بخشی از مقاله
خلاصه
غلظت بالای یون نیترات در آب موجب بروز عوارض سوء برای انسان به ویژه در نوزادان و زنان باردار میگردد. در سالهای اخیر، محققین به بررسی روشهای مختلفی برای حذف این آلاینده از محلولهای آبی پرداختهاند که در این میان فرآیند انعقاد الکتریکی با دارا بودن بازدهی مناسب حذف، تولید لجن کم و کاربرد گسترده، یکی از مطلوبترین روشها به شمار میآید. طبق مطالعات صورت گرفته تا کنون در مورد مدلسازی فرآیند حذف با این روش، تحقیقی صورت نگرفته است. هدف از انجام این تحقیق، استفاده از تکنیکهای مدلسازی مانند رویه پاسخ - - RSM برای بررسی و شناخت بهتر حذف نیترات از فاضلاب با روش انعقاد الکتریکی میباشد. بر این اساس رابطه بین راندمان حذف نیترات - به عنوان پاسخ - و متغیرهای کمی شامل غلظت اولیه نیترات، p H اولیه محلول، زمان واکنش، تعداد الکترودها و جریان، با یک چند جملهای مرتبه 2 ارائه شده است. نتایج مدلسازی نشان میدهد که رابطه بدست آمده با ضریب تعیین %98 - R2 - دارای دقت مناسبی بوده و روش رویه پاسخ - - RSM نیز ابزار مناسبی برای مدلسازی این فرآیند به شمار میرود. نتایج این مدل سازی نشان داد که غلظت اولیه نیترات، p H اولیه محلول و زمان واکنش، نسبت به پارامترهای دیگر از اهمیت بیشتری برخوردارند.
کلمات کلیدی: انعقاد الکتریکی، نیترات، مدلسازی، روش رویه پاسخ، فاضلاب
1. مقدمه
از روزگاران قدیم انواع آلایندههای طبیعی در منابع آب موجود بودهاند. قرنها پیش از آنکه تمدنها در شهرها بوجود آیند، اغلب ناخالصیهای ناشی از شستشوی هوا، فرسایش سطح زمین، شستشوی خاک و غیره به درون آبها نفوذ کردهاند ولی جز در مواردی استثنایی، فرایندهای تصفیه طبیعی قادر به حذف یا بیزیان ساختن این آلایندهها بودهاند. با پیدایش تمدنها، فعالیت بشر سبب تغییر مقدار و ماهیت آلایندههای ورودی به آب گردیده و مقدار مواد زائد تا آنجا افزایش یافت که از ظرفیت خودپالایی آبهای محلی تجاوز نمود .[1]امروزه در بین جوامع صنعتی و نیمه صنعتی که به نحوی درگیر آلودگیهای زیستمحیطی میباشند،کمتر کشوری را میتوان یافت که بخشی از منابع آب شیرین آن اعم از آبهای سطحی و زیرزمینی به یون نیترات آلوده نباشند .[2]
در مورد ایران هم تاکنون در اکثر شهرها آمار رسمی مبنی بر چگونگی وضعیت نیترات آبهای زیرزمینی منتشر نشده است. اما بررسی نتیجه برخی تحقیقات دانشگاهی صورت گرفته، افزایش بیش از حد مجاز نیترات در آبهای زیرزمینی را نشان میدهد .[3] غلظت بالای یون نیترات در آب موجب بروز عوارض سوء برای انسان به ویژه در نوزادان و زنان باردارمیگردد .[4] میتوان گفت تقرباًی هیچ راه سادهای برای حذف نیترات از آب وجود ندارد؛ به عنوان مثال فرایند جوشاندن آب به مدت 10 دقیقه غلظت نیترات را به طور قابلملاحظهای افزایش میدهد و جوشاندن نیترات در ظروف آلومینیومی باعث تبدیل نیترات به نیتریت میگردد .[5]
عمدهترین روشهایی که برای حذف این آلاینده استفاده میگردد عبارتند از: جداسازی غشائی مثل اسمز معکوس، تبادل یونی، فرایندهایبیولوژیکی، الکتروشیمیایی، و جذب توسط جاذبهای مختلف .[6] یکی از جدیدترین روشهایی که بطور گسترده برای حذف نیترات استفاده می-شود، روش انعقاد الکتریکی میباشد .[7] مزایای این روش عبارتند از: عدم نیاز به اضافه کردن مواد شیمیایی، کاهش تولید لجن، تجهیزات ساده ومتراکم، تطابقپذیری با شرایط مختلف، قابلیت تنظیم خودکار، سازگاری با شرایط زیستمحیطی، بهرهبرداری آسان و نیز راندان تصفیه بالا 7]، .[8-10 به دلیل قابلیت های فراوان این روش در کشور ما نیز در سالهای اخیر پژوهش های فراوانی در دانشگاهها جهت حذف آلایندههای مختلف از جمله نیترات صورت گرفته است 7]، 11، .[12 طبق مطالعات صورت گرفته، تا کنون در مورد مدلسازی فرآیند حذف نیترات با روش انعقاد الکتریکی تحقیقی صورت نگرفته است 13]، .[14
انعقاد الکتریکی فرایندی پیچیده با پارامترهای زیاد است. لذا برای بررسی بهتر و شبیهسازی آن، در این تحقیق از روش-های طراحی آزمایش استفاده شد. در تحقیقات مرسوم برای آزمایش با فاکتورهای زیاد، با ثابت نگه داشتن همه پارامترها، یک پارامتر تغییر میکند و با تکرار این کار برای سایر پارامترها، نمودار رفتار هر پارامتر و شرایط بهینه مشخص میشود؛ اما این روش وقتگیر و غیر دقیق است .[15] دلیل غیر دقیق بودن روش مذکور وجود تداخلهای احتمالی بین پارامترهاست. روشهای طراحی آزمایش قادر هستند که با در نظر گرفتن این تداخلها شرایط را شبیهسازی کنند .[16]هدف از انجام این تحقیق، استفاده از تکنیکهای مدلسازی مانند رویه پاسخ - RSM - برای بررسی و شناخت بهتر حذف نیترات از فاضلاب با روش انعقاد الکتریکی میباشد. بر این اساس رابطه بین راندمان حذف نیترات - به عنوان پاسخ - و متغیرهای کمی شامل غلظت اولیه نیترات، pH اولیه محلول، زمان واکنش، تعداد الکترودها و جریان، با یک چند جملهای مرتبه 2 ارائه شده است.
2. مواد و روشها
.1 .2 سلول انعقاد الکتریکی
سلول انعقاد الکتریکی مورد استفاده در این پژوهش از جنس پلکسی گلاس و به حجم موثر و خالص به ترتیب 3/7 و 4/75 لیتر و ابعاد 50×10×9/5 سانتیمتر میباشد. الکترودهای آلومینیومی در ابعاد 8×7 سانتیمتر و با ضخامت 1 میلیمتر مورد استفاده قرار گرفتند. فاصله بین الکترودها در همه آزمایشها ثابت و برابر 1 سانتیمتر تنظیم گردید و این الکترودها به صورت موازی با هم در داخل راکتور قرار گرفتند. برای تامین انرژی الکتریکی آزمایشها از یک منبع تغذیه جریان برق مستقیم دیجیتالی - M icro_PW_4053R - استفاده شد که جریان الکتریکی را به صورت تکقطبی به تیغهها میرساند. جریان الکتریکی ابتدا توسط دو سیم به دو میله مسی منتقل شده بهطوری که یکی از این میلهها دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی - گردد. سپس جریان توسط سیم های متصل به این دو میله به تیغه های فلزی رسانده میشد. جهت ایجاد یک محلول یکنواخت و حل کردن نمک الکترولیت از دو همزن مغناطیسی با مارک DAIHAN LabTech که در زیر محفظه قرار میگیرد استفاده شد. راکتور مورد استفاده در این تحقیق در شکل 1 نمایش داده شده است.
.2 .2 روش تجربی آزمایشها
در این پژوهش ساخت محلول استوک نیترات با توزین مقدار محاسبه شده از پودر سدیم نیترات و حلکردن در آب مقطر و رساندن به حجم مورد نظر انجام شد. در کلیه آزمایشها، آب مقطر به همراه نمک سولفات سدیم خالص - برای افزایش رسانایی محلول - به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار گرفت. برای عدم تغییر در حجم محلول، نمک Na2SO4 به صورت جامد به داخل حوضچه اضافه شده و با همزن مغناطیسی حل میشد. تیغههای آلومینیومی پس از هر آزمایش شسته شده و با اسکاچ نرم تمیز می شدند تا اثری از آلودگی مرحله قبل باقی نماند. برای تنظیم pH از محلولهای اسیدسولفوریک و هیدروکسید سدیم در غلظتهای 1 و 4 نرمال استفاده شد.
جهت اندازهگیری غلظت نیترات باقیمانده در محلول و تعیین درصد حذف آن، در هر مرحله آزمایش ابتدا در زمان مورد نظر نمونهگیری از داخل راکتور انجام شده و سپس مدتی برای تهنشینی به نمونهها فرصت داده میشد. پس از آن و بدلیل محدودیت روش مورد استفاده در اندازهگیری غلظت نیترات - روش شماره 8039 دستگاه اسپکتروفوتومتر - که تنها قادر به شناسایی نیترات در محدوده 0 تا 30 میلیگرم در لیتر میباشد، نمونهها ترقیق میشدند. جهت بدست آوردن غلظت نیترات عدد خوانده شده در مرتبه ترقیق ضرب می گردید. در مورد نیترات، راندمان حذف از طریق رابطه 1 محاسبه گردید.که در آن Cr و Ct به ترتیب برابر با غلظت اولیه آلاینده و غلظت آلاینده در محلول تصفیه شده میباشند.
.3 .2 طراحی آزمایش و آنالیز دادهها
روش طراحی آزمایش رویه پاسخ برای مشخص کردن ارتباط یک متغیر هدف - متغیر پاسخ - با چند متغیر کمی آزمایشگاهی استفاده میشود 17]، .[18 این روش معمولا در هنگامی استفاده میشود که گمان میرود رفتار پارامتر هدف به صورت منحنی باشد .[18] همچنین وقتی هدف شبیهسازی باشد، این روش بسیار مفید است .[16] روش رویه پاسخ ترکیبی از علم آمار و ریاضی میباشد که با ارائه یک تابع درجه دوم بین متغیر هدف و سایر متغیرهای آزمایش، به بررسی رفتار متغیرها و یافتن مدل شبیهسازی آزمایش میپردازد .[19] این تابع در حالت کلی به صورت رابطه 2 میباشد:
که در آن Y متغیر هدف و X متغیر مستقل در آزمایش میباشد.در این مطالعه از روش 1CCD که یکی از پر استفادهترین فرمهای روش رویه پاسخ است برای شبیهسازی فرایند انعقاد الکتریکی در حذف نیترات استفاده شد. از میان پارامترهای موثر در فرآیند انعقاد الکتریکی، 5 پارامتر به عنوان پارامترهای عملیاتی در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفت. این پارامترها عبارتند از: pH اولیه، شدت جریان الکتریکی، غلطت اولیه نیترات، تعداد الکترودها و زمان واکنش. همچنین راندمان حذف نیترات به عنوان پاسخ در نظر گرفته شد. در مجموع 57 آزمایش شامل 32 نقطه مکعبی، 10 نقطه محوری و 15 تکرار در نقطه مرکزی مکعب بر اساس روش CCD طراحی و سپس مورد آزمایش قرار گرفت.
داشتن قابلیت دوران پذیری2 یکی از خاصیت های روش CCD می باشد. این روش با انتخاب یک مقدار مناسب برای ضریب - آلفا - از طریق رابطه - 1F - 1/4 که در آن NF = 2K و K تعداد فاکتورهای اصلی است، دوران پذیر می شود .[20] مقدار α برای دوران پذیری طرح برابر 2/4 انتخاب گردید. پس از طراحی آزمایشها توسط روش رویه پاسخ با استفاده از نرم افزار مینی تب - M initab - و Design Expert 7، آزمایشهای انعقاد الکتریکی با شرایط تعیین شده انجام گرفت. محدوده و سطوح متغیرهای منتخب برای حذف نیترات در جدول 1 ارائه شده است.
