بخشی از مقاله
چکیده: بخش بزرگی از ترکیبات آلی که باعث ایجاد آلودگی در آبهای طبیعی میگردند، مواد رنگزای شیمیایی هستند. مواد رنگزا در بسیاری از صنایع همچون کاغذ، پلاستیک، مواد غذایی، مواد آرایشی، نساجی و رنگرزی مورد استفاده قرار میگیرند. به دلیل ساختار شیمیایی این مواد رنگزا، روشهای معمول تصفیه شیمیایی و بیولوژیکی قادر به تصفیه آنها نیستند. افزایش مشکلات ناشی از این پسابها و نیز استانداردهای بینالمللی محیط زیست، منجر به توسعه روشهای نوین در تصفیه مواد رنگزا و تبدیل آنها به مواد بیضرر شده است. محققان فرآیندهای اکسایش پیشرفته را برای این نوع پسابها پیشنهاد نمودهاند.
اخیرأ فرآیندهای اکسایش پیشرفته در راکتور های بستر سیال به دلیل برخی از ویژگی های خاصی که اینگونه راکتورها دارند، انجام می گیرد. در این پژوهش شبیه سازی راکتور بستر سیال جهت حذف مواد رنگزای آلی طی فرآیند فنتون هتروژن با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی صورت گرفته شده است. نتایج حاصل از هیدرودینامیک و واکنش داخل راکتور تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشها داشته است.
مقدمه
ازجمله صنایعی که گستردگی وسیعی در جهان و کشور ما دارد، صنایع رنگرزی و نساجی میباشند. این صنایع یکی از بزرگترین مصرفکنندگان آب بشمار میروند، بهطوریکه مقدار قابلتوجهی پساب در مراحل مختلف فرآیند تولید میشود. پساب اغلب واحدهای رنگرزی و نساجی حاوی مقادیر قابل توجهی از ترکیبات آلی و سمی هستند که از جمله این ترکیبات مواد رنگزای آلی میباشند.
حضور مواد رنگزای آلی در پسابها یکی از نگرانیهای ویژه محیطزیست بشمار میرود، زیرا نهتنها رنگ نامطلوبی به آب میدهند بلکه در بعضی موارد خودشان ترکیبات مضری بوده و میتوانند توسط اکسایش، هیدرولیز یا واکنشهای شیمیایی دیگر که در آب اتفاق میافتد، تولید محصولات جانبی خطرناک نمایند. فاضلابهای صنعتی حاوی مواد رنگزا به خاطر قابل روئیت بودن و مقاومت در مقابل تجزیهپذیری منبع مهم آلودگی محیطزیستی به حساب میآیند. مشکل زمانی مشهودتر میشود که تخمین زدهشده است در جهان سالانه حدود 50000 تن فاضلاب رنگین به محیط تخلیه میشود .[1]
مطالعات وسیعی در زمینه تصفیه پسابهای حاوی مواد رنگزا با استفاده از روشهای شیمیایی و بیولوژیکی صورت گرفته است که نتیجه آنها صرف هزینههای فراوان بر روی این آزمایشات و مطالعات بوده است. کارهای اخیر گزارش شده در منابع، بر روی موفقیت فرآیندهای بیولوژیکی در بیرنگ کردن پسابهای رنگی متمرکز شده است. با وجود اینکه روشهای بیولوژیکی نتایج قابل قبولی را بر روی حذف مواد رنگزا داشته اند، ولی دارای نقاط ضعفی نیز میباشند.
فرآیندهای بیولوژیکی شامل فرآیندهای هوازی و بیهوازی هستند که پرهزینه و سرعت انجام واکنشها بسیارکند - معمولاً بیشتر از 24 ساعت طول میکشد - میباشد. بسیاری از واکنشگرها نیازمند شرایط کاتالیزوری در راکتورهای بیولوژیکی هستند. به همین دلیل برای موثرتر کردن این نوع فرآیندها جهت حذف پسابهای رنگی از آبهای آلودهشده از روشهایی مانند رسوب دادن شیمیایی، جذب سطحی روی کربن فعال، غشاهای اکسیداسیون کاتالیزوری، فرآیندهای الکتروشیمیایی و تصفیه اکسیداسیونی شامل هیدروژن پراکسید، اوزون و تابش UV استفاده شده است .[2]
تصفیه فاضلاب با روشهای مرسوم با محدودیتهایی مواجه است. فرآیندهای اکسایش پیشرفته محدودیتهای فرآیندهای حذف مرسوم را نداشته و روشی مؤثر بهحساب میآیند. از محدودیتهایی که در روش های مذکور بالایی ممکن است اتفاق بیفتد می توان به تشکیل لجن، به وجود آمدن واسطههای سمی و نیاز به اکسیدانت بالا و... اشاره نمود. یکی از روشهای فرآیند اکسایش پیشرفته، فرآیند فنتون هتروژن است. واکنش فنتون عبارت است از واکنش بین پراکسید هیدروژن و یون آهن - II - که منجر به تولید حد واسطهای فعال مثل رادیکال هیدروکسیل میشود.
این پدیده اولین بار در سال 1894 در انگلستان توسط فنتون مشاهده شد و به نام او نیز معروف گردید. وی دریافت که H2O2 میتواند توسط نمکهای فروس - Fe2+ - 1 بهمنظور اکسید کردن تارتاریک اسید به کار گرفته شود. چهل سال بعد گروه هابر در سال 1934 پیشنهاد دادند که رادیکالهای هیدروکسیل مسئول فرآیند اکسایش در سیستم فنتون میباشند.
واکنش فنتون - واکنش - 1 در اثر اکسایش Fe2+ به Fe3+ و تجزیه پراکسید هیدروژن به رادیکالهای هیدروکسیل - OH - و یون هیدروکسید انجام میشود. به دلیل خاصیت اکسیدکنندگی غیرانتخابی و قوی رادیکال هیدروکسیل، واکنشگر فنتون در موارد زیاد برای تصفیه آلایندههای خطرناک از آبهای آلوده به کار میرود . یکی از راههای افزایش انتقال جرم بین فازهای موجود در سیستم استفاده از راکتورهای بستر سیال میباشد.
استفاده از فرآیندهای اکسایش پیشرفته در درون یک راکتور بسترسیال بهعنوان یک پتانسیل بالقوه برای افزایش بازدهی عمل میکند، این راکتورها دارای مزایای ویژهای نسبت به راکتورهای بستر ثابت و همچنین راکتورهای همزندار هستند. میزان عمر کاتالیستها نسبت به راکتورهای دیگر بیشتر میباشد و همچنین راکتورهای بسترسیال به دلیل هزینه پایین نگهداری و بهرهبرداری موردتوجه قرارگرفتهاند. استفاده از راکتور بسترسیال در فرآیند اکسایش پیشرفته باعث میشود که زمان فرآیند به حداقل برسد، زیرا میزان انتقال جرم در راکتورهای بسترسیال بالا بوده و درنتیجه زمان انجام واکنش کمتر خواهد شد.
در راکتورهای بستر سیال پارامترهایی اعم از اندازه بهینه ذرات، حجم کاتالیست نسبت به میزان دبی عبوری، نسبت قطر به طول راکتور، اندازه کاتالیست ها، چگالی کاتالیست و مایع و... به شدت بر روی نحوه عملکرد این راکتورها تاثیر دارد. لذا بررسی آنها در مقیاس نیمه صنعتی و حتی آزمایشگاهی نیازمند صرف هزینههای فراوانی خواهد بود. در اینجا که اهمیت مدل سازی و شبیهسازی اینگونه مسایل مشخص میگردد.
دو روش اساسی برای حل معادلات حاکم بر سیستم به دست آمده از مدل سازی مسئله وجود دارد، روشهای تحلیلی و روش های عددی. حل تحلیلی در صورتی که فرض خاصی برای فیزیک مسئله گرفته نشود دارای جواب دقیقی خواهد بود ولی روشهای عددی جواب تقریبی در اختیار میگذارد و دارای خطاهای گسسته سازی و گرد کردن و... میباشد.
اگر از روشهای مناسب عددی، تعداد مراحل محاسباتی بالا و همچنین المان های ریزتری برای شبکه بندی فیزیک مسئله استفاده شود این خطاها می توانند حتی به صفر نیز میل کنند. روشهای تحلیلی نیازمند محاسبات بسیار پیچیدهای بوده و برخی از معادلات نیز وجود دارند که با روش های تحلیلی غیرقابل حل میباشند در حالی که با حل عددی می توان به پاسخ همان معادلات پیچیده غیرقابل حل دست یافت. روش دینامیک سیالات محاسباتی یکی از روشهای عددی حل معادلات حاکم بر سیستم میباشد که با استفاده از نرم افزارهای کد نویسی شده میتوان روی مسئله مورد نظر اعمال نمود.
منابع فراوانی در بحث شیمیایی این فرآیند وجود دارد وکمتر پژوهشی است که این فرآیند را در راکتور بستر سیال به صورت عملی مطالعه کرده باشد و هیچگونه پژوهشی در زمینه شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی برای فرایند فنتون هتروژن در راکتور بستر سیال انجام نگرفته است. در این پژوهش پارامترهای هیدرودینامیکی و واکنشی سیستم و همچنین توزیع و پخش کاتالیست در راکتور مورد مطالعه قرار گرفته شده است.
بخش تجربی
ماده رنگزای مورد مطالعه، زرد اسیدی 36 است که بهطور گستردهای در صنایع رنگرزی ابریشم، کاغذ، چرم و غیره بهعنوان یک عامل رنگآمیز مؤثر مورد استفاده قرار میگیرد. کاتالیست مورد استفاده در این تحقیق سنگ طبیعی پیریت میباشد که مورفولوژی ذرات پیریت در اندازه کوچکتر از500 میکرومتر میباشند. همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود سنگ معدن طبیعی پیریت دارای سطح ناهموار و خلل و فرج فراوان است، از این لحاظ پیریت بهعنوان یک کاتالیزور جاذب مناسب نیز میتواند مورد استفاده قرار بگیرد.
