دانشگاه علم و صنعت ایران

دانشکده مهندسی شیمی

بررسی آزمایشگاهی اکسایش الکتروشیمیایی فنل برای تصفیه پساب

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی شیمی گرایش ترموسینتیک

استاد راهنما:

دکتر سوسن روشن­ضمیر

اسفند ماه  1389

چکیده

زدایش آلاینده­های آلی پرخطر از آب­های زیرزمینی و پساب، یکی از مهم­ترین موضوعات ضروری در تحقیقات زیست­محیطی است. فنل­ها و ترکیبات فنلی به عنوان آلاینده­های پرخطر شناسایی شده­اند. تکنولوژی­ها و فرآیندهای متعددی برای تصفیه پساب­های صنعتی توسعه یافته است. به دلیل هزینه سرمایه­گذاری نسبتاً بالا و هزینه گران الکتریسیته، تکنولوژی­های تصفیه الکتروشیمیایی پساب در سطح جهان به طور گسترده توسعه نیافته­اند اما در مقایسه با سایر
روش­های موجود، روش الکتروشیمیایی تجهیزات ساده‌ای نیاز دارد و می­تواند به راندمان انرژی بالا نیز دست یابد. لذا روش اکسایش الکتروشیمیایی برای زدایش ترکیبات فنلی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. هدف از انجام این مطالعه، بررسی و تعیین شرایط بهینه جهت افزایش کارایی روش اکسایش الکتروشیمیایی[1] در تصفیه یک پساب سنتزی­ حاوی فنل به کمک روش طراحی آزمایش تاگوچی است. تاکنون الکترودهای فراوانی برای زدایش فنل به­کار برده شده­اند. در این تحقیق، از پلاتین به عنوان الکترود آند و استیل 304 به عنوان الکترود کاتد استفاده گردید. به منظور طراحی آزمایشات از آرایه متعامد L₉ بهره گرفته شد. در این راستا تأثیر پارامترهای مختلف شامل pH، غلظت الکترولیت پشتیبان[2]، دانسیته جریان و فاصله بین الکترودها مورد بررسی قرار گرفت. مدت زمان انجام هر آزمایش 75 دقیقه بود و هر آزمایش 2 بار تکرار گردید. میزان انحراف معیار برای آزمایشات در محدوده 6/1-02/0 متغیر بود. بیشینه زدایش فنل در شرایط بهینه شامل pH برابر 12، غلظتM 6/0 الکترولیت پشتیبان، دانسیته جریان برابر  A/cm²178/0و فاصله mm10 بین الکترودها، برابر 9/99% حاصل شد. همچنین آزمایش­هایی در شرایط بهینه با غلظت­های مختلف فنل انجام گرفت تا میزان تأثیر غلظت اولیه فنل روی بازده فرآیند بررسی شود. دیده شد تحت شرایط یکسان با افزایش غلظت فنل، بازده فرآیند به شکل محسوسی کاهش می­یابد. در نهایت 3 آزمایش در همان شرایط بهینه اما با الکترولیت­های پشتیبان متفاوت انجام گرفت تا مقایسه­ای بین عملکرد این چند الکترولیت انجام پذیرد. این نتیجه حاصل شد که با سیستم آزمایشی این مطالعه، نمک سولفات سدیم می­تواند به عنوان موثرترین الکترولیت پشتیبان در فرآیند زدایش فنل عمل کند.

واژه‌های کلیدی: فنل، رادیکال­های هیدروکسیل، روش تاگوچی، اکسایش الکتروشیمیایی

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه                                                                                      2

1-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………. 2

فصل 2: مروری بر منابع                                                                            2

2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………. 2

2-2- روش تصفیه الکتروشیمیایی……………………………………………………………………………………….. 2

2-3- مزایا و معایب سیستم‌های الکتروشیمیایی………………………………………………………………… 2

2-4- انواع روش­های تصفیه الکتروشیمیایی……………………………………………………………………….. 2

2-4-1- تصفیه کاتدی آب و پساب صنعتی…………………………………………………………………… 2

2-4-2- لخته شدن الکتروشیمیایی………………………………………………………………………………… 2

2-4-3- شناورسازی الکتروشیمیایی……………………………………………………………………………….. 2

2-4-4- روش­های پیشرفته اکسایش الکتروشیمیایی……………………………………………………. 2

2-5- اکسایش الکتروشیمیایی……………………………………………………………………………………………… 2

2-6- اکسایش آندی……………………………………………………………………………………………………………… 2

2-6-1- اکسایش مستقیم در آند……………………………………………………………………………………. 2

2-6-2- مدل پیشنهادی برای اکسایش آندی مواد آلی به کمک رادیکال‌های
هیدروکسیل………………………………………………………………………………………………………………………… 2

2-7- آلاینده‌ی فنل………………………………………………………………………………………………………………. 2

2-7-1- منابع و سنتز صنعتی فنل………………………………………………………………………………… 2

2-7-2- کاربردهای صنعتی فنل……………………………………………………………………………………… 2

2-7-3- صنایع تولید کننده فنل…………………………………………………………………………………….. 2

2-8- انتخاب الکترود مناسب برای انجام فرآیند تصفیه…………………………………………………….. 2

2-9- مکانیسم کلی اکسایش الکتروشیمیایی فنل توسط الکترودهای مختلف………………… 2

2-10- انتخاب الکترولیت  پشتیبان مناسب برای انجام فرآیند زدایش……………………………. 2

2-11- مروری بر یافته‌های دیگر محققان بر روی روش‌های الکتروشیمیایی زدایش فنل. 2

2-12- عوامل مؤثر روی میزان زدایش فنل ………………………………………………………………………. 2

2-13- پتانسیل رهایش اکسیژن………………………………………………………………………………………….. 2

2-14- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………. 2

فصل 3: روش تحقیق                                                                               2

3-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………. 2

3-2- علت انتخاب روش اکسایش الکتروشیمیایی……………………………………………………………… 2

3-3- انتخاب و تهیه تجهیزات آزمایشگاهی………………………………………………………………………… 2

3-3-1- وسایل و مواد شیمیایی مورد نیاز……………………………………………………………………… 2

3-4- انجام آزمایش‌ها……………………………………………………………………………………………………………. 2

3-4-1- پساب مورد استفاده در فرآیند………………………………………………………………………….. 2

3-4-2- روش انجام آزمایش‌ها………………………………………………………………………………………… 2

3-5- طراحی آزمایش با روش تاگوچی……………………………………………………………………………….. 2

فصل 4: نتایج و تفسیر آن‌ها                                                                       2

4-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………. 2

4-2- تاثیر پارامترهای موردنظر بر سیستم…………………………………………………………………………. 2

4-2-1- تاثیر پارامترpH   بر بازده فرآیند………………………………………………………………………. 2

4-2-2- تاثیر غلظت الکترولیت پشتیبان……………………………………………………………………….. 2

4-2-3- تاثیر دانسیته جریان…………………………………………………………………………………………… 2

4-2-4- تاثیر فاصله بین الکترودها…………………………………………………………………………………. 2

4-3- شرایط بهینه………………………………………………………………………………………………………………… 2

4-4- تحلیل واریانس نتایج…………………………………………………………………………………………………… 2

4-5- محاسبه انحراف معیار………………………………………………………………………………………………….. 2

4-6- بررسی تاثیر میزان غلظت اولیه فنل بر بازده فرآیند………………………………………………… 2

4-7- بررسی تاثیر نوع الکترولیت پشتیبان بر بازده فرآیند……………………………………………….. 2

4-8- انرژی مصرفی……………………………………………………………………………………………………………….. 2

فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادها                                                                 60

5-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………… 61

5-2- دستاوردها………………………………………………………………………………………………………………….. 61

5-3- نوآوری……………………………………………………………………………………………………………………….. 62

5-4- پیشنهادها………………………………………………………………………………………………………………….. 62

فصل 6: مراجع                                                                                      2

فصل 7: پیوست‌ها                                                                                  2

فهرست اشکال

شکل (2-1) ساختار فنل……………………………………………………………………………………………………………. 2

شکل (2-2) شمایی از مکانیسم اکسایش الکتروشیمیایی فنل………………………………………………. 2

شکل (3-1) دستگاه آزمایشگاهی مورد استفاده………………………………………………………………………. 2

شکل (3-2) دستگاه اسپکتروفتومتر…………………………………………………………………………………………. 2

شکل (4-1) تاثیر pH بر روی زدایش فنل………………………………………………………………………………. 2

شکل (4-2) تأثیر غلظت الکترولیت پشتیبان بر‌روی زدایش فنل………………………………………….. 2

شکل (4-3) تأثیر دانسیته جریان بر ‌روی زدایش فنل……………………………………………………………. 2

شکل (4-4) تأثیر فاصله بین الکترودها بر‌روی زدایش فنل……………………………………………………. 2

شکل (4-5) درصد زدایش در  pHو غلظت‌های مختلف الکترولیت پشتیبان……………………….. 2

شکل (4-6) درصد زدایش در  pHو فاصله‌های مختلف بین الکترودها…………………………………. 2

شکل (4-7) درصد زدایش در دانسیته جریان و غلظت‌های مختلف الکترولیت پشتیبان……. 2

شکل (4-8) درصد زدایش در دانسیته جریان و فاصله‌های مختلف بین الکترودها………………. 2

شکل (4-9) درصد زدایش در غلظت و فاصله‌های مختلف بین الکترودها…………………………….. 2

شکل (4-10) درصد زدایش در pH و  دانسیته جریان‌های مختلف……………………………………… 2

شکل (4-11) روند تغییرات غلظت فنل با زمان در شرایط بهینه…………………………………………. 2

شکل (4-12) روند تغییرات دما با زمان در شرایط بهینه………………………………………………………. 2

شکل (4-13) روند تغییرات ولتاژ سیستم با زمان در شرایط بهینه………………………………………. 2

شکل(4-14) محلول الکترولیتی پس از انجام آزمایش در شرایط بهینه با دانسیته جریان 178/0 آمپر بر سانتی­متر مربع       2

شکل (4-15) محلول الکترولیتی پس از انجام آزمایش در شرایط بهینه با دانسیته جریان 125/0 آمپر بر سانتی­متر مربع      2

شکل (4-16) تاثیر میزان غلظت اولیه فنل بر بازده فرآیند…………………………………………………… 2

شکل (4-17) نمودار تاثیر نوع الکترولیت روی بازده فرآیند………………………………………………….. 2

فهرست جداول

جدول (2-1) خواص فیزیکی و شیمیایی فنل………………………………………………………………………….. 2

جدول (3-1) سطوح مختلف عوامل مورد بررسی در آزمایش­ها………………………………………………. 2

جدول (3-2) آرایه استاندارد L₉ برای طراحی آزمایش­ها……………………………………………………….. 2

جدول (4-1) نتایج مربوط به زدایش فنل از پساب…………………………………………………………………. 2

جدول (4-2) نرخ‌های S/N اصلی برای هر سطح از پارامترها………………………………………………… 2

جدول (4-3) سطوح بهینه مربوط به هر پارامتر………………………………………………………………………. 2

جدول (4-4) ANOVA تهیه شده توسط نرم افزار Winrobust………………………………………….. 50

جدول (4-5) سهم هر پارامتر……………………………………………………………………………………………………. 2

جدول (4-6) میزان انحراف معیار……………………………………………………………………………………………… 2

جدول (4-7) میزان انرژی واحد برای زدایش COD……………………………………………………………..  2

 برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.