محلول بر راندمان حذف نیترات بررسی شد. جهت تحلیل آماری از روش طراحی آزمایش تاگوچی برای این مطالعه بهره گرفته شد.
2. مواد و روشها
سیستم انعقاد الکتریکی استفاده شده در این تحقیق از جنس پلکسی گلاس و به حجم مؤثر 2/4 لیتر میباشد. الکترودهای آلومینیومی با سطح مؤثر کل 364 سانتیمتر مربع به عنوان کاتد و آند مورد استفاده قرار گرفت. الکترودها به فاصله ثابت و برابر1 cm از یکدیگر تنظیم و بصورت تکقطبی موازی به منبع تغذیه برق جریان مستقیم دیجیتالی - Micro_PW_4053R - متصل شدند. جریان الکتریکی ابتدا توسط دو سیم به دو میله مسی منتقل شده به طوری که یکی از این میلهها دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی گردد. سپس جریان توسط سیمهای متصل به این دو میله به تیغه های فلری رسانده میشد. جهت تأمین جریان پیوسته در سیستم از پمپ پریستالتیک دیجیتالی - Heidolph, PD 5201, Germany - استفاده شد. سیستم مورد استفاده در این تحقیق بصورت شماتیک و واقعی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 سیستم پیوسته انعقاد الکتریکی استفاده شده در این تحقیق الف - شکل شماتیک: -1 مخزن ذخیره -2 پمپ پریستالتیک -3 راکتور انعقاد الکتریکی -4 الکترودهای آلومینیومی -5 منبع تغذیه -6 DC تانک تهنشینی -7 پساب خروجی؛ ب - شکل واقعی: -1 مخزن ورودی -2 راکتور انعقاد الکتریکی -3 حوض تهنشینی برای تهیه محلول استوک نیترات در غلظتهای مختلف، پودر نمک NaNO3 با توزین مقدار محاسبه شده و حل کردن در آب شهری و رساندن به حجم مورد نظر استفاده شد. از نمک سدیم سولفات به عنوان نمک الکترولیت استفاده گردید. محلول های اسید سولفوریک و سدیم هیدروکسید در غلظتهای 2 و 5 نرمال برای تنظیم pH اولیه محلول به کار رفتند. همچنین برای اندازهگیری مقدار pH و اندازهگیری غلظت نیترات در نمونههای خروجی به ترتیب از دستگاه pH متر - 340i, WTW, Germany - و دستگاه اسپکتروفوتومتر - Hach, DR4000 , USA - در طول موج 500 نانومتر استفاده شد. رابطه - 1 - جهت محاسبه راندمان حذف نیترات مورد استفاده قرار گرفت:
که در آن Cr و Ct به ترتیب برابر با غلظت اولیه آلاینده و غلظت آلاینده در محلول تصفیه شده میباشند. در این تحقیق، تأثیر چهار پارامتر مهم در فرآیند انعقاد الکتریکی پیوسته در حذف نیترات در نظر گرفته شد و سطوح انتخابی هر یک از آنها برای ارائه به روش تاگوچی در جدول 1 ارائه شده است. روش تاگوچی برای تحلیل دادهها از یک معیار آماری عملکرد به نام نسبت سیگنال به نویز استفاده میکند. در این تحقیق مشاهدات آزمایشگاهی به نسبت 1S/N مطابق با معیار کیفیت هر چه بزرگتر بهتر تبدیل شدند. نسبت S/N برای هدف " هرچه بزرگ تر بهتر" برای همه پاسخها طبق رابطه - 2 - محاسبه گردید:[17]
که n و yi به ترتیب نمایانگر تعداد مشاهدات و اطلاعات مشاهده شده میباشند. اثر پارامترهای انتخابی با آنالیز واریانس2 در سطح اطمینان %95 بررسی شد. همچنین نرمافزار Minitab 16 برای آنالیز دادهها مورد استفاده قرار گردید.
جدول -1 پارامترها و سطوح انتخاب شده در این تحقیق
3. نتایج و بحث
فرآیند سیستم پیوسته انعقاد الکتریکی یک فرآیند پیچیده است که توسط پارامترهای مهمی نظیر غلظت اولیه آلاینده، دانسیته جریان، دبی ورودی جریان و pH اولیه محلول تحت تأثیر قرار میگیرد. در این تحقیق تأثیر این چهار پارامتر بر روی سیستم مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور طراحی آزمایش با روش تاگوچی در سه سطح مختلف طبق مدل "2$-27" برای پارامترها انجام یافت. طبق روش تاگوچی، مقادیر مشاهده شده آزمایشات طراحی شده و همچنین نسبت های S/N محاسبه شده با نرمافزار مینیتب در جدول 2 ارائه شده است.
