دانشکده مهندسي

گروه مهندسي شيمي

مدل‌سازي و شبيه‌سازي حذف فنل از پساب توسط بيوراکتور از نوع تماس دهنده غشايي

پايان‌نامه کارشناسي ارشد شبيه‌سازي و طراحي فرآيند

محسن سليمي

استاد راهنما

دکتر سيد مصطفي نوعي
دکتر سيد محمود موسوي
1393

دانشکده مهندسي

گروه مهندسي شيمي

پايان‌نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي گرايش شبيه‌سازي و طراحي فرآيند

تحت عنوان
مدل‌سازي و شبيه‌سازي حذف فنل از پساب توسط بيوراکتور از نوع تماس دهنده غشايي

در تاريخ 22/10/1393 توسط کميته تخصصي زير مورد بررسي و تصويب نهايي قرار گرفت.
1- استاد راهنماي پايان‌نامه دکتر سيد مصطفي نوعي
2- استاد راهنماي پايان‌نامه دکتر سيد محمود موسوي
3- استاد داور خارجي دکتر سيد محمد علي رضوي
4- استاد داور داخلي و نماينده تحصيلات تکميلي دکتر علي دشتي
مدير گروه مهندسي شيمي دکتر مهدي پورافشاري چنار
اينجانب محسن سليمي فارغ التحصيل دوره کارشناسي ارشد، دانشکده مهندسي، دانشگاه فردوسي مشهد، نويسنده پايان‌نامه: مدل‌سازي و شبيه‌سازي حذف فنل از پساب توسط بيوراکتور از نوع تماس دهنده غشايي ، تحت راهنمايي آقاي دکتر سيد مصطفي نوعي و سيد محمود موسوي متعهد مي‌شوم:
* تحقيقات در اين پايان‌نامه توسط اينجانب انجام‌شده است و از صحت و اصالت برخوردار است.
* در استفاده از نتايج محققان ديگر به مرجع مورد استفاده استناد شده است.
* مطالب مندرج درپايان‌نامه تاکنون توسط خود يا فرد ديگري براي دريافت هيچ مدرک يا امتيازي در هيچ جا ارائه نشده است.
* کليه حقوق معنوي اين اثر متعلق به دانشگاه فردوسي مشهد مي‌باشد و مقالات مستخرج با نام دانشگاه فردوسي مشهد و يا Ferdowsi University of Mashhad به چاپ خواهد رسيد.
* حقوق معنوي تمام افرادي که در بدست آوردن نتايج اصلي پايان‌نامه تأثيرگذار بوده‌اند در مقالات مستخرج از رساله رعايت شده است.
* در کليه مراحل اين پايان‌نامه، در مواردي که از موجود زنده (يا بافت‌هاي آن‌ها) استفاده‌شده ضوابط و اصول اخلاقي رعايت شده است.
* در کليه مراحل انجام اين پايان‌نامه، در مواردي که به حوزه اطلاعات شخصي افراد دسترسي يافته يا استفاده‌شده است، اصل رازداري و اصول اخلاق انساني رعايت شده است.

تاريخ
امضاي دانشجو
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالب 6
فهرست شکل ها …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 7
فهرست جداول …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 11
چکيده……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 12
پيش گفتار …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 13
1. فصل اول 13
1-1 مقدمه14
1-2 شناسايي آلاينده فنلي14
1-3 روش هاي حذف فنل16
1-3-1 جذب سطحي17
1-3-2 رزين‌هاي تبادل يوني18
1-3-3 انعقاد الکتريکي19
1-3-4 فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته19
1-3-5 استفاده از سيال فوق بحراني CO220
1-3-6 استفاده از اشعه UV21
1-3-7 روش‌هاي بيولوژيکي22
1-3-8 فرآيندهاي غشايي24
2. فصل دوم 31
2-1مقدمه32
2-1-1 بيوراکتور غشايي32
2-2 بررسي پژوهش‌هاي صورت پذيرفته در زمينه حذف فنل توسط بيوراکتور 33
3. فصل سوم 41
3-1 ديناميک سيالات محاسباتي42
3-2 تشريح فرآيند 42
3-3 فرضيات 43
3-4 معادلات براي درون الياف 45
3-5 معادلات براي غشاء 46
3-6 معادلات براي پوسته47
3-7 مکانيزم واکنش48
3-8 معادله حاکم بر تانک خوراک 49
3-9 معادله حاکم بر تانک سلولي49
4. فصل چهارم 50
4-1 مقدمه51
4-2 نحوه انجام شبيه سازي به کمک نرم افزار 51
5. فصل پنجم59
5- 1 مقدمه 60
5-2 توزيع غلظت 60
5-2-1 توزيع غلظت درون الياف60
5-2-2 توزيع غلظت در پوسته61
5-3 توزيع سرعت 62
5-3-1 توزيع سرعت درون الياف62
5-3-2 توزيع سرعت درون پوسته63
5-4 تأثير شرايط عملياتي بر بازدهي حذف فنل64
5-4-1 تأثير غلظت اوليه65
5-4-2 تأثير دبي جريان‌ فاز سلولي65
5-4-3 تأثير شعاع خارجي غشاء66
5-4-4 تأثير شعاع داخلي غشاء67
6. فصل ششم68
6-1 نتيجه گيري69
6-2 پيشنهادات 69
7. مراجع 70
فهرست شکل ها
شکل ‏1-1واکنش رزين‌هاي تبادل يوني[19]18
شکل ‏1-2 اکسيدکننده هاي متداول20
شکل ‏1-3 شماتيک فرآيند استخراج فوق بحراني[30]21
شکل ‏1-4 فرآيند حذف توسط اشعه فرابنفش[37]22
شکل ‏1-5 واکنش ناشي از اشعه فرابنفش[40]22
شکل ‏1-6 شماتيک فرآيندهاي بيولوژيکي[43]23
شکل ‏1-7 مقايسه سرعت واکنش: الف) وجود ممانعت کننده سوبسترا ب) عدم وجود ممانعت کننده [45]24
شکل ‏1-8 شماتيک فرآيند تراوش تبخيري[46]25
شکل ‏1-9 شماتيک فرآيند غشاهاي مايع[52]26
شکل ‏1-10 اندازه حفرات غشاء[4]27
شکل ‏1-11شماتيک فرآيند حذف فنل توسط نانو فيلتراسيون[53]27
شکل ‏1-12 الف) بيوراکتور غشايي جريان جانبي ب) بيوراکتور غشايي غوطه‌ور[54]28
شکل ‏2-1بيوراکتورغشايي[55]32
شکل ‏2-2 شماتيک بيوراکتور دوفازي[58]34
شکل ‏2-3 شماتيک فرآيند بيوراکتورغشايي لوله اي[59]35
شکل ‏2-4 ترکيب بيوراکتور و فرآيند اسمز رو به جلو] [60]36
شکل ‏2-5 شماتيک راکتور مورد استفاده توسط ال-ناس[61]37
شکل ‏2-6 بيوراکتور غشاء مايع محافظت شده[62]38
شکل ‏2-7 شماتيک مدول غشايي استفاده‌شده توسط تريوانس و همکاران [63]39
شکل ‏2-8 شماتيک فرآيند مورد استفاده شن و همکاران[65]40
شکل ‏3-1 فرآيند حذف فنل توسط تماس دهنده غشايي بيولوژيکي[68]43
شکل ‏3-2 طول توسعه يافتگي درون کانال[70]45
شکل ‏4-1 انتخاب معادلات52
شکل ‏4-2 شرايط مرزي در محيط نرم افزار53
شکل ‏4-3 شماره گذاري مرزها54
شکل ‏4-4 تعريف ضريب نفوذ و معادله سرعت در سمت الياف55
شکل ‏4-5 تعريف ضريب نفوذ غشاء55
شکل ‏4-6 تعريف ضريب نفوذ و معادله سرعت در سمت پوسته56
شکل ‏4-7 مش بهينه57
شکل ‏4-8 بررسي تغييرات غلظت فنل خروجي از الياف با تعداد المان هاي مش57
شکل ‏4-9 تعيين طول گام و زمان فرآيند58
شکل ‏5-1 توزيع غلظت درون الياف در زمان 25 ساعت60
شکل ‏5-2 توزيع غلظت درون پوسته در زمان 25 ساعت61
شکل ‏5-3 توزيع سرعت درون الياف62
شکل ‏5-4 توزيع سرعت درون پوسته63
شکل ‏5-5 تأثير غلظت اوليه فنل بر بازدهي حذف فنل65
‏5-6 تأثير دبي فاز سلولي بر بازدهي حذف فنل66
شکل ‏5-7 اثر افزايش شعاع خارجي غشاء بر بازدهي حذف66
شکل ‏5-8 اثر شعاع داخلي غشاء بر بازدهي حذف فنل67
فهرست جداول
جدول ‏1-1 ميزان فنل در پساب صنايع مختلف [4]15
جدول ‏1-2 مشخصات فيزيکي و شيميايي فنل[9]16
جدول ‏1-3 مزايا و معايب روش هاي حذف30
چکيده
تاکنون روش هاي زيادي براي حذف فنل از پساب ارائه شده که از بين آنها، فرآيند بيوراکتور غشايي در يک دهه اخير مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از تماس دهنده غشاء الياف توخالي در اين فرآيند، براي جلوگيري از تماس مستقيم دو فاز و افزايش نسبت سطح به حجم است. در پروژه حاضر به مدل سازي و شبيه سازي حذف فنل از پساب با بکارگيري اين تماس دهنده پرداخته شده است. همچنين اثر پارامترهايي همچون دبي فازها، غلظت اوليه، طول غشاء و شعاع داخلي و خارجي غشاء بر بازدهي حذف فنل از پساب مورد بررسي قرار گرفته است.
دستگاه معادلات ديفرانسيل پاره اي ارائه شده در مدل همراه با شرايط مرزي آن بوسيله ي شبيه سازي توسط نرم افزار COMSOL، به روش المان محدود حل شده اند. نتايج حاصل از شبيه سازي با داده هاي تجربي موجود مقايسه گرديده و انطباق نسبتا مناسبي مشاهده شده است. با افزايش غلظت اوليه، بازدهي حذف فنل کاهش‌ مي يابد. افزايش دبي فاز سلولي، بازدهي حذف فنل را اندکي افزايش مي دهد. همچنين افزايش طول غشاء تا حدودي سبب بهبود بازدهي حذف مي شود. با افزايش تعداد الياف غشاء درون تماس دهنده بازدهي ابتدا افزايش و سپس کاهش مي يابد.
واژه هاي کليدي: بيوراکتور غشايي، تماس دهنده غشايي الياف توخالي، مدل سازي، شبيه سازي، فنل
پيش گفتار
با افزايش جمعيت و گسترش روزافزون کارخانجات صنعتي، ميزان مصرف آب در سطح جهان افزايش يافته است. با توجه به کمبود آب آشاميدني در دسترس، يکي از راه هاي تامين آب، استفاده مجدد از آب هاي سطحي و پساب ها است. اما به علت وجود مواد آلاينده و سمي در پساب ها، نمي توان از آن ها بطور مستقيم استفاده کرد. فنل يکي از آلاينده هاي بسيار خطرناک است که در پساب خروجي صنايع مختلفي از جمله پالايشگاه هاي نفت و کارخانجات پتروشيمي، رزين و پلاستيک، پارچه و کاغذ وجود دارد. روش هاي زيادي براي حذف فنل ارائه شده است اما بسته به غلظت و ميزان آن، از هر کدام از روش ها در جاي خود استفاده مي شود.
بيوراکتورغشايي، روشي جديد براي حذف فنل از پساب ها به شمار مي آيد. در اين فرآيند از تماس دهنده غشايي الياف توخالي براي جلوگيري از ممانعت کنندگي فنل، تماس مستقيم دو فاز، توليد کف و طغيان و تشکيل امولسيون استفاده مي شود. همچنين تماس دهنده هاي غشايي الياف توخالي به علت فشردگي و نسبت سطح به حجم بالايي که دارند، مي توانند ضمن ارائه کارايي مناسب، صرفه جويي قابل توجهي در وزن دستگاه ها و همچنين فضاي موردنياز ايجاد کنند. اين روش در مواردي که نسبت حلال به خوراک خيلي بالا يا خيلي پايين باشد مفيد است. در حقيقت در بيوراکتورغشايي، مزاياي بيوراکتور و فناوري غشايي با يکديگر ترکيب شده اند.
با در نظر گرفتن ويژگي هاي فرآيند بيوراکتورغشايي در مقايسه با ساير روش ها جداسازي، در پروژه حاضر به مدل سازي و شبيه سازي حذف فنل از پساب توسط بيوراکتورغشايي پرداخته مي شود، تا شناخت بهتري از عملکرد آن حاصل گردد.
در فصل اول از پروژه حاضر، ابتدا کلياتي راجع به فنل و مضرات آن، روش هاي حذف و جداسازي آن، مزايا و معايب هر يک از آن ها و سينتيک واکنش هاي بيولوژيکي اشاره مي شود.
در فصل دوم ابتدا فرآيند بيوراکتورغشايي به اختصار معرفي مي شود و در ادامه به بررسي پژوهش هاي انجام شده در زمينه حذف فنل از پساب توسط بيوراکتور و نتايج آن ها پرداخته مي شود.
در فصل سوم، مدل سازي فرآيند و معادلات حاکم بر هر سه قسمت درون الياف، غشاء و پوسته و همچنين تانک ها، به همراه شرايط مرزي مناسب آن ها ارائه مي شود.
در فصل چهارم، ابتدا نرم افزار COMSOL معرفي شده و سپس مراحل انجام شبيه سازي و پياده سازي معادلات حاکم بر فرآيند به همراه شرايط مرزي آن ها در نرم افزار، گام به گام توضيح داده مي شود.
در فصل پنجم، نتايج حاصل از شبيه سازي با داده هاي تجربي حاصل از آزمايشات مقايسه مي گردد. همچنين در انتهاي فصل، اثر تغيير پارامترهاي مختلف بر بازدهي حذف فنل بررسي مي گردد.
در فصل ششم نيز جمع بندي از نتايج انجام شده و پيشنهادهايي براي مطالعات آينده ارائه مي گردد.
1 فصل اول
حذف فنل از پساب
1-1 مقدمه
کمبود ميزان آب آشاميدني در دسترس و افزايش روزافزون گازهاي گلخانه‌اي در جو زمين، سبب شده تا دانشمندان و پژوهشگران به دنبال راه‌حلي اساسي براي رفع اين مشکل باشند؛ زيرا اين گازها موجب افزايش دماي سطح زمين و به‌تبع آن، آب شدن يخچال‌هاي طبيعي و تبخير آب‌هاي سطحي خواهند شد.
با توجه به کمبود آب آشاميدني، محققان در تلاش هستند که براي آبياري زمين‌هاي کشاورزي يا در کارخانه‌هاي صنعتي از پساب هاي موجود استفاده کنند. اما نمي‌توان از فاضلاب‌ها به‌طور مستقيم استفاده کرد زيرا برخي از آن‌ها حاوي مواد سمي، خطرناک و مضر براي سلامتي انسان ها و محيط زيست هستند. همچنين بعضي از پساب‌ها را نمي‌توان مستقيماً دفن و يا وارد محيط‌زيست کرد، خصوصاً پساب‌ مربوط به بيمارستان‌ها، کارخانه‌هاي مواد شيميايي و تسليحات نظامي و شيميايي زيرا ميزان آلاينده‌هاي موجود در اين پساب بسيار بالاست. با اين تفاسير قبل از استفاده، بايستي تصفيه بر روي آن ها انجام شود و مواد آلاينده، ميکروب‌ها و مواد مضر آن ها از بين برود. اما بسته به نوع و کيفيت پساب، روش‌هاي مختلفي ارائه‌شده است که در اين فصل به برخي از آن ها اشاره خواهد شد.
1-2 شناسايي آلاينده فنلي
فنل و ترکيبات فنلي جزء مواد آلي بسيار پايدار بوده و از آلاينده‌هاي متداول منابع آبي مي‌باشند. اين ترکيبات بطور طبيعي از قطران زغال‌سنگ و تقطير بنزين و به‌صورت مصنوعي در اثر حرارت دادن سولفات بنزن سديمي با سود آبدار در فشار بالا توليد مي‌شوند[]. به‌طورمعمول، سالانه حدود 6 ميليون تن فنل در سراسر جهان توليد مي‌شود[2]. فنل و مشتقاتش در فاضلاب‌هاي صنايع مختلفي از قبيل پالايشگاه‌هاي نفت، کوره‌هاي زغال‌سنگ، کک سازي‌ها، کارخانه‌هاي پتروشيمي[2]، رزين و پلاستيک، کارخانه‌هاي پارچه و چرم، کاغذ و خميرکاغذ، فرآيندهاي ريخته‌گري و کارخانه‌هاي بازيافت کائوچو حضور داشته و عمدتاً از طريق تخليه فاضلاب‌هاي اين صنايع وارد محيط مي‌شوند[3].
ميزان فنل در پساب‌ صنايع مختلف، در جدول ‏1-1 گزارش‌شده است.
جدول ‏1-1 ميزان فنل در پساب صنايع مختلف [4]
منبعغلظت فنل (mg/l)پالايشگاه‌هاي بنزين185-40پتروشيمي1220-200نساجي150-100چرم5/5-4/4کوره کک سازي3900-600تبديل زغال‌سنگ7000-1700صنايع آهني1/9-6/5صنايع لاستيک10-3صنايع کاغذ22توليد رزين1600کارخانه پشم‌شيشه2564-40کارخانه توليد رنگ1/1
فنل حتي با غلظت‌هاي کم نيز به زندگي ماهي‌ها آسيب مي رساند[5]، بطوريکه محدوده سميت اين آلاينده براي انسان بين mg/l 24-10، براي ماهي‌ها بين mg/l 25-9 و غلظت کشنده در خون برابر با mg/l 150 است[6]. سازمان بهداشت جهاني1، حداکثر غلظت مجاز فنل در آب آشاميدني را mg/l 1 تعيين کرده است[7].
مسموميت انسان توسط فنل سبب بروز سردرد و سرگيجه، حالت تهوع، اشکال در بلعيدن غذا، آسيب کبدي، غش و … خواهد شد[8].
در جدول ‏1-2، خواص فيزيکي و شيميايي اين آلاينده ذکرشده است.
جدول ‏1-2 مشخصات فيزيکي و شيميايي فنل[9]
مترادف هيدروکسي بنزن ، کربليک اسيد جرم مولي mg/l 11/94 دماي ذخيره‌سازي ?C 25-15 دماي اشتعال ?C 595 حلاليت g/lit (20 ?C)84 دماي ذوب ?C 8/40 دانسيته g/cm3 (20?C)06/1 دانسيته بالکي kg/m3 620 ميزان pH 5 (50 g/lit, H2O, 20?C) نقطه‌جوش ?C 8/181 فشار بخار kPa (20?C)2/0 حد انفجار % (V)5/9-3/11-3 روش هاي حذف فنل
روش‌هاي مرسوم تصفيه پساب‌هاي حاوي ترکيبات فنلي، به 3 دسته تقسيم مي‌شوند[10]:
1. فيزيکي
2. شيميايي
3. بيولوژيکي
از اين ميان، تصفيه فيزيکي به‌عنوان مؤثرترين و رايج‌ترين روش براي حذف ترکيبات فنلي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
1-3-1 جذب سطحي
از ميان روش‌هاي حذف، جذب سطحي يکي از ساده‌ترين و درعين‌حال پرکاربردترين روش‌هاي موجود است. بررسي‌ها نشان داده که تصفيه پساب حاوي ترکيبات فنلي توسط کربن فعال، يکي از روش‌هايي است که داراي پتانسيل بالايي در تصفيه دارد[8, 11, 12].
کربن فعال پودري2 در مقايسه با کربن فعال دانه‌اي3 نرخ جذب بسيار سريع‌تر و ظرفيت جذب بيشتري (با توجه به افزايش سطح، حجم منافذ و تخلخل) دارد[13]. با توجه به مزاياي ذکرشده، عمدتا از کربن پودري در تصفيه آب آشاميدني، پساب و بخصوص تصفيه آلودگي‌هاي ناگهاني استفاده مي‌شود[14].
مهمترين عامل در روش جذب سطحي، انتخاب جاذب است. بنابراين جستجو براي جاذب کم‌هزينه و در دسترس باعث شده تا بسياري از محققان به دنبال مواد طبيعي و مصنوعي به‌عنوان جاذب براي روش‌هاي اقتصادي و مؤثر باشند. اخيراً استفاده از جاذب‌هاي آلي به زمينه‌اي جذاب براي پژوهش‌ها تبديل‌شده است[15]. اگرچه جاذب مورد استفاده ممکن است با توجه به شرايط عملياتي و نوع آلاينده متفاوت باشد، اما خواص مؤثر بر بازدهي جاذب عبارت‌اند از:
1. سطح مؤثر بزرگ
2. همگن بودن اندازه منافذ
3. توانايي جذب انتخابي
4. احياء آسان و قابليت چندين بار استفاده4
جاذب‌هاي مصنوعي که شرايط ذکرشده را داشته باشند بسيار گران‌قيمت بوده و بنابراين استفاده از جاذب‌هاي طبيعي به زمينه‌اي فعال براي پژوهش‌ها تبديل شده است[16]. از جمله جاذب‌هايي که براي حذف فنل استفاده‌شده‌اند عبارت‌اند از: نانو ذرات اکسيد آهن، سيليکا ژل5، کربن فعال، رزين‌هاي پليمري و زئوليتي، نانو ذرات تيتانيوم اکسيد، آلوميناي فعال، خاک‌اره6، کربن پوسته تمبر هندي7، پوسته آناناس8 و تفاله چاي[6].
از جمله مزاياي فرآيندهاي جذب سطحي،سادگي عمليات و ميزان جذب بالا است. معايب اصلي اين روش، هزينه احياء بالا و مقاومت مکانيکي ضعيف جاذب ها هستند [17, 18].
1-3-2 رزين‌هاي تبادل يوني
اين فرآيند از تبادل يون بين دو فاز تشکيل شده است[19]. رزين هاي تبادل يوني، ماتريس پليمري حل نشدني هستند که حاوي يون‌هاي ناپايدار با قابليت تبادل يون با محيط اطراف مي باشند. رزين ها در تماس با محلولي با بار يوني مشابه قرار گرفته و تبادل يون صورت مي‌گيرد(مشابه شکل ‏1-1). پس از تماس رزين با محلول حاوي يون، رزين توسط فيلتراسيون از ساير اجزاء جدا مي شود.
شکل ‏1-1واکنش رزين‌هاي تبادل يوني[19]
بسته به نوع رزين (آنيوني يا کاتيوني)، يون‌هاي انتقالي داراي بار منفي يا مثبت خواهند بود. براي جداسازي فنل، از رزين تبادل آنيون استفاده مي‌شود[20].
رزين‌هاي تبادل يوني به علت نامحلول بودن فاز رزين، بسيار مورد استفاده قرار مي‌گيرند. همين ويژگي سبب سازگاري با محيط‌زيست شده و مي‌توانند ساليان زيادي مورد استفاده قرار گيرند. از جمله معايب اين روش مي توان به: توليد پسماند(آلاينده ثانويه)، اتلاف زمان (جهت احياء رزين) و گرفتگي رزين توسط اجزاء آلي موجود در پساب اشاره کرد[21, 22]. ازجمله کاربردهاي اين روش مي‌توان به: برطرف کردن سختي آب، حذف فلزات سمي موجود در آب، بازيابي مس و ديگر فلزات گران‌بها، حذف کامل يا جزئي نمک از آب، تصفيه پساب، حس‌گرها9، کروماتوگرافي و جداسازي‌هاي بيومولکولي اشاره کرد[23].
1-3-3 انعقاد الکتريکي10
در سال‌هاي اخير تحقيق بر روي کاربرد مستقيم الکتريسيته در تصفيه آب و فاضلاب به دليل سازگاري با محيط و امکان تصفيه (مايعات، گازها و جامدات) توسعه‌يافته و به‌عنوان يک روش جذاب تحت عنوان الکتروکوگولاسيون شناخته‌شده است.
فرآيند انعقاد الکتريکي شامل ايجاد لخته‌هاي11 هيدروکسيد فلزي درون فاضلاب در اثر انحلال الکتريکي آندهاي قابل انحلال که معمولاً از جنس آهن يا آلومينيوم هستند. اين روش در قرن بيستم با موفقيت محدودي روبرو بوده اما در سال هاي اخير به دليل برقراري محدوديت‌هاي محيط زيستي، بيش از پيش براي تصفيه فاضلاب‌ها مقبوليت يافته است[24, 25].
درروش انعقاد الکتريکي، جريان الکتريسيته مستقيما از طريق الکترودهاي آهني / آلومينيومي غوطه‌ور در آب ، عبور داده مي‌شود. در اين سيستم يون‌هاي الکترود قرباني، از طريق الکتروليت انتقال داده شده و آلاينده‌هاي نامطلوب از طريق واکنش‌هاي شيميايي، رسوب و يا توسط انعقاد مواد کلوئيدي جدا مي‌گردند. اين مواد سپس توسط شناور شدن الکتروليتي يا به‌واسطه ته‌نشيني با استفاده از فيلتراسيون جدا مي‌شوند.
ازجمله ويژگي‌هاي اين روش مي‌توان به کاربرد آسان، تجهيزات ساده، زمان‌ماند کوتاه، کاهش يا حذف تجهيزات، اضافه نمودن مواد شيميايي و کاهش حجم لجن اشاره کرد. از مزاياي مهم اين روش مي‌توان به عدم توليد آلاينده ثانويه و اشغال فضاي کم اشاره کرد[26]. معايب اين روش شامل هزينه بالاي انرژي الکتريسيته و تشکيل لايه اکسيد در سطح آند و کاتدهستند. ساير مزايا ومعايب اين روش در پژوهش سيرينگي12وهمکاران گزارش شده است[27].
1-3-4 فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته
معمولاً فرآيندهاي اكسيداسيون پيشرفته شامل توليد و كاربرد راديكال آزاد هيدروكسيل(به‌عنوان اکسيدکننده قوي) به‌منظور تخريب تركيباتي است كه با اکسيدکننده‌هاي متداول نظير اكسيژن، اوزون و كلر (شکل ‏1-2) به‌طور كامل اكسيد نمي‌شوند. راديكال هيدروكسيل با تركيبات درون محلول واكنش داده و موجب آغاز واکنش‌هاي اكسيداسيون مي‌گردد تا اينكه تركيب هاي موردنظر به‌طور كامل تخريب و حذف شوند.
شکل ‏1-2 اکسيدکننده هاي متداول
اين فرآيند روش مناسبي براي حذف آلاينده‌هاي منابع آب زيرزميني، سطحي و فاضلاب‌هاي صنعتي حاوي آلاينده‌هاي آلي(غيرقابل تجزيه توسط اجزاء بيولوژيكي) در نظر گرفته مي‌شود. راديکال‌هاي هيدروكسيل فوق‌العاده‌ واکنش‌پذير بوده و به اكثر تركيبات آلي حمله مي‌کنند. معمولاً سينتيك واكنش با توجه به غلظت راديکال‌هاي هيدروكسيل و غلظت آلاينده، از درجه اول تبعيت مي‌کند.
از مزاياي اين روش مي توان به ميزان اکسيداسيون بالاي آلاينده، توليد محصولات نهايي و واسطه بي ضرر، نرخ واکنش سريع، انعطاف پذيري(با توجه به کيفيت آب) و ابعاد کوچک تجهيزات اشاره کرد. معايب اصلي آن نيز شامل هزينه تصفيه نسبتا بالا، دفع پراکسيد اضافه براي برخي از کاربردها، شرايط ايمني خاص به دليل استفاده از مواد شيميايي بسيار واکنش پذير (اکسيژن، هيدروژن پراکسيد) مي باشد[28, 29].
1-3-5 استفاده از سيال فوق بحراني CO2
در اين روش از سيال هاي فوق بحراني به عنوان حلال استفاده مي شوند. مشابه شکل ‏1-3، ابتدا سيال در تماس با حلال (مايع) مورد نظر قرار مي گيرد. آلاينده مورد نظر از فاز پساب خارج شده و وارد حلال مي شود. در مرحله بعد بايد آلاينده از حلال جدا شود. بدين منظور با تنظيم دما و فشار، حلال از فاز مايع به گاز تبديل شده و جداسازي صورت مي پذيرد(شکل ‏1-3). معمولاً از حلال‌هاي غير سمي، مانند کربن دي‌اکسيد که به‌راحتي از محصول نهايي حذف مي‌شود، استفاده مي‌شود.
استخراج‌هاي مرسوم داراي معايبي هستند: نياز به مقدار حلال زياد، زمان‌بر و توليد مواد زائد(ناشي از تصفيه) [26]؛ از اين رو استخراج توسط سيال فوق بحراني جايگزين مناسبي نسبت به ساير روش‌هاي استخراج است. از مزاياي ديگر آن، سازگاري با محيط زيست است. علاوه بر اين، عمليات سرعت مناسب و انتخاب پذيري بالايي داشته و محصول عاري از هرگونه حلال باقيمانده خواهدبود.

شکل ‏1-3 شماتيک فرآيند استخراج فوق بحراني[30]
بيشتر ترکيبات فنلي حساس، ناپايدار و تجزيه‌پذير هستند. ازجمله عوامل اصلي تجزيه عبارت‌اند از: دما، اکسيژن و نور. يکي از مزاياي اين روش نسبت به روش هاي استخراج قديمي، جلوگيري از تخريب مواد حساس به دما و يا ترکيباتي که به راحتي اکسيد مي شوند[31, 32]. از مزاياي ديگر آن مي‌توان به کار در دماهاي پايين اشاره کرد. يکي از معايب اين روش هزينه‌هاي بالاي آن است، به همين دليل اين نوع استخراج بيشتر براي محصولات باارزش و يا صنايعي که قوانين زيست‌محيطي سخت‌گيرانه‌اي بر آن حاکم هستند، مورد استفاده قرار مي گيرد [33]. اگرچه استفاده از استخراج فوق بحراني در تصفيه پساب امکان‌پذير است اما نياز به فشارهاي بالا، هزينه‌هاي تجهيزاتي را به‌طور قابل‌توجهي افزايش مي‌دهد. بااين‌حال، استفاده از کمک حلال مناسب سبب افزايش ضريب تعادل آلاينده(K) و کاهش قابل توجه هزينه ها مي شود[34-36].
1-3-6 استفاده از اشعه UV
براي حذف فنل از پساب، از تخريب نوري اشعه فرابنفش13 استفاده‌ مي شود. اين اشعه به‌صورت تنها، با کاتاليست و در برخي موارد به‌عنوان جايگزين کاتاليست مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين روش از تابش نور فرابنفش براي حذف آلاينده‌هاي موجود استفاده مي‌شود. محلول نمونه، ‌اين نور را جذب کرده و سبب تخريب آلاينده مي‌شود(شکل ‏1-4).
شکل ‏1-4 فرآيند حذف توسط اشعه فرابنفش[37]
هيدروکسيل يکي از قوي‌ترين اکسيدکننده‌ها است و روش‌هاي مختلفي نيز براي توليد اين راديکال وجود دارد. يکي از اين راه‌ها، ترکيب کردن هيدروژن پراکسيد با يون فرو يا فريک و تابش نور فرابنفش است[38, 39]. همچنين از آب نيز مي‌توان براي توليد يون هيدروکسيل استفاده کرد. در شکل ‏1-5 هر دو واکنش گزارش‌شده است.
شکل ‏1-5 واکنش ناشي از اشعه فرابنفش[40]
تخريب ناشي از نيروي تابشي مستقيم14 در مقايسه با روش‌هاي ديگر، يک روش انتخابي است[41]. از مزاياي ديگر اين روش مي توان به: ترکيب با ساير فرآيندها بصورت سري، استفاده بصورت پيوسته و ناپيوسته، نياز به انرژي الکتريسته پايين (لامپ 65 وات براي اوزون و 15-60 کيلووات براي سيستم هاي هيدروژن پراکسيد)[29]، عدم توليد محصولات جانبي نامطلوب، ضدعفوني و استريليزاسيون خوراک بدون توليد پسماند شيميايي اشاره کرد[42]. يکي از معايب اين روش پايين بودن ميزان اثربخشي است زيرا ترکيبات بايد تابش نور فرابنفش را جذب کنند، اما جذب به‌طور کامل صورت نگرفته؛ بنابراين نرخ واکنش ناچيز است.
1-3-7 روش‌هاي بيولوژيکي
حذف آلاينده توسط ميکروارگانيسم‌ها، يکي از روش‌هاي نوين و درعين‌حال سازگار با محيط‌زيست است. در اين فرآيند، ميکروارگانيسم‌ها در معرض پساب آلوده قرار مي‌گيرند. اجزاء بيولوژيکي از آلاينده‌ها تغذيه کرده و سبب حذف آن ها مي شوند. براي جداسازي ميکروارگانيسم ها از ساير اجزاء، از فيلتراسيون استفاده کرده و ميکروارگانيسم‌ها دوباره به تانک برگردانده مي‌شوند(مشابه شکل ‏1-6).
شکل ‏1-6 شماتيک فرآيندهاي بيولوژيکي[43]
اما به‌طورکلي فرآيندهاي بيولوژيکي به دو دسته تقسيم‌ مي‌شوند: 1- ميکروارگانيسم‌هاي هوازي 2- ميکروارگانيسم‌هاي غير هوازي.
در فرآيندهاي هوازي، معمولا اکسيژن(يا هوا) از کف ظرف (تانک) تزريق مي‌شود. اين عمل دو مزيت دارد: الف) تأمين اکسيژن براي رشد اجزاء بيولوژيکي، ب) سبب ايجاد تلاطم شده و انتقال جرم را افزايش مي دهد، همچنين سبب توزيع غلظت يکسان مي‌شود.
يکي از مزيت‌هاي روش بيولوژيکي، عدم نياز به شرايط عملياتي خاص و سخت است. از معايب اين روش مي‌توان به مشکلات ممانعت کنندگي15 اشاره کرد و در ادامه سينتيک اين واکنش ها مورد بررسي قرار مي گيرد. عيب ديگر آن، اشغال حجم زياد براي ساخت حوضچه‌ها در مقياس صنعتي است. مزايا ومعايب ديگر اين روش، در پژوهش نايسل و همکاران گزارش‌شده است[44].
1-3-7-1 پارامترهاي سينتيکي واکنش
براي محاسبه پارامترهاي واکنش، از نمودار رشد استفاده مي‌ شود. سينتيک در نظر گرفته‌شده براي اين واکنش، معادله هالدين16 است که داراي 3 ثابت است و با انجام آزمايش در غلظت‌هاي اوليه مختلف، اين پارامترها بدست مي آيند. هر چه تعداد آزمايش‌ها بيشتر باشد، دقت معادله سينتيکي افزايش پيدا مي‌کند؛ بنابراين در غلظت‌هاي اوليه مختلف، نرخ رشد در ناحيه رشد نمايي از روي شيب نمودار محاسبه مي‌شود، سپس نمودار نرخ رشد بر مبناي غلظت اوليه مختلف رسم مي‌شود. حال يک منحني با توجه به معادله سينتيکي، از بين داده‌هاي آزمايشگاهي عبور داده‌شده و پارامترهاي معادله بدست خواهند آمد.
شکل ‏1-7، نرخ واکنش بر مبناي غلظت سوبسترا را نشان مي دهد. در حالتي که ممانعت کننده وجود داشته باشد، نرخ واکنش به مقدار بيشينه رسيده و سپس کاهش پيدا مي کند. اما در حالتي که ممانعت کننده وجود نداشته باشد، نرخ واکنش در نهايت به يک مقدار ثابت ميل مي کند.
شکل ‏1-7 مقايسه سرعت واکنش: الف) وجود ممانعت کننده سوبسترا ب) عدم وجود ممانعت کننده [45]
1-3-8 فرآيندهاي غشايي
1-3-8-1 تراوش تبخيري
تراوش تبخيري17 فرآيند دو مرحله اي است، در اين فرآيند ابتدا مخلوط خوراک مايع تبخير شده و سپس نفوذ انتخابي از طريق غشاء نامتخلخل18 انجام شده و جداسازي صورت مي‌گيرد(شکل ‏1-8).
شکل ‏1-8 شماتيک فرآيند تراوش تبخيري[46]
مکانيسم انتقال در غشاهاي نامتخلخل، انحلال – نفوذ19 است. با توجه به اين مکانيسم، انتقال طي 3 مرحله اتفاق مي‌افتد: 1- جذب انتخابي اجزاء بر روي سطح غشاء 2- نفوذ اجزاء از درون غشاء 3- دفع در سمت تراوا20.
اين روش براي حذف فنل از پساب نيز مورد استفاده قرار گرفته که در آن، مخلوط آب وفنل به عنوان خوراک فرآيند محسوب مي شود. از جمله غشاهايي که تراوايي بالايي نسبت به فنل دارند مي توان به: پلي اتر، پلي آميد[47]، پلي دي متيل سيلکسان[48] و پلي اورتان[49] اشاره کرد.
فاکتور جداسازي(?)، يکي از مهمترين پارامترها در فرآيند تراوش تبخيري است. فاکتور جداسازي با غلظت فنل و دماي فرآيند تغيير مي کند. با افزايش غلظت، ? کاهش پيدا مي کند. همچنين با افزايش دما، ميزان فنل در سمت تراوه ي غشاء کاهش پيدا مي کند؛ علت اين امر افزايش شار آب با افزايش دما است[50].
اين فرآيند براي مخلوط‌هاي آزئوتروپي بسيار مفيد و پرکاربرد بوده و سبب صرفه‌جويي در مصرف انرژي مي‌شود.
1-3-8-2 غشاء مايع
اين نوع غشاء در سال 1968 براي اولين بار توسط لي21 مورد استفاده قرار گرفت[51]. در اين فرآيند از يک غشاء مايع (معمولاً فاز آلي) استفاده مي‌شود. پساب در تماس با غشاء قرارگرفته و با توجه به اختلاف حلاليت فنل بين دو فاز آبي و آلي، فنل وارد فاز غشاء مي‌شود. فنل از درون غشاء نفوذ کرده و وارد فاز دفع (محلول آبي سود سوزآور) مي‌شود. در اين مرحله فنل بلافاصله خنثي‌شده و به سديم فنلات تبديل‌شده که غيرقابل‌حل در روغن بوده و قابليت برگشت‌پذيري ندارد؛ درنتيجه گراديان غلظت بالايي در فاز غشاء به وجود آمده و بنابراين فنل به‌راحتي از فاز آبي (پساب) حذف مي‌شود(شکل ‏1-9).
شکل ‏1-9 شماتيک فرآيند غشاهاي مايع[52]
بديهي است که افزايش ميزان حلاليت فنل در فاز غشاء سبب شده تا راندمان حذف افزايش يابد. يکي از راه‌هاي افزايش حلاليت، استفاده از حامل22 مناسب در درون غشاء است.
از معايب اين روش مي‌توان به اتلاف فاز غشاء و ناپايداري آن اشاره کرد.
1-3-8-3 غشاهاي نانو فيلتراسيون / اسمز معکوس
غشاها بر اساس اندازه حفرات به 4 دسته کلي تقسيم مي‌شوند(شکل ‏1-10):
1- ميکرو فيلتراسيون
2- اولترا فيلتراسيون
3- نانو فيلتراسيون
4- اسمز معکوس
شکل ‏1-10 اندازه حفرات غشاء[4]
مکانيسم انتقال در غشاهاي نانو و اسمزمعکوس، انحلال-نفوذ است. از نانو فيلتراسيون و اسمز معکوس براي حذف ذرات بسيار ريز درون محلول‌ها استفاده مي‌شود. جنس اين غشاها معمولاً از پلي آميد23 است.
شکل ‏1-11، شماتيک فرآيند حذف فنل توسط نانوفيلتراسيون را نشان مي دهد. پساب حاوي فنل درون تانک قرار دارد. پساب از تانک خوراک به سمت مدول غشايي فرستاده مي شود، پساب وارد مدول غشايي شده و به 2 بخش تقسيم مي شود: الف) جريان خالص که به آن تراوا گفته مي شود. ب) جريان تغليظ شده.
شکل ‏1-11شماتيک فرآيند حذف فنل توسط نانو فيلتراسيون[53]
اگرچه ميزان دفع24 براي حذف نمک توسط اسمزمعکوس و نانو فيلتراسيون بسيار مناسب است اما اين مقدار براي حذف فنل کمتر از 40% گزارش شده است[53]. بنابراين استفاده از فرآيندهاي ترکيبي براي حذف فنل پيشنهاد مي شود. يکي از اين تکنيک ها، استفاده از راکتورهاي غشايي است که در بخش بعد مورد بررسي قرار مي گيرد. يکي از معايب اين نوع غشاها، فشارهاي عملياتي بالا است. از جمله کاربردهاي اين غشاها مي توان به: سختي زدايي آب، نمک زدايي آب، تصفيه پساب، تغليظ شير، آب ميوه ها و توليد آب بسيار خالص اشاره کرد.
1-3-8-4 راکتورهاي غشايي
يکي ديگر از فرآيندهايي که در دهه اخير موردتوجه قرارگرفته، راکتور غشايي است. اين فرآيند از دو بخش تشکيل شده است:
1- راکتور: که واکنش مربوطه در آن صورت مي‌گيرد.
2- غشاء: که نقش جداسازي اجزاء را بر عهده دارد.
(الف)
(ب)شکل ‏1-12 الف) بيوراکتور غشايي جريان جانبي ب) بيوراکتور غشايي غوطه‌ور[54]
بسته به نوع فرآيند ممکن است چينش آن ها متفاوت باشد. معمولا ابتدا پساب حاوي فنل وارد راکتور شده و واکنش صورت مي‌گيرد. سپس براي جداسازي محصول اصلي از ساير اجزاء، خروجي راکتور به سمت مدول غشايي فرستاده مي‌شود. در اين مرحله محصول اصلي از غشاء عبور کرده و ساير اجزاء به راکتور برگردانده مي‌شوند. براي جلوگيري از تجمع درون راکتور، از جريان زدايش25 استفاده مي شود.
راکتورهاي غشايي نيز دسته‌بندي‌هاي مختلفي دارند که در ذيل به تعدادي از آنها اشاره مي شود:
1- بر اساس نوع راکتور: راکتور همزن دار يا لوله‌اي
2- بر اساس اندازه حفرات غشاء
3- غوطه‌ور يا جريان جانبي
4- نوع مدول مورد استفاده
5- کاتاليستي يا غير کاتاليستي و…
يکي از انواع آن، بيوراکتور غشايي است که در فصل آينده به آن اشاره مي شود.
با توجه به مطالبي که تاکنون ارائه شده، مزايا و معايب هريک از روش هاي حذف در جدول ‏1-3 ارائه شده است.
جدول ‏1-3 مزايا و معايب روش هاي حذف
فرآيندمزايامعايبجذب سطحي* عمليات ساده
* قابليت جذب بالا* هزينه بالا
* مقاومت مکانيکي ضعيفرزين تبادل يوني* سازگار با محيط‌زيست
* نامحلول بودن فاز رزين
* مصرف انرژي پايين* توليد پسماند
* اتلاف زمان براي احياء رزين
* قابليت گرفتگي توسط اجزاء آلي موجود در پسابانعقاد الکتريکي* سازگار با محيط‌زيست
* اشغال فضاي کم
* عدم توليد آلاينده ثانويه
* عدم نياز به افزودني* امکان توليد پسماند خطرناک
* تشکيل لايه اکسيد در سطح کاتد و آند
* نياز به رسانايي بالاي پساب
* هزينه بالاي انرژي الکتريسيتهاکسيداسيون پيشرفته* قدرت تخريب بالا
* قابليت ضدعفوني کردن
* بالا بودن نرخ واکنش* پتانسيل تجمع محصولات جانبي اکسيداسيون
* پتانسيل تشکيل برمات
* کاهش بازدهي فرآيند بخاطر مهار راديکال ها توسط اجزاء واسطهسيال فوق بحراني* کاهش زمان فرآيند
* سازگار با محيط‌زيست
* عمليات در دماهاي پايين* هزينه‌هاي بالا
* فشار عملياتي بالااشعه UV* قدرت انتخاب پذيري بالا
* مصرف انرژي کم
* ضدعفوني و استريليزه* اثربخشي پايين
* شرايط ايمني بالا بخاطر اشعه فرابنفشبيولوژيکي* سازگار با محيط‌زيست
* نداشتن شرايط عملياتي خاص* ممانعت کنندگي
* اشغال حجم زياد براي ساخت حوضچهفرآيندهاي غشايي* اشغال فضاي کم
*



قیمت: تومان


پاسخ دهید