مقاله استفاده از فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته در تصفیه فاضلاب

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

استفاده از فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته در تصفیه فاضلاب
چکیده
ترکیبات آلی متفاوتی در فاضلاب شهری و صنعتی وجود دارد .تصفیه برخی از این ترکیبات آلی به علت مقاومت در برابر تجزیه بیولوژیکی مشکل و پرهزینه است. از فرایند های اکسیداسیون پیشرفته بطور وسیع در تصفیه این گونه از مواد آلی موجود در فاضلاب استفاده می گردد. در این مطالعه، کارائی فرایند های اکسیداسیون با استفاده از فنتون، آب اکسیژنه و دی اکسید تیتانیوم در تصفیه فاضلاب بررسی می گردد. با توجه به اینکه، در این مطالعه کاربردهای متفاوتی از این فرایند در نظر گرفته شده است، از این طریق واکنش های اصلی و پارامترهای موثر بر این واکنش ها، نظیر غلظت آلاینده هدف در فاضلاب و میزان اکسیداسیون برای هرنوع کاتالیست بر فرایند های اکسیداسیون پیشرفته، مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین بوسیله تحلیل روشهای مختلف اکسیداسیون پیشرفته، مزایا و معایب هریک از این روش ها مشخص می گردد.

کلمات کلیدی
اکسیداسیون پیشرفته ، آب اکسیژنه ، دی اکسید تیتانیوم ، فنتون، فاضلاب

.۱ مقدمه
طیف گسترده ای از مواد آلی در فاضلابهای شهری و صنعتی شناسایی شده است. برخی از این ترکیبات به علت مقاومت در برابر تجزیه بیولوژیکی و یا سمیت، سبب اختلال در سیستم های تصفیه بیولوژیکی می گردند. به همین دلیل، تکنیک های مختلف تصفیه جهت تبدیل اینگونه مواد آلی به مواد غیرآلی و یا مواد آلی تجزیه پذیر، مطرح می باشد. یکی از انواع این تکنیک ها فرایند اکسیداسیون پیشرفته است در حال حاضر از این تکنیک جهت تصفیه ترکیبات آلی تجزیه ناپذیر، مانند آفت کشها، مواد رنگ آمیزی، مواد دارویی و ترکیبات شیمیایی آلی استفاده می شود.
همچنین از این روش جهت پیش تصفیه مواد آلی سمی استفاده شده است و بدین ترتیب اثرات منفی مواد آلی سمی بر سیستم های تصفیه بیولوژیکی کاهش یافته است.
مکانیزم اصلی در فرایند اکسیداسیون پیشرفته، تولید رادیکال های آزاد واکنش پذیر است. رادیکال های هیدروکسیل( ( HO در تخریب ترکیبات آلی شیمیایی موثر هستند. این رادیکال های الکترون دوست به سرعت با نزدیکترین ترکیب آلی الکترون دار وارد واکنش می شوند. پتانسیل اکسیداسیون رادیکال های هیدروکسیل برابر ۲/۳۳V می باشد. همچنین سرعت واکنش اکسیداسیون این رادیکال ها نسبت به اکسیدان های مرسوم (مانند: H2O2 و (KMnO4 بیشتر است .[۱] پس از قرارگیری رادیکالهای هیدروکسیل در مجاورت ترکیبات آلی شیمیایی این دو ترکیب وارد واکنش شده (رابطه (۱، هیدروژن موجود در ترکیبات آلی شیمیایی جذب رادیکال ها می شود (رابطه (۲ و در نهایت انتقال الکترون صورت می گیرد (رابطه .[۲] (۳ در روابط ۱-۳، R نشان دهنده ترکیبات آلی شیمیایی می باشد.

چند روش مرسوم جهت اجرای فرایند اکسیداسیون پیشرفته در جدول ۱ نمایش داده شده است. در اکثر این روشها جهت اجرای فرایند اکسیداسیون، از یک عامل اکسیداسیون قوی (مانند : (O3 , H2O2 به همراه کاتالیست و پرتوافکنی استفاده می شود. از بین روشهای تولید رادیکال های هیدروکسیل و اجرای فرایند اکسیداسیون پیشرفته، روش دی اکسید تیتانیم/ پرتوفرابنفش، پروکسید هیدروژن/ پرتو فرابنفش و واکنشهای فنتونی متداولترین روش ها می باشند. در این مقاله این روش ها مورد مرور و بررسی قرار می گیرد. همچنین واکنش ها و پارامترهای موثر بر این روش ها تحلیل و بررسی می گردد.

۲٫ کاربرد فرایند اکسیداسیون پیشرفته در تصفیه فاضلاب
۲٫ .۱ روش دی اکسید تیتانیم/ پرتوفرابنفش
در روش دی اکسید تیتانیم/ پرتوفرابنفش (TiO2/UV) پرتو فرابنفش توسط یک نیمه هادی پروکسید تیتانیم جذب و از این طریق رادیکال های هیدروکسیل تولید می شود. در حین پرتودهی TiO2 بوسیله UV نوارهای الکترون و پروتن آزاد می گردند (رابطه .(۴ نوارهای الکترون از طریق جذب سطحی سبب تولید آنیون های سوپرکسید می گردند (رابطه.(۵ همچنین نوارهای پروتن در واکنش با آب سبب تولید رادیکال های هیدروکسیل می گردند (رابطه (۶ .[۳] در روابط ۴-۶، h+, ecb , hv به ترتیب نشان دهنده پرتوی فرابنفش، نوارهای الکترون و پرتوتن می باشند.

در این واکنش ترکیبات آلی شیمیایی از طریق واکنش با نوار پرتون ها، رادیکال های هیدروکسیل و پروکسید تجزیه اکسایشی می گردند. از روش TiO2/UVدر تصفیه فاضلاب بطور گسترده استفاده شده است. در این روش در صورت استفاده از نانو ذرات به عنوان فتوکاتالیست، امکان استفاده از پرتوهای خورشید به عنوان منبع UV وجود دارد . همچنین یکی دیگر از مزایای این روش دسترسی آسان به TiO2 می باشد . این ماده قابلیت اکسیداسیون طیف گسترده ای از ترکیبات آلی و تبدیل این ترکیبات به ترکیبات بی ضرر (مانند: CO2 و ( H2O را داراست .[۴]
فاکتورهای موثر بر روش TiO2/UV شامل : میزان ترکیبات آلی ورودی، میزان کاتالیزور، طرح راکتور، مدت زمان پرتودهی با UV ، دما، pH محلول، شدت نور و وجود گونه های یونی می باشند. استفاده بیش از اندازه از کاتالیزور سبب افزایش کدورت فاضلاب و کاهش نفوذ پرتوی فرابنفش می گردد .[۵]
طراحی راکتورها در این روش باید به گونه ای باشد که پرتودهی به سطح کاتالیزورها به طور یکسان انجام گیرد. در دمای بین ۲۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد میزان تاثیر دما بر فرایند بسیار ناچیز است. با افزایش دما به بیش از ۸۰ درجه سانتیگراد، سرعت واکنش ها کاهش می یابد .[۶] میزان pH محلول بر روی سرعت اکسیداسیون فوتوکاتالیستیک موثر است. در آلودگی های اسیدی ضعیف، سرعت این نوع اکسیداسیون با کاهش pH، افزایش می یابد .[۷] همچنین در حالت قلیایی با افزایش pH سرعت اکسیداسیون کاهش می یابد .[۸] در نهایت وجود گونه های یونی از طریق جذب سطحی آلودگیها، جذب پرتوی ماوراء بنفش و ایجاد واکنش با رادیکال های هیدروکسیل، بر فرایند تجزیه موثر است .[۵]
از روش TiO2/UV جهت تصفیه پساب خروجی از کارخانه ساخت روغن زیتون، بطور گسترده استفاده شده است .[۱۰] [۹] در مطالعه ای جهت تصفیه فاضلاب کارخانه روغن زیتون از این روش استفاده شده است. در این مطالعه به ازای هر لیتر فاضلاب از یک گرم TiO2 استفاده شده است. پس از گذشت ۲۴ ساعت از فرایند تصفیه حدود
% ۲۲ و % ۹۴ بترتیب از COD و فنول موجود در فاضلاب، حذف شده است .[۱۱] طبق مطالعه انجام شده بر روی تصفیه پساب آغشته به روغن زیتون با استفاده از روش TiO2/UV، با کاهش غلظت COD ورودی، افزایش زمان ماند و غلظت کاتالیزور راندمان این روش افزایش می یابد .[۱۲]

در مطالعه ای جهت اکسیداسیون فاضلاب آغشته به اسید فنیک از دی اکسید تیتانیم به همراه فوتوکاتالیزور استفاده شده است. همچنین در این مطالعه اثر غلظت اسید فنیک ورودی، میزان کاتالیزور، pH محلول و شدت نور بر راندمان فرایند بررسی شده است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که % ۹۹ از اسید فنیک موجود در فاضلاب پس از ۴ ساعت تصفیه می گردد. افزایش شدت نور از ۱۵w به ۴۰۰w و میزان TiO2 از ۰/۱ به ۱ گرم در لیتر، سبب افزایش تجزیه اسید فنیک می گردد .[۱۳]
در مطالعه ای اثرات pH و میزان کاتالیزور بر راندمان فرایند TiO2/UV بررسی و حالت بهینه جهت تجزیه حداکثر بدست آمده است. فاضلاب مورد بررسی در این مطالعه، شامل فاضلاب کارخانه رنگرزی الیاف بوده است. نتایج این مطالعه نشان می دهد، حالت اسیدی سبب افزایش راندمان فرایند تصفیه در این نوع فاضلاب می گردد. سرعت تجزیه رنگ با افزایش غلظت TiO2 به ۴ گرم در لیتر، افزایش می یابد. در صورت افزایش TiO2 به بیش از ۴ گرم در لیتر به علت افزایش کدورت، سرعت تجزیه رنگ کاهش می یابد .[۱۴]
در مطالعه ای دیگر جهت اجرا فرایند اکسیداسیون از TiO2 به همراه پرتو خورشید استفاده شده است. استفاده از پرتوی خورشید، به جای منبع مصنوعی تولید کننده پرتوی فرابنفش سبب کاهش محسوس هزینه تصفیه خواهد شد .[۱۵]
روش مرسوم در انجام فرایند اکسیداسیون خورشیدی، استفاده مستقیم از نور خورشید است[۱۶] ، که در برخی موارد از متمرکز کننده ها سهمی وار استفاده می شود .[۱۷] در مطالعه ای جهت تصفیه فاضلاب نیروگاه برق حرارتی از TiO2 به همراه پرتوی خورشید استفاده شده است. غلظت اولیه آلاینده ها در فاضلاب این نیروگاه به ترتیب برای CN- ، pH, TOC, COD, NH3 برابر ۹۸۰ mgL-1 , 1240 mgL-1 , 150 mgL-1 , 10 mgL-1 و ۹٫۵ می باشد. در این مطالعه جهت تعیین راندمان فرایند اکسیداسیون ، میزان تصفیه سیانید و فرمائید برسی شده است. تجزیه سیانید و فرمایید با استفاده از TiO2 و پرتوی خورشید، به علت عدم وجود عامل اکسیداسیون و رادیکالهای (HO) ناچیز می باشد. لذا در این مطالعه همزمان با TiO2 و پرتوی خورشید، از H2O2 نیز استفاده شده است. استفاده از H2O2 سبب افزایش تجزیه سیانید و فرمایید گردید. با توجه به نتایج ، در شرایط بهینه = ۴۰oC) دما، (pH=6, TiO2=1. 5 gL-1 , H2O2=6.5gL-1 ، میزان غلظت آلاینده های نیروگاه به ترتیب برای CN- ، TOC, COD, NH3 به ۱۴ mgL-1 , 50 mgL-1 , 22 mgL-1 , 0 mgL-1 کاهش می یابد.[۱۷]
در مطالعه ای دیگر جهت تصفیه هورمن استروژن، از TiO2 به همراه پرتوی خورشید و UV استفاده شده است .[۱۸] ثابت سرعت تجزیه این آلاینده با استفاده از پرتوی ماوراء بنفش ۲/۷ h-1 و با استفاده از پرتوی خورشید۰/۰۱ h-1 ثبت شده است.
.۲ .۲ پروکسید هیدروژن (آب اکسیژنه)/ پرتوی ماورای بنفش
در این فرایند، در یک راکتور پروکسید هیدروژن به فاضلاب تزریق و با آن مخلوط می گردد، سپس فاضلاب در معرض میزان معینی از پرتوی فرابنفش (۲۰۰-۲۸۰ nm) قرار می گیرد. در این فرایند از پرتوی فرابنفش جهت شکافتن پیوند O-O موجود در پروکسید هیدروژن و تولید رادیکال های هیدروکسیل استفاده می شود. واکنش های موجود در فرایند پروکسید هیدروژن/ پرتوی فرابنفش، در روابط ۷-۱۲ نمایش داده شده است. در این روابط hv نمایانگر پرتوی فرابنفش می باشد.

در روابط ۷-۱۲ سرعت واکنش موجود در رابطه ۷ کمتر از سایر واکنش ها می باشد، لذا این واکنش سرعت فرایند را کنترل می کند. از نظر تئوری در فرایند پروکسید هیدروژن / پرتوی ماورای بنفش (H2O2/UV) با افزایش غلظت پروکسید هیدروژن ورودی، میزان تولید رادیکال های هیدروکسیل افزایش می یابد (رابطه .(۷ با این وجود، طبقه رابطه ۸ در صورت افزایش بیش از اندازه غلظت پروکسید هیدروژن، پروکسید هیدروژن مازاد با رادیکال های هیدروکسیل وارد واکنش می شود. فرایند H2O2/UV در تصفیه آلاینده های آلی موثر است. یکی از معایب این فرایند، عدم امکان استفاده از خورشید به عنوان منبع پرتوی فرابنفش می باشد (برخلاف روش (TiO2/UV چرا که انرژی فرابنفش مورد نیاز جهت تجزیه شیمیایی اکسیدکننده ها در طیف امواج نور خورشید وجود ندارد .[۱۹]
همچنین توانایی H2O2 در جذب UV ضعیف است، لذا در صورت ورود انرژی پرتوی فرابنفش به فاضلاب دارای H2O2 مقدار زیادی از این انرژی هدر می رود .[۲۰]
مهمترین عوامل تاثیرگذار بر فرایند H2O2/UV شامل میزان غلظت ورودی آلاینده، میزان H2O2، pH فاضلاب، درصد بی کربنات و زمان واکنش می باشد. در این فرایند، ثابت سرعت تجزیه با میزان غلظت ورودی آلاینده نسبت عکس دارد. لذا جهت رسیدن به غلظت بهینه از ترقیق فاضلاب استفاده می شود .[۲۱] همچنین میزان غلظت بهینه H2O2 در این فرایند باید تعیین شود. چنانچه غلظت H2O2 فراتر از میزان بهینه باشد، به علت ایجاد واکنش بین H2O2 و HO راندمان فرایند کاهش می یابد. pH اسیدی (۲/۵-۳/۵) جهت انجام فرایند H2O2/UV مناسب می باشد.
از فرایند H2O2/UV به طور گسترده جهت تصفیه فاضلاب کارخانجات رنگرزی الیاف، استفاده شده است. در مطالعه انجام شده جهت تصفیه این نوع فاضلاب مشخص شد، در صورت عدم وجود اشعه ماوراء بنفش و کاهش غلظت H2O2 ، میزان تصفیه فاضلاب ناچیز خواهد بود .[۲۲] در مطالعه ای دیگر از این فرایند جهت تصفیه فاضلاب کارخانجات رنگرزی استفاده شده است. در این مطالعه پارامترهای موثر بر فرایند H2O2/UV نظیر غلظت H2O2 ، غلظت رنگ، میزان pH و پرتوی ماورای بنفش بررسی شده است.

Facebook Twitter LinkedIn Pinterest Print