بخشی از مقاله
خلاصه
هدف از این مطالعه، ارزیابی تاثیر ولتاژ متغیر در انعقاد الکتریکی با آرایش الکترودی منقطع در سیستم پیوسته جهت حذف سولفات از محلول های آبی و بررسی میزان مصرف انرژی الکتریکی در سیستم مذکوربوده است. بمنظور ایجاد آرایش الکترودی منقطع به صورت همزمان سه ولتاژ10، 20و30 ولت در 6 آرایش مختلف ولتاژی به الکترودها - سه الکترود - اعمال شد. براساس نتایج بدست آمده در این مطالعه بالاترین راندمان حذف سولفات در آرایش الکترودی 10، 20و30 ولت به ترتیب از سمت ورودی به خروجی راکتور در مدت زمان 135 دقیقه - دبی 10 میلی لیتر بر دقیقه - بدست آمد. نتایج این مطالعه نشان داد که هرچند میزان حذف سولفات در حضور ولتاژ متغیر نسبت به حالت ولتاژ ثابت کمتر است - حدود - %17 اما میزان مصرف انرژی الکتریکی درحالت ولتاژ متغیر نسبت به حالت ولتاژ ثابت کاهش چشمگیری دارد. این میزان کاهش مصرف انرژی - حدود - %60 به اندازه ای صرفه اقتصادی را بالا میبرد که میتوان از کاهش میزان حذف چشم پوشی کرد. بطورکلی روش انعقاد الکتریکی روشی مطلوب در حذف سولفات از محلول های آبی محسوب می گردد.
1. مقدمه
حضور سولفات در منابع آبی می تواند بواسطه فعالیت های انسانی یا طبیعی باشد. پساب بسیاری از کارخانه های صنعتی حاوی مقادیر قابل توجهی از سولفات است. ترکیبات دارای سولفات در ساختارهای طبیعی و زمین شناسی میتواند از طریق فعالیت های فرسایشی مانند انحلال وارد منابع آب شده و مشکلاتی را ایجاد کند. بعلاوه اکسیداسیون باکتریایی سولفید نیز می تواند منبع حضور سولفات در محیط زیست باشد.[1] منابع سولفات ناشی از فعالیتهای انسانی عمدتا شامل فاضلاب صنایع کاغذسازی، نساجی، کودهای شیمیایی، پلاستیک سازی و استخراج زغال سنگ از معدن است2]و.[3 سازمان بهداشت جهانی در سال 2011 میزان حداکثر مجاز غلظت سولفات در آب آشامیدنی را 250 میلی گرم برلیتر اعلام کرد.[4] از جمله اثرات نامطلوب سولفات میتوان به طعم بد و تلخ، ایجاد بیماری اسهال در انسان، ناراحتی های گوارشی اشاره کرد. از نظرکاربردهای صنعتی نیز دشواری هایی مانند رسوب کردن در جدار لوله های انتقال آب و دیگ های بخار، خوردگی و ترکیدن دیگ های بخار از جمله اثرات حضور سولفات است.[5]
با توجه به اثرات سوء حضور سولفات در محیط زیست و تاثیرات نامطلوب بر سلامت انسان و تاسیسات صنعتی، پاکسازی و حذف این ماده از محیط زیست دارای اهمیت است. روش های مختلفی برای تصفیه سولفات وجود دارد که در سه روش فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم بندی میگردد. انتخاب روش مناسب جهت حذف سولفات بستگی به غلظت آن دارد.[6] از جمله روش های متداول جهت حذف سولفات میتوان به :فرآیندهای غشایی شامل - اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون - ، فرآیندهای ته نشینی - تبادل یونی، جذب، الکتروشیمیایی - ، فرآیندهای بیولوژیکی - استفاده از راکتورهای بیولوژیکی - اشاره کرد.[6] روشهای مطرح شده دارای معایبی از قبیل تولید حجم زیاد لجن، هزینه بالای اجرا و بهره برداری و نیازمند نیاز به تصفیه ثانویه پساب هستند. امروزه تکنیک الکتروشیمیایی به عنوان یک ابزار مهم جهت جداسازی و کنترل آلودگی مطرح شده است. انعقاد الکتریکی یکی از روشهای الکتروشیمیایی است که برای حذف فلزات و یونها از فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش حضور الکترون در محیط محلول که ناشی از اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود است باعث ایجاد تغییرات شیمیایی میشود.[7] عمل اکسیداسیون و احیا در فرآیند انعقاد الکتریکی بر روی الکترودهای آند و کاتد همراه با تولیدآنیون هیدورکسیل و گاز هیدروژن در کاتدو تولید گاز اکسیژن و کاتیونها در آند انجام میگیرد. در این فرآیند لجن تولیدی از طریق اکسیداسیون الکترولیتی الکترود قربانی - آند - تولید میگردد. یون های فلزی تولید شده در الکترود آند - معمولا از جنس آلومینیوم - با یون های هیدروکسید تشکیل شده در الکترود کاتد واکنش داده و هیدروکسیدهای فلزی ایجاد میکنند8]و.[11 واکنش اکسیداسیون احیاء انجام گرفته در این فرآیند به شرح زیر میباشد9]و.[8
در آند :
- 1 - M+n - soluble - + ne- M - insoluble -
- 2 - 4OH - 2H2O + O2 +4e-
در کاتد:
- 3 - M n+ - soluble - + ne-M - insoluble -
- 4 - H2 + 2OH- 2H 2O + 2e-
در این روابط M نشان دهنده فلز تشکیل دهنده الکترودها می باشد.
محققان بسیاری بر روی حذف سولفات از آب آشامیدنی با انعقاد الکتریکی مطالعه نمودهاند. 1کوپیچ - 2006 - بر روی حذف غلظت بالای سولفات در آب آلوده با روش با انعقاد الکتریکی تحقیق نمود و متوجه شد که لخته هیدروکسید آلومینیوم در الکترود آند از جنس آلومینیوم در شرایط بازی تولید و یون سولفات به صورت سولفات کلسیم در pH معادل 11/5 رسوب نموده است. محوی - 1389 - فرآیند انعقاد الکتریکی را در مقیاس آزمایشگاهی در سیستم ناپیوسته، با استفاده از یک مخزن شیشه ایی با حجم موثر 1/3 لیتر حاوی 6 الکترود صفحه ایی از جنس آلومینیوم انجام داد. مخزن با آب حاوی سولفات در غلظت های 350و 700 میلی گرم بر لیتر پرشد. درصد حذف سولفات در گستره ،پتانسیل 10، 20، 30 ولت در زمان های واکنش 20، 40، 60 دقیقه و pH در مقادیر 7 - ، 3، - 11 بررسی گردید. در این مطالعه بالاترین راندمان حذف سولفات در اختلاف پتانسیل 30 ولت، زمان واکنش 60 دقیقه و pH=11 حاصل شد5]و.[10 در مطالعه حاضر کارایی روش انعقاد الکتریکی جهت حذف سولفات در سیستم پیوسته با الکترودهای منقطع در ولتاژهای متغیر و دبی های مختلف از جریان آلاینده ارزیابی گردید. همچنین راندمان هر چیدمان الکترودی از نظر مصرف انرژی الکتریکی محاسبه گردید و شرایط بهینه حذف سولفات از نظر ولتاژ، دبی و انرژی الکتریکی مصرفی بررسی شد.
2. مواد و روشها
1-2 مواد
نمونه فاضلاب با غلظت سولفات معادل500 میلی گرم در لیتر با حل کردن مقدار معینی از نمک سولفات سدیم بدون آب - Na2So4 - در آب مقطر تهیه گردید. برای تنظیم pH محلول هیدروکسید سدیم - - NaOH و هیدروکلریک اسید - HCl - یکصدم نرمال و برای افزایش هدایت الکتریکی محلول از 0/02 NaCl نرمال استفاده گردید. تمام مواد شیمیایی مورد استفاده در آزمایشها از شرکت MERCK آلمان تهیه شد. کلیه آزمایشات با حداقل سه بار تکرار انجام پذیرفت. حداکثر خطای آزمایشات %5 اندازهگیری گردید.
2-2 روشهای مورد استفاده
1-2-2 روش کلی انجام آزمایش انعقاد الکتریکی
برای انجام آزمایشات از یک راکتور پیوسته با ابعاد 6*10*20 سانتی متر و از جنس فومیزه استفاده شد. بافل های مورد استفاده در مخزن راکتور دارای ابعاد 5 * 6 * 1/6 سانتی متر بوده است. الکترود های آلومینیومی از ورق هایی به ضخامت یک میلی متر با ابعاد 10* 2/5 سانتی متر تهیه شد. الکترودها قبل از استفاده در راکتور با هیدروکلریک اسید و آب مقطر شستشو داده شدند. برای تامین جریان الکترسیته مورد نظر از منبع تغذیه قابل برنامه ریزی مدل PST- 3201/3202 ساخت شرکت GwINSTEK کشور تایوان و جهت ایجاد جریان پیوسته در محلول حاوی سولفات از پمپ پریستالتیک ساخت شرکت Sina- lab. Equipment استفاده شد. پس از تنظیم pH فاضلاب و دبی ورودی مورد نظر فاضلاب حاوی سولفات بصورت پیوسته وارد راکتور گردید. پس از انجام فرآیند انعقاد الکتریکی و خروج محلول از راکتور، به منظور ته نشینی لجن، مدت 30 دقیقه فرصت داده شد. پس از عبور دادن محلول رویی از فیلتر غشایی با قطر 0/45 میکرومتر غلظت سولفات توسط دستگاه اسپکتروفتومترDR6000 در طول موج 420 نانومتر در محلول فیلتر شده اندازه گیری شد. شکل 1 نمای کلی راکتور ساخته شده برای آزمایشات جریان پیوسته را نشان میدهد.
2-2-2 روش اعمال ولتاژمتغیر در الکترودها
در این مرحله با توجه به شرایط مشابه در حالت ولتاژ ثابت به بررسی تاثیر آرایش الکترودی منقطع با ولتاژهای متفاوت در الکترودهای راکتور پرداخته شد. بطوری که برای هرجفت الکترود از سمت ورودی به خروجی راکتور با استفاده از منبع تغذیه به الکترودها ولتاژهای متفاوت اعمال شد. با توجه به شکل - 1 - ولتاژهای اعمال شده در 6 حالت بصورت زیر میباشد. 30،20،V= 10 ، 20،30،V=10 ، 30،10،V=20 ، 10،30،V=20 ، 10،20،V=30 ، 20،10،V=30 جهت تعیین درصد حذف سولفات و مصرف انرژی الکتریکی از روابط - 1 - و - 2 - استفاده شده است. در این روابط Ct و C0 نشان دهنده غلظت اولیه و غلظت ثانویه محلول - mg/L - ، W انرژی الکتریکی مصرفی - - kwh ، V ولتاژ - v - ، I شدت جریان - A - ، t زمان بهره برداری - h - ، میباشد.
