فرآیند الکتروفنتون

تا به حال از روش‌هاي مختلفی چون لجن فعال، بیوفیلتر، فنتون، O₃/H₂O₂ ،O₃/UV الکتروکواگولاسیون براي حذف مواد معلق از فاضلاب استفاده شده است. در دهه اخیر کاربرد فناوري انعقاد شیمیایی در حذف آلاینده‌هاي مختلف کدورت، سختی، آرسنیک از آب مورد بررسی قرار گرفته است. انعقاد الکتریکی به دلیل استفاده از جریان الکتریسیته بازده زیادي در حذف رنگ دارد و جایگزین مناسبی براي روش‌هاي شیمیایی گران قیمت می‌باشد. در فرآیند انعقاد الکتریکی، الکترودها تحت تأثیر میدان الکتریکی قوي و واکنش هاي اکسیداسیون و احیاء قرار گرفته و با تولید مواد منعقد کننده در محل بر اساس اصول جذب، خنثی سازي بار الکتریکی و ایجاد کمپلکس، زمینه حذف آلاینده‌هاي مورد نظر از محیط آبی را فراهم می نماید.

با تزریق مستقیم هیدروژن پراکسید به محیط تحت فرآیند انعقاد الکتریکی که یونهاي آهن موجودند، می‌توان فرآیند فنتون را در نمونه‌هاي آبی ایجاد کرد. فرآیند فنتون از ترکیب دو ماده پراکسید هیدروژن و یون‌هاي آهن حاصل می‌گردد که در این فرآیند اشکال آهن یونیزه به عنوان کاتالیست با ماده پراکسید هیدروژن وارد واکنش شده و موجب افزایش تولید و سرعت تشکیل رادیکال، هیدروکسیل میگردد.

الکتروفتون فرآیندی است که در آن از دو الکترود صفحه‌ای آهنی در مواجهه با پراکسید هیدروژن استفاده می‌شود که به وسیله سیم‌های رابط به دستگاهی دیجیتالی هم‌سو کننده جریان برق (DC Supply Power) متصل می‌باشند. البته این بدین معنا نیست که فقط و فقط از الکترود آهن بتوان در این فرآیند استفاده نمود. بلکه با توجه به مطالعات انجام شده در این زمینه می‌توان از الکترودهایی نظیر الماس دوپ شده با بور (BDD)، آلیاژ نیکل، تیتانیوم، روبیدیوم و غیره استفاده نمود که مستقیما رادیکال دلخواه ما را بدون دخالت مستقیم H₂O₂ تولید نماید. هم چنین شدت جریان و میزان ولتاژ عامل تعیین‌کننده‌ای در انتخاب این فرآیند می‌باشد. در این فرآیند معمولا برای بهبود خاصیت یونی و ایجاد هدایت الکتریکی فاضلاب از هیدروکسید سدیم به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. همچنین تنظیم pH در این فرآیند از ملزومات کارایی بهتر آن می‌باشد.

شکل 1. شمایی از یک فرآیند الکتروفنتون با الکترودهای آهن را در مقیاس آزمایشگاهی نشان می‌دهد.

شکل1. شمایی از فرآیند آزمایشگاهی الکتروفنتون با الکترود آهن و تزریق مستقیم هیدروژن پراکسید

شکل2. شمایی از یک فرآیند الکتروفنتون با الکترودهای BDD و نیکل را در مقیاس آزمایشگاهی نشان می‌دهد.

شکل 2. شمایی از فرآیند آزمایشگاهی الکتروفنتون با الکترودهای BDD و نیکل در یک فرآیند پیوسته؛ (1) فوم نیکل شرکت کننده بعنوان کاتد (2) الکترود BDD شرکت کننده بعنوان آند (3) منبع تغذیه (4) تامین هوا (5) همزن مغناطیسی (6) پمپ پریستالتیک دوسر (7) جریان ورودی (8) جریان خروجی

پارامترهای تاثیرگذار در انجام فرآیند الکتروفنتون

پارامترهای تاثیرگذار در انجام فرآیند الکتروفنتون عبارت است از میزان غلظت آلاینده، pH، زمان تماس، شدت جریان، فاصله بین الکترودها، میزان ولتاژ، و غلظت هیدروژن پراکسید.

 غلظت آلاینده

          غلظت آلاینده یکی از پارامترهای مهم در فرآیند الکتروفنتون است و در غالب مطالعات مربوط به اکسیداسیون ترکیبات آلی افزایش غلظت آلاینده مورد مطالعه با کاهش کارایی فرآیند همراه بوده است. با افزایش غلظت اولیه آلاینده با توجه به ثابت بودن درجه اسیدي در تمام نمونه‌ها سرعت تجزیه در نمونه با غلظت کم، زیاد می‌شود و زمان مورد نیاز براي واکنش بین منعقدکننده و آلاینده بیشتر می‌شود و باعث افزایش کارایی حذف می‌گردد.

pH

pH یک عامل موثر در واکنش های شیمیایی و بیوشیمیایی است. تاثیر pH اولیه محیط بسته به نوع فرآینده مورد استفاده و نوع آلاینده بسیار متفاوت است. در روش انعقاد الکتریکی با افزایش pH واکنش بین آهن و یون هیدروکسید به دلیل مکانیسم‌های اکسیداسیون در آند (1) و احیاء (2 و 3) به وجود می‌آید :

Fe_(s→Fe²⁺_(aq)+2e^-                                                                                  (1)

H₂O → 2H²⁺ + 1/2O₂ + e^-                                                                       (2)

H⁺+e→  H₂(g)                                                                                          (3)

با توجه به معادله 4 حضور اکسیژن باعث اکسیداسیون Fe²⁺ محلول در آب به Fe³⁺ می‌گردد.

2Fe²⁺_(aq) + 0.5 O₂ + 2H⁺ → 2Fe³⁺ + H₂O                                            (4)                                     

در فرآیند فنتون تولید یون هیدروکسید (OH-) بستگی به حضور یون‌های هیدروژن (H²⁺) دارد. لذا فرآیند الکتروفنتون مطابق معادله(5) در شرایط اسیدی به دلیل تشکیل یون فریک و قدرت اکسیدکنندگی رادیکال هیدروکسیل میزان حذف بیشتری خواهد داشت.

2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺→2Fe³⁺+2H₂O+OH^-                                                  (5)

زمان تماس

زمان واکنش یکی از عوامل تأثیرگذار در انجام فرآیندهاي اکسیداسیون است. رابطه حذف رنگ با زمان به واکنش بین منعقدکننده و آلاینده مرتبط می‌باشد به طوري که افزایش زمان باعث افزایش مقدار آهن اکسید شده و تشکیل رسوبات و لخته‌هاي هیدروکسیدآهن Fe(oH)₃درفرآیند الکتروشیمیایی جهت حذف آلاینده می گردد. از طرفی با توجه به قانون فارادی نسبت مستقیمی بین میزان انعقاد تشکیل شده و زمان واکنش وجود دارد و با افزایش زمان، میزان انعقاد در دسترس بیشتر بوده و در نتیجه منجر به افزایش راندمان می‌گردد.

شدت جریان

          جریان اعمال شده به سلول الکتریکی یکی دیگر از عوامل اساسی در بهره‌برداري از فرآیند الکتروشیمیایی می‌باشد. افزایش شدت جریان، باعث افزایش دانسیته حباب‌هاي تشکیل شده و کاهش اندازه آنها می‌شود. همچنین این افزایش دانسیته باعث تشکیل رسوبات و لخته‌های هیدروکسید آهن Fe(oH)₃ در فرآیند می‌شود. افزایش مقدار این دو ماده با افزایش کارایی فرآیند الکتروشیمیایی تأثیر مستقیم دارد. این عامل از طریق تأثیر بر واکنش‌هاي سطح الکترود و همچنین، میزان یون‌هایی که از سطح الکترود آزاد می‌شود بر سرعت واکنش‌هاي الکتروشیمیایی تأثیرگذار است. بنابراین تعیین جریان یهینه در فرآیندهاي الکتریکی امري ضروري است. با افزایش جریان اعمال شده بر فرآیند، بازده حذف رنگ افزایش می‌یابد که دلیل افزایش بازده را می‌توان تحت تأثیر واکنش‌هایی که ضمن انجام فرآیند در کاتد و آند به وقوع می‌پیوندد، تفسیر کرد.

فاصله بین الکترودها

          افزایش فاصله بین الکترودها در جریان ثابت، ولتاژ اولیه را در میزان دانسیته یکسان به دلیل افزایش مقاومت بین الکترودها افزایش می‌دهد. در نتیجه رسانایی محلول کم می‌شود و میزان جریان مصرفی کاهش می‌یابد که این کاهش جریان سبب عدم تولید یون‌هاي آهن و هیدروکسیل به مقدار کافی براي تشکیل لخته و حذف آلاینده است. همچنین، با افزایش فاصله بین الکترودها انتظار می‌رود که از یک طرف برخورد کمتري بین یون‌هاي آهن تولیدي با یون‌هاي هیدروکسیل به وقوع  بپیوندد و لخته‌هاي کمتري تشکیل شود و از طرف دیگر برخورد مولکول آلاینده با پلیمرهاي هیدروکسیدي کاهش یابد، در نتیجه جذب الکترواستاتیک کاهش و بازده حذف آلاینده کم می‌شود.

غلظت پراکسید هیدروژن

طبق واکنش فنتون، با افزایش غلظت پراکسید هیدروژن، مقدار رادیکال هیدروکسیل در محیط افزایش یافته و به دنبال آن، میزان تجزیه و بازده حذف آلاینده افزایش می‌یابد. از طرفی پراکسید هیدروژن در غلظت‌هاي زیاد اثر بازدارندگی در تولید هیدروکسیل داشته و موجب کاهش سرعت و بازده در تخریب رنگ می‌شود.

الکتروکواگولاسیون

در سالهای اخیر تحقیق بر روی کاربرد مستقیم الکتریسیته در تصفیه آب و فاضلاب به دلیل سازگاری با محیط و امکان تصفیه مایعات، گازها و جامدات، توسعه یافته و به عنوان یک روش جذاب برای کوآگولاسیون یا ته نشینی، تحت عنوان روش الکتروکوآگولاسیون/الکتروشیمیایی شناخته شده است. از جمله ویژگی های این روش می توان به کاربرد آسان، تجهیزات ساده، زمان ماند کوتاه، کاهش یا حذف تجهیزات، اضافه نمودن مواد شیمیایی و کاهش حجم لجن اشاره کرد. انعقاد الکتریکی فرآیندی است مشتمل بر ایجاد لخته های هیدروکسید فلزی درون فاضلاب در اثر انحلال الکتریکی آندهای قابل انحلال که معمولا از جنس آهن یا آلومینیوم هستند. این روش در قرن بیستم با موفقیت محدودی روبرو بود. ولی اخیرا به دلیل برقراری محدودیت های محیط زیستی بیشتر در مورد فاضلاب های خروجی، مقبولیت یافته است.

درروش انعقاد الکتریکی، جریان الکتریسیته مستقیم از طریق الکترودهای آهنی/آلومینیومی غوطه ور در آب، عبود داده میشود. در این سیستم یون های الکترود قربانی از طریق واکنش های شیمیایی و رسوب و یا توسط انعقاد مواد کلوئیدی جدا می گردند. این مواد سپس توسط شناور شدن الکترولیتی یا به واسطه ته نشینی و فیلتراسیون جدا می شوند. مکانیسم اتفاق افتاده در انعقاد الکتریکی مشابه با واکنش انعقاد و تصفیه با نمک Al است. مکانیسم غالب تقریبا مبادله پارامترهای عملیاتی و انواع آلاینده ها خواهد بود. در واکنش 1 جریان از بین الکترودهای فلزی عبور می کند و فلز M به کاتیون Mn+ اکسید می شود و به طور همزمان تبدیل آب به گاز هیدروژن و یون هیدروکسیل طبق واکنش 2 صورت می گیرد. الکتروکوآگولاسیون به این صورت کاتیون های فلزی را به طور الکتروشیمیایی با مصرف آندهای قربانی (معمولا آلومینیوم یا آهن) در محل وارد می کند.

M → Mn⁺ + ne^-

2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H₂

کاتیون های هیدرولیز شده در آب با تعیین نوع غالب توسط pH محلول، تشکیل هیدروکسید می دهند. معادلات زیر نشان دهنده این امر در ارتباط با الکترود آلومینیوم هستند.

AL₃⁺ + H₂O → ALOH₂⁺ + H⁺

ALOH₂⁺ + H₂O → AL(OH)₂⁺ + H⁺

AL(OH)₂⁺ + H₂O → AL(OH)₃O + H⁺

AL(OH)₃O + H₂O → AL(OH)₄^- + H⁺

 شرکت باتاب صنعت اوژن در خصوص مشاوره، طراحی، ساخت و نصب انواع پکیج های تصفیه الکتروشیمیایی در زمینه تصفیه آب و فاضلاب با هدف بازچرخانی آب فعالیت می کند. خواهشمند است جهت کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما در اینجاتماس حاصل فرمایید.

لازم به ذکر است که اطلاعات تکمیلی تر محصول در این زمینه متعاقبا بارگذاری می گردد.