مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان

مقاله پژوهشی

مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان

دوره 14، آذر 1394، 768-755

بررسی کارایی فرآیند انعقاد الکتریکی در مقایسه با فرآیند الکتروفنتون در حذف رنگ متیلن بلو از محلول‌های آبی با استفاده از الکترود آهنی

محمد ملکوتیان[1]، محمدرضا نبویان[2]

دریافت مقاله: 2/12/93       ارسال مقاله به نویسنده جهت اصلاح: 1/2/94       دریافت اصلاحیه از نویسنده: 1/7/94         پذیرش مقاله: 14/7/94

چکیده

زمینه و هدف: متیلن ‌بلو از انواع رنگ‌های کاتیونی است که حضورش در پساب صنایع نساجی به دلیل آروماتیک بودن، می‌تواند برای سیستم‌های اکولوژیکی و سلامت عمومی خطرناک باشد. این مطالعه با هدف بررسی کارایی فرآیند انعقاد الکتریکی در مقایسه با فرآیند الکتروفنتون در حذف رنگ متیلن‌بلو از محلول‌های آبی با استفاده از الکترود آهنی انجام شد.

مواد و روش‌ها: این مطالعه از نوع آزمایشگاهی است که به صورت پایلوت در نیمه اول سال 1393 در مرکز تحقیقات مهندسی بهداشت محیط دانشگاه علوم پزشکی کرمان اجرا گردید. جهت حذف رنگ متیلن‌بلو از رآکتور با حجم 500 میلی‌لیتر که حاوی دو الکترود صفحه‌ای آهنی (2×15سانتی‌متر) و به مولد جریان الکتریسیته متصل بود، استفاده شد. اثر متغیرهای مختلف از قبیل زمان واکنش، غلظت رنگ، غلظت پراکسیدهیدروژن (در فرآیند الکتروفنتون)، انرژی مصرفی، الکترولیت، pH بهینه و فاصله بین الکترود مورد بررسی قرار گرفت. داده‌ها با استفاده از آنالیز واریانس دوطرفه (Two-way ANOVA) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

یافته‌ها: میانگین راندمان حذف رنگ متیلن‌بلو توسط انعقاد الکتریکی در شرایط بهینه (غلظت اولیه رنگ=25 میلی‌گرم در لیتر، 7=pH، شدت جریان=50 میلی‌آمپر، زمان واکنش=30 دقیقه، فاصله بین الکترود=1 سانتی‌متر) 3/1%±3/93% و با روش الکتروفنتون در شرایط بهینه (غلظت اولیه پراکسیدهیدروژن=100 میلی‌مول در لیتر، غلظت اولیه رنگ=25 میلی‌گرم در لیتر، 5=pH، شدت جریان=05/0 آمپر، زمان واکنش=30 دقیقه، فاصله بین الکترودها=1 سانتی‌متر) 1/0%±9/78% به دست آمد (003/0=p).

نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون قادر به حذف رنگ متیلن‌بلو از محلول‌های آبی هستند ولی با بهینه‌سازی عوامل عملیاتی مؤثر، روش انعقاد الکتریکی کارآیی بیشتری دارد.

واژه‌های کلیدی: انعقاد الکتریکی، الکتروفنتون، حذف رنگ متیلن‌بلو، الکترود آهنی، محلول‌های آبی

مقدمه

حدود بیش از 10000 نوع رنگ تجاری در جهان وجود دارد و تخمین زده شده که سالیانه حدود 70000 تن رنگ در خروجی صنایع نساجی و سایر صنایع مرتبط وارد محیط زیست می‌گردد ]1[ که تصفیه مؤثر و کارآمد آنها جزو الزامات زیست محیطی است ]2[. رنگ‌ها جزو خطرناک‌ترین گروه‌ها ترکیبات شیمیایی یافت شده در پساب‌های صنعتی محسوب می‌شود که به دلایلی از جمله کاهش قابلیت نفوذ نور و به دنبال آن ایجاد اختلال در انجام فرآیند فتوسنتز در منابع آبی از اهمیت قابل ملاحظه‌ای برخوردار می‌باشد ]4-3 .[این ترکیبات همچنین، از نقطه نظر زیبایی‌شناختی بر کیفیت آب اثر منفی برجای گذاشته و سبب بروز آلرژی، درماتیت، تحریک پوستی، سرطان و نیز جهش‌های ژنتیکی در انسان می‌شوند ]5[.

تخلیه فاضلاب‌های رنگی صنایع نساجی در آب‌های پذیرنده منجر به بروز پدیده اترویفیکاسیون و تداخل در اکولوژی آب‌های پذیرنده می‌شود. رنگ باقی‌مانده از نظر زیست‌محیطی بسیار مهم است که به نوع و غلظت رنگ بستگی دارد ]7-6[. بررسی‌ها نشان داده است که حدود 15% تا 20% از رنگ مصرفی در صنایع نساجی وارد پساب خروجی می‌شوند ]8[. در حقیقت رنگ‌های واکنشگر، آب دوست هستند و تمایل پایینی در جذب روی بیومس دارند. از این جهت حذف رنگ از پساب‌ها و فاضلاب‌های رنگی امری ضروری و اجتناب‌ناپذیراست ]9[.

متیلن‌بلو (Methylene blue) با علامت اختصاری MB یک رنگ شیمیایی کاتیونی با فرمول C₁₆H₁₈ClN₃S و وزن ملکولی 85/319 گرم بر مول می‌باشد که محلول در آب است ]1[. از انواع رنگ‌های پرکاربرد در صنایع نساجی (پنبه، پشم و ابریشم) و معمولاً در فاضلاب‌های رنگی وجود داشته و در بین رنگ‌ها یک ترکیب آروماتیک چند هسته‌ای است که نه تنها باعث ایجاد اثرات حاد سمیت می‌شود بلکه اثرات مضر دیگری نیز دارد، به عنوان نمونه در صورت تنفس می‌تواند باعث ایجاد مشکلات تنفسی مثل تنگی نفس و در صورت بلع می‌تواند باعث سوزش و احتمال تهوع، استفراغ، اسهال و گاستروآنتریت شود._. در صورت بلع به مقادیر زیاد می‌تواند علایم شدیدتری مثل سردرد، درد قفسه سینه، گیجی و سندروم شبیه متهموگلوبینمی نیز نمایان شود و در صورت مواجهه مستقیم باعث بروز آسیب‌های دایمی چشم، اختلالات ذهنی و سوختگی‌های موضعی می‌شود ]11-10[.

از روش‌های مختلفی چون لجن فعال، بیوفیلتر، فنتون، O₃/UV، O₃/H₂O₂، الکتروکواگولاسیون برای حذف رنگ از فاضلاب استفاده شده است ]12، 9 [. در دهه اخیر کاربرد فناوری انعقاد شیمیایی در حذف آلاینده‌های مختلف کدورت، سختی، آرسنیک از آب مورد بررسی قرار گرفته است ]13[. انعقاد الکتریکی به دلیل استفاده از جریان الکتریسیته بازده زیادی در حذف رنگ دارد و جایگزین مناسب برای روش‌های شیمیایی گران قیمت می‌باشد ]14[. در فرآیند انعقاد الکتریکی الکترودها تحت تأثیر میدان الکتریکی قوی و واکنش های اکسیداسیون و احیاء قرار گرفته و با تولید مواد منعقد کننده در محل بر اساس اصول جذب، خنثی سازی بار الکتریکی و ایجاد کمپلکس زمینه حذف آلاینده‌های مورد نظر از محیط آبی را فراهم می‌نماید ]16-15[.

با تزریق مستقیم هیدروژن پراکسید به محیط تحت فرآیند انعقاد الکتریکی که یون‌های آهن موجودند، فرآیند فنتون را در نمونه‌های آبی ایجاد کرد. فرآیند فنتون از ترکیب دو ماده پرکسید هیدروژن و یون‌های آهن حاصل می‌گردد که در این فرآیند اشکال آهن یونیزه به عنوان کاتالیست با ماده پرکسید هیدروژن وارد واکنش شده و موجب افزایش تولید و سرعت تشکیل رادیکال هیدروکسیل می‌گردد ]17، 13[.

 Bulutو همکارش نشان دادند فرآیندهای جذب رنگ متیلن‌بلو با استفاده از پوسته و ساقه گندم طی مدت 60 دقیقه به تعادل می‌رسد و با افزایش دوزاژ جاذب مقدار حذف رنگ کاهش و با افزایش زمان تماس کارایی حذف افزایش پیدا کرد ]18[. به علاوه  Almeidaو همکاران نتیجه گرفتند داده‌های راندمان حذف رنگ متیلن‌بلو با جاذب خاک مونت موریلونیت با ایزوترم لانگمویر بهتر توصیف می‌گردد ]19[. علاوه بر اینChatterjee  و همکاران با بهینه‌سازی پارامترهای مطالعه 4/93% رنگ متیلن‌بلو را با استفاده ازRSM   (Response Surface Methodology) حذف نمودند ]20[. در مطالعه دیگر Ahmadi-Moghadam و همکارش فرآیند انعقاد الکتریکی را در پیش تصفیه فاضلاب‌های صنابع رزین فرمالدئید مورد استفاده قرار دادند ]21[. همچنین،  Malakootianو همکاران نتیجه گرفتند که شدت جریان الکتریکی و غلظت یون‌های آهن پارامترهای مؤثر بر حذف رنگ راکتیو بلو 19 با استفاده از فرآیند الکتروفنتون هستند و پارامترهای زمان الکترولیز و درجه اسیدی تأثیر کمتری بر کارایی فرآیند دارد ]22[. همین‌طور Seid Mohammadi و همکاران در مقایسه فرآیند انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون در حذف نیترات از محلول‌های آبی نتیجه گرفتند که فرآیند الکتروفنتون در سطح تماس کمتر کارایی بالاتری دارد] 13[.

با توجه به اینکه رنگ‌زای متیلن‌بلو مورد استفاده در صنایع نساجی دارای خاصیت سرطان‌زایی می‌باشد و باعث آلودگی محیط زیست می‌شود. نظر به این که تا کنون مطالعات کافی در خصوص مقایسه دو روش در حذف رنگ متیلن‌بلو انجام نشده بود این مطالعه با هدف کلی بررسی کارایی فرآیند انعقاد الکتریکی در مقایسه با روش الکتروفنتون در حذف رنگ متیلن‌بلو از محلول‌های آبی با استفاده از الکترود آهنی انجام گرفت.

موا د و روش‌ها

این مطالعه از نوع آزمایشگاهی است که در نیمه اول سال 1393 در مرکز تحقیقات مهندسی بهداشت محیط دانشگاه علوم پزشکی کرمان انجام شده است. برای انجام آزمایشات، از رآکتور با حجم کلی 500 میلی‌لیتر از جنس شیشه که حاوی دو الکترود صفحه‌ای آهنی با ابعاد 2 × 15 سانتی‌متر بود استفاده گردید و به وسیله سیم‌های رابط به دستگاه دیجیتالی هم سوکننده جریان برق (DC Supply Power) متصل بودند. این دستگاه توانایی ایجاد شدت جریان 1/0 تا 3 آمپر را داشت. رآکتور مورد استفاده در مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. ناخالصی سطح الکترود قبل از استفاده در رآکتور به وسیله سمباده تمیز و سپس با اسید سولفوریک (محصول شرکت Merck آلمان) 6 نرمال و آب مقطر شستشو داده شد. برای بهبود خاصیت یونی و ایجاد هدایت الکتریکی از هیدروکسیدسدیم به عنوان الکترولیت با غلظت ثابت 162 میلی‌گرم در لیتر و برای تنظیم pH از اسیدکلریدریک و هیدروکسیدسدیم (محصول شرکت Merck آلمان) 1/0 و 1 نرمال در تمام آزمایشات استفاده شد ]5[.

آزمایشات در دو مرحله مجزا با به کارگیری فرآیندهای انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون انجام شد. در مرحله اول از انجام آزمایشات (فرآیند انعقاد الکتریکی) میزان حذف رنگ در pH (3، 5، 7، 9، 11)، غلظت (25، 100،200 میلی‌گرم در لیتر)، زمان تماس (5، 10، 20، 30، 60 دقیقه)، میزان جریان‌های (05/0، 2/0، 3/0، 5/0، 1 آمپر) فاصله‌های بین الکترودها (1، 2، 3 سانتی‌متر) و در مرحله دوم آزمایشات (فرآیند الکتروفنتون) میزان حذف رنگ با همان شرایط انعقاد الکتریکی و اضافه کردن H₂O₂ (Merck آلمان) در غلظت‌های 10، 15، 50، 100 میلی‌مول بر لیتر بررسی گردید ]13 .[برای هر دو روش نمونه سنتیتیک (غلظت 1000 میلی‌گرم پودر متیلن‌بلو از نوع آزمایشگاهی ساخت شرکت Merck آلمان در یک لیتر آب مقطر دو بار تقطیر) به صورت استوک تهیه گردید، غلظت‌های مورد نظر در آزمایش (200-25 میلی‌گرم در لیتر) توسط رقیق‌سازی محلول مادر آماده و در پایلوت مورد استفاده قرار گرفت.

نهایتاً با به دست آوردن مقادیر بهینه، راندمان حذف در دو روش با هم مقایسه گردید. در ادامه آزمایشات در شرایط بهینه بهره‌برداری بر روی فاضلاب شبیه‌سازی شده، pH برابر 5/9، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی [(COD)Chemical Oxygen Demand ] برابر 2400 میلی‌گرم در لیتر، اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی [(BOD)Biological Oxygen Demond ] 460 میلی‌گرم در لیتر، هدایت الکتریکی [(EC) Electric Conductivity] برابر 2600 و کروم 10 میلی‌گرم در لیتر که به آن در حد متعارف رنگ اضافه شده بود، انجام گردید. برای افزایش اعتبار نتایج، آزمایشات با در نظر گرفتن متغیرهای بررسی با سه بار تکرار انجام گرفت. میزان حذف رنگ متیلن‌بلو در محلول پس از عبور از کاغذ صافی واتمن 42 (ساخت کشور آلمان) با روش نورسنجی مستقیم توسط دستگاه اسپکتروفتومتر UV/Vis مدل T80⁺ PG-Instrumen (ساخت شرکت PG انگلیس) در طول موج 663 نانومتر قرائت گردید ]23[. آزمایش‌ها بر اساس دستورالعمل‌های مندرج در کتاب روش‌های استاندارد آزمایشات آب و فاضلاب ویرایش 21 چاپ 2005 انجام گرفت ]24[. نتایج حاصل از آزمایشات با استفاده از نرم افزار Excel نسخه 2007 در قالب نمودار ارائه و در عین حال با توجه به سه بار تکرار مقادیر تمامی آزمایشات با استفاده از آنالیز واریانس دوطرفه (Two-way ANOVA) توسط نرم افزار SPSS ویرایش 16 با سطح معنی‌داری 05/0 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

شکل 1- رآکتور مورد استفاده در حذف رنگ متیلن‌بلو از محلول‌های آبی

نتایج

به منظور بررسی و تعیین pH بهینه، نمونه‌های رنگ متیلن‌بلو در غلظت ثابت 25 میلی‌گرم در لیتر تهیه شد. در این مطالعه تأثیر تغییرات pH بهینه در دامنه 11-3 در روش انعقاد الکتریکی با شدت جریان 05/0 آمپر، فاصله بین الکترود 1 سانتی‌متر و زمان 30 دقیقه و در روش الکتروفنتون با همین شرایط و افزودن پراکسید هیدروژن با غلظت 100 میلی‌مول بر لیتر مورد مطالعه قرار گرفت که نتایج در نمودار 1 قابل مشاهده است. میانگین بیشترین میزان حذف در فرآیند انعقاد الکتریکی در 7=pH برابر 3/1%±3/93% و در فرآیند الکتروفنتون در 5=pH برابر 1/0%±9/78% اخذ گردید که به عنوان pH بهینه جهت آزمایشات بعدی منظور گردید.

نمودار 1- میانگین درصد حذف رنگ متیلن بلو به روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون با تغییرات pH

(شرایط: شدت جریان 05/0 آمپر، فاصله بین الکترود 1 سانتی‌متر، زمان 30 دقیقه و غلظت اولیه 25 میلی‌گرم در لیتر)

یکی از پارامترهای مؤثر در فرآیند الکتروفنتون تأثیر پراکسید هیدروژن می‌باشد. راندمان حذف در غلظت‌های 15، 30، 50 و 100 میلی‌مول بر لیتر پراکسیدهیدروژن در شرایط بهینه (غلظت رنگ=25 میلی‌گرم بر لیتر، زمان=30 دقیقه، 5=pH، جریان=05/0 آمپر، فاصله بین الکترودها=1 سانتی‌متر) به ترتیب برابر 4/6%±3/75%، 0/6%±3/76%، 5/6%±6/71% و 1/0%±9/78% نشان می‌دهد که غلظت 100 میلی‌مول بر لیتر به عنوان غلظت بهینه جهت ادامه آزمایشات در روش الکتروفنتون در نظر گرفته شد.

به منظور تعیین تأثیر غلظت اولیه رنگ بر بازدهی حذف رنگ در روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون در شرایط بهینه مقادیر متفاوت رنگ در دامنه 200-25 میلی‌گرم در لیتر مورد بررسی قرار گرفت. در این حالت پارامترهای بهینه ثابت و پارامتر متغیر انتخاب شده مورد بررسی قرار گرفت که نتایج در نمودار 2 نشان داده شده است. راندمان حذف در غلظت‌های 25، 100 و 200 میلی‌گرم بر لیتر غلظت اولیه به ترتیب برای روش انعقاد الکتریکی برابر 3/1%±3/93%، 2/4%±8/72%، و 2/3%±4/67% و برای الکتروفنتون برابر 1/0%±9/78%، 0/4%±7/67% و 1/14%±3/49% نشان می‌دهد که غلظت 25 میلی‌گرم بر لیتر به عنوان غلظت بهینه جهت ادامه آزمایشات در روش الکتروفنتون و انعقاد الکتریکی در نظر گرفته شد.

به منظور تعیین تأثیر زمان بر راندمان حذف رنگ در دامنه زمان‌های 60-5 دقیقه در شرایط بهینه با روش انعقاد الکتریکی و روش الکتروفنتون بررسی گردید که نتایج در نمودار 2 قابل مشاهده است. نتایج نشان می‌دهد میزان حذف در زمان‌های اولیه کم بوده و با افزایش زمان سیر صعودی دارد. میانگین میزان حذف در روش انعقاد الکتریکی برابر 7/1%±8/96% و روش الکتروفنتون برابر 5/3%±4/93% در زمان 60 دقیقه نشان داد و در زمان‌های 5، 10، 20 و 30 دقیقه میانگین راندمان حذف در روش انعقاد الکتریکی به ترتیب برابر 7/1%±2/25%، 2/3%±6/41%، 0/4%±5/73% و 3/1%±3/93% و در روش الکتروفنتون به ترتیب برابر 5/4%±0/35%، 9/4%±5/45%، 3/13%±7/56% و 1/0%±9/78% تعیین شد. در مجموع زمان 30 دقیقه به عنوان زمان بهینه جهت حذف مطلوب منظور گردید.

نمودار 2- میانگین درصد حذف متیلن‌بلو با روش انعقاد الکتریکی (الف) و الکتروفنتون (ب) بر حسب غلظت رنگ

(شرایط: شدت جریان 05/0 آمپر، فاصله بین الکترود 1 سانتی‌متر و زمان 30 دقیقه)

تأثیر میزان جریان بر راندمان حذف رنگ در جریان‌های متفاوت در دامنه 1-05/0 آمپر با روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون در شرایط بهینه مورد بررسی قرار گرفت که نتایج در نمودار 3 آورده شده است. با افزایش شدت جریان از 05/0 به 1 آمپر، میانگین میزان حذف با روش انعقاد الکتریکی از 3/1%±3/93% به 5/0%±4/99% افزایش (002/0=p) و با روش الکتروفنتون از 1/0%±9/78% به 3/1%±8/89% افزایش (001/0>p) نشان داد. بنابراین به دلیل این که راندمان حذف در دو شدت جریان دارای اختلاف معنی‌داری بود در مجموع با در نظر گرفتن صرفه اقتصادی شدت جریان 05/0 آمپر به عنوان بهینه پیشنهاد شد.

نمودار 3- میانگین درصد حذف رنگ متیلن‌بلو به روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون برحسب جریان

(شرایط: فاصله بین الکترود 1 سانتی‌متر، زمان 30 دقیقه و غلظت 25 میلی‌گرم در لیتر)

تأثیر فاصله بین الکترود بر راندمان حذف رنگ در فواصل مختلف 1 تا 3 سانتی‌متر در شرایط بهینه برای هر دو روش مورد بررسی قرار گرفت که نتایج در نمودار 4 نشان داده شده است. با افزایش فاصله بین الکترود از 1 به 3 سانتی‌متر راندمان حذف با روش انعقاد الکتریکی از 3/1%±3/93% به 0/14%±/0/55% (009/0=p) و با روش الکتروفنتون از 1/0%±9/78% به 7/5%±3/55% (002/0=p) کاهش نشان داد. در نتیجه فاصله 1 سانتی‌متر به عنوان فاصله بهینه منظور گردید.

نمودار 4- میانگین درصد حذف متیلن‌بلو با روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون بر حسب فاصله بین الکترود‌ها

(شرایط: شدت جریان 05/0 آمپر، زمان 30 دقیقه و غلظت اولیه 25 میلی‌گرم در لیتر)

نهایتاً راندمان حذف رنگ متیلن‌بلو با روش انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون در شرایط بهینه (در سطح معنی‌داری 05/0) مورد مقایسه قرار گرفت و نتایج نشان داد که میانگین میزان حذف در شرایط بهینه با روش انعقاد الکتریکی (غلظت اولیه رنگ = 25 میلی‌گرم در لیتر، 7=pH، شدت جریان=50 میلی‌آمپر، زمان تماس=30 دقیقه، فاصله بین الکترود = 1 سانتی‌متر) 3/1%±3/93% و میانگین راندمان حذف با روش الکتروفنتون در شرایط بهینه (غلظت اولیه پراکسیدهیدروژن=100 میلی‌مول در لیتر، غلظت اولیه رنگ=25 میلی‌گرم در لیتر، 5=pH، شدت جریان=05/0 آمپر، زمان تماس=30 دقیقه، فاصله بین الکترودها=1 سانتی‌متر) 1/0%±9/78% می‌باشد که دارای اختلاف معنی‌داری بود (003/0= pو 745/31=F). در شرایط بهینه بهره‌برداری راندمان حذف رنگ متیلن‌بلو از فاضلاب شبیه‌سازی، که با مشخصات مندرج در قسمت مواد و روش‌ها تهیه گردید، با روش الکتروفنتون برابر 6/2%±0/65% و با روش انعقاد الکتریکی برابر 0/2%±0/67% نشان داد که دارای اختلاف معنی‌داری نبود (355/0= pو 091/1=F). و راندمان حذف نسبت به محلول سنتیتیک، که با غلظت 25 میلی‌گرم پودر متیلن‌بلو از نوع آزمایشگاهی در یک لیتر آب مقطر دو بار تقطیر تهیه شده بود، کاهش داشت.

ضمناً میزان اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD) با فرآیند انعقاد الکتریکی 5/7%±0/40% و با فرآیند الکتروفنتون به میزان 2/6%±0/17% کاهش یافت که دارای اختلاف معنی‌داری بود (015/0=p و 531/16=F).

بحث

pH یک عامل مؤثر در واکنش‌های شیمیایی و بیوشیمیایی است. تأثیر  pHاولیه محیط بسته به نوع فرآیند مورد استفاده و نوع آلاینده بسیار متفاوت است ]26-25[. 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 ]27 [:

(1)   

 (2)    

 (3)              

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

(4)

نتایج نشان داد بالاترین درصد حذف رنگ با روش انعقاد الکتریکی در 7=pH (خنثی) بود که با مطالعه Moussavi و همکاران مطابقت دارد ]27[.

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 فرو و قدرت اکسیدکنندگی رادیکال هیدروکسیل میزان حذف بیشتری خواهد داشت ]28[.

(5)

نتایج نشان داد بالاترین درصد حذف رنگ با روش الکتروفنتون در 5=pH (اسیدی) می‌باشد. بنابراین فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته در محیط اسیدی نسبت به محیط قلیایی عملکرد بهتری دارند که نتایج مطالعه در روش الکتروفنتون با پژوهش انجام شده توسط Zaied و همکارش مطابقت دارد ]29[. همچنین Zhou و همکاران نتیجه گرفتند که روش الکتروفنتون در 3pH= بالاترین مقدار و در 5pH= پایین‌ترین مقدار در حذف رنگ متیل‌رد (Methyl red) را دارد ]30[ که با مطالعه حاضر مطابقت نداشت که دلیل عدم همخوانی به ثابت تفکیک اسیدی (pKa) رنگ‌ها ارتباط دارد به طوری که pK_a متیلن‌بلو کمتر از متیل‌رد می‌باشد. در نتیجه رنگ متیل‌رد از محیط‌های اسیدی‌تر راندمان حذف بیشتری نسبت به متیلن‌بلو با روش الکتروفنتون داشت.

غلظت آلاینده یکی از پارامترهای مهم در حذف رنگ است و در غالب مطالعات مربوط به اکسیداسیون ترکیبات آلی افزایش غلظت آلاینده مورد مطالعه با کاهش کارایی فرآیند همراه بوده است ]31[. با افزایش غلظت اولیه آلاینده با توجه به ثابت بودن درجه اسیدی در تمام نمونه‌ها سرعت تجزیه در نمونه با غلظت کم، زیاد می‌شود و زمان مورد نیاز برای واکنش بین منعقد‌کننده و آلاینده بیشتر می‌شود و باعث افزایش کارایی حذف می‌گردد. در هر دو روش با افزایش غلظت، راندمان حذف رنگ کاهش نشان داد که نتایج با مطالعه Sied Mohammadi و همکاران هم‌خوانی دارد ]13[.

زمان واکنش یکی از عوامل تأثیرگذار در انجام فرآیندهای اکسیداسیون است. رابطه حذف رنگ با زمان به واکنش بین منعقد‌کننده و آلاینده مرتبط می‌باشد به طوری که افزایش زمان باعث افزایش مقدار آهن اکسید شده و تشکیل رسوبات و لخته‌های هیدروکسیدآهن Fe(OH)₃ در فرآیند الکترو شیمیایی جهت حذف آلاینده می‌گردد. 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. در هر دو روش با افزایش زمان راندمان حذف بیشتر نشان داد که نتایج با مطالعه  Karimiو همکاران مطابقت دارد ]32[.

جریان اعمال شده به سلول الکتریکی یکی دیگر از عوامل اساسی در بهره‌برداری از فرآیند الکتروشیمیایی می‌باشد افزایش شدت جریان، باعث افزایش دانسیته حباب‌های 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 واکنش‌های سطح الکترود و همچنین، میزان یون‌هایی که از سطح الکترود آزاد می‌شود بر سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی تأثیرگذار است. بنابراین تعیین جریان یهینه در فرآیندهای الکتریکی امری ضروری است. با افزایش جریان اعمال شده بر فرآیند، بازده حذف رنگ افزایش می‌یابد که دلیل افزابش بازده را می‌توان تحت تأثیر واکنش‌هایی که ضمن انجام فرآیند در کاتد و آند به وقوع می‌پیوندد، تفسیر کرد. در هر دو روش با افزایش شدت راندمان حذف افزایش نشان داد که نتایج مطالعه با پژوهش Kuokkanen و همکاران مطابقت دارد ]33.[

افزایش فاصله بین الکترودها در جریان ثابت، ولتاژ اولیه را در میزان دانسیته یکسان به دلیل افزایش مقاومت بین الکترودها افزایش می‌یابد. در نتیجه رسانایی محلول کم می‌شود و میزان جریان مصرفی کاهش می‌یابد که این کاهش جریان سبب عدم تولید یون‌های آهن و هیدروکسیل به مقدار کافی برای تشکیل لخته و حذف رنگ است. همچنین، با افزایش فاصله بین الکترودها انتظار می‌رود که از یک طرف برخورد کمتری بین یون‌های آهن تولیدی با یون‌های هیدروکسیل به وقوع به پیوندد و لخته‌های کمتری تشکیل شود و از طرف دیگر برخورد مولکول رنگ‌زا با پلیمرهای هیدروکسیدی کاهش یابد، در نتیجه جذب الکترواستاتیک کاهش و بازده حذف رنگ کم می‌شود که در هر دو روش با افزایش فاصله راندمان حذف کاهش داشت که نتایج با مطالعه  Rahmaniو همکارش مطابقت دارد ]34.[

طبق واکنش فنتون، با افزایش غلظت پراکسید هیدروژن، مقدار رادیکال هیدروکسیل در محیط افزایش یافته و به دنبال آن، میزان تجزیه و بازده حذف رنگ افزایش می‌یابد. از طرفی پرکسید هیدروژن در غلظت‌های زیاد اثر بازدارندگی در تولید هیدروکسیل داشته و موجب کاهش سرعت و بازده در تخریب رنگ می‌شود ]35[. با توجه به غلظت100 میلی‌مول بر لیتر پراکسید هیدروژن در فرآیند الکتروفنتون، می‌توان نتیجه گرفت راندمان حذف درشرایط بهینه در روش الکتروفنتون به دلیل غلظت زیاد پرکسید هیدروژن نسبت به انعقاد الکتریکی پایین‌تر است.

از محدودیت‌های طرح می‌توان به این مطلب اشاره کرد که به‌ علت وجود مواد مداخله‌گر فراوان در فاضلاب واقعی، از فاضلاب سنتیتیک استفاده شد و از طرفی دسترسی به فاضلاب صنعت مورد نظر وجود نداشت که پییشنهاد
می‌گردد در مطالعات بعدی مدنظر قرار گیرد. به علاوه فرآیند الکترولیز با الکترودهایی از جمله گرافیت، تیتانیوم و غیره در حذف رنگ متیلن‌بلو و کاهش COD فاضلاب مورد استفاده قرار گیرد و نتایج به دست آمده با نتایج این تحقیق مقایسه گردد.

نتیجه‌گیری

نتایج نشان داد که انعقاد الکتریکی و الکتروفنتون، به عنوان روش‌های مؤثر و اقتصادی، قادر به حذف رنگ متیلن‌بلو از محلول‌های آبی و فاضلاب شبیه‌سازی شده هستند ولی با بهینه‌سازی عوامل عملیاتی مؤثر، روش انعقاد الکتریکی کارایی بیشتری دارد. در میان پارامتر‌های مورد بررسی غلظت آلاینده و زمان تماس در هر دو روش و غلظت پراکسید هیدروژن در روش الکتروفنتون از اهمیت بیشتری برخوردار است. به‌ طوری که افزایش غلظت آلاینده و زمان تماس باعث کاهش و افزایش بازده حذف آلاینده می‌گردد و با استفاده از غلظت کم پرکسید هیدروژن می‌توان کارایی فرآیند الکتروفنتون را افزایش داد.

تشکر و قدردانی

تحقیق حاصل پروژه تحقیقاتی است که با همکاری مرکز تحقیقات مهندسی بهداشت محیط حوزه معاونت تحقیقات و فناوری دانشگاه علوم پزشکی کرمان و گروه مهندسی بهداشت محیط دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی بیرجند به انجام رسیده است که به این وسیله از همکاری اعضای هیئت علمی مرکز و گروه مذکور کمال تقدیر و تشکر را داریم.

References

[1] Leili M, Ramavandi B. The efficiency evalution of activated carbon prepared from date stone for removal of methylene blue dye from aqueous solution. J Sabzevar Univ Med Sci 2014; 21(35): 502-13 .[Farsi]

[2] Santos AD, Cervantes F, Vanlier J. Review paper on current technologies for decolourisation of textile wastewaters Perspectives for anaerobic biotechnology. Bioresour Technol 2007; 98(12): 2369-85.

[3] Lima E, Royer B, Vaghetti J, Simon N, Cunha B. Application of Brazilian pine-fruit shell as a biosorbent to removal of reactive red 194 textile dye from aqueous solution Kinetics and equilibrium study. J Hazard Mate 2008; 155(3): 536-50.

[4] Royer B, Cardoso N, Lima E, Vaghetti J, Simon J, Calvete T. Applications of Brazilian-pine fruit shell in natural and carbonized forms as adsorbents to removal of methylene blue from aqueous solutions-kinetic and equilibrium study. J Hazard Mate 2009; 164(2-3): 1213-22.

[5] Bazrafshan E, Mostafapour FK. Evaluation of color removal of Methylene blue from aqueous solutions using plant stem ash of Persica. J North Khorasan Univ Med Sci 2012; 4(4): 523-32. [Farsi]

[6] Golka K, Kopps S, Myslak Z. Carcinogenicity of azo colorants:influence of solubility and bioavailability. Toxicol Lett 2004; 151(1): 203-10.

[7] Kargozoglu B, Tasdemir M, Demirbas E. The adsorption of basic dye from aqueous solution onto sepiolite,fly ash and apricot shell activated carbon. J Hazard Mater 2007; 147(1-2): 297-306.

[8] Moussavi SP, Emamjomeh MM, Ehrampoush MH, Dehvari M, Jamshidi S. Removal of Acid Orange 7 Dye from Synthetic Textile Wastewater by Single- Walled Carbon Nanotubes: Adsorption Studies, Isotherms and Kinetics. J Rafsanjan Univ Med Sci 2013; 12(11): 908-17. [Farsi]

[9] Mohamed M, Joseph F, Taha E. Enhanced removal of Methylene Blue by electrocoagulation using iron electrodes. Egyptian J Petroleun 2013; 22(1): 211-6.

[10] Ponnusami V, Madhuram R, Krithika V, Srivastava SN. Effects of Process Variables on Kinetics of Methylene Blue Sorption onto Untreated Guava (Psidium guajava) Leaf Powder: Statistical Analysis. Chem Engin J 2008; 140(1-4): 609-13.

[11] Rafatullah M, Sulaiman O, Hashim R, Ahmad A. Adsorption of Methylene Blue on Low-cost Adsorbents: A Review. J Hazard Mate 2010; 177(1-3): 70-80.

[12] HaeWon G, Min C, Byung-Taek O. Removal of Methylene Blue Using UV-C Pretreated Citrobacter freundii JH 11-2 and Bacillus pseudomycoides JH 2-2 Biomass. J Soil Groundw Environ 2014; 19(2): 38-43.

[13] Sied Mohammadi A, Mehralipour J, Shabanlo A, Roshanaie G, Barafrashtehpour M, AsgarI G. Comparing the Electrocoagulation and Electro-Fenton Processes for Removing Nitrate in Aqueous Solution for Fe Electrodes. J Mazandaran Univ Med Sci 2013; 23(104): 57-67. [Farsi]

[14] Naje A, Abbas S. Electrocoagulation Technology in Wastewater Treatment: A Review of Methods and Applications. Civil Environmental Res 2013; 3(11): 2224-590.

[15] Faiqun M, Fadil N, Othman J, Sohaili Z. Removal of COD and Turbidity to improve wastewater quality using electrocoagulation technique. The Malaysian J Analytical Sci 2007; 11(1): 198-205.

[16] Bazrafshan E, Jaafari AJ, Mostafapour FK, Biglari H. Humic acid Removal from Aqueous Environments by Electrocoagulation Process Duad with Adding Hydrogen Peroxide. J Health Environ 2011; 5(2): 211-24. [Farsi]

[17] Neyens E, Baeyens J. A review of classic Fenton’s peroxidation as an advanced oxidation technique. J Hazard Mate 2003; 98(1-3): 33-50.

[18] Bulut Y, Aydin HA. kinetics and thermodynamics study of methylene blue adsorption on wheat shells. Desalination 2006; 194(1–3): 259-67.

[19] Almeida C, Debacher N, Downs A, Cottet L, Mello C. Removal of methylene blue from colored effluents by adsorption on montmorillonite clay. J Colloïd Interface Sci 2009; 332(1): 46-53.

[20] Chatterjee S, Kumar A, Basu S, Dutta S. Application of Response Surface Methodology for Methylene Blue dye removal from aqueous solution using low cost adsorben. Chem Eng J 2012; 181-182: 289-99.

[21] Ahmadi-Moghadam M, Amiri H. Investigation of TOC Removal from Industrial Wastewaters using Electrocoagulation Process. J Health Environ 2010; 3(2): 185-93. [Farsi]

[22] Malakootian M, Asadi M, Mahvi AH. Decoloration of Reactive Blue19 dye in dying industry wastewater by electro-Fenton process. J Health Environ 2010; 5(4): 433-44. [Farsi]

 [23] Ghanizadeh G, Asgari G. Removal of Methylene Blue Dye from Synthetic Wastewater with Bone Char. J Health  Environ 2009; 2(2): 104-13.

[24] Classer L, Greenberg A, Eaton A. Standard method for the examination of water and wastewater. 21st ed: Washington DC: the American Water Works Association. 2005; p. 5-14

[25] Vasiliadou I, Karanasios K, Pavlou S, Vayenas D. Experimental and modelling study of drinking water hydrogenotrophic denitrification in packed-bed reactors. J Hazard Mater 2009; 165(1-3): 812-24.

[26] Sierra-Alvarez R, Beristain-Cardoso R, Salazar M, Gomez J, Razo-Flores E, Field J. Chemolithotrophic denitrification with elemental sulfur for groundwater treatment. Water Res 2007; 41(6): 1253-62.

[27] Moussavi GR, Khosravi R, Farzadkia M. Removal of petroleum hydrocarbons from contaminated groundwater using an electrocoagulation process:batch and continuous experiments. Desalination 2011; 278(1-3): 288-94.

[28] Virkutyte J, Jegatheesan V. Electro-Fenton, hydrogenotrophic and Fe²⁺ ions mediated TOC and nitrate removal from aquaculture system: different experimental strategies. Bioresour Technol 2009; 100(7): 2189-97.

[29] Zaied M, Bellakhal N. Electrocoagulation treatment of black liquor from paper industry. J Hazard Mater 2009; 1639(2-3): 995-1000.

[30] Zhou M, Yu Q, Lei L, Barton G. Electro-Fenton method for the removal of methyl red in an efficient electrochemical system. Separation Purification Technology 2007; 57(2): 380-7.

[31] Rahmani AR, Masoumi Z, Shabanlo A, Akbari S, nasab HZ, Almasi H. Investigation of Sonochemical Oxidation Process in the Presence of SiO₂, CuSO₄ and Na₂SO₄ in Removal of Acid Black1 Azo Dye from Aqueous Solution. J Rafsanjan Univ Med Sci 2014; 13(12): 1115-28. [Farsi]

[32] Karimi B, Rajaei M, Ganadzadeh M, Mashayekhi M. Evaluation of nitrate removal from water by Fe/H2O2 and adsorption on activated carbon. J Arak Univ Med Sci 2013; 15(69): 67-76. [Farsi]

[33] Kuokkanen V, Kuokkanen T, Rämö J, Lassi U, Roininen J. Removal of phosphate from wastewaters for further utilization using electrocoagulation with hybrid electrodes. J Water Process Engineering 2014; In press.

[34] Rahmani A, Samarghandi M. electrocoagulation treatment of color solution containing colored index Eriochrome Black T. J Water and Wastewater 2008; 20(69): 52-8. [Farsi]

[35] Eslami A, Moradi M, Ghanbari F, Shaktaee HR. Study on Performance of Electro-Fenton for color removal from Real Textile Wastewater Based on ADMI. J color Sci Technol 2013; 3(25): 173-80. [Farsi]