بررسی کارایی فرایند الکترو- ازوناسیون در تجزیه‌ی دترجنت آنیونی سدیم دودسیل بنزن سولفانات (SDBS) از محیط‌های آبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دکترای تخصصی مهندسی بهداشت محیط و عضو مرکز تحقیقات علوم بهداشتی، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

2 کارشناس ارشد مهندسی بهداشت محیط، عضو کمیته‌ی تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی بهداشت محیط، عضو کمیته‌ی تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

4 دانشجوی دکترای تخصصی مهندسی بهداشت محیط، عضو کمیته تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

5 کارشناس ارشد مهندسی بهداشت محیط، عضوکمیته تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

چکیده

زمینه و هدف: فرایند الکتروازناسیوندارای توانایی مطلوبی در حذف آلاینده­های آلی مقاوم می­باشد. این فرایند، تلفیقی از فرایند ازن زنی و جریان الکتریسته در راستای تولید رادیکال هیدروکسیل و حذف آلاینده می­باشد. هدف از این مطالعه، بررسی کارایی فرایند الکتروازوناسیون درتجزیه­ی دترجنت آنیونی سدیم دودسیل بنزن سولفانات از محیط­های آبی بود.
مواد و روش­ها: در این مطالعه­ی تجربی از راکتور نیمه­پیوسته مجهز به چهار الکترود گرافیت با مساحت 120 سانتی­متر مربع استفاده­شد. تاثیر پارامترهایpH(3-11)، غلظت ازن ورودی(6-30 mM/s)، آمپر(16-85mA/cm2)، غلظت اولیه SDBS(02/0-3/0mM/L) و دوز رباینده رادیکال (ترت بوتانول=2/0mM/L) مورد بررسی قرارگرفت. اندازه­گیری غلظت SDBS با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر (DR5000) و با استفاده از روش ارایه­شده در کتاب استاندارد متد صورت­گرفت.
یافته­ها: نتایج به­دست­ آمده، بیانگر کارایی مناسب این فرایند در حذف SBDS و COD است. در شرایط بهینه که شامل pH=3، جریان الکتریکی برابر  mA/cm285، دبی ازن ورودی برابرmM/s30 و غلظت اولیه SDBS برابر 2 صدمmM/L درمدت زمان 50 دقیقه بود، کارایی بیش از 99 درصد به­دست­ آمد. با تغییر پارامترها از حالت بهینه، کارایی فرایند کاهش یافت. میزان کارایی فرایند در حذف COD درمدت زمان 80 دقیقه به 77 درصد رسید. حضور ترت بوتانول به­عنوان رباینده­ تاثیر کارایی فرایند را به 80 درصد کاهش داد.
نتیجه­گیری: فرایند الکتروازناسیون به­عنوان یکی از گزینه­های فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته، دارای توانایی کاهش بار آلودگی آلی صنایع حاوی ترکیبات دترجنتی می­باشد و به­عنوان فرایند دوستدار محیط زیست تلقی می­شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance Evaluation of Electro-Ozonation Process (EOP) in SDBS Degradation in Aqueous Media

نویسندگان [English]

  • Mohammadreza Samarghandi 1
  • Amir Shabanlou 2
  • Saba Majidi 3
  • Yosef PourEshgh 4
  • Jamal MehrAlipour 5
چکیده [English]

Background & Objectives: Electro-Ozonation process (EOP) has a good potential for the removal of persistent organic pollutants. This process is a combination of ozonation process and electricity for producing hydroxyl radical and removal of pollutants. The purpose of this study was to evaluate the EOP for SDBS degradation in aqueous media.
Materials & Methods: In this experimental study, a semi-batch reactor with four graphite electrodes of 120 cm2 area was used. The effects of pH (3-11), the inlet of ozone (6-30 mM / s), current density (16-85 mA/cm2), the initial concentration of SDBS (0.02-0.3 mM/L) and radical scavenger dose (0.2 mM/L) were studied.SDBS concentration measured by spectrophotometer (DR5000) by instructions provided in the standard method book.
Results: The results indicate the high efficiency of this process in the removal of SBDS and COD. In optimum conditions of pH = 3, current 85 mA/cm2, ozone flow rate 30 mM/s and initial SDBS concentration 0.02 mM/L, more than 99% removal was observed in 50 min. By changing the parameters of the optimum conditions, the process performance was decreased. High efficiency of COD removal in this process was obtained in 80 min. Influence of TBA in solution was the efficiency decrease of process to 80 %.
Conclusion: Electro-ozonation process as an advanced oxidation process can reduce organic pollution industry and can be considered as an environmentally friendly process.

کلیدواژه‌ها [English]

  • ozonation
  • Electrical current
  • SDBS
  • Aqueous media

 

 

 


بررسی کارایی فرایند الکترو- ازوناسیون در تجزیه­ی دترجنت آنیونی سدیم دودسیل بنزن سولفانات (SDBS) از محیط­های آبی

 

محمدرضا سمرقندی1، امیر شعبانلو2، صبا مجیدی3، یوسف پور عشق4، جمال مهرعلی پور5 *

1دانشیار، دکترای تخصصی مهندسی بهداشت محیط و عضو مرکز تحقیقات علوم بهداشتی، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

2 کارشناس ارشد مهندسی بهداشت محیط، عضو کمیته­ی تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی بهداشت محیط، عضو کمیته­ی تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

4 دانشجوی دکترای تخصصی مهندسی بهداشت محیط، عضو کمیته تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

5 کارشناس ارشد مهندسی بهداشت محیط، عضوکمیته تحقیقات دانشجویی دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، ایران

 

*نشانی نویسنده مسؤول: همدان، دانشگاه علوم پزشکی، دانشکده بهداشت، جمال مهرعلی پور

E-mail: Jamalmehralipour@yahoo.com

 

وصول: 25/8/93 ، اصلاح:12/9/93، پذیرش: 9/12/93

چکیده

زمینه و هدف: فرایند الکتروازناسیوندارای توانایی مطلوبی در حذف آلاینده­های آلی مقاوم می­باشد. این فرایند، تلفیقی از فرایند ازن زنی و جریان الکتریسته در راستای تولید رادیکال هیدروکسیل و حذف آلاینده می­باشد. هدف از این مطالعه، بررسی کارایی فرایند الکتروازوناسیون درتجزیه­ی دترجنت آنیونی سدیم دودسیل بنزن سولفانات از محیط­های آبی بود.

مواد و روش­ها: در این مطالعه­ی تجربی از راکتور نیمه­پیوسته مجهز به چهار الکترود گرافیت با مساحت 120 سانتی­متر مربع استفاده­شد. تاثیر پارامترهایpH(3-11)، غلظت ازن ورودی(6-30 mM/s)، آمپر(16-85mA/cm2)، غلظت اولیه SDBS(02/0-3/0mM/L) و دوز رباینده رادیکال (ترت بوتانول=2/0mM/L) مورد بررسی قرارگرفت. اندازه­گیری غلظت SDBS با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر (DR5000) و با استفاده از روش ارایه­شده در کتاب استاندارد متد صورت­گرفت.

یافته­ها: نتایج به­دست­ آمده، بیانگر کارایی مناسب این فرایند در حذف SBDS و COD است. در شرایط بهینه که شامل pH=3، جریان الکتریکی برابر  mA/cm285، دبی ازن ورودی برابرmM/s30 و غلظت اولیه SDBS برابر 2 صدمmM/L درمدت زمان 50 دقیقه بود، کارایی بیش از 99 درصد به­دست­ آمد. با تغییر پارامترها از حالت بهینه، کارایی فرایند کاهش یافت. میزان کارایی فرایند در حذف COD درمدت زمان 80 دقیقه به 77 درصد رسید. حضور ترت بوتانول به­عنوان رباینده­ تاثیر کارایی فرایند را به 80 درصد کاهش داد.

نتیجه­گیری: فرایند الکتروازناسیون به­عنوان یکی از گزینه­های فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته، دارای توانایی کاهش بار آلودگی آلی صنایع حاوی ترکیبات دترجنتی می­باشد و به­عنوان فرایند دوستدار محیط زیست تلقی می­شود.

واژه های کلیدی: ازن زنی، جریان الکتریکی، سدیم دودسیل بنزن سولفانات، محیط­های آبی.

 

 

 

 

مقدّمه

عوامل سطحی مولکول­های دو قطبی با یک سر آب دوست و یک دم آب گریز می­باشند. این ترکیبات باعث افزایش حلالیت ترکیبات هیدروفوبیک در محلول‌های آبی می­شود (1). عوامل سطحی به چهار گروه آنیونی، کاتیونی، غیریونی و آمفوتریک تقسیم می‌شوند. عوامل سطحی آنیونی، دارای بیشترین کاربرد هستند. در این گروه آلکیل بنزن سولفانات خطی  (LAS) به تنهایی حدود 5/2 میلیون تن در سال تولید می­شود. در این خانواده سدیم دودسیل بنزن سولفانات(SDBS) دارای بیشترین مصرف است (2).

SDBS      دارای کاربرد گسترده­ای در صنایع تثبیت کلوئیدها، شست­وشوی فلزات، تولید مواد شوینده و فلوتاسیون مواد معدنی دارد (3). روش­های متداولی جهت حذف عوامل سطحی از منابع آبی شامل: اکسیداسیون شیمیایی و الکتروشیمیایی، فرایندهای غشایی و ته­نشینی شیمیایی و تجزیه­ی فوتوکاتالیستی و جذب و روش بیولوژیکی می­باشد (4). یکی از فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) فرایند ازن زنی توأم با حضور رادیکال­های اکسیدکننده است. فرایند توأم ازن و پراکساید هیدروژن باعث افزایش سرعت تجزیه­ی مولکول ازن و تولید رادیکال هیدروکسیل می­گردد. کاربرد همزمان این دو ماده باعث افزایش خاصیت سینرژیستی در معدنی سازی ترکیبات آلی می­شود. این خاصیت سینرژیستی به دلیل واکنش مولکول ازن با هیدروژن پراکساید و تولید رادیکال­های قوی هیدروکسیل می­باشد (رابطه­ی 1)(5).

H2O2 + O3 → OH. + O2.-+ O2                                                                                                                                                      این فرایند در کنار مزایای بسیار زیاد، به دلیل اضافه نمودن دستی پراکساید هیدروژن دارای یکسری ایرادات همچون خطرات بالای این ترکیب بسیار فعال در حین حمل و نقل و استفاده می­باشد. اگر بتوان هیدروژن پراکساید را در محل تولید نمود، بسیار مطلوب خواهد بود. بدین منظور از روش الکتریکی در راستای تولید پراکساید هیدروژن استفاده می­شود (6). الکترودهای مورد استفاده در بخش کاتد، می­توانند به­صورت الکتریکی اکسیژن را به هیدروژن پراکساید و مشتقات آن تبدیل نمایند (رابطه 2 و 3) (7).

O2 + 2H+ + 2e- → H2O2                                                                      O2 + H2O + 2e-   → HO2- + OH-                                         

سپس هیدروژن پراکساید تولید شده به­صورت الکتریکی با ازن موجود در محفظه واکنش داده و تولید رادیکال هیدروکسیل می­نماید. این فرایند یک ترکیب ساده بین فرایند ازن زنی و فرایند الکترولیز می­باشد که دارای قابلیّت بالایی در حذف آلاینده­ها نسبت به فرایندهای ازن زنی و الکترولیز دارد (5). از جمله مزایای این روش می­توان به تولید الکتریکی ازن و پراکساید هیدروژن به­صورت کنترل شده و عدم نیاز به مواد شیمیایی مانند پراکساید هیدروژن یا کاتالیست اشاره نمود.

    همچنین راهبری ساده و قابل کنترل دارد و نیازمند تنظیم pH نمی­باشد. در نهایت هیچگونه لجنی تولید نمی­کند و فرایندی دوستدار محیط زیست می­باشد (8). درسال 2013، ونگ و همکارانش، میزان کارایی فرایند الکتروپراکسون در تجزیه­ی آلاینده­های آلی مقاوم در شیرابه­ی محل دفن را مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه به­صورت الکتریکی هیدروژن پراکساید از مولکول اکسیژن تولید شد. در مدت زمان چهار ساعتی واکنش، فرایند الکتروپراکسون توانست 87 درصد از کل TOC را حذف نماید. درحالی­که در فرایند ازن زنی ساده و پراکسون و الکتروفنتون تنها 45، 65 و 71 درصد از TOC در شرایط مشابه حذف شد. نتایج نشان می­دهد که فرایند الکتروپراکسون روش مناسب به­عنوان روشی جایگزین برای فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته می­باشد (8). درسال 2013 یوان و همکارانش، کارایی فرایند الکتروپراکسون در حذف رنگ متیلن بیلو را مورد بررسی قراردادند. نتایج این مطالعه نشان داد که ترکیب فرایند الکتروشیمیایی و ازن زنی متداول، باعث تولید رادیکال هیدروکسیل به صورت الکتریکی می­شود که ترکیب آن با مولکول ازن خاصیت سینرژیستی دارد. میزان حذف TOC برای فرایند الکتروپراکسون و ازن زنی ساده به ترتیب 93 و 22 درصد پس از مدت زمان 2 ساعته است(6). هدف از این مطالعه بررسی کارایی فرایند الکترو-ازوناسیون در تجزیه دترجنت آنیونی سدیم دودسیل بنزن سولفانات(SDBS) از محیط­های آبی بود.

 

مواد و روش ها

موادّ و وسایل مصرفی: در این مطالعه پودر SDBS با درجه­ی خلوص 6/99 درصد، سدیم هیدروکسید، اسید سولفوریک، سولفات سدیم ، پتاسیم پرسولفات، بافر سولفات، ریجنت دترجنت و تولوئن از شرکت­های مرک و سیگما آلدریج تهیه شد. وسایل مورد استفاده شامل pH متر دیجیتال ساخت شرکت HACH، میکسر، اکسیژن ساز مدل پورسا ساخت کشور فرانسه، دستگاه مولد گاز ازن مدل 7-9-11075 ساخت شرکت ARDA کشور فرانسه با توان تولید ازن تا 30 mM/s، مولد جریان الکتریکی مستقیم(DC) با توان تولید جریان تا 85 mA/cm2 مدل P405 ساخت شرکت ADAK چین و گاز شوی یک لیتری ساخت شرکت DURAN آلمان که در زیر هود با تهویه­ی مناسب مورد بهره برداری قرار گرفت، بود. تصویر شماتیک پایلوت مورد استفاده در شکل 1 ارایه شده است.

تعیین تاثیر پارامترهای مورد مطالعه: در این بخش از مطالعه، تاثیر پارامترهای زمان واکنش، pH محیط(3-11)، غلظت اولیه SDBS (02/0-3/0mM/L)، میزان غلظت ورودی ازن(6-30 mM/s) و میزان جریان الکتریکی مستقیم(16-85mA/cm2) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین در بخش دیگر مطالعه­ی سینتیک فرایند، اثر هم افزایی پارامترها، تاثیر حضور رباینده­ی رادیکال و میزان کارایی فرایند در حذف COD تعیین شد. غلظت SDBS بر اساس روش شماره­ی C 5540 تحت عنوان تعیین مقدار سورفاکتانت­های آنیونی متیلن بیلو Methylene Blue Active Substances] (MBAS) [، میزان مقادیر COD براساس روش­ Closed و اندازه­گیری TOC براساس روش ارایه شده در مرجع آزمایش­های آب و فاضلاب و  با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر مدل DR5000 ساخت شرکت HACH اندازه­گیری شد (9). طبق روش اشاره شده­ی فوق در اندازه­گیری SDBS، حداکثر پیک ایجادی در طول موج 652 نانومتر می­باشد.

 

یافته­ها

تعیین تاثیر pH محیط و زمان واکنش بر کارایی فرایند: در این بخش از مطالعه، تاثیر pH محیط بر کارایی فرایند مورد بررسی قرارگرفت. در این مرحله، pH اولیه­ی محیط 3، 5، 7، 9 و 11 درنظرگرفته شد. از آنجایی­که pH محیط در فرایند مورد مطالعه دستخوش تغییرات می­شود، بنابراین در طی انجام فرایند pH محیط، کنترل و توسط اسید سولفوریک 1 مولار و سدیم هیدروکسید 1 نرمال در pH مد نظر ثابت نگه داشته شد.

مقادیر غلظت اولیه SDBS  2 درصد mM/L ، غلظت ازن ورودی  30 mM/s، غلظت سولفات سدیم برابر 5/0 mM/L و جریان الکتریکی 85mA/cm2  بود. نتایج این بخش از مطالعه در نمودار 1 ارایه شده است. جهت تعیین زمان بهینه­ی فرایند نمونه برداری از زمان شروع فرایند تا ثابت شدن کارایی حذف، صورت گرفت.

نتایج بیانگر کارایی نزدیک فرایند در pH های مختلفمی­باشد.

تعیین تاثیر میزان جریان الکتریکی بر کارایی فرایند: مقادیر غلظت SDBS برابر 2درصد mM/L، غلظت ازن ورودی برابر 30 mM/s، غلظت سولفات سدیم برابر 5/0 mM/L و pH برابر 3 لحاظ گردید. نتایج این بخش بصورت نمودار 2 ارایه شده است.

تعیین تاثیر غلظت ازن ورودی بر کارایی فرایند: در این بخش غلظت SDBS برابر 2درصد mM/L، غلظت سولفات سدیم برابر 5/0 mM/L، جریان الکتریکی 80 mA/cm2  در نظر گرفته شد. نتایج این بخش در نمودار 3 ارایه شده است.

تعیین تاثیر غلظت اولیه SDBS بر کارایی فرایند: در این بخش، غلظت ازن ورودی برابر 80 mM/s ، جریان الکتریکی برابر 80 mA/cm2، غلظت سولفات سدیم برابر 5/0 mM/L در نظر گرفته شد. نتایج این بخش از مطالعه در نمودار 4 ارایه شده است.

تعیین تاثیر اثر هم افزایی و حضور رباینده رادیکال بر کارایی فرایند: در این بخش از مطالعه، پس از تعیین شرایط بهینه پارامترها، اثرگذاری فرایند ازن زنی ساده و فرایند الکترولیز به­صورت جداگانه در شرایط بهینه و همچنین حضور ترت بوتانول  به­عنوان شاخص رباینده­ی رادیکال مورد بررسی قرار گرفت. درحالی­که در شرایط بهینه فرایند 99 درصد از SDBS  در فرایند الکترو- ازوناسیون حذف شد، اما در فرایند ازن زنی ساده و فرایند الکترولیز در شرایط بهینه فرایند به­ترتیب 49 و 16 درصد از SDBS اولیه را حذف می­نمایند. حضور ترت بوتانول در غلظت 2/0 میلی­مول بر لیتر نیز باعث کاهش کارایی فرایند به 80 درصد شده است.

تعیین کارایی فرایند در حذف COD و TOC: در این بخش از مطالعه، ابتدا میزان COD و TOC حاصل از SDBS با غلظت 022درصد میلی­مول در لیتر تعیین شد و در ادامه، کارایی فرایند در حذف این پارامترها مورد سنجش قرارگرفت. نتایج مربوط به کارایی فرایند در حذف COD و TOC در نمودار 5  ارایه شده است.

 

بحث

از پارامتر تاثیرگذار بر فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته؛ pH محیط است. سرعت واکنش­های شیمیایی به pH محیط بستگی دارد. در فرایندهای AOPs تغییرات pH ازطریق تولید رادیکال­های اکسیدکننده بر میزان اکسیداسیون تاثیرگذار است (11,10). در فرایند الکتروپراکسون در ابتدای فرایند، pH محیط طبق واکنش‌های صورت گرفته در محیط و تولید یون هیدروژن در سطح الکترود کاتد به سمت pH بسیار اسیدی پیش رفت. بنابراین برای تعیین تاثیر pH محیط همواره در طی فرایند هیدروکسید سدیم به محیط اضافه شد تا pH در نقطه مورد نظر ثابت شود (12, 5). نتایج بیانگر نزدیک بودن کارایی فرایند در حذف SDBS در pH های 5، 3 و 7 بود که در این  pHها کارایی بالا درصد به­دست آمد. اما با افزایش pH در محیط فرایند، کارایی کاهش یافت. طبق مطالعات صورت گرفته در فرایند ازن زنی متداول، با افزایش pH محیط به محدوده‌ی قلیایی، مولکول ازن با یون هیدروکسیل در محیط واکنش داده و تولید ترکیب HO2-  می­نماید (رابطه 4). سپس این ترکیب طبق رابطه­ی 5 با مولکول ازن واکنش داده و تولید رادیکال هیدروکسیل می­گردد (13).

اما در فرایند الکتروپراکسون به دلیل تولید الکتروشیمیایی H2O2/HO2-(رابطه­ی 3 و 2)، تشکیل HO2-  از واکنش بین یون هیدروکسیل با مولکول ازن (طبق رابطه­ی 6) به­عنوان یک واکنش جانبی محسوب می­شود که باعث کاهش غلظت ازن محلول در محیط واکنش شده و میزان واکنش با H2O2  و HO2- کاهش می­یابد و در نتیجه رادیکال هیدروکسیل کمتری تولیدمی‌شود. از سویی دیگر، به دلیل کاهش ازن محلول و افزایش میزان  HO2- نسبت به ازن در محیط، HO2- به عنوان رادیکال اسکاونجر عمل کرده و با آلاینده در مصرف رادیکال هیدروکسیل رقابت می­نماید (رابطه­ی 6) (14). مهمترین نکته­ای که درباره این فرایند می­توان اشاره نمود این است که کارایی فرایند، در محدوده­ی گسترده ای pH بسیار مطلوب است و از آنجایی­که پساب­های صنایع دارای pH متنوعی هستند، بنابراین می­توان از این فرایند در تصفیه­ی این پساب­ها استفاده نمود. طبق مطالعات صورت گرفته توسط وانگ و همکارانش در سال 2013 بر روی حذف TOC حاصل از رنگ اسیدی نارنجی 2 مشخص شد که کارایی فرایند الکترو پراکسون در pH 3 و 7 بالاتر از pH 10 می­باشد و در این pH ها کارایی حذف TOC به ترتیب 97، 93 و 77 درصد می‌باشد (5). همچنین مطالعه­ی ژائوزین و همکارانش در سال 2013 بر روی تثبیت شیرابه زباله بیانگر تاثیرگذاری pH بر کارایی فرایند و همخوانی نتایج مطالعه با این مطالعه دارد (15).

O3 + OH- → HO2- + O2                        

HO2- + O3 → OH0 + O20- + O2    

HO2- + OH0→ H2O0 + OH-            

 با افزایش میزان جریان الکتریکی ورودی به محفظه­ی واکنش، کارایی فرایند افزایش یافت. دلیل این امر به افزایش تولید الکتریکی H2O2 در سطح الکترود کاتد بر می­گردد و متعاقبا میزان رادیکال هیدروکسیل بیشتری از واکنش بین ازن و H2O2  تولید می­شود.

نکته‌ای که قابل توجه است این است که میزان افزایش کارایی فرایند از 16 میلی آمپر بر سانتی متر مربع به 50 آمپر بسیار بیشتر از میزان افزایش کارایی از 50 به 80 میلی آمپر بر سانتی­مترمربع می­باشد. دلیل این امر را می­توان اینگونه توصیف نمود که میزان توانایی واکنش بین پراکساید هیدروژن و گاز ازن به دلیل محدودیت میزان انحلال گاز ازن در محلول کم است. از سویی نتایج نشان می­دهد که فرایند تولید پراکساید هیدروژن به صورت الکتروشیمیایی، فرایندی افزایشی با گذشت زمان است. بنابراین فاکتور تولید پراکساید هیدروژن، عامل کندشدن افزایش کارایی نیست و آنچه محدودکننده­ی این موضوع است، محدودیت انتقال مولکول ازن از فاز گازی به فاز محلول می­باشد (15). همچنین درصورت انحلال پایین ازن در محلول، پراکساید هیدروژن کمتری به رادیکال هیدروکسیل تبدیل می­شود و پراکساید هیدروژن دست نخورده در محلول باقی می­ماند و از آنجایی­که پراکساید هیدروژن اکسید کننده قوی نمی­باشد، کارایی فرایند کاهش می­یابد (16). درسال 2005، کیشیمو (17) و همکارانش گزارش کردند که در فرایند ازناسیون و الکترولیز با الکترودهای استیل، فرایند تحت تاثیر جریان الکتریکی کمتر از 10 آمپر بر مترمربع می­باشد، اما آنچه عامل اصلی در محدودیت فرایند می­باشد، توانایی محدود انتقال مولکول ازن از فاز گازی به فاز محلول به دلیل محدودیت در انحلال ازن می­باشد.

 براساس تئوری انتقال جرم، افزایش میزان دبی ورودی ازن به محفظه واکنش باعث افزایش غلظت ازن محلول در محیط می گردد و از آنجایی­که ازن دارای نقش دوگانه به­عنوان عامل تولیدکننده­ی رادیکال­های اکسیدکننده­ی هیدروکسیل از واکنش با پراکساید هیدروژن ( رابطه 1) و اکسیداسیون مستقیم توسط خود مولکول ازن می­باشد، انتظار می­رود با افزایش دبی ازن ورودی به راکتور باعث افزایش کارایی فرایند شود (18).

مطالعه­ای که توسط وانگ و همکارانش در سال 2013 بر روی رنگ­بری رنگ اسید نارنجی 2 صورت گرفته است، مشخص نمود که با افزایش دبی ازن از 35 به 118 میلی گرم در لیتر باعث افزایش کارایی حذف از 80 به 98 درصد شد (5). همچنین نتایج مطالعه­ی گانگ و همکارانش در سال 2014 بر روی حذف ایبوبروفن با فرایند الکتروپراکسون مشخص کرد که افزایش غلظت ازن از 10 به 40 میلی گرم در لیتر باعث افزایش کارایی حذف و افزایش کارایی  حذف TOC شده است (12).

همانگونه که مشخص است غلظت SDBS­ در مقادیر مختلف در محیط یافت می­شود. بنابراین تعیین تاثیر غلظت اولیه­ی آلاینده بر کارایی فرایندها ازجمله فرایند مورد مطالعه و انتخاب روش مناسب بر اساس غلظت اولیه و کارایی فرایند امری ضروری است. بدیهی است که با افزایش غلظت آلاینده در محیط باعث مصرف بیشتر مواد اکسیدان مانند رادیکال هیدروکسیل و مولکول ازن می­شود. کاهش راندمان حذف با افزایش میزان حضور آلاینده را می­توان این­گونه تفسیر نمود که در شرایطی که تمامی پارامترها ازقبیل میزان ازن ورودی، میزان جریان الکتریکی و به تبع آن میزان پراکساید هیدروژن و رادیکال هیدروکسیل تولیدی و زمان واکنش ثابت است، در این حالت غلظت اولیه آلاینده، به­عنوان مصرف­کننده­ی عوامل اکسید کننده افزایش می­یابد درنتیجه فرایند تجزیه­ی آلاینده در غلظت­های بالا به دلیل حضور بیشتر آلاینده در محیط به­صورت کامل صورت نمی­گیرد و باعث کاهش راندمان و تولید محصولات حد واسط می­گردد. نتایج به­دست آمده از این مطالعه با نتایج  مطالعه­ی آدرین و همکارانش در سال 2011 و هوآنگ  و همکاران در سال 2012 بر روی حذف CIP با فرایندازن زنی کاتالیزوری همخوانی دارد و در این مطالعات نیز بالاترین کارایی فرایندها در پایین­ترین مقدار CIP مشاهده شد (20, 19). در این مطالعه پارامترهای ازن بعنوان عامل اکسید کننده مستقیم و عامل فعال سازی رادیکال هیدروکسیل و فرایند الکترولیز بعنوان عامل اکسیداسیون آندی و تولید پراکساید هیدروژن و رادیکال هیدروکسیل، به­عنوان اصلی­ترین پارامترهای تاثیر گذار بر فرایند محسوب می­شوند. نتایج نشان داد که هر یک از پارامترها به­صورت مجزا دارای راندمان خیلی پایین­تری نسبت به استفاده توام پارامترها  می­باشند. مطالعه­ای که میزوتانی و همکارانش در سال 2014 انجام داده­اند مشخص نمود که کارایی فرایند ازن زنی ساده و فرایند الکترولیز به­صورت جداگانه در حذف 1-4 دی اکساین به­عنوان شاخص ترکیبات آلی بسیار پایین­تر از هنگامی است که دو فرایند با هم ادغام می­شوند (21). همچنین در مطالعات رحمانی و همکاران هم افزایی پارامترهای دخیل بر مطالعه کارایی فرایند اکسیداسیون پیشرفته الکتروشیمیایی با استفاده از پرسولفات در تخریب رنگ اسید بلوی 113 از محیط های آبی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به­دست آمده نشان داد که فرایند الکترو/پرسولفات با حضور الکترولیت دارای بالاترین کارایی در حذف این رنگ دی آزو می باشد (24).

مکانیسم عمل در فرایند الکترولیز، اکسیداسیون آندی بر پایه­ی تولید پراکساید هیدروژن می باشد، ولی این ترکیب در صورت عدم تبدیل به رادیکال هیدروکسیل، اکسیدکننده­ی ضعیفی می­باشد و کارایی فرایند ناچیز خواهد بود (5). حضور رباینده­ی رادیکال در فرایندهای AOPs یکی از مواردی است که باید مورد بررسی قرارگیرد. نتایج بیانگر این موضوع است که حضور این عوامل باعث مصرف رادیکال­های اکسیدکننده و در نتیجه ایجاد رقابت با آلاینده مورد بررسی شد.

ترکیب ترت بوتیل به­عنوان مصرف­کننده­ی بسیار قوی رادیکال­های اکسیدکننده است که نسبت به سایر عوامل رباینده­ی رادیکال با سرعت بالاتریM-1 S-1 )  1085= وارد واکنش می­گردد. در پی واکنش ترت بوتیل الکل با رادیکال­های اکسید کننده، ترکیبات واسطی تولید خواهدشد که خود موجب خاتمه یافتن واکنش­های زنجیره رادیکالی می­گردد. در حضور عوامل رباینده رادیکال، به علت وجود عوامل مداخله­گر، ازن قادر به واکنش با گروه­های هیدروکسیل نخواهد بود و در نتیجه واکنش­های بعدی جهت تولید رادیکال­های فعال مختل و کارآیی حذف ماده­ی آلی مورد نظر کاهش خواهد یافت (22). نتایج حاصل از مطالعه­ی ما  و همکاران (23) در سال 1999، حذف آترازین توسط فرآیند ازن زنی کاتالیزوری در حضور اکسید منگنز به عنوان بیانگر کاهش میزان حذف آرتزین در حضور ترت بوتیل الکل به عنوان عوامل رباینده رادیکال می­باشد. به طوری که در مدت زمان 5 دقیقه و در حضور 5/0 میلی‌گرم در لیتر ترت بوتانول، کارآیی حذف آرتزین از 100درصد به 42درصدکاهش یافته است. نتایج این بررسی نشان داد که عوامل رباینده­ی رادیکال مانع از تشکیل رادیکال­های فعال خواهد شد. یکی از روش­های ساده، کم هزینه و در عین حال سریع در راستای تعیین میزان معدنی سازی درطی فرایند، آزمایش COD است.

این آزمایش مشخص می­کند که فرایند تا چه میزان باعث انجام کامل فرایند معدنی سازی و انجام کامل فرایند می­شود. همچنین استفاده از آزمایش دقیق TOC می­تواند به تعیین موثربودن کارایی فرایند کمک بسیاری نماید. در این مطالعه به دلیل ساختار خاص SDBS مورد مطالعه و حضور حلقه­های آروماتیک در ساختمان این ترکیب بدیهی است که کارایی فرایند در حذف COD و TOC کمترو با سرعت کندتری صورت گیرد که نتایج ارایه شده در بخش نتایج، مؤیّد این مطلب است. در اکثر مطالعات انجام شده، میزان حذف TOC و COD به صورت پارامتر اصلی یا در کنار حذف آلاینده مورد بررسی قرارگرفته است که در راستای تعیین میزان قابلیت فرایند در معدنی سازی و کم خطرسازی می باشد. از این جهت می­توان به مطالعات وانگ، یوان، گوانگ اشاره نمود. نتایج به­دست آمده در تمامی مطالعات نشان داده که سرعت حذف COD و TOC کندتر از سرعت تجزیه و حذف آلاینده مورد مطالعه بوده است که اندازه گیری این پارامترها در مطالعات مذکور بیانگر اهمیت بالای بحث معدنی سازی توسط فرایندهای مورد مطالعه است و نتایج ارایه شده در این مطالعه و سایر مطالعات، بیانگر بالای فرایند در معدنی سازی در مدت زمان طولانی­تری نسبت به حذف آلاینده می باشد (12 , 6, 5).

 

امروزه، حضور ترکیبات آلی مقاوم از جمله SDBS­، به مشکل زیست محیطی مهمی تبدیل شده است. فرایند الکتروازناسیون، فرایندی دوستدار محیط زیست می­باشد که با کارایی بالا و عدم تولید محصولات جانبی مانند لجن و انجام اکسیداسیون کامل، باعث حذف آلاینده­ی آلی مقاوم SDBS شد. همانگونه که نتایج نشان می­دهد به دلیل کارایی بالا در pH گسترده و عدم نیاز به تنظیم دقیق pH و همچنین راهبری و کنترل آسان فاکتورهای تاثیرگذار بر فرایند مانند جریان الکتریکی و دبی ازن ورودی از این روش می­توان برای حذف و بی‌خطر سازی پساب­های واقعی حاوی این­گونه ترکیبات استفاده نمود.

 

تشکر و تقدیر

این مقاله حاصل طرح تحقیقاتی دانشجویی با عنوان بررسی  کارایی فرایند الکتروازناسیون در تجزیه SDBS از محیط­های آبی مصوب دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی، درمانی همدان در سال 1394 است که با حمایت دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی، درمانی همدان اجرا شده است که نویسندگان مقاله از عنایات مسؤولان دانشگاه تشکر و قدردانی می­کنند.

 

 

 

References

  1. Bautista-Toledo MI, Rivera-Utrilla J, Méndez-Díaz JD, Sánchez-Polo M, Carrasco-Marín F. Removal of the surfactant sodium dodecylbenzenesulfonate from water by processes based on adsorption/bioadsorption and biodegradation. J colloid Interface Sci. 2014;418:113-9.
  2. Wen SY, Ma ZQ, Ma ML, Chen SY, Li L, Jiang J. Degradation of Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate by Bentonite, TiO2, and TiO2-Bentonite. Materials Science Forum. 2013; 743-4: 823-30.
  3. Cursino ACT, da Silva Lisboa F, dos Santos Pyrrho A, de Sousa VP, Wypych F. Layered double hydroxides intercalated with anionic surfactants/benzophenone as potential materials for sunscreens. J Colloid Interf Sci. 2013;397:88-95.
  4. Tripathi SK, Tyagi R, Nandi BK. Removal of Residual Surfactants from Laundry Wastewater: A Review. J Disper Sci Technol. 2013;34(11):1526-34.
  5. Bakheet B, Yuan S, Li Z, Wang H, Zuo J, Komarneni S, et al. Electro-peroxone treatment of Orange II dye wastewater. Water Res. 2013;47(16):6234-43.
  6. Yuan S, Li Z, Wang Y. Effective degradation of methylene blue by a novel electrochemically driven process. Electrochem Commun. 2013;29:48-51.
  7. Wang Y, Li X, Zhen L, Zhang H, Zhang Y, Wang C. Electro-Fenton treatment of concentrates generated in nanofiltration of biologically pretreated landfill leachate. J Hazard Mater. 2012;229-30:115-21.
  8. Li Z, Yuan S, Qiu C, Wang Y, Pan X, Wang J, et al. Effective degradation of refractory organic pollutants in landfill leachate by electro-peroxone treatment. Electrochim Acta. 2013;102:174-82.
  9. American Public Health Association. Standard methods for the examination of water and wastewater. 2012.
  10. Rahim Pouran S, Abdul Raman AA, Wan Daud WMA. Review on the application of modified iron oxides as heterogeneous catalysts in Fenton reactions. Journal of Cleaner Production. 2014;64:24-35.
  11. Samarghandi MR, Shabanloo A, Poureshghe Y, Mehralipour J. Performance of electrocoagulation process in cyanide removal from synthetic wastewater by AL electrodes and using MgO as a coagulant aid. J Sabzevar Univ Med Sci. 2014;21(2):252-62.[persian]
  12. Li X, Wang Y, Yuan S, Li Z, Wang B, Huang J, et al. Degradation of the anti-inflammatory drug ibuprofen by electro-peroxone process. Water Res. 2014;63:81-93.
  13. Scheurer M, Godejohann M, Wick A, Happel O, Ternes TA, Brauch H-J, et al. Structural elucidation of main ozonation products of the artificial sweeteners cyclamate and acesulfame. Environ Sci Pollut R. 2012;19(4):1107-18.
  14. Jin X, Peldszus S, Huck PM. Reaction kinetics of selected micropollutants in ozonation and advanced oxidation processes. Water Res. 2012;46(19):6519-30.
  15. Niu J, Ding S, Zhang L, Zhao J, Feng C. Visible-light-mediated Sr-Bi2O3 photocatalysis of tetracycline: Kinetics, mechanisms and toxicity assessment. Chemosphere. 2013;93(1):1-8.
  16. Sirés I, Brillas E. Remediation of water pollution caused by pharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradation technologies: a review. Environ Int. 2012;40:212-29.
  17. Kishimoto N, Morita Y, Tsuno H, Oomura T, Mizutani H. Advanced oxidation effect of ozonation combined with electrolysis. Water Res. 2005;39(19):4661-72.
  18. Cussler EL. Diffusion: mass transfer in fluid systems: Cambridge university press; 2009.
  19. Sui M, Xing S, Sheng L, Huang S, Guo H. Heterogeneous catalytic ozonation of ciprofloxacin in water with carbon nanotube supported manganese oxides as catalyst. Journal of hazardous materials. 2012;227:227-36.
  20. Prieto A, Möder M, Rodil R, Adrian L, Marco-Urrea E. Degradation of the antibiotics norfloxacin and ciprofloxacin by a white-rot fungus and identification of degradation products. Bioresource technology. 2011;102(23):10987-95.
  21. Kishimoto N, Nakagawa T, Okada H, Mizutani H. Effect of separation of ozonation and electrolysis on effective use of ozone in ozone-electrolysis process. Ozone: Science & Engineering. 2011;33(6):463-9.
  22. Li W, Lu S, Qiu Z, Lin K. Clofibric acid degradation in UV254/H2O2 process: Effect of temperature. J Hazard Mater. 2010;176(1-3):1051-7.
  23. Ma J, Graham NJ. Degradation of atrazine by manganese-catalysed ozonation: Influence of humic substances. Water Res. 1999;33(3):875-93.
  24. Rahmani A, Mehralipour J, Shabanloo N, Zaheri F, Poureshghe Y, Shabanloo A. Performance Evaluation of Advanced Electrochemical Oxidation Process With the Using Persulfate in Degradation of Acid Blue 113 from Aqueous Solutions. J Sabzevar Univ Med Sci. 2014;21(5):797-807.[persian]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

       

 

Performance Evaluation of Electro-Ozonation Process (EOP) in SDBS Degradation in Aqueous Media

 

Mohammadreza Samarghandi,

Department  of  Environmental  Health  Engineering  and  Research  Center  for  Health  Science,  Faculty  of  Health,  Hamadan. University of Medical Science, Hamadan, Iran.

 

Amir Shabanloo,

M.Sc. of Environmental Health Eng., Faculty of Public Health, Hamadan University of Medical Science, Hamadan, Iran.

 

Saba Majidi,

M.Sc. student of Environmental Health Eng., Faculty of Public Health, Hamedan University of Medical Science, Hamadan, Iran.

 

Yusef Poureshgh,

Ph.D. Student of Environmental Health Eng., Faculty of Public Health, Hamadan University of Medical Science, Hamadan, Iran.

 

Jamal Mehralipour,

M.Sc.  of  Environmental Health Eng., Faculty of Public Health, Hamadan University of Medical Science, Hamadan, Iran.

 

Received:16/11/2014, Revised:03/12/2014, Accepted:28/02/2015


Abstract

Background & Objectives: Electro-Ozonation process (EOP) has a good potential for the removal of persistent organic pollutants. This process is a combination of ozonation process and electricity for producing hydroxyl radical and removal of pollutants. The purpose of this study was to evaluate the EOP for SDBS degradation in aqueous media.

Materials & Methods: In this experimental study, a semi-batch reactor with four graphite electrodes of 120 cm2 area was used. The effects of pH (3-11), the inlet of ozone (6-30 mM / s), current density (16-85 mA/cm2), the initial concentration of SDBS (0.02-0.3 mM/L) and radical scavenger dose (0.2 mM/L) were studied.SDBS concentration measured by spectrophotometer (DR5000) by instructions provided in the standard method book.

Results: The results indicate the high efficiency of this process in the removal of SBDS and COD. In optimum conditions of pH = 3, current 85 mA/cm2, ozone flow rate 30 mM/s and initial SDBS concentration 0.02 mM/L, more than 99% removal was observed in 50 min. By changing the parameters of the optimum conditions, the process performance was decreased. High efficiency of COD removal in this process was obtained in 80 min. Influence of TBA in solution was the efficiency decrease of process to 80 %.

Conclusion: Electro-ozonation process as an advanced oxidation process can reduce organic pollution industry and can be considered as an environmentally friendly process.

Key Words: Ozonation, Electrical current, SDBS, Aqueous media

 

 

Correspond Author: 

Jamal Mehralipour,

Hamadan, Medical Science University of Hamadan ,

E-mail: Jamalmehralipour@yahoo.com

  1. Bautista-Toledo MI, Rivera-Utrilla J, Méndez-Díaz JD, Sánchez-Polo M, Carrasco-Marín F. Removal of the surfactant sodium dodecylbenzenesulfonate from water by processes based on adsorption/bioadsorption and biodegradation. J colloid Interface Sci. 2014;418:113-9.
  2. Wen SY, Ma ZQ, Ma ML, Chen SY, Li L, Jiang J. Degradation of Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate by Bentonite, TiO2, and TiO2-Bentonite. Materials Science Forum. 2013; 743-4: 823-30.
  3. Cursino ACT, da Silva Lisboa F, dos Santos Pyrrho A, de Sousa VP, Wypych F. Layered double hydroxides intercalated with anionic surfactants/benzophenone as potential materials for sunscreens. J Colloid Interf Sci. 2013;397:88-95.
  4. Tripathi SK, Tyagi R, Nandi BK. Removal of Residual Surfactants from Laundry Wastewater: A Review. J Disper Sci Technol. 2013;34(11):1526-34.
  5. Bakheet B, Yuan S, Li Z, Wang H, Zuo J, Komarneni S, et al. Electro-peroxone treatment of Orange II dye wastewater. Water Res. 2013;47(16):6234-43.
  6. Yuan S, Li Z, Wang Y. Effective degradation of methylene blue by a novel electrochemically driven process. Electrochem Commun. 2013;29:48-51.
  7. Wang Y, Li X, Zhen L, Zhang H, Zhang Y, Wang C. Electro-Fenton treatment of concentrates generated in nanofiltration of biologically pretreated landfill leachate. J Hazard Mater. 2012;229-30:115-21.
  8. Li Z, Yuan S, Qiu C, Wang Y, Pan X, Wang J, et al. Effective degradation of refractory organic pollutants in landfill leachate by electro-peroxone treatment. Electrochim Acta. 2013;102:174-82.
  9. American Public Health Association. Standard methods for the examination of water and wastewater. 2012.
  10. Rahim Pouran S, Abdul Raman AA, Wan Daud WMA. Review on the application of modified iron oxides as heterogeneous catalysts in Fenton reactions. Journal of Cleaner Production. 2014;64:24-35.
  11. Samarghandi MR, Shabanloo A, Poureshghe Y, Mehralipour J. Performance of electrocoagulation process in cyanide removal from synthetic wastewater by AL electrodes and using MgO as a coagulant aid. J Sabzevar Univ Med Sci. 2014;21(2):252-62.[persian]
  12. Li X, Wang Y, Yuan S, Li Z, Wang B, Huang J, et al. Degradation of the anti-inflammatory drug ibuprofen by electro-peroxone process. Water Res. 2014;63:81-93.
  13. Scheurer M, Godejohann M, Wick A, Happel O, Ternes TA, Brauch H-J, et al. Structural elucidation of main ozonation products of the artificial sweeteners cyclamate and acesulfame. Environ Sci Pollut R. 2012;19(4):1107-18.
  14. Jin X, Peldszus S, Huck PM. Reaction kinetics of selected micropollutants in ozonation and advanced oxidation processes. Water Res. 2012;46(19):6519-30.
  15. Niu J, Ding S, Zhang L, Zhao J, Feng C. Visible-light-mediated Sr-Bi2O3 photocatalysis of tetracycline: Kinetics, mechanisms and toxicity assessment. Chemosphere. 2013;93(1):1-8.
  16. Sirés I, Brillas E. Remediation of water pollution caused by pharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradation technologies: a review. Environ Int. 2012;40:212-29.
  17. Kishimoto N, Morita Y, Tsuno H, Oomura T, Mizutani H. Advanced oxidation effect of ozonation combined with electrolysis. Water Res. 2005;39(19):4661-72.
  18. Cussler EL. Diffusion: mass transfer in fluid systems: Cambridge university press; 2009.
  19. Sui M, Xing S, Sheng L, Huang S, Guo H. Heterogeneous catalytic ozonation of ciprofloxacin in water with carbon nanotube supported manganese oxides as catalyst. Journal of hazardous materials. 2012;227:227-36.
  20. Prieto A, Möder M, Rodil R, Adrian L, Marco-Urrea E. Degradation of the antibiotics norfloxacin and ciprofloxacin by a white-rot fungus and identification of degradation products. Bioresource technology. 2011;102(23):10987-95.
  21. Kishimoto N, Nakagawa T, Okada H, Mizutani H. Effect of separation of ozonation and electrolysis on effective use of ozone in ozone-electrolysis process. Ozone: Science & Engineering. 2011;33(6):463-9.
  22. Li W, Lu S, Qiu Z, Lin K. Clofibric acid degradation in UV254/H2O2 process: Effect of temperature. J Hazard Mater. 2010;176(1-3):1051-7.
  23. Ma J, Graham NJ. Degradation of atrazine by manganese-catalysed ozonation: Influence of humic substances. Water Res. 1999;33(3):875-93.
  24. Rahmani A, Mehralipour J, Shabanloo N, Zaheri F, Poureshghe Y, Shabanloo A. Performance Evaluation of Advanced Electrochemical Oxidation Process With the Using Persulfate in Degradation of Acid Blue 113 from Aqueous Solutions. J Sabzevar Univ Med Sci. 2014;21(5):797-807.[persian]