بخشی از مقاله
چکیده
افزایش تقاضا برای آبی با کیفیت بالا توجیه لازم برای تکنولوژی - های مدرن و ارزان قیمت فراهم و این فرآیند پتانسیل وسیعی برای حذف یون ها ، مواد آلی و معدنی و ... از آب دارا بوده ، این روش الکترولیزی است که در اثر اعمال ولتاژ بین الکترودهای آند و کاتد و برقرای جریان الکتریکی ، کواگولانت در محل و از الکترودها تولید می شود. هدف از انجام این پژوهش بررسی کآرایی فرایند انعقاد الکتروشیمیایی با الکترودهای آلومینیوم و آهن تحت شرایط مختلف در حذف کدورت از آب تصفیه خانه بندرعباس می باشد.تجهیزات شامل منبع تغذیه و36 الکترود به قطر 2mm و فاصله 2 cm و 3 cm از هم درون یک مخزن شیشه ای با حجم موثر 1/3 L نصب شد. اتصال الکترودها به منبع تغذیه به صورت تک قطبی با آرایش موازی انجام گرفت. حذف کدورت در مقادیر pH بین 3 ، 7 و 10 ، اختلاف پتانسیل 6 تا 24 ولت در زمان های واکنش 30 تا60 دقیقه تعیین شد . .
بالاترین راندمان حذف کدورت درpH = 12 ولت و حذف 82 و 86 درصدی کدورت در مقدار اولیه کدورت 1200 با استفاده از الکترودهای آلومینیوم و آهن حذف شد که بیانگر تاثیر جنس الکترود در فرایند حذف کدورت است. درصد حذف کدورت با فاصله 2 cm الکترودها 87 درصد و با فاصله 3 cm برابر 68 درصد است. در فرایند الکتروکواگولاسیون در شرایط بهره برداری تنها 66 و 65 درصد با استفاده از الکترودهای آلومینیوم و آهن حذف شده است. میزان انرژی مصرف شده با الکترودهای آهن - آلومینیوم برابر 3012 وات ساعت بر لیتر و کمتر از الکترودهای آهن - آهن و آلومینیوم - آلومینیوم می باشد .نتایج این مطالعه بیانگر تاثیرگذاری بیشتر فرآیند الکتروکواگولاسیون با استفاده از الکترود آلومینیوم و آهن درمقایسه با استفاده از الکترود های انتخابی دیگر می باشد .
کلمات کلیدی: تصفیه آب -کدورت-انعقاد الکتروشیمایی-الکترودهای آهن و آلومینیوم
مقدمه
آب، حلال ترین ماده اما دارای حجم بالایی از مواد آلی و معدنی میباشد[1 ] یکی از شاخص های کیفی که مداوم در آزمایشگاه هر تصفیه خانه ای مورد پایش قرار می گیرد کدورت می باشد زیرا در میان منابع آبی ، آبهای سطحی بیشترین ورودی به تصفیه خانه است و از گزینه های مهم تامین آب شرب در سطح شهر می باشد ] 11،[ 4 تکنولوژی الکترو شیمیایی به علت ساده بودن ، قابلیت خوب ته نشینی ، تولید لجن کم ، بزرگتربودن فلوک های تولیدی نسبت به تصفیه شیمیایی ، عدم کاربرد ترکیبات شیمیایی و کاهش آلودگی ثانویه توسط ترکیبات شیمیایی، حمل آلاینده ها توسط حباب های تولیدی در فرآیند، اقتصادی بودن فرایند مورد توجه می باشد . و معایب این روش نیز شامل هدایت پذیری بالای فاضلاب مورد تصفیه ، خوردگی الکترودها و نیاز به تعویض آن ،تشکیل رسوب می باشد] 2،8،[ 11
و مواد مختلف مانند ذرات شن ،عوامل بیماری زا ، جلبکهای آب شیرین در آبهای ورودی به طور وسیع دیده می شود و باعث تغییر ظاهری در آب از جمله ایجاد کدورت و تغییر رنگ در آب می شود 2 ]،7،[ 5 روشهایی که برای تصفیه فیزیکی آب استفاده می گردد نیاز به اضافه کردن عوامل ناپایدار کننده یامواد منعقد کننده به منظور حذف عوامل ایجاد کننده کدورت ضروری است همچنین مقدار اضافه کردن مواد منعقد کننده در زمانهایی که بارندگی زیاد است ضروری است و مقدار کدورت به بیش از 1400NTU نیز می رسد [ 10 ] که این روش ها مشکلاتی چون ناسالم بودن آب جهت شرب ،هزینه بهره برداری وسرانه بالا و...دارند [ 3 ] و فرایند پیش تصفیه و حوضچه های ته نشینی اولیه ، صافی های شنی درشت دانه استفاده می گردد اما مشکلات بهره برداری و نگهداری بالا ، ساخت تجهیزات فوق استفاده از آنها را محدود نموده است 16 ]و[ 17
در اغلب فرایندهای الکتروشیمیایی به منظور ناپایدارسازی عوامل آلاینده آب ، مواد معلق و کلوئیدی از جریان الکتریسیته و به کارگیری الکترودهای آهن و آلومینیوم استفاده می شودکه طی فرایند الکترولیز، الکترودها تجزیه شده و عوامل منعقدکننده و هیدروکسیدهای فلزی که می توانند سبب تجمع و تشکیل لخته های ناشی از مواد معلق یا جذب عوامل آلاینده های محلول در آب باشند را تولید می کنند. این فرایند در نهایت منجر به ناپایدارسازی ذرات کلوئیدی، تشکیل لخته و شناورسازی و یا ته نشینی عوامل آلاینده در آب می شود که در این مطالعه استفاده از فرایند مذکور در تصفیه خانه به دلیل عدم استفاده از مواد شیمیایی ، بالا بودن عمر واحد های مورد استفاده ، راهبری آسان ، تولید لجن کمتر و کاهش هزینه ها در مقایسه با فرآیند های متداول تصفیه آب جهت بالا بردن سطح کیفی فرایند زلالسازی مورد بررسی و کاوش قرار خواهدگرفت 3 ]،8،.[ 13
با توجه به نوع الکترودهای مورد استفاده ، یون های هیدروکسید فلزی یا عوامل انعقاد ایجاد می گردد9]و.[10استفاده از فرایند مذکور به لحاظ عدم استفاده از مواد شیمیایی، افزایش طول عمر مفید واحد های مربوطه ، بهره برداری و نگهداری آسان، تولید لجن کمتر و کاهش هزینه های زلالسازی در مقایسه با استفاده از منعقدکننده های شیمیایی مورد توجه واقع شده است .[14-11]لازم به ذکر است فرایند الکتروکواگولاسیون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلاینده های آب و فاضلاب مورد توجه قرار گرفته است. این فرایند شامل کاربرد همزمان جریان الکتریسیته و حباب های هوا می باشد12 ]،9 و.[13 در واقع این فرآیند طی سه مکانیسم اکسیداسیون الکترود، تولید حباب های گازی و عملیات شناورسازی و ته نشینی لخته های ایجاد شده ، سبب خذف آلاینده ها می شود. 6 ]،9و.[15 با توجه به تاثیرگذار بودن جنس الکترود در راندمان و کارایی فرایند الکتروشیمیایی در حذف مقادیر بالای کدورت، با استفاده از الکترود آهن و آلومینیوم و تاثیر فاکتورهای مختلف بر روند فرایند انجام پذیرفته است .
مواد و روش کار
کلیه فعالیت هادر 2مرحله انجام شد. تجهیزات شامل منبع تغذیه و الکترودهایی از جنسآلومینیم و آهن، مخزنیاز جنس پلاکس گلاسوابعاد 16 cm× 12 cm× 12 میلی متر با حجم موثر 1/3لیتر نصب شد - شکل . - 1 اتصال الکترودها به منبع تک قطبی و موازیکه انرژی کمتری نسبت به آرایش سری مصرف می کند. نمونه آب، ازتصفیه خانه بندرعباس واقع در استان هرمزگان تهیه و در راکتور در مقیاس آزمایشگاهی با ابعاد - 16 cm×12 cm×12cm - ساخته شده از شیشه با ضخامت 10mm با الکترودهای آهن و آلومینیوم با ابعاد - 12 cm× 10 cm× 2mm - که به طور عمودی و با فاصله 2cm از هم که انتهای هر یک به منبع تغذیه برق مستقیم DC متصل بود و اختلاط فاضلاب به کمک همزن مغناطیسی با سرعت ثابت 100rpm انجام می گردید ،جهت انجام آزمایش استفاده شد. از اسید کلریدریک با درصد وزنی 15، برای تمیز کردن الکترودها قبل از شروع آزمایش ها استفاده گردید. - شکل 2 و - 3
آزمایش ها در دامنه ولتاژ10، 20 و 30 با آرایش های 2تایی و4تایی - H- - H, - H-$/,$/-$/ و در دامنه pH برابر 7،3و11 فواصل 2FP ودرشرایط بهینه 3cmبا زمان تماس30، 45 و 60 دقیقه برای هر سری از جفت الکترودها انجام پذیرفت.در این آزمایش ها با توجه به ولتاژ عبوری،شدت جریان بین0تا 5 آمپر متغیر بودو به منظور بررسی تاثیر فرایند در حذف کدورت در مقادیر 300 NTU، 500، 800 و 1200 آزمایش ها با استفاده از فرایند الکتروکواگولاسیون برای هریک از الکترودهای از جنس آهن و آلومینیوم به صورت مجزا انجام گرفت.اندازه گیری کدورت به روش کدورت سنجی بر اساس دستورالعمل استاندارد متد و با استفاده از دستگاه کدورت سنج مدل 2100NHACH تعیین شد.
تاثیر pH بر حذف کدورت با روش انعقاد الکتروشیمیایی
pH محیط یکی از پارامترهای بسیار مهم و موثر در واکنش های الکتروکواگولاسیون همراه با سایر فرایندهای شیمیایی است15-8] و .[17 نتایج پژوهش انجام شده در این زمینه بیانگر این بوده که تاثیر pH اولیه محیط بسته به نوع فرایند مورد استفاده و نوع آلاینده بسیار متفاوت است.[8] تاثیر تغییرات pH محیط در محدوده 3 تا11 در زمان 30 تا 60 دقیقه و کدورت اولیه 1200 NTU، 800 ،500 ،300 در فرایند الکتروکواگولاسیون در حین استفاده از الکترودهای مختلف آهن و آلومینیوم مورد مطالعه قرار گرفت که نتایج آن در نمودار 1 نمایش داده شده است. نتایج این مرحله از انجام آزمایش ها حاکی از آن است که تغییرات pH محیط در حذف کدورت به هنگام بکارگیری الکترودهای آهن و آلومینیوم بسیار موثر و بسته به جنس الکترود متفاوت است. به این صورت که بالاترین راندمان حذف به هنگام استفاده از الکترودهای آهن و آلومینیوم به ترتیب در 6 pH و 7-9 مشاهده شد. نتایج نشان می دهد که در
16 شهریور 1394، IENC2015
فرایند الکتروکواگولاسیون با الکترود آهن ، با کاهش و افزایش مقادیر متفاوت ولتاز جریان مورد مطالعه قرار گرفت که نتایج حاصله مقدارpH محیط از مقدار بهینه - pH=6 - ، میزان حذف کدورت به در نمودارهای شماره 2 و 3 نمایش داده شده است. شکل 3 پروفیل شدت کاهش یافته و به 40 و 20 درصد به ترتیب در pH برابر 3 و میزان حذف کدورت در زمان های مختلف را در فرایند 11 رسیده است. همچنین نتایج مشابهی نیز در حین انجام فرایند با الکتروکواگولاسیون و در pH بهینه و در حین استفاده از الکترودهای استفاده از الکترود آلومینیوم حاصل شده است به طوری که میزان آهن و آلومینیوم و بیشترین کدورت 1200 NTU نشان می دهد. حذف کدورت در pH های 3 و 11 به ترتیب به 45 و 55 درصد نتایج آن بیانگر است که در این فرایند و در استفاده از الکترودهای کاهش یافته است. لازم به ذکر است که نتایج این مرحله از انجام مختلف با افزایش ولتاژ جریان ، مقدار حذف کدورت افزایش یافته و آزمایش ها حاکی از آن است که میانگین و انحراف معیار حذف از این نظر اختلاف معنی داری بین حذف کدورت و تغییرات شدت کدورت به هنگام استفاده از الکترودهای آلومینیوم و آهن در تمام جریان وجود دارد. pH های مورد استفاده به ترتیب 170 13 درصد و 57 12 درصد بوده که تفاوت معنی داری همراه با کاهش ضریب همبستگی-0.11 وPvalue=%0.01را در حذف کدورت نشان می دهد . بررسی نتایج مطالعات مختلف در این خصوص نشان داده است که در فرایند انعقاد الکتروشیمیایی و در 2 pH الی 4 گونه های فلزی غالب شامل Al - OH - 2+ و Al +3 هستند و در pH بالاتر از 10 انواع Al - OH - 4− جایگزین هیدروکسید آلومینیوم می شوند که در هر دو مورد قدرت تشکیل فلوک آنها از Al - OH - 3 کمتر است-18] .[20
ضمن آنکه در pH محیط بین 4 تا 9 ، یون های Al +3 و OH− وارد واکنش شده و گونه های فلزی واسطه ای تولید می شوند که در نهایت به تولید هیدروکسید فلزی آلومینیوم کمک می کنند.[22] از طرفی در حین استفاده از الکترود آهن در محیط اسیدی Fe - OH - 2 و در محیط خنثی Fe - OH - 2 وFe - OH - 3 و در محیط قلیایی ، گونه غالب Fe - OH - 3 می باشد ، بنابراین در محیط با pH خنثی به دلیل تشکیل Fe - OH - 2 وFe - OH - 3 و امکان تشکیل لخته های بیشتر، کارایی و راندمان حذف کدورت افزایش می یابد. در سایر پژوهش های انجام شده نیز در واکنش های الکتروشیمیایی ، تاثیر pH محیط به عنوان یک عامل مهم و کلیدی در انجام واکنش و نوع آلاینده مشخص شده است. .[20]
تاثیرشدت ولتاژ جریان در فرایند الکتروکواگولاسیون
فاکتور ولتاژ از طریق تاثیر بر میزان یون های فلزی که از سطح الکترود جدا می شوند 11] ، 13 و [14 بر سرعت انجام واکنش های الکتروکواگولاسیون تاثیر می گذارد..[11] در این مطالعه پس از تعیین شرایط بهینه بهره برداری فرایند از نظر pH محیط کارایی فرایندهای الکتروکواگولاسیون در کدورت ورودی 1200 NTU و به طوری که به هنگام استفاده از الکترود آهن در زمان 30 دقیقه به ترتیب 74 و 81 درصد از کدورت در ولتاژ10 و 30 ولت حذف شده است. لازم به ذکر است در این فرایند و بکارگیری الکترود آلومینیومی ، با افزایش شدت جریان از 10 به 30 ولت پس از گذشت زمان 30 دقیقه به ترتیب78 و 88 درصد کدورت در مقادیر 10 و 30 ولت جریان حذف شد. همجنین نتایج مشابهی نیز در این فرایند با الکترودهای مختلف و مقادیر متفاوت ولتاژ جریان حاصل شد که در شکل 4 نمایش داده شده است.
نتایج بیانگر این بوده که افزایش میزان ولتاژ جریان در مقادیر 10،20،30ولت باعٍث افزایش راندمان حذف کدورتدر فرایند مذکور با الکترودهای آهن و آلومینیوم شده است. پس در این صورت به هنگام استفاده از الکترود آهن در زمان 30 دقیقه به ترتیب 55 و 68 درصد کدورت در ولتاژهای 10 و 30 وات حذف شده ، همچنین در این فرایند و هنگام استفاده از الکترود از جنس آلومینیوم نیز با افزایش شدت جریان از 10 به 30 ولت پس از گذشت زمان 30 دقیقه به ترتیب 49 و 68 درصد کدورت حذف شد. در این مرحله از انجام آزمایش نیز اختلاف معنی داری بین درصد حذف کدورت در حین استفاده از الکترودهای آهن و آلومینیوم در فرایند الکتروکواگولاسیون وجود داشت. - . - Pvalue=0.01نتایج حاصله در
