3-1- مقدمه2
3-2- علت انتخاب روش اکسايش الکتروشيميايي2
3-3- انتخاب و تهيه تجهيزات آزمايشگاهي2
3-3-1- وسايل و مواد شيميايي مورد نياز2
3-4- انجام آزمايش‌ها2
3-4-1- پساب مورد استفاده در فرآيند2
3-4-2- روش انجام آزمايش‌ها2
3-5- طراحي آزمايش با روش تاگوچي2
فصل 4: نتايج و تفسير آن‌ها2
4-1- مقدمه2
4-2- تاثير پارامترهاي موردنظر بر سيستم2
4-2-1- تاثير پارامترpH بر بازده فرآيند2
4-2-2- تاثير غلظت الکتروليت پشتيبان2
4-2-3- تاثير دانسيته جريان2
4-2-4- تاثير فاصله بين الکترودها2
4-3- شرايط بهينه2
4-4- تحليل واريانس نتايج2
4-5- محاسبه انحراف معيار2
4-6- بررسي تاثير ميزان غلظت اوليه فنل بر بازده فرآيند2
4-7- بررسي تاثير نوع الکتروليت پشتيبان بر بازده فرآيند2
4-8- انرژي مصرفي2
فصل 5: جمع‌بندي و پيشنهادها60
5-1- مقدمه61
5-2- دستاوردها61
5-3- نوآوري62
5-4- پيشنهادها62
فصل 6: مراجع2
فصل 7: پيوست‌ها2
فهرست اشکال

شكل (2-1) ساختار فنل2
شكل (2-2) شمايي از مکانيسم اکسايش الکتروشيميايي فنل2
شكل (3-1) دستگاه آزمايشگاهي مورد استفاده2
شكل (3-2) دستگاه اسپکتروفتومتر2
شكل (4-1) تاثير pH بر روي زدايش فنل2
شكل (4-2) تأثير غلظت الکتروليت پشتيبان بر‌روي زدايش فنل2
شكل (4-3) تأثير دانسيته جريان بر ‌روي زدايش فنل2
شكل (4-4) تأثير فاصله بين الکترودها بر‌روي زدايش فنل2
شكل (4-5) درصد زدايش در pHو غلظت‌هاي مختلف الکتروليت پشتيبان2
شكل (4-6) درصد زدايش در pHو فاصله‌هاي مختلف بين الکترودها2
شكل (4-7) درصد زدايش در دانسيته جريان و غلظت‌هاي مختلف الکتروليت پشتيبان2
شكل (4-8) درصد زدايش در دانسيته جريان و فاصله‌هاي مختلف بين الکترودها2
شكل (4-9) درصد زدايش در غلظت و فاصله‌هاي مختلف بين الکترودها2
شكل (4-10) درصد زدايش در pH و دانسيته جريان‌هاي مختلف2
شكل (4-11) روند تغييرات غلظت فنل با زمان در شرايط بهينه2
شكل (4-12) روند تغييرات دما با زمان در شرايط بهينه2
شكل (4-13) روند تغييرات ولتاژ سيستم با زمان در شرايط بهينه2
شكل(4-14) محلول الکتروليتي پس از انجام آزمايش در شرايط بهينه با دانسيته جريان 178/0 آمپر بر سانتيمتر مربع2
شكل (4-15) محلول الکتروليتي پس از انجام آزمايش در شرايط بهينه با دانسيته جريان 125/0 آمپر بر سانتيمتر مربع2
شكل (4-16) تاثير ميزان غلظت اوليه فنل بر بازده فرآيند2
شكل (4-17) نمودار تاثير نوع الکتروليت روي بازده فرآيند2
فهرست جداول
جدول (2-1) خواص فيزيکي و شيميايي فنل…………………………………………………………………………..2
جدول (3-1) سطوح مختلف عوامل مورد بررسي در آزمايشها……………………………………………….2
جدول (3-2) آرايه استاندارد L9 براي طراحي آزمايشها………………………………………………………..2
جدول (4-1) نتايج مربوط به زدايش فنل از پساب………………………………………………………………….2
جدول (4-2) نرخ‌هاي S/N اصلي براي هر سطح از پارامترها…………………………………………………2
جدول (4-3) سطوح بهينه مربوط به هر پارامتر……………………………………………………………………….2
جدول (4-4) ANOVA تهيه شده توسط نرم افزار Winrobust…………………………………………..50
جدول (4-5) سهم هر پارامتر…………………………………………………………………………………………………….2
جدول (4-6) ميزان انحراف معيار………………………………………………………………………………………………2
جدول (4-7) ميزان انرژي واحد براي زدايش COD……………………………………………………………..2
جدول(4-8) ميزان انرژي مصرف شده براي انجام فرآيند توسط تحقيقات مختلف………………….59
مقدمه
1-1- مقدمه
ضايعات آب مشکلي جدي در سطح جهان است. دسترسي به آب سالم و تميز براي تأمين نيازهاي انساني مختلف، در دهههاي آينده يک چالش مهم محسوب ميشود. انجمن حفاظت محيط زيست ايالات متحده آمريکا برآورد کرده است که تقريباً يک سوم جريان آب جهان به طور مشخص آلوده است و اصل حفظ کيفيت آب برهم زده شده است. بنابراين چه براي مصارف آشاميدني و چه براي مصارف صنعتي معمولاً آب طبيعي احتياج به تصفيه دارد .پسابهاي صنعتي با توجه به منشاء آلودگي ميتوانند شامل انواع آلودگي باشند. نظير پسابهاي روغني، پسابهاي حاوي مواد آلي، پسابهاي حاوي رنگ و … . با شناخت نوع آلودگي ميتوان روش زدايش آنها را بررسي کرد.
ترکيبات مقاوم در برابر تجزيه زيستي در فاضلابهاي صنعتي علاوه بر سميت ميتوانند موجب طعم و بوي بد آب شوند. آنها به طور کامل توسط تصفيه بيولوژيک خارج نميشوند به طوريکه آبهاي آلوده با اين ترکيبات توسط تصفيه شيميايي، تحت فرآيند تصفيه قرار ميگيرند.
روشهاي متداول تصفيه پساب به چهار دسته زير تقسيم ميشوند:
روشهاي زيستي
روشهاي اکسايش شيميايي
روشهاي اکسايش فيزيکي- شيميايي
روشهاي الکتروشيميايي
در سالهاي اخير، توجه به تکنولوژي الکتروشيميايي براي تصفيه پسابها افزايش يافته است. مزيت کاربرد روشهاي الکتروشيميايي نسبت به ساير روشها شامل سازشپذيري زيستمحيطي، استفاده از تجهيزات ساده، سرعت بالاي انجام فرآيند و … ميشود. اين روش تصفيه به عنوان يک تکنيک بسيار نويدبخش براي تصفيه آبهاي زيرزميني آلوده، آبهاي سطحي و فاضلابهاي شامل آلودگيهاي آلي غيرزيستتخريبپذير مطرح شده است. امروزه تکنولوژيهاي الکتروشيميايي به موقعيتي رسيدهاند که نه تنها با تکنولوژيهاي ديگر از نظر قيمت قابل رقابت هستند بلکه مؤثرتر نيز هستند. براي موقعيتهاي زيادي ناگزير به استفاده از تکنولوژيهاي الکتروشيميايي براي تصفيه فاضلابهاي داراي آلايندههاي مقاوم3 هستيم.
فنل يک آلاينده آلي مقاوم در برابر تجزيه زيستي است که موجب سمي شدن منابع آبي ميشود. اين ترکيب يکي از مواد پرمصرف در پالايشگاههاي نفت، پتروشيمي، نساجي، دارويي و … ميباشد که از طريق دفع غير بهداشتي پساب اين صنايع منجر به آلودگي محيط زيست ميگردد. اين اسيد ضعيف سمي، حتي در غلظتهاي پايين منجر به ايجاد مزه و بوي ناخوشايند ميشود. پسابهاي فنلي در مقابل تجزيه بيولوژيکي بسيار مقاوم هستند. اين پسابها به عنوان يک خطر جدي براي سلامتي بشريت به حساب ميآيند چون سميت بالايي دارند. سميت و بوي بد فنلها مجوز تصفيه آنها قبل از تخليه در محيط زيست است. براي زدايش فنل از پسابهاي صنعتي تاکنون از
روشهاي متفاوتي استفاده شده است. در سالهاي اخير استفاده از روش اکسايش الکتروشيميايي براي زدايش فنل به طور گسترده مورد بررسي و توجه قرار گرفته است. در اين روش، اکسايش ترکيبات فنلي مرهون توليد راديکالهاي هيدروکسيل روي سطح الکترودها است. با توجه به بررسيهاي مختلف اين نتيجه بدست آمده است که جنس الکترود در ميزان زدايش ترکيبات فنلي تأثير بسزايي دارد.
در اين تحقيق از روش اکسايش الکتروشيميايي در زدايش فنل از يک پساب سنتزي استفاده شد. پارامترهاي مختلفي بر ميزان بازده اين روش مؤثرند. در اين پروژه، سهم هر پارامتر روي ميزان بازده زدايش فنل تعيين گرديد. در آزمايشات مورد بررسي، تأثير پارامترهاي عملياتي شامل pH، غلظت الکتروليت پشتيبان، دانسيته جريان و فاصله بين الکترودها مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به طراحي آزمايشها توسط روش تاگوچي، امکان اندازهگيري سهم هر پارامتر و بررسي ميزان اهميت آنها توسط ابزار قدرتمند تحليل واريانس4 و روش سيگنال به نويز 5(S/N) تعيين گرديد.
به کمک دو روش فوقالذکر که در تجزيه و تحليل آرايههاي متعامد بکار برده ميشود بهينه شرايط زدايش فنل توسط روش اکسايش الکتروشيميايي و سهم هر پارامتر توسط نرم افزار Winrobust بدست آمد.
در اين پژوهش، آند پلاتين براي انجام آزمايشات مورد استفاده قرار گرفت و براي نخستين بار از روش تاگوچي به منظور طراحي آزمايش و بهينهسازي شرايط عملياتي براي دستيابي به بيشينه كارايي روش اكسايش الكتروشيميايي در تصفيه پسابهاي فنلي، استفاده شده است.
اين گزارش مشتمل بر 5 فصل ميباشد.
در فصل اول مقدمهاي در خصوص اهميت روشهاي تصفيه الکتروشيميايي و خلاصهاي از نحوه اجراي پروژه بيان گرديد. در فصل دوم، بررسي روشهاي اکسايش الکتروشيميايي و مروري بر يافتههاي ديگر محققان صورت گرفته است. در فصل سوم روش تاگوچي به عنوان نوعي از طراحي آزمايشها و روند انجام آزمايشها ارائه ميگردد. در فصل چهارم نتايج آزمايشگاهي با استفاده از تحليل واريانس مورد ارزيابي واقع شده و سهم هر پارامتر در زدايش فنل تعيين گرديده است. و نهايتاً در فصل آخر پيشنهاداتي براي افزايش کارايي روش اکسايش الکتروشيميايي ارائه شده است.
مروري بر منابع
2-1- مقدمه
در اين فصل ابتدا نگاهي دقيق به دانش کلاسيک موضوع داشته سپس مروري بر يافتههاي ديگر محققان بر روي روش اکسايش الکتروشيميايي ارائه ميگردد.
2-2- روش تصفيه الکتروشيميايي
با افزايش جمعيت جهان و رشد صنعت حفاظت از محيط زيست مهمترين و اصليترين فاکتور در پيشرفت‌هاي آتي فرآيندهاي صنعتي ميباشد. بسياري از فعاليتهاي صنعتي و کشاورزي آب زيادي مصرف ميکنند. با اين وجود، کاملاً واضح است که منابع آب تازه محدود هستند به طوريکه بايستي از آن محافظت کرد [1]. روشهاي متفاوتي براي تصفيه پسابهاي صنعتي حاوي مواد آلي وجود دارد مانند استخراج، اکسايش، سوزاندن و جذب و … . انتخاب روش عمليات به مسائل اقتصادي مانند راحتي کنترل، توانايي و کارايي روش بستگي دارد [2]. اخيراً به دليل بازده بالا و سازگاري زيستمحيطي استفاده از تجزيه الکتروشيميايي مستقيم يا غيرمستقيم آلايندههاي آلي توسعه يافته است [3]. الکتروشيمي راهکارهاي قابل اطمينان براي جلوگيري از مشکلات آلودگي در فرآيندهاي صنعتي را ارائه ميدهد [1]. يکي از مزاياي روشهاي الکتروشيميايي، سازشپذيري زيستمحيطياش است. دليلش ميتواند اين باشد که در آن از الکترون به عنوان يک معرف پاک و عامل اصلي انتقال استفاده ميشود [4]. مهمترين مزيت روشهاي تصفيه الکتروشيميايي اين است که سينتيک روشهاي اکسايش الکتروشيميايي 100 برابر سريعتر از روشهاي اکسايش زيستي است. اين مزايا باعث شده توجه به روشهاي تصفيه الکتروشيميايي طي دو دهه اخير افزايش يابد [5].
2-3- مزايا و معايب سيستمهاي الکتروشيميايي [4-7].
مزايا:
سازشپذيري زيستمحيطي
تطبيقپذيري
امکان دستيابي به بازده انرژي بالا
تابعيت اتوماتيکي
استفاده از تجهيزات ساده
امکان عدم توليد آلايندههاي ثانويه سمي
سرعت بالاي انجام فرآيند در مقايسه با روشهاي اکسايش زيستي
هزينه بهرهوري
انعطافپذيري
معايب:
نياز به بهينهسازي مصرف انرژي الکتريکي
حساسيت انتخاب الکترود مناسب براي فرآيند و هزينههاي ساخت و خريد آنها
2-4- انواع روشهاي تصفيه الکتروشيميايي
روشهاي تصفيه الکتروشيميايي شامل انواع زير است:
تصفيه کاتدي آب و پساب صنعتي
لخته شدن الکتروشيميايي6
شناورسازي الکتروشيميايي7
روشهاي پيشرفته اکسايش الکتروشيميايي8
که در زير به اختصار، به توضيح آنها ميپردازيم.
2-4-1- تصفيه کاتدي آب و پساب صنعتي
روش تصفيه کاتدي آب و پساب صنعتي در پساب با غلظت بالاي يونهاي فلزي بيشتر استفاده ميشود و بر زدايش يون از پساب بر پايه رسوب کاتدي فلز استوار است.
2-4-2- لختهشدن الکتروشيميايي
اين روش شامل توليد منعقدکنندههاي آزمايشگاهي، به وسيله حل شدن الکتريکي يونهاي آلومينيوم يا آهن از الکترودهاي آهني يا آلومينيوم ميباشد. لخته شدن الکتروشيميايي در برداشتن و رفع جامدات معلق مثل نفت و گريس مؤثر است.
2-4-3- شناورسازي الکتروشيميايي
در اين روش مواد آلودهکننده را در سطح آب به وسيله الکتروليز حبابهاي کوچک، شناور
ميکنند. در تصفيه آب و فاضلاب، عمل شناورسازي يک فرآيند بسيار مؤثر براي جداسازي روغن و جامدات معلق داراي دانسيته پايين ميباشند [8].
2-4-4- روشهاي پيشرفته اکسايش الکتروشيميايي
اين روش يکي از روشهاي تصفيه آب و پساب است که به سه گروه زير تقسيم ميشود [8]:

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

اکسايش الکتروشيميايي
الکتروفنتون9
سيستمهاي الکتروشيميايي نوريار10 (در اين روش از اشعه فرابنفش11 استفاده ميشود).
2-5- اکسايش الکتروشيميايي
بسياري از فرآيندهاي صنعتي پسابهايي که شامل ترکيبات آلي مقاوم در برابر تجزيه زيستي هستند را توليد ميکنند. اين پسابها بايد به شيوه اقتصادي مناسبي تحت فرآيند تصفيه قرار گيرند. يکي از روشهاي مؤثر و مورد توجه براي تصفيه اينگونه پسابها استفاده از تکنيکهاي اکسايش است [1]. از مزاياي اين روش ميتوان به عدم نياز به اضافه کردن مقادير زياد مواد شيميايي به پساب و رساندن اکسيژن، همچنين عدم گرايش به توليد محصولات جانبي که توليد آلودگي ثانويه ميکند اشاره کرد [6].
روشهاي مختلف تصفيه الکتروشيميايي که در زدايش فنل کاربرد دارند به قرار زير است [9]:
اکسايش آندي
اکسايش الکتروشيميايي پيشرفته فراصوتي12
فرآيند انعقاد الکتروشيميايي
اکسايش الکتروشيمايي واسطهاي
زدايش در پيل سوختي ميکروبي
2-6- اکسايش آندي
يکي از انواع روشهاي الکتروشيميايي که براي تصفيه پسابها بکار ميرود روش اکسايش آندي است. اين روش ابزاري قدرتمند براي زدايش پسابهاي آلي است و آنها را به دياکسيدکربن و آب اکسيد ميکند.
روش اکسايش آندي را ميتوان به دو دسته تقسيم کرد:
اکسايش مستقيم: در اين روش ترکيبات آلي در سطح الکترود متلاشي ميشوند.
اکسايش غير مستقيم: در اين روش يک واسطه در طي فرآيند به طور الکتروشيميايي توليد ميشود تا اکسايش ترکيبات آلي را انجام دهد. به عبارت ديگر ميتوان گفت که اکسايش غيرمستقيم به وسيله استفاده مناسب از اکسيدانهاي توليد شده آندي مانند عاملهاي فنتون، هيپوکلريت و CL2 صورت ميپذيرد [10، 11].
در مطالعه حاضر روش اکسايش مستقيم آندي در تصفيه پسابهاي فنلي مورد بررسي قرار گرفته است که به تفضيل به شرح آن پرداخته ميشود.
2-6-1- اکسايش مستقيم در آند
براي اکسايش مستقيم دو خاصيت مهم براي آند مناسب لازم است [11] :
پتانسيل رهايش اکسيژن بالا
پايداري در مقابل خوردگي
اکسايش الکتروشيميايي آلودگيها ميتواند به صورت مستقيم به وسيله جذب سطحي فيزيکي اکسيژن فعال ( راديکال هيدروکسيل جذب شده OH) يا جذب سطحي شيميايي اکسيژن فعال
( اکسيژن در شبکه اکسيدي MOX+1) صورت گيرد. اين فرآيند اغلب اکسايش مستقيم يا اکسايش آندي ناميده ميشود. اکسيژن فعال جذب سطحي فيزيکي باعث احتراق کامل ترکيبات آلي (R) و اکسيژن فعال جذب سطحي شيميايي شده (MOX+1) در اکسايش انتخابي محصولات شرکت ميکند.
(2-1) + zH+ + ze- + MOX R + MOX (OH)Z = CO2
(2-2) R + MOX+1 = RO + MOX
در حالت کلي راديکال هيدروکسيل براي اکسايش آلودگيها بسيار مؤثرتر از O در MOX+1 است. به علت آزادسازي اکسيژن که در الکترود آند طبق واکنش زير اتفاق ميافتد، اضافه ولتاژ زيادي براي آزادسازي اکسيژن نيازمند است که واکنشهاي (2-1) و (2-2) با بازده جريان بالا اتفاق بيفتد. در غير اينصورت جريان اعمالي براي تجزيه آب هدر ميرود]12[ .
(2-3) 2H2O – 4e- ? O2 + 4H+
2-6-2- مدل پيشنهادي براي اکسايش آندي مواد آلي به کمک راديکال‌هاي هيدروکسيل]12[
در اين مدل رفتار متفاوت الکترودها در اکسايش الکتروشيميايي باعث دستهبندي الکترودها به دو گروه مختلف ميشود:
آند فعال مانند , RuO2 IrO2
آند غير فعال مانند BDD13 , PbO2 , SnO2
در مدل پيشنهادي فرض شده است که واکنش اوليه اکسايش مولکولهاي آب و تشکيل راديکال هيدروکسيل در هر دو نوع آند طبق واکنش زير اتفاق ميافتد.
(2-4) M + H2O ? M(OH?) + H+ + e-
فعاليت الکتروشيميايي و شيميايي M(OH?) به ماهيت ذاتي الکترود وابسته است. در مرحله بعد سطح آند فعال با راديکال هيدروکسيل برهمکنش قوي ايجاد کرده و سوپراکسيد (MO) ايجاد ميشود.
(2-5) M(OH?) ? MO + H + + e –
اما سطح آند غيرفعال با راديکال هيدروکسيل برهمکنش ضعيف ايجاد کرده که باعث واکنش مستقيم مواد آلي با M(OH?) و اکسايش کامل آنها و توليد CO2 ميشود.
(2-6) + xH + + ye – + nH2O R + a M (OH?) ? aM + mCo2
2-7- آلايندهي فنل
فنل يکي از رايجترين آلايندههاي آلي آب ميباشد زيرا حتي در غلظتهاي کم نيز سمي است. وجود فنل در آبهاي طبيعي در طول فرآيندهاي اکسايش و ضدعفوني کردن سبب تشکيل مشتقات و آلودگيهاي ثانويه ميگردد. به فنل اسيد فنيک يا اسيد کربوليک نيز گفته ميشود. اين ماده يک ترکيب آروماتيکي است که در دما و فشار محيط به صورت يک جامد بلورين
ميباشد، به شکل خالص سفيد رنگ است اما اغلب به علت وجود ناخالصيها رنگي است. شکل
(2-1) ساختار فنل را نشان ميدهد. برخي از خواص فيزيکي و شيميايي فنل در جدول (2-1) آورده شده است.
شكل (2-1) ساختار فنل
جدول (2-1) خواص فيزيکي و شيميايي فنل
فرمول شيميايي C6H5OH
وزن مولکولي 94 /11 gr/mol دماي ذوب 40/9 (?C) نقطه اشتعال 79 (?C)
فنل در اتيل الکل، اتر و انواع حلالهاي قطبي، همچنين در هيدروکربنهايي نظير بنزن بسيار قابل حل است. در آب انحلالپذيري محدودي دارد و مانند يک اسيد ضعيف رفتار ميکند.
2-7-1- منابع و سنتز صنعتي فنل
امروزه فنل با نرخي حدود 6 ميليون تن در سال در سطح جهان توليد ميشود که روند رو به رشد قابل توجهي نيز دارد. فرآيندهايي نظير فرآيندهاي اکسايش و ساخت سه مرحلهاي شامل ساخت همزمان فنل و استون از بنزن، پروپيلن و اکسيژن ميباشد که حدود 95% فنل مصرفي در کل جهان را توليد ميکند. انواع ديگري از ساخت صنعتي فنل وجود دارد. به عنوان مثال، از طريق کلروبنزن ( واکنش با سود سوزآور در دماي ) oC350(( يا بوسيله اکسايش تولوئن از طريق اسيد بنزوئيک.
فنل همچنين در بنزول و قير زغال سنگ وجود دارد که در طول ساخت ذغال سنگ بدست
ميآيند. فنل و بسياري از مشتقات آن ترکيبات طبيعي بسياري از مواد نظير چاي، شراب يا غذاهاي دودي هستند. همچنين ممکن است فنل از احتراق سوختهاي فسيلي و تنباکو استخراج شود. در فضولات حيواني و مواد آلي تجزيه شده نيز فنل وجود دارد. ممکن است فنل در هوا به عنوان محصولي از فتواکسايش بنزن تشکيل گردد..
2-7-2- کاربردهاي صنعتي فنل
فنل به شکل خالص به عنوان يک ضدعفوني کننده استفاده ميشود و بخاطر ويژگيهاي
ميکروبکشي و بيحسکنندگياش در تهيه بعضي از کرمها و صابونها کاربرد دارد. در دامپزشکي به عنوان يک ضدعفوني کننده داخلي، به عنوان عامل لختهزا در چسب مايع، به عنوان حلال جداکننده در پالايشگاه و توليد مواد روغني، به عنوان يک واکنشگر در تجزيه و تحليل شيميايي و به عنوان يک واسطه اساسي در پتروشيمي کاربرد دارد. بيشترين استفاده آن(35% ) براي توليد رزينهاي فنوليک مانند رزينهاي فنل- فرمالدهيد ميباشد که رزينهايي کمهزينه و سختيپذير ميباشند که در ساختمان، خودروسازي و در صنايع هوايي کاربرد دارند.
خاصيت استرليزه کردن فنل توسط يک جراح انگليسي در سال 1865 کشف شد. معلوم شد که عمل ميکروبکشي و خاصيت ضدعفونيکنندگي فنل مربوط به توانايي اين ماده در تغيير دادن
ماهيت پروتئينهاي مواد است. از سوي ديگر فنل اثرات مضري بر روي سلامتي بشر ميگذارد. توليد و انتقال فنل و همچنين استفاده بسيار زياد از آن منجر به اين ميشود که کارگران از راه تنفس، بلع، تماس چشمي و پوستي و جذب از راه پوست در معرض اين ماده باشند. فنل به سرعت از راه پوست جذب ميشود و به محض تماس ميتواند باعث سوزش پوست و چشم شود. تماس بيش از حد با اين ماده ممکن است عوارضي مانند بيهوشي، تشنج، يرقان و مرگ داشته باشد. اساساً فنل روي کبد، کليهها، ششها و سيستم قلب و عروق تأثير ميگذارد و بلعيدن يک گرم از فنل منجر به مرگ انسان ميشود. نازيهاي آلماني با تزريق فنل به اسيران جنگي به مدت بسيار کوتاهي در حد چند ثانيه موجب مرگ آنها مي‌شدند.
2-7-3- صنايع توليد کننده فنل
فنل در پساب صنايع مختلف وجود دارد نظير پالايشگاهها ) mg/l500-6( ، عمليات ککسازي
) mg/l3900-28( ، فرآيندهاي زغالسنگ) mg/l6800-9( و ساخت مواد شيميايي نفتي
) mg/l1220-8/2( . فنل همچنين جز اصلي ماده آلي موجود در ميعان جريانها در عمليات تبديل به گاز و چگالش زغالسنگ ميباشد. منابع ديگر آب‌هاي روان با آلودگي فنلي نظير محصولات چوب، دارويي، پلاستيک، رنگرزي و صنايع کاغذ سازي ) mg/l1600-1/0( هستند. به عنوان يک مورد خاص ميتوان گفت که فاضلابهاي کارخانههاي توليد روغن زيتون پر از مشتقات فنل و پليفنل ميباشند. پسابهاي فنلي به دليل سميت نبايد بدون فرآيند تصفيه به سمت آب‌هاي آزاد هدايت شوند. به خاطر ماهيت سمي فنل آژانس حفاظت از محيط زيست استانداردي براي درجه خلوص آبهاي سطحي تعيين کرد که مقدار آن براي فنل ppb141 است. در کشور ايتاليا با توافق پيشنهاد اتحاديه اروپا محدوديت فنل در آبهاي آشاميدني و معدني به اندازه
ppb 5/0 ميباشد در حاليکه محدوديت براي دفع پساب‌ها، mg/l5/0 براي آبهاي سطحي و
mg/l1 براي سيستم فاضلاب است ]13[.
2-8- انتخاب الکترود مناسب براي انجام فرآيند تصفيه
زدايش فنل توسط فرآيند اکسايش الکتروشيميايي روي سطح آند صورت ميپذيرد. بنابراين ميزان بازدهي فرآيند اکسايش شديداً وابسته به جنس آند بکار رفته در سيستم است. براي حصول بيشترين بازده بايد بهترين و مناسبترين الکترود ( از نظر اقتصادي) را بکار برد.
با کمک بعضي از مواد آندي ميتوان فنل را به طور کامل معدني کرد به طوريکه در پايان آب و دياکسيدکربن به عنوان محصولات نهايي واکنش بدست ميآيند. اما در مقابل با بکار بستن برخي از مواد به عنوان آند معدني شدن ناقص فنل صورت ميپذيرد بدين ترتيب که حلقه آروماتيکي فنل باز ميشود و ترکيبات آليفاتيکي بوجود ميآيد و در پايان ممکن است تجمع برخي اسيدهاي کربوکسيليک، هيدروکينون و بنزوکينون در سيستم مشاهده گردد [14]. بنابراين ميتوان گفت اگر چه پسابهاي آلي ميتوانند توسط مواد آندي مختلفي اکسيد شوند اما يک فاکتور مهم براي کاربرد فرآيند تصفيه الکتروشيميايي ماده آندي است که ميتواند مواد آلي موجود در پسابها را با کارايي بالا تبديل به مواد معدني کند [2].
در حقيقت مي‌توان گفت که تجزيه آلايندهها با استفاده از فرآيند اکسايش الکتروشيميايي داراي مکانيسم پيچيدهاي است که شامل 3 مرحله زير ميشود:
فرآيند انتقال جرم: نفوذ آلايندهها از بالک سيال به سطح الکترود
جذب سطحي و دفع: که شامل جذب سطحي آلايندههاي نزديک الکترود به سطح الکترود و دفع واسطهها از سطح الکترود ميباشد.
واکنش الکتروشيميايي: واکنش اکسايش آلايندهها به وسيله از دست دادن الکترون از دو مسير مستقيم و غيرمستقيم است.
اما روي الکترودهاي مختلف تفاوتهايي در اين 3 مرحله ديده ميشود [15]. ميتوان گفت واکنش الکتروشيميايي که روي سطح الکترود رخ ميدهد به مشخصات الکترود و مواد آند بستگي دارد. بنابراين همواره سعي بر اين بوده است که يک ماده الکترود با ويژگيهاي مناسب مانند: مساحت سطح بالا، پتانسيل رهايش اکسيژن بالا، پايداري بالا، فعاليت بالا و مناسب از جهت اقتصادي انتخاب گردد [16].
تاکنون الکترودهاي فراواني براي بررسي فرآيند اکسايش الکترود شيميايي فنل بکار برده شدهاند. اين الکترودها عبارتند از:
الماس بر پايه بور(BDD)
پلاتين
گرافيت
کربن فعال
نيکل
Ti/RuO2
Ti/RuO2-Pt
Ti/IrO2-Pt
Ti/SnO2-Sb
Ti/SnO2+Sb2O3/PbO2
Ti/SnO2+Sb2O3/RuO2+PbO2

از ميان الکترودهاي مورد بررسي الکترود BDD به دليل داشتن ويژگيهايي نظير سختي، پايداري بالا و پتانسيل رهايش بالا گزينه مناسبي براي زدايش فنل معرفي شدهاست [15]. اما بايد به اين نکته توجه داشت که هزينه ساخت و تهيه اين الکترود بسيار بالاست و از نظر اقتصادي استفاده از اين الکترود براي تصفيه پسابهاي فنلي مقرون بهصرفه نيست.
همچنين الکترود گرافيت به عنوان ارزانترين و کمهزينهترين الکترود معرفي شده است، اما بازده زدايش توسط اين الکترود بسيار پايين است. براي افزايش کارايي اين الکترود حتماً لازم است که ترکيباتي به عنوان کاتاليزور به سيستم افزوده گردد که همين مسئله ممکن است از نظر اقتصادي بسيار هزينهبر باشد [17]. بنابراين بايد روشهايي را بررسي کرد که با بهينه کردن شرايط عملياتي بتوان از الکترودهايي با ويژگيهاي مناسب و از لحاظ اقتصادي توجيهپذير، براي زدايش فنل از پسابهاي صنايع گوناگون استفاده نمود.
2-9- مکانيسم کلي اکسايش الکتروشيميايي فنل توسط الکترودهاي مختلف
ميدانيم ترکيبات آلي در محلول آبي ميتوانند از دو مسير روي آند اکسيد شوند:
انتقال مستقيم الکترون
انتقال غيرمستقيم اتم اکسيژن
– در انتقال مستقيم الکترون، مواد آلي روي سطح آند جذب ميشوند و الکترونها را به آند
ميدهند:
(2-7)

– با انتقال غيرمستقيم اتم اکسيژن کاملاً مشخص است که راديکالهاي اکسيژن مخصوصاً راديکالهاي هيدروکسيل که از الکتروليز آب توليد ميشوند نقش حياتي را در مکانيسم اکسايش الکتروشيميايي مواد آلي ايفا ميکنند.
تشکيل راديکالهاي هيدروکسيل به قرار زير است:
(2-8)
در ضمن راديکالهاي هيدروکسيل با يکديگر واکنش داده و مولکولهاي اکسيژن لازم جهت تکميل الکتروليز آب را توليد ميکنند:
(2-9)
در نهايت راديکالهاي هيدروکسيل به آساني با مولکولهاي مواد آلي که روي آند يا در مجاورت سطح آند جذب ميشوند واکنش زير را انجام ميدهند [20]:
(2-10)
در تمام مکانيسمهاي اکسايش فنل اين موضوع کاملاً واضح است که اين فرآيند با انتقال يک الکترون آغاز ميشود که منجر به واکنشهاي تشکيل راديکال فنوکسي ميشود. واکنشهاي راديکال باعث تشکيل بنزوکينون ميشود که اين ترکيب يکي از واسطههاي مهم فرآيند اکسايش فنل به حساب ميآيد. در مرحله بعد، بنزوکينون با باز شدن حلقه به اسيدهاي کربوکسيليک مختلف تجزيه ميشود. تاکنون چندين مکانيسم مختلف براي تجزيه بنزوکينون پيشنهاد شده است. روند تجزيه بنزوکينون بدين ترتيب است که ابتدا اين ترکيب روي آند جذب سطحي ميشود و يک الکترون از دست ميدهد. پس کربني که با اکسيژن پيوند دوگانه دارد توسط راديکال هيدروکسيلي که از الکتروليز آب توليد ميشود مورد حمله قرار ميگيرد و هنگامي که اين فرآيند در موقعيت پارا تکرار شود حلقه بنزوکينون باز مي گردد و بنزوکينون به مولکولهاي کوچک تراسيدمالئيک تبديل ميشود. با ادامه فرآيند الکتروليز اسيد مالئيک در سطح کاتد احيا شده و اسيد ساکسينيک بوجود ميآيد و بعد اين ترکيب اسيدي در سطح آند اکسايش يافته به اسيد مالونيک و پس به اسيد استيک تبديل ميشود و نهايتاً دياکسيدکربن و آب بوجود ميآيد [16].

ترتيب واکنشهاي زير براي درک بهتر اکسايش فنل آمده است:
(2-11)
(2-12)
(2-13)
طبق مطالعات انجام شده بعد از تجزيه فنل و تشکيل بنزوکينون در سيستم رنگ الکتروليت به صورت قهوهاي مايل به زرد در ميآيد. با ادامه فرآيند و پس از توليد اسيدهاي کربوکسيليک
رفتهرفته محلول کمرنگ ميشود و در نهايت پس از توليد آب و دياکسيد کربن محلول الکتروليتي کاملاً بيرنگ خواهد شد [19].
البته اين مکانيسم عموميت ندارد زيرا همانطور که مطرح شد، اکسايش فنل و محصولات
واسطهاي توليد شده در آن با استفاده از روش اکسايش الکتروشيميايي روي آندهاي مختلف متفاوت است و ممکن است با توجه به آند خاص مسيرهاي واکنش مختلفي انجام گيرد [20].
مطابق با شکل (2-2)، تجزيه فنل برحسب نوع الکترودي که بکار برده ميشود ميتواند از مسيرهاي متفاوتي صورت گيرد.
شكل (2-2) شمايي از مکانيسم اکسايش الکتروشيميايي فنل]20[
تاکنون مکانيسم زدايش فنل توسط الکترودهاي مختلفي مورد بررسي قرار گرفته است. از جمله الکترودهايي که به عنوان الکترود آند بکار برده شدهاند شامل pt و Ti/SnO2-Sb و … ميشوند.
مشاهده شده است که اگر پلاتين به عنوان الکترود آند انتخاب گردد، فنل در ابتدا به راديکالهاي فنوکسي تبديل ميشود. اين راديکالها پس از گذشت چند دقيقه به هيدروکينون و بنزوکينون مبدل ميشوند. ممکن است اين ترکيبات در سيستم تجمع يابند و ترکيبات پليمري در سيستم ايجاد شود. در ادامه فرآيند بنزوکينون و هيدروکينون تبديل به اسيد مالئيک ميشوند. بعد از گذشت مدتي اسيد مالئيک به اسيد ساکسينيک و اسيد مالونيک مبدل گشته و پس از آن اين دو اسيد به اسيد استيک تبديل ميشوند و در پايان فرآيند از اسيداستيک، آب و دياکسيدکربن بوجود ميآيد.
تشکيل ترکيبات پليمري واکنش جانبي و فرعي محسوب ميشود و بايد به نحوي از اين واکنشها جلوگيري بهعمل آيد. زيرا ممکن است اين ترکيبات پليمري روي سطح الکترود آند رسوب کرده و باعث غيرفعال شدن آن گردند.
اگر Ti/SnO2-Sb به عنوان الکترود آند انتخاب شود مکانيسم زدايش فنل شامل مسير IIIB , I ميشود يعني در ابتداي فرآيند فنل تبديل به راديکالهاي فنوکسي ميشود در ادامه هيدروکينون و بنزوکينون در سيستم بوجود ميآيند. پس از مدتي اين مواد تبديل به اسيد مالئيک ميشوند و در ادامه فرآيند اين اسيد به اسيد اکساليک مبدل گشته و در پايان اسيد اکساليک به
دياکسيدکربن و آب تبديل خواهد شد [20].
2-10- انتخاب الکتروليت پشتيبان مناسب براي انجام فرآيند زدايش
يکي از پارامترهاي بسيار مهم که روي سرعت فرآيند اکسايش الکتروشيميايي فنل تأثيرگذار است ،انتخاب الکتروليت پشتيبان مناسب براي انجام فرآيند ميباشد. الکتروليتهاي پشتيبان که معمولاً نمکها هستند براي افزايش قابليت هدايت و رسانندگي محلول و همچنين شتابدهي به انتقال الکترون بکار ميروند. بنابراين وجود الکتروليت پشتيبان براي سيستمهايي که رسانندگي آنها کافي نيست ضروري است. علاوهبراين، استفاده از الکتروليت پشتيبان باعث کاهش ميزان مصرف انرژي ميشود [8 ، 22].
تاکنون از الکتروليتهاي مختلفي براي بررسي فرآيند تجزيه فنل استفاده شده است که اين الکتروليتها عبارتند از:, Na2SO4 , NaCl , NaOH , Na2CO3 FeSO4 , H2SO4
2-11- مروري بر يافتههاي ديگر محققان بر روي روشهاي الکتروشيميايي زدايش فنل
تحقيقي توسط کالچوا15 و همکارانش در سال 1999 روي اکسايش آندي فنل انجام گرفت که اين مطالعه مقايسهاي بين عملکرد دو آند پلاتين و آلياژ پلاتين/ طلا بود. همچنين در اين تحقيق تأثير پارامترهاي عملياتي نظير غلظت فنل و دما روي ميزان زدايش فنل مورد بررسي قرار گرفت. آزمايشات در يک محيط بازي انجام شد و براي رسيدن به اين محيط بازي از محلول هيدروکسيدپتاسيم استفاده شد. نتايج نشان داد که با استفاده از آند پلاتين يک واکنش
تکالکترونه در مسير اکسايش فنل انجام ميگيرد که منجر به تشکيل P-biphenol P¸ به عنوان محصول اوليه اکسايش ميشود اما با همان شرايط عملياتي و با استفاده از يک آند آلياژ
پلاتين / طلا، يک مسير واکنش دوالکترونه بوجود ميآيد که اين مسير هيدروکينون را به عنوان محصول ابتدايي فرآيند اکسايش بوجود ميآورد [23].
پژوهش ديگري توسط کانيزارس16 و همکارانش در سال 1999 صورت گرفت که در آن تأثير دانسيته جريان را روي اکسايش الکتروشيميايي پسابهاي فنلي مورد بررسي قرار دادند. در اين آزمايشات کربن فعال به عنوان الکترود آند و استيل به عنوان کاتد استفاده گرديد. همچنين از کالومل به عنوان الکترود مرجع استفاده شد. بررسيها نشان داد سه مسير واکنش متفاوت ممکن است در اين فرآيند رخ دهد که اين سه مسير عبارتند از: تجزيه مستقيم يا احتراق الکتروشيميايي سرد، اکسايش شيميايي و پليمريزاسيون. پساب مورد مطالعه يک نمونه سنتزي حاوي فنل با غلظتي معادل mg/l1750 بود. در طي انجام فرآيند pH محلول در مقدار 12 ثابت نگه داشته شد. همچنين از نمک سولفات سديم به عنوان الکتروليت پشتيان استفاده گرديد. هدف از انجام اين تحقيق بررسي و تعيين شرايط عملياتي و به طور ويژه دانسيته جريان به نحوي بود که مسير واکنش به سمت اکسايش الکتروشيميايي فنل بيش رود. در نهايت اين نتيجه بدست آمد که دانسيته جريان در ميزان زدايش فنل بسيار مؤثر است به طوريکه با افزايش دانسيته جريان ميزان زدايش فنل به طرز چشمگيري بهبود مييابد [24].
مطالعهاي ديگر توسط ازرکيس17 و همکارانش در سال 2001 روي اکسايش کلروفنلها توسط الکترود پلاتين انجام گرفت. جنس الکترودها از پلاتين با مساحت cm2 1 انتخاب گرديد. از Ag/AgCl/KCl هم به عنوان الکترود مرجع استفاده شد. براي افزايش هدايت يوني سيستم از نمک سولفات سديم استفاده شد. در طي انجام آزمايشات جريان ثابت mA 90 به سيستم اعمال گرديد. pH سيستم به کمک سود در محدوده بازي تنظيم شد. غلظت اوليه ترکيبات فنلي در محلول پسابي اوليه mM 1 بود. بعد از 5 ساعت که پساب تحت فرآيند قرار گرفت غلظت ترکيبات فنلي به M ? 50 -10 کاهش پيدا کرد [25].
در بررسي که توسط اينيستا18 و همکارانش در سال 2001 صورت گرفت اکسايش الکتروشيميايي فنل روي الکترود BDD مورد مطالعه واقع شد. آنها براي انجام آزمايشات از BDD به عنوان الکترود آند و از پلاتين به عنوان الکترود کاتد استفاده کردند. الکترود BDD ديسکي با مساحت cm250 بود. محلول پساب اوليهاي شامل mmol5/2 فنل بکار گرفته شد. نتايج نشان داد که در ناحيه پتانسيلي پايداري آب E<2/3v) ( واکنش هاي انتقال مستقيم الکتروني روي سطح آند رخ مي دهد که اين موضوع باعث خوردگي الکترود ميشود زيرا احتمال آن ميرود که يک فيلم پليمري روي سطح الکترود تشکيل شود. اما زماني که در ناحيه پتانسيلي تجزيه آب ) (E>2/3v کار شود واکنشهاي اکسايش غيرمستقيم ميتواند رخ دهد که اين موضوع با توليد واسطههاي فعال نظير راديکالهاي هيدروکسيل توجيه ميشود. اين فرآيند از خوردگي الکترود جلوگيري


پاسخی بگذارید