بخشی از مقاله
چکیده
روشهاي اکسیداسیون پیشرفته - AOP - مانند روش فوتوشیمیایی فرابنفش- پراکسید هیدروژن UV‐ - - H2O2 یکی از روشهاي جدید و ارزان در تصفیه پسابها و از بین بردن آلایندهها به خصوص آلایندههاي مقاوم در مقابل روشهاي مرسوم تصفیه آب، میباشند. در این مقاله توانایی روش UV‐ H2O2 در از بین بردن مواد آلی آلاینده به صورت عددي بررسی شده است.
مدل عددي جامعی با استفاده از روشهاي دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - براي حل همزمان معادلات هیدرودینامیکی، تشعشع و واکنش هاي شیمیایی در دو راکتور شیمیایی حلقوي و متقاطع که در آنها یک لامپ فرابنفش با طول موج 253/7 نانومترقرار دارد، ارائه شده است و صحت نتایج آن در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی تایید شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهد که روش UV‐H2O2 به خوبی میتواند آلایندههاي مورد مطالعه را از بین ببرد.
همچنین نتایج بدست آمده نشان میدهد که در حالتیکه از دبی یکسان و لامپ فرابنفش یکسانی استفاده شود زمان ماند - residence time - ذرات در راکتور متقاطع بیشتر است و در نتیجه ذرات موجود در آب در معرض دوز بیشتري از پرتوهاي فرابنفش قرار میگیرند و بنابراین رادیکال هاي هیدروکسیل بیشتري تولید می شوند. در نتیجه راکتور متقاطع در شرایط توان لامپ و دبی یکسان داراي عملکرد بهتري براي از بین بردن مواد آلاینده میباشد.
همچنین مشاهده شد که وجود گردابه - جریان بازگشتی - در مجاورت لامپ فرابنفش در راکتور جریان متقاطع باعث کاهش دوز موثر راکتور میشود. علاوه براین تغییرات میزان کاهش مواد الاینده با تغییر ثابت واکنش آنها با رادیکال هیدروکسیل مورد مطالعه قرار گرفته است که نشان میدهد افزایش ثابت واکنش آلایندهها با رادیکال هیدروکسل باعث بهبود عملکرد راکتور و کاهش انرژي مصرفی میگردد.
-1 مقدمه
با توجه به آنکه منابع آبی قابل استفاده در جهان بسیار محدود میباشند، در بسیاري از مناطق مخصوصا در مناطق خشک بازیابی پسابها به عنوان یکی از منابع مهم آب براي استفادههایی مانند کشاورزي به صورت روزافزونی مورد توجه سازمانهاي تامین آب قرار گرفته است. به همین دلیل بازیابی پسابهاي شهري و استفاده مجدد از آنها به عنوان یکی از روشهاي پذیرفته شده محسوب میشود .[1]
از طرفی ریزآلایندههاي - - micro-pollutant جدیدي مانند مختل کنندههاي هورمونی - - Endocrine disruptors، ترکیبات فعال دارویی و مواد بوجود آمده از صنایع پتروشیمی، بهداشتی و آرایشی به صورت روزافزونی در منابع آبی سطحی و آبهاي زیرزمینی مشاهده میشوند .[2] این ریزآلایندهها توسط روشهاي مرسوم - مانند کلر زنی یا استفاده از پرتوهاي ماورا بنفش به تنهایی - در تصفیه آب از بین نمیروند و براي جلوگیري از ورود آنها به منابع آبی بایستی از روشهاي جدید در تصفیه آب که روشهاي پیشرفته اکسیداسیون - Advanced oxidation - process, AOP نامیده میشوند مانند UV-H2O2 استفاده نمود .[3]
علاوه بر تواناییهاي روش UV-H2O2 در از بین بردن آلایندههاي ناشی از مواد دارویی، کودها، و مختل کنندههاي هورمونی مقاوم، این روش قابلیتهاي چشمگیري در از بین بردن آلودگیهاي بوجود آمده از مواد آلی را دارا میباشد. واتز و لیندن [4] مطالعات آزمایشگاهی خود را در مورد اکسیداسیون آلایندههاي TBP و TCEP با استفاده از راکتور تشعشع موازي UV و با استفاده از تک موج 253/7 نانومتر انجام دادند.
آنها مشاهده کردند که استفاده از تشعشع UV به تنهایی حتی با مقادیر بالا، نمیتواند باعث کاهش مواد آلاینده شود. همچنین آنها مشاهده کردند که اگر مقداري H2O2 به این فرایند اضافه نمایند آلایندهها به خوبی از بین میروند. در این مطالعه آنها سرعت واکنش هر یک از مواد آلاینده را با پراکسید هیدروژن گزارش کردند و مشاهده کردند که سرعت واکنش TBP بسیار بیشتر از TCEP میباشد و براي از بین بردن TCEP مقدار دوز مورد نیاز حدودا" 10 برابر دوز TBP میباشد.
از آنجا که یکی از عوامل بسیار مهم در نحوه عملکرد راکتور UV-H2O2 و میزان بازدهی آن، توزیع تشعشع در فضاي راکتور میباشد، پیش بینی توزیع شدت تشعشع در راکتور مورد توجه بسیاري از محققین قرار گرفته است. با این وجود تعداد بسیاري از مطالعات انجام شده با استفاده از مدل هاي ساده شده و مدل هاي یک بعدي صورت گرفته است و تنها تعداد معدودي از محقیقین تشعشع را به صورت کامل مدل کردهاند.
بولتون [5] مدل کاملی از تشعشع را مورد بررسی قرار داده است که در آن هم شکست و هم بازتابش پرتوهاي فرا بنفش که به مرز هوا، کوارتز و آب میرسند در نظر گرفته شده است. لیو و همکارانش [6] بررسی جامعی در مورد نحوه عملکرد مدلهاي مختلف براي تشعشع انجام دادهاند.آنها مدل هاي مختلفی مانند مدل هاي ساده شده انتگرال منابع خطی - LSI - ، مجموع منابع نقطهاي - PSS - ، مجموع منابع تکهاي چندگانه - MSSS - ، مدل اصلاح شده براي LSI به نام RAD-LSI و مدل ابعاد گسسته - DO - را که در نرمافزار تحاري Fluent موجود است را مورد بررسی و مقایسه قرار دادند.
آنها نتیجه گرفتند که در مدلسازي تشعشع اثرات شکست بایستی حتما در نظر گرفته شود تا بتوان نتایج مناسبی از مدلسازي بدست آورد. این نتیجه به صورت جداگانه در مقاله دیگري که توسط ساسجس و همکارانش [7] ارائه شده است نیز مورد تایید قرار گرفته است. همچنین ساسجس و همکارانش کمبودهایی را در مورد مدل مجموع منابع نقطهاي - PSS - گزارش کردند و بیان کردند که استفاده از مدل مجموع منابع تکهاي چندگانه - MSSS - داراي دقت بیشتري میباشد.
یکی دیگر از عوامل موثر بر روي کارایی راکتورهاي UV-H2O2 هیدرودینامیک و نحوه جریان سیال در راکتور میباشد. نحوه جریان سیال در راکتور به صورت مستقیم بر روي میزان دوز UV جذب شده در سیال و بنابراین بر روي کارایی راکتور تاثیر میگذارد. این مساله نیز توسط محققین مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است. سوزي و تقیپور [8] شکلهاي مختلفی از راکتورهاي L شکل و U شکل را با استفاده از مدلهاي اغتشاش موجود در Fluent مورد بررسی قرار دادند.
آنها بردارها و پروفیلهاي سرعت را با نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از روش سرعت سنجی ذرات به صورت تصویري - PIV - مقایسه کردند. آنها اثرات شبکههاي مختلف و همچنین اثرات سه مدل مختلف براي جریان درهم - Standard k-ε, Realizable k-ε و Reynolds - Stress Model را مورد بررسی قرار دادند. نتایج بدست آمده توسط آنها نشان میدهد که مدل Realizable k- ε بهترین نتایج را که در تطابق با نتایج آزمایشگاهی است ارائه میدهد. در مطالعه مشابهی لیو و همکارانش [9] شش مدل مختلف براي جریان درهم در یک راکتور UV-H2O2 با لامپهاي polychromatic مورد بررسی قرار دادند.
آنها شکلهاي مختلف مدلهاي k-ε، k-ω، RSTM و TFM را در شبیه سازي جریان درهم استفاده کردند. نتایج بدست آمده توسط آنها نشان داد که مدلهاي مختلف جریان درهم میتوانند بر روي توزیع شدت تابش و میزان خنثی سازي آلایندهها موثر باشند. شائو [10] و هافمن و همکارانش [11] محاسباتی بر روي راکتور جریان متقاطع با سه آرایش مختلف از لامپها در دو دبی جریان متفاوت انجام دادند و در هر یک نحوه توزیع شدت تابش و میزان دوز رسیده به آب را بررسی کردند.
در میان سه چینش مختلف بررسی شده، آرایش staggered نازكترین توزیع آماري دوز فرابنفش را دارا بود و بیشترین مقدار میانگین فرابنفش را تولید کردهاست. آنها براي مدلسازي جریان درهم از مدل k-ε استفاده کردند. اگرچه جریان از لحاظ کیفی به خوبی پیشبینی شد، اما ساختار جریان در پشت لامپها و اندازه ناحیه بازچرخش به خوبی پیشبینی نشد.
به تازگی آلپرت و همکارانش [12] کارایی CFD را در پیشبینی کاهش یک ماده نشانگر آلی را به وسیله روش UV-AOP بررسی کردند. به عنوان قسمتی از مطالعات انجام شده توسط این گروه، آنها تاثیر دو مدل مختلف جریان درهم، تاثیر مدل تشعشعی و همچنین کیفیت آب را بررسی کردند. آلپرت و همکارانش متوجه شدند که مدل CFD استفاده شده میزان کاهش متیلن آبی را کم تخمین میزند. همچنین آنها متوجه شدند که مدل MSSS براي تشعشع، میزان کاهش متیلن آبی را بیشتر از مدل RAD-LSI پیشبینی میکند.
علاوه براین آنها مشاهده کردند که دو مدل مختلف براي جریان درهم، تاثیر خاصی بر روي میزان کاهش پیشبینی شده نمیگذارد. همچنین نشان داده شد که میزان کاهش متیلن آبی به سرعت واکنش آن با پراکسید هیدروژن و همچنین غلظت اولیه آن وابسته میباشد. در این مقاله نحوه عملکرد یک راکتور فوتوشیمیایی UV-H2O2 با استفاده از روش عددي مورد بررسی قرار گرفته است.
یک مدل عددي جامع با استفاده از روشهاي دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - براي مدلسازي همزمان هیدرودینامیک، تشعشع و واکنشهاي شیمیایی بدست آمده است و صحت آن در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی براي دو آلاینده TCEP و TBP مورد تایید قرار گرفته است. همچنین میزان انرژي الکتریکی مورد نیاز براي یک واحد کاهش لگاریتمی غلظت آلایندهها - Electrical Energy per unit flow per log - removal, EEO براي آلایندههایی با سرعت واکنشهاي متفاوت بدست آمده است.
