2-11- مروری بر یافته‌های دیگر محققان بر روی روش‌های الکتروشیمیایی زدایش فنل2
2-12- عوامل مؤثر روی میزان زدایش فنل 2
2-13- پتانسیل رهایش اکسیژن2
2-14- نتیجه گیری2
فصل 3: روش تحقیق2
3-1- مقدمه2
3-2- علت انتخاب روش اکسایش الکتروشیمیایی2
3-3- انتخاب و تهیه تجهیزات آزمایشگاهی2
3-3-1- وسایل و مواد شیمیایی مورد نیاز2
3-4- انجام آزمایش‌ها2
3-4-1- پساب مورد استفاده در فرآیند2
3-4-2- روش انجام آزمایش‌ها2
3-5- طراحی آزمایش با روش تاگوچی2
فصل 4: نتایج و تفسیر آن‌ها2
4-1- مقدمه2
4-2- تاثیر پارامترهای موردنظر بر سیستم2
4-2-1- تاثیر پارامترpH بر بازده فرآیند2
4-2-2- تاثیر غلظت الکترولیت پشتیبان2
4-2-3- تاثیر دانسیته جریان2
4-2-4- تاثیر فاصله بین الکترودها2
4-3- شرایط بهینه2
4-4- تحلیل واریانس نتایج2
4-5- محاسبه انحراف معیار2
4-6- بررسی تاثیر میزان غلظت اولیه فنل بر بازده فرآیند2
4-7- بررسی تاثیر نوع الکترولیت پشتیبان بر بازده فرآیند2
4-8- انرژی مصرفی2
فصل 5: جمع‌بندی و پیشنهادها60
5-1- مقدمه61
5-2- دستاوردها61
5-3- نوآوری62
5-4- پیشنهادها62
فصل 6: مراجع2
فصل 7: پیوست‌ها2
فهرست اشکال
شکل (2-1) ساختار فنل2
شکل (2-2) شمایی از مکانیسم اکسایش الکتروشیمیایی فنل2
شکل (3-1) دستگاه آزمایشگاهی مورد استفاده2
شکل (3-2) دستگاه اسپکتروفتومتر2
شکل (4-1) تاثیر pH بر روی زدایش فنل2
شکل (4-2) تأثیر غلظت الکترولیت پشتیبان بر‌روی زدایش فنل2
شکل (4-3) تأثیر دانسیته جریان بر ‌روی زدایش فنل2
شکل (4-4) تأثیر فاصله بین الکترودها بر‌روی زدایش فنل2
شکل (4-5) درصد زدایش در pHو غلظت‌های مختلف الکترولیت پشتیبان2
شکل (4-6) درصد زدایش در pHو فاصله‌های مختلف بین الکترودها2
شکل (4-7) درصد زدایش در دانسیته جریان و غلظت‌های مختلف الکترولیت پشتیبان2
شکل (4-8) درصد زدایش در دانسیته جریان و فاصله‌های مختلف بین الکترودها2
شکل (4-9) درصد زدایش در غلظت و فاصله‌های مختلف بین الکترودها2
شکل (4-10) درصد زدایش در pH و دانسیته جریان‌های مختلف2
شکل (4-11) روند تغییرات غلظت فنل با زمان در شرایط بهینه2
شکل (4-12) روند تغییرات دما با زمان در شرایط بهینه2
شکل (4-13) روند تغییرات ولتاژ سیستم با زمان در شرایط بهینه2
شکل(4-14) محلول الکترولیتی پس از انجام آزمایش در شرایط بهینه با دانسیته جریان 178/0 آمپر بر سانتیمتر مربع2
شکل (4-15) محلول الکترولیتی پس از انجام آزمایش در شرایط بهینه با دانسیته جریان 125/0 آمپر بر سانتیمتر مربع2
شکل (4-16) تاثیر میزان غلظت اولیه فنل بر بازده فرآیند2
شکل (4-17) نمودار تاثیر نوع الکترولیت روی بازده فرآیند2
فهرست جداول
جدول (2-1) خواص فیزیکی و شیمیایی فنل…………………………………………………………………………..2
جدول (3-1) سطوح مختلف عوامل مورد بررسی در آزمایشها……………………………………………….2
جدول (3-2) آرایه استاندارد L9 برای طراحی آزمایشها………………………………………………………..2
جدول (4-1) نتایج مربوط به زدایش فنل از پساب………………………………………………………………….2
جدول (4-2) نرخ‌های S/N اصلی برای هر سطح از پارامترها…………………………………………………2
جدول (4-3) سطوح بهینه مربوط به هر پارامتر……………………………………………………………………….2
جدول (4-4) ANOVA تهیه شده توسط نرم افزار Winrobust…………………………………………..50
جدول (4-5) سهم هر پارامتر…………………………………………………………………………………………………….2
جدول (4-6) میزان انحراف معیار………………………………………………………………………………………………2
جدول (4-7) میزان انرژی واحد برای زدایش COD……………………………………………………………..2
جدول(4-8) میزان انرژی مصرف شده برای انجام فرآیند توسط تحقیقات مختلف………………….59
مقدمه
1-1- مقدمه
ضایعات آب مشکلی جدی در سطح جهان است. دسترسی به آب سالم و تمیز برای تأمین نیازهای انسانی مختلف، در دهههای آینده یک چالش مهم محسوب میشود. انجمن حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا برآورد کرده است که تقریباً یک سوم جریان آب جهان به طور مشخص آلوده است و اصل حفظ کیفیت آب برهم زده شده است. بنابراین چه برای مصارف آشامیدنی و چه برای مصارف صنعتی معمولاً آب طبیعی احتیاج به تصفیه دارد .پسابهای صنعتی با توجه به منشاء آلودگی میتوانند شامل انواع آلودگی باشند. نظیر پسابهای روغنی، پسابهای حاوی مواد آلی، پسابهای حاوی رنگ و … . با شناخت نوع آلودگی میتوان روش زدایش آنها را بررسی کرد.
ترکیبات مقاوم در برابر تجزیه زیستی در فاضلابهای صنعتی علاوه بر سمیت میتوانند موجب طعم و بوی بد آب شوند. آنها به طور کامل توسط تصفیه بیولوژیک خارج نمیشوند به طوریکه آبهای آلوده با این ترکیبات توسط تصفیه شیمیایی، تحت فرآیند تصفیه قرار میگیرند.
روشهای متداول تصفیه پساب به چهار دسته زیر تقسیم میشوند:
روشهای زیستی
روشهای اکسایش شیمیایی
روشهای اکسایش فیزیکی- شیمیایی
روشهای الکتروشیمیایی
در سالهای اخیر، توجه به تکنولوژی الکتروشیمیایی برای تصفیه پسابها افزایش یافته است. مزیت کاربرد روشهای الکتروشیمیایی نسبت به سایر روشها شامل سازشپذیری زیستمحیطی، استفاده از تجهیزات ساده، سرعت بالای انجام فرآیند و … میشود. این روش تصفیه به عنوان یک تکنیک بسیار نویدبخش برای تصفیه آبهای زیرزمینی آلوده، آبهای سطحی و فاضلابهای شامل آلودگیهای آلی غیرزیستتخریبپذیر مطرح شده است. امروزه تکنولوژیهای الکتروشیمیایی به موقعیتی رسیدهاند که نه تنها با تکنولوژیهای دیگر از نظر قیمت قابل رقابت هستند بلکه مؤثرتر نیز هستند. برای موقعیتهای زیادی ناگزیر به استفاده از تکنولوژیهای الکتروشیمیایی برای تصفیه فاضلابهای دارای آلایندههای مقاوم3 هستیم.
فنل یک آلاینده آلی مقاوم در برابر تجزیه زیستی است که موجب سمی شدن منابع آبی میشود. این ترکیب یکی از مواد پرمصرف در پالایشگاههای نفت، پتروشیمی، نساجی، دارویی و … میباشد که از طریق دفع غیر بهداشتی پساب این صنایع منجر به آلودگی محیط زیست میگردد. این اسید ضعیف سمی، حتی در غلظتهای پایین منجر به ایجاد مزه و بوی ناخوشایند میشود. پسابهای فنلی در مقابل تجزیه بیولوژیکی بسیار مقاوم هستند. این پسابها به عنوان یک خطر جدی برای سلامتی بشریت به حساب میآیند چون سمیت بالایی دارند. سمیت و بوی بد فنلها مجوز تصفیه آنها قبل از تخلیه در محیط زیست است. برای زدایش فنل از پسابهای صنعتی تاکنون از
روشهای متفاوتی استفاده شده است. در سالهای اخیر استفاده از روش اکسایش الکتروشیمیایی برای زدایش فنل به طور گسترده مورد بررسی و توجه قرار گرفته است. در این روش، اکسایش ترکیبات فنلی مرهون تولید رادیکالهای هیدروکسیل روی سطح الکترودها است. با توجه به بررسیهای مختلف این نتیجه بدست آمده است که جنس الکترود در میزان زدایش ترکیبات فنلی تأثیر بسزایی دارد.
در این تحقیق از روش اکسایش الکتروشیمیایی در زدایش فنل از یک پساب سنتزی استفاده شد. پارامترهای مختلفی بر میزان بازده این روش مؤثرند. در این پروژه، سهم هر پارامتر روی میزان بازده زدایش فنل تعیین گردید. در آزمایشات مورد بررسی، تأثیر پارامترهای عملیاتی شامل pH، غلظت الکترولیت پشتیبان، دانسیته جریان و فاصله بین الکترودها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به طراحی آزمایشها توسط روش تاگوچی، امکان اندازهگیری سهم هر پارامتر و بررسی میزان اهمیت آنها توسط ابزار قدرتمند تحلیل واریانس4 و روش سیگنال به نویز 5(S/N) تعیین گردید.
به کمک دو روش فوقالذکر که در تجزیه و تحلیل آرایههای متعامد بکار برده میشود بهینه شرایط زدایش فنل توسط روش اکسایش الکتروشیمیایی و سهم هر پارامتر توسط نرم افزار Winrobust بدست آمد.
در این پژوهش، آند پلاتین برای انجام آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت و برای نخستین بار از روش تاگوچی به منظور طراحی آزمایش و بهینهسازی شرایط عملیاتی برای دستیابی به بیشینه کارایی روش اکسایش الکتروشیمیایی در تصفیه پسابهای فنلی، استفاده شده است.
این گزارش مشتمل بر 5 فصل میباشد.
در فصل اول مقدمهای در خصوص اهمیت روشهای تصفیه الکتروشیمیایی و خلاصهای از نحوه اجرای پروژه بیان گردید. در فصل دوم، بررسی روشهای اکسایش الکتروشیمیایی و مروری بر یافتههای دیگر محققان صورت گرفته است. در فصل سوم روش تاگوچی به عنوان نوعی از طراحی آزمایشها و روند انجام آزمایشها ارائه میگردد. در فصل چهارم نتایج آزمایشگاهی با استفاده از تحلیل واریانس مورد ارزیابی واقع شده و سهم هر پارامتر در زدایش فنل تعیین گردیده است. و نهایتاً در فصل آخر پیشنهاداتی برای افزایش کارایی روش اکسایش الکتروشیمیایی ارائه شده است.
مروری بر منابع
2-1- مقدمه
در این فصل ابتدا نگاهی دقیق به دانش کلاسیک موضوع داشته سپس مروری بر یافتههای دیگر محققان بر روی روش اکسایش الکتروشیمیایی ارائه میگردد.
2-2- روش تصفیه الکتروشیمیایی
با افزایش جمعیت جهان و رشد صنعت حفاظت از محیط زیست مهمترین و اصلیترین فاکتور در پیشرفت‌های آتی فرآیندهای صنعتی میباشد. بسیاری از فعالیتهای صنعتی و کشاورزی آب زیادی مصرف میکنند. با این وجود، کاملاً واضح است که منابع آب تازه محدود هستند به طوریکه بایستی از آن محافظت کرد [1]. روشهای متفاوتی برای تصفیه پسابهای صنعتی حاوی مواد آلی وجود دارد مانند استخراج، اکسایش، سوزاندن و جذب و … . انتخاب روش عملیات به مسائل اقتصادی مانند راحتی کنترل، توانایی و کارایی روش بستگی دارد [2]. اخیراً به دلیل بازده بالا و سازگاری زیستمحیطی استفاده از تجزیه الکتروشیمیایی مستقیم یا غیرمستقیم آلایندههای آلی توسعه یافته است [3]. الکتروشیمی راهکارهای قابل اطمینان برای جلوگیری از مشکلات آلودگی در فرآیندهای صنعتی را ارائه میدهد [1]. یکی از مزایای روشهای الکتروشیمیایی، سازشپذیری زیستمحیطیاش است. دلیلش میتواند این باشد که در آن از الکترون به عنوان یک معرف پاک و عامل اصلی انتقال استفاده میشود [4]. مهمترین مزیت روشهای تصفیه الکتروشیمیایی این است که سینتیک روشهای اکسایش الکتروشیمیایی 100 برابر سریعتر از روشهای اکسایش زیستی است. این مزایا باعث شده توجه به روشهای تصفیه الکتروشیمیایی طی دو دهه اخیر افزایش یابد [5].
2-3- مزایا و معایب سیستمهای الکتروشیمیایی [4-7].
مزایا:
سازشپذیری زیستمحیطی
تطبیقپذیری
امکان دستیابی به بازده انرژی بالا
تابعیت اتوماتیکی
استفاده از تجهیزات ساده
امکان عدم تولید آلایندههای ثانویه سمی
سرعت بالای انجام فرآیند در مقایسه با روشهای اکسایش زیستی
هزینه بهرهوری
انعطافپذیری
معایب:
نیاز به بهینهسازی مصرف انرژی الکتریکی
حساسیت انتخاب الکترود مناسب برای فرآیند و هزینههای ساخت و خرید آنها
2-4- انواع روشهای تصفیه الکتروشیمیایی
روشهای تصفیه الکتروشیمیایی شامل انواع زیر است:

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

تصفیه کاتدی آب و پساب صنعتی
لخته شدن الکتروشیمیایی6
شناورسازی الکتروشیمیایی7
روشهای پیشرفته اکسایش الکتروشیمیایی8
که در زیر به اختصار، به توضیح آنها میپردازیم.
2-4-1- تصفیه کاتدی آب و پساب صنعتی
روش تصفیه کاتدی آب و پساب صنعتی در پساب با غلظت بالای یونهای فلزی بیشتر استفاده میشود و بر زدایش یون از پساب بر پایه رسوب کاتدی فلز استوار است.
2-4-2- لختهشدن الکتروشیمیایی
این روش شامل تولید منعقدکنندههای آزمایشگاهی، به وسیله حل شدن الکتریکی یونهای آلومینیوم یا آهن از الکترودهای آهنی یا آلومینیوم میباشد. لخته شدن الکتروشیمیایی در برداشتن و رفع جامدات معلق مثل نفت و گریس مؤثر است.
2-4-3- شناورسازی الکتروشیمیایی
در این روش مواد آلودهکننده را در سطح آب به وسیله الکترولیز حبابهای کوچک، شناور
میکنند. در تصفیه آب و فاضلاب، عمل شناورسازی یک فرآیند بسیار مؤثر برای جداسازی روغن و جامدات معلق دارای دانسیته پایین میباشند [8].
2-4-4- روشهای پیشرفته اکسایش الکتروشیمیایی
این روش یکی از روشهای تصفیه آب و پساب است که به سه گروه زیر تقسیم میشود [8]:
اکسایش الکتروشیمیایی
الکتروفنتون9
سیستمهای الکتروشیمیایی نوریار10 (در این روش از اشعه فرابنفش11 استفاده میشود).
2-5- اکسایش الکتروشیمیایی
بسیاری از فرآیندهای صنعتی پسابهایی که شامل ترکیبات آلی مقاوم در برابر تجزیه زیستی هستند را تولید میکنند. این پسابها باید به شیوه اقتصادی مناسبی تحت فرآیند تصفیه قرار گیرند. یکی از روشهای مؤثر و مورد توجه برای تصفیه اینگونه پسابها استفاده از تکنیکهای اکسایش است [1]. از مزایای این روش میتوان به عدم نیاز به اضافه کردن مقادیر زیاد مواد شیمیایی به پساب و رساندن اکسیژن، همچنین عدم گرایش به تولید محصولات جانبی که تولید آلودگی ثانویه میکند اشاره کرد [6].
روشهای مختلف تصفیه الکتروشیمیایی که در زدایش فنل کاربرد دارند به قرار زیر است [9]:
اکسایش آندی
اکسایش الکتروشیمیایی پیشرفته فراصوتی12
فرآیند انعقاد الکتروشیمیایی
اکسایش الکتروشیمایی واسطهای
زدایش در پیل سوختی میکروبی
2-6- اکسایش آندی
یکی از انواع روشهای الکتروشیمیایی که برای تصفیه پسابها بکار میرود روش اکسایش آندی است. این روش ابزاری قدرتمند برای زدایش پسابهای آلی است و آنها را به دیاکسیدکربن و آب اکسید میکند.
روش اکسایش آندی را میتوان به دو دسته تقسیم کرد:
اکسایش مستقیم: در این روش ترکیبات آلی در سطح الکترود متلاشی میشوند.
اکسایش غیر مستقیم: در این روش یک واسطه در طی فرآیند به طور الکتروشیمیایی تولید میشود تا اکسایش ترکیبات آلی را انجام دهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که اکسایش غیرمستقیم به وسیله استفاده مناسب از اکسیدانهای تولید شده آندی مانند عاملهای فنتون، هیپوکلریت و CL2 صورت میپذیرد [10، 11].
در مطالعه حاضر روش اکسایش مستقیم آندی در تصفیه پسابهای فنلی مورد بررسی قرار گرفته است که به تفضیل به شرح آن پرداخته میشود.
2-6-1- اکسایش مستقیم در آند
برای اکسایش مستقیم دو خاصیت مهم برای آند مناسب لازم است [11] :
پتانسیل رهایش اکسیژن بالا
پایداری در مقابل خوردگی
اکسایش الکتروشیمیایی آلودگیها میتواند به صورت مستقیم به وسیله جذب سطحی فیزیکی اکسیژن فعال ( رادیکال هیدروکسیل جذب شده OH) یا جذب سطحی شیمیایی اکسیژن فعال
( اکسیژن در شبکه اکسیدی MOX+1) صورت گیرد. این فرآیند اغلب اکسایش مستقیم یا اکسایش آندی نامیده میشود. اکسیژن فعال جذب سطحی فیزیکی باعث احتراق کامل ترکیبات آلی (R) و اکسیژن فعال جذب سطحی شیمیایی شده (MOX+1) در اکسایش انتخابی محصولات شرکت میکند.
(2-1) + zH+ + ze- + MOX R + MOX (OH)Z = CO2
(2-2) R + MOX+1 = RO + MOX
در حالت کلی رادیکال هیدروکسیل برای اکسایش آلودگیها بسیار مؤثرتر از O در MOX+1 است. به علت آزادسازی اکسیژن که در الکترود آند طبق واکنش زیر اتفاق میافتد، اضافه ولتاژ زیادی برای آزادسازی اکسیژن نیازمند است که واکنشهای (2-1) و (2-2) با بازده جریان بالا اتفاق بیفتد. در غیر اینصورت جریان اعمالی برای تجزیه آب هدر میرود]12[ .
(2-3) 2H2O – 4e- ? O2 + 4H+
2-6-2- مدل پیشنهادی برای اکسایش آندی مواد آلی به کمک رادیکال‌های هیدروکسیل]12[
در این مدل رفتار متفاوت الکترودها در اکسایش الکتروشیمیایی باعث دستهبندی الکترودها به دو گروه مختلف میشود:
آند فعال مانند , RuO2 IrO2
آند غیر فعال مانند BDD13 , PbO2 , SnO2
در مدل پیشنهادی فرض شده است که واکنش اولیه اکسایش مولکولهای آب و تشکیل رادیکال هیدروکسیل در هر دو نوع آند طبق واکنش زیر اتفاق میافتد.
(2-4) M + H2O ? M(OH?) + H+ + e-
فعالیت الکتروشیمیایی و شیمیایی M(OH?) به ماهیت ذاتی الکترود وابسته است. در مرحله بعد سطح آند فعال با رادیکال هیدروکسیل برهمکنش قوی ایجاد کرده و سوپراکسید (MO) ایجاد میشود.
(2-5) M(OH?) ? MO + H + + e –
اما سطح آند غیرفعال با رادیکال هیدروکسیل برهمکنش ضعیف ایجاد کرده که باعث واکنش مستقیم مواد آلی با M(OH?) و اکسایش کامل آنها و تولید CO2 میشود.
(2-6) + xH + + ye – + nH2O R + a M (OH?) ? aM + mCo2
2-7- آلایندهی فنل
فنل یکی از رایجترین آلایندههای آلی آب میباشد زیرا حتی در غلظتهای کم نیز سمی است. وجود فنل در آبهای طبیعی در طول فرآیندهای اکسایش و ضدعفونی کردن سبب تشکیل مشتقات و آلودگیهای ثانویه میگردد. به فنل اسید فنیک یا اسید کربولیک نیز گفته میشود. این ماده یک ترکیب آروماتیکی است که در دما و فشار محیط به صورت یک جامد بلورین
میباشد، به شکل خالص سفید رنگ است اما اغلب به علت وجود ناخالصیها رنگی است. شکل
(2-1) ساختار فنل را نشان میدهد. برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی فنل در جدول (2-1) آورده شده است.
شکل (2-1) ساختار فنل
جدول (2-1) خواص فیزیکی و شیمیایی فنل
فرمول شیمیایی C6H5OH
وزن مولکولی 94 /11 gr/mol دمای ذوب 40/9 (?C) نقطه اشتعال 79 (?C)
فنل در اتیل الکل، اتر و انواع حلالهای قطبی، همچنین در هیدروکربنهایی نظیر بنزن بسیار قابل حل است. در آب انحلالپذیری محدودی دارد و مانند یک اسید ضعیف رفتار میکند.
2-7-1- منابع و سنتز صنعتی فنل
امروزه فنل با نرخی حدود 6 میلیون تن در سال در سطح جهان تولید میشود که روند رو به رشد قابل توجهی نیز دارد. فرآیندهایی نظیر فرآیندهای اکسایش و ساخت سه مرحلهای شامل ساخت همزمان فنل و استون از بنزن، پروپیلن و اکسیژن میباشد که حدود 95% فنل مصرفی در کل جهان را تولید میکند. انواع دیگری از ساخت صنعتی فنل وجود دارد. به عنوان مثال، از طریق کلروبنزن ( واکنش با سود سوزآور در دمای ) oC350(( یا بوسیله اکسایش تولوئن از طریق اسید بنزوئیک.
فنل همچنین در بنزول و قیر زغال سنگ وجود دارد که در طول ساخت ذغال سنگ بدست
میآیند. فنل و بسیاری از مشتقات آن ترکیبات طبیعی بسیاری از مواد نظیر چای، شراب یا غذاهای دودی هستند. همچنین ممکن است فنل از احتراق سوختهای فسیلی و تنباکو استخراج شود. در فضولات حیوانی و مواد آلی تجزیه شده نیز فنل وجود دارد. ممکن است فنل در هوا به عنوان محصولی از فتواکسایش بنزن تشکیل گردد..
2-7-2- کاربردهای صنعتی فنل
فنل به شکل خالص به عنوان یک ضدعفونی کننده استفاده میشود و بخاطر ویژگیهای
میکروبکشی و بیحسکنندگیاش در تهیه بعضی از کرمها و صابونها کاربرد دارد. در دامپزشکی به عنوان یک ضدعفونی کننده داخلی، به عنوان عامل لختهزا در چسب مایع، به عنوان حلال جداکننده در پالایشگاه و تولید مواد روغنی، به عنوان یک واکنشگر در تجزیه و تحلیل شیمیایی و به عنوان یک واسطه اساسی در پتروشیمی کاربرد دارد. بیشترین استفاده آن(35% ) برای تولید رزینهای فنولیک مانند رزینهای فنل- فرمالدهید میباشد که رزینهایی کمهزینه و سختیپذیر میباشند که در ساختمان، خودروسازی و در صنایع هوایی کاربرد دارند.
خاصیت استرلیزه کردن فنل توسط یک جراح انگلیسی در سال 1865 کشف شد. معلوم شد که عمل میکروبکشی و خاصیت ضدعفونیکنندگی فنل مربوط به توانایی این ماده در تغییر دادن
ماهیت پروتئینهای مواد است. از سوی دیگر فنل اثرات مضری بر روی سلامتی بشر میگذارد. تولید و انتقال فنل و همچنین استفاده بسیار زیاد از آن منجر به این میشود که کارگران از راه تنفس، بلع، تماس چشمی و پوستی و جذب از راه پوست در معرض این ماده باشند. فنل به سرعت از راه پوست جذب میشود و به محض تماس میتواند باعث سوزش پوست و چشم شود. تماس بیش از حد با این ماده ممکن است عوارضی مانند بیهوشی، تشنج، یرقان و مرگ داشته باشد. اساساً فنل روی کبد، کلیهها، ششها و سیستم قلب و عروق تأثیر میگذارد و بلعیدن یک گرم از فنل منجر به مرگ انسان میشود. نازیهای آلمانی با تزریق فنل به اسیران جنگی به مدت بسیار کوتاهی در حد چند ثانیه موجب مرگ آنها می‌شدند.

2-7-3- صنایع تولید کننده فنل
فنل در پساب صنایع مختلف وجود دارد نظیر پالایشگاهها ) mg/l500-6( ، عملیات ککسازی
) mg/l3900-28( ، فرآیندهای زغالسنگ) mg/l6800-9( و ساخت مواد شیمیایی نفتی
) mg/l1220-8/2( . فنل همچنین جز اصلی ماده آلی موجود در میعان جریانها در عملیات تبدیل به گاز و چگالش زغالسنگ میباشد. منابع دیگر آب‌های روان با آلودگی فنلی نظیر محصولات چوب، دارویی، پلاستیک، رنگرزی و صنایع کاغذ سازی ) mg/l1600-1/0( هستند. به عنوان یک مورد خاص میتوان گفت که فاضلابهای کارخانههای تولید روغن زیتون پر از مشتقات فنل و پلیفنل میباشند. پسابهای فنلی به دلیل سمیت نباید بدون فرآیند تصفیه به سمت آب‌های آزاد هدایت شوند. به خاطر ماهیت سمی فنل آژانس حفاظت از محیط زیست استانداردی برای درجه خلوص آبهای سطحی تعیین کرد که مقدار آن برای فنل ppb141 است. در کشور ایتالیا با توافق پیشنهاد اتحادیه اروپا محدودیت فنل در آبهای آشامیدنی و معدنی به اندازه
ppb 5/0 میباشد در حالیکه محدودیت برای دفع پساب‌ها، mg/l5/0 برای آبهای سطحی و
mg/l1 برای سیستم فاضلاب است ]13[.
2-8- انتخاب الکترود مناسب برای انجام فرآیند تصفیه
زدایش فنل توسط فرآیند اکسایش الکتروشیمیایی روی سطح آند صورت میپذیرد. بنابراین میزان بازدهی فرآیند اکسایش شدیداً وابسته به جنس آند بکار رفته در سیستم است. برای حصول بیشترین بازده باید بهترین و مناسبترین الکترود ( از نظر اقتصادی) را بکار برد.
با کمک بعضی از مواد آندی میتوان فنل را به طور کامل معدنی کرد به طوریکه در پایان آب و دیاکسیدکربن به عنوان محصولات نهایی واکنش بدست میآیند. اما در مقابل با بکار بستن برخی از مواد به عنوان آند معدنی شدن ناقص فنل صورت میپذیرد بدین ترتیب که حلقه آروماتیکی فنل باز میشود و ترکیبات آلیفاتیکی بوجود میآید و در پایان ممکن است تجمع برخی اسیدهای کربوکسیلیک، هیدروکینون و بنزوکینون در سیستم مشاهده گردد [14]. بنابراین میتوان گفت اگر چه پسابهای آلی میتوانند توسط مواد آندی مختلفی اکسید شوند اما یک فاکتور مهم برای کاربرد فرآیند تصفیه الکتروشیمیایی ماده آندی است که میتواند مواد آلی موجود در پسابها را با کارایی بالا تبدیل به مواد معدنی کند [2].
در حقیقت می‌توان گفت که تجزیه آلایندهها با استفاده از فرآیند اکسایش الکتروشیمیایی دارای مکانیسم پیچیدهای است که شامل 3 مرحله زیر میشود:
فرآیند انتقال جرم: نفوذ آلایندهها از بالک سیال به سطح الکترود
جذب سطحی و دفع: که شامل جذب سطحی آلایندههای نزدیک الکترود به سطح الکترود و دفع واسطهها از سطح الکترود میباشد.
واکنش الکتروشیمیایی: واکنش اکسایش آلایندهها به وسیله از دست دادن الکترون از دو مسیر مستقیم و غیرمستقیم است.
اما روی الکترودهای مختلف تفاوتهایی در این 3 مرحله دیده میشود [15]. میتوان گفت واکنش الکتروشیمیایی که روی سطح الکترود رخ میدهد به مشخصات الکترود و مواد آند بستگی دارد. بنابراین همواره سعی بر این بوده است که یک ماده الکترود با ویژگیهای مناسب مانند: مساحت سطح بالا، پتانسیل رهایش اکسیژن بالا، پایداری بالا، فعالیت بالا و مناسب از جهت اقتصادی انتخاب گردد [16].
تاکنون الکترودهای فراوانی برای بررسی فرآیند اکسایش الکترود شیمیایی فنل بکار برده شدهاند. این الکترودها عبارتند از:
الماس بر پایه بور(BDD)
پلاتین
گرافیت
کربن فعال
نیکل
Ti/RuO2
Ti/RuO2-Pt
Ti/IrO2-Pt
Ti/SnO2-Sb
Ti/SnO2+Sb2O3/PbO2
Ti/SnO2+Sb2O3/RuO2+PbO2

از میان الکترودهای مورد بررسی الکترود BDD به دلیل داشتن ویژگیهایی نظیر سختی، پایداری بالا و پتانسیل رهایش بالا گزینه مناسبی برای زدایش فنل معرفی شدهاست [15]. اما باید به این نکته توجه داشت که هزینه ساخت و تهیه این الکترود بسیار بالاست و از نظر اقتصادی استفاده از این الکترود برای تصفیه پسابهای فنلی مقرون بهصرفه نیست.
همچنین الکترود گرافیت به عنوان ارزانترین و کمهزینهترین الکترود معرفی شده است، اما بازده زدایش توسط این الکترود بسیار پایین است. برای افزایش کارایی این الکترود حتماً لازم است که ترکیباتی به عنوان کاتالیزور به سیستم افزوده گردد که همین مسئله ممکن است از نظر اقتصادی بسیار هزینهبر باشد [17]. بنابراین باید روشهایی را بررسی کرد که با بهینه کردن شرایط عملیاتی بتوان از الکترودهایی با ویژگیهای مناسب و از لحاظ اقتصادی توجیهپذیر، برای زدایش فنل از پسابهای صنایع گوناگون استفاده نمود.
2-9- مکانیسم کلی اکسایش الکتروشیمیایی فنل توسط الکترودهای مختلف
میدانیم ترکیبات آلی در محلول آبی میتوانند از دو مسیر روی آند اکسید شوند:
انتقال مستقیم الکترون
انتقال غیرمستقیم اتم اکسیژن
– در انتقال مستقیم الکترون، مواد آلی روی سطح آند جذب میشوند و الکترونها را به آند
میدهند:
(2-7)

– با انتقال غیرمستقیم اتم اکسیژن کاملاً مشخص است که رادیکالهای اکسیژن مخصوصاً رادیکالهای هیدروکسیل که از الکترولیز آب تولید میشوند نقش حیاتی را در مکانیسم اکسایش الکتروشیمیایی مواد آلی ایفا میکنند.
تشکیل رادیکالهای هیدروکسیل به قرار زیر است:
(2-8)
در ضمن رادیکالهای هیدروکسیل با یکدیگر واکنش داده و مولکولهای اکسیژن لازم جهت تکمیل الکترولیز آب را تولید میکنند:
(2-9)
در نهایت رادیکالهای هیدروکسیل به آسانی با مولکولهای مواد آلی که روی آند یا در مجاورت سطح آند جذب میشوند واکنش زیر را انجام میدهند [20]:
(2-10)
در تمام مکانیسمهای اکسایش فنل این موضوع کاملاً واضح است که این فرآیند با انتقال یک الکترون آغاز میشود که منجر به واکنشهای تشکیل رادیکال فنوکسی میشود. واکنشهای رادیکال باعث تشکیل بنزوکینون میشود که این ترکیب یکی از واسطههای مهم فرآیند اکسایش فنل به حساب میآید. در مرحله بعد، بنزوکینون با باز شدن حلقه به اسیدهای کربوکسیلیک مختلف تجزیه میشود. تاکنون چندین مکانیسم مختلف برای تجزیه بنزوکینون پیشنهاد شده است. روند تجزیه بنزوکینون بدین ترتیب است که ابتدا این ترکیب روی آند جذب سطحی میشود و یک الکترون از دست میدهد. پس کربنی که با اکسیژن پیوند دوگانه دارد توسط رادیکال هیدروکسیلی که از الکترولیز آب تولید میشود مورد حمله قرار میگیرد و هنگامی که این فرآیند در موقعیت پارا تکرار شود حلقه بنزوکینون باز می گردد و بنزوکینون به مولکولهای کوچک تراسیدمالئیک تبدیل میشود. با ادامه فرآیند الکترولیز اسید مالئیک در سطح کاتد احیا شده و اسید ساکسینیک بوجود میآید و بعد این ترکیب اسیدی در سطح آند اکسایش یافته به اسید مالونیک و پس به اسید استیک تبدیل میشود و نهایتاً دیاکسیدکربن و آب بوجود میآید [16].

ترتیب واکنشهای زیر برای درک بهتر اکسایش فنل آمده است:
(2-11)
(2-12)
(2-13)
طبق مطالعات انجام شده بعد از تجزیه فنل و تشکیل بنزوکینون در سیستم رنگ الکترولیت به صورت قهوهای مایل به زرد در میآید. با ادامه فرآیند و پس از تولید اسیدهای کربوکسیلیک
رفتهرفته محلول کمرنگ میشود و در نهایت پس از تولید آب و دیاکسید کربن محلول الکترولیتی کاملاً بیرنگ خواهد شد [19].
البته این مکانیسم عمومیت ندارد زیرا همانطور که مطرح شد، اکسایش فنل و محصولات
واسطهای تولید شده در آن با استفاده از روش اکسایش الکتروشیمیایی روی آندهای مختلف متفاوت است و ممکن است با توجه به آند خاص مسیرهای واکنش مختلفی انجام گیرد [20].
مطابق با شکل (2-2)، تجزیه فنل برحسب نوع الکترودی که بکار برده میشود میتواند از مسیرهای متفاوتی صورت گیرد.
شکل (2-2) شمایی از مکانیسم اکسایش الکتروشیمیایی فنل]20[
تاکنون مکانیسم زدایش فنل توسط الکترودهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله الکترودهایی که به عنوان الکترود آند بکار برده شدهاند شامل pt و Ti/SnO2-Sb و … میشوند.
مشاهده شده است که اگر پلاتین به عنوان الکترود آند انتخاب گردد، فنل در ابتدا به رادیکالهای فنوکسی تبدیل میشود. این رادیکالها پس از گذشت چند دقیقه به هیدروکینون و بنزوکینون مبدل میشوند. ممکن است این ترکیبات در سیستم تجمع یابند و ترکیبات پلیمری در سیستم ایجاد شود. در ادامه فرآیند بنزوکینون و هیدروکینون تبدیل به اسید مالئیک میشوند. بعد از گذشت مدتی اسید مالئیک به اسید ساکسینیک و اسید مالونیک مبدل گشته و پس از آن این دو اسید به اسید استیک تبدیل میشوند و در پایان فرآیند از اسیداستیک، آب و دیاکسیدکربن بوجود میآید.
تشکیل ترکیبات پلیمری واکنش جانبی و فرعی محسوب میشود و باید به نحوی از این واکنشها جلوگیری بهعمل آید. زیرا ممکن است این ترکیبات پلیمری روی سطح الکترود آند رسوب کرده و باعث غیرفعال شدن آن گردند.
اگر Ti/SnO2-Sb به عنوان الکترود آند انتخاب شود مکانیسم زدایش فنل شامل مسیر IIIB , I میشود یعنی در ابتدای فرآیند فنل تبدیل به رادیکالهای فنوکسی میشود در ادامه هیدروکینون و بنزوکینون در سیستم بوجود میآیند. پس از مدتی این مواد تبدیل به اسید مالئیک میشوند و در ادامه فرآیند این اسید به اسید اکسالیک مبدل گشته و در پایان اسید اکسالیک به
دیاکسیدکربن و آب تبدیل خواهد شد [20].
2-10- انتخاب الکترولیت پشتیبان مناسب برای انجام فرآیند زدایش
یکی از پارامترهای بسیار مهم که روی سرعت فرآیند اکسایش الکتروشیمیایی فنل تأثیرگذار است ،انتخاب الکترولیت پشتیبان مناسب برای انجام فرآیند میباشد. الکترولیتهای پشتیبان که معمولاً نمکها هستند برای افزایش قابلیت هدایت و رسانندگی محلول و همچنین شتابدهی به انتقال الکترون بکار میروند. بنابراین وجود الکترولیت پشتیبان برای سیستمهایی که رسانندگی آنها کافی نیست ضروری است. علاوهبراین، استفاده از الکترولیت پشتیبان باعث کاهش میزان مصرف انرژی میشود [8 ، 22].
تاکنون از الکترولیتهای مختلفی برای بررسی فرآیند تجزیه فنل استفاده شده است که این الکترولیتها عبارتند از:, Na2SO4 , NaCl , NaOH , Na2CO3 FeSO4 , H2SO4
2-11- مروری بر یافتههای دیگر محققان بر روی روشهای الکتروشیمیایی زدایش فنل
تحقیقی توسط کالچوا15 و همکارانش در سال 1999 روی اکسایش آندی فنل انجام گرفت که این مطالعه مقایسهای بین عملکرد دو آند پلاتین و آلیاژ پلاتین/ طلا بود. همچنین در این تحقیق تأثیر پارامترهای عملیاتی نظیر غلظت فنل و دما روی میزان زدایش فنل مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات در یک محیط بازی انجام شد و برای رسیدن به این محیط بازی از محلول هیدروکسیدپتاسیم استفاده شد. نتایج نشان داد که با استفاده از آند پلاتین یک واکنش
تکالکترونه در مسیر اکسایش فنل انجام میگیرد که منجر به تشکیل P-biphenol P¸ به عنوان محصول اولیه اکسایش میشود اما با همان شرایط عملیاتی و با استفاده از یک آند آلیاژ
پلاتین / طلا، یک مسیر واکنش دوالکترونه بوجود میآید که این مسیر هیدروکینون را به عنوان محصول ابتدایی فرآیند اکسایش بوجود میآورد [23].
پژوهش دیگری توسط کانیزارس16 و همکارانش در سال 1999 صورت گرفت که در آن تأثیر دانسیته جریان را روی اکسایش الکتروشیمیایی پسابهای فنلی مورد بررسی قرار دادند. در این آزمایشات کربن فعال به عنوان الکترود آند و استیل به عنوان کاتد استفاده گردید. همچنین از کالومل به عنوان الکترود مرجع استفاده شد. بررسیها نشان داد سه مسیر واکنش متفاوت ممکن است در این فرآیند رخ دهد که این سه مسیر عبارتند از: تجزیه مستقیم یا احتراق الکتروشیمیایی سرد، اکسایش شیمیایی و پلیمریزاسیون. پساب مورد مطالعه یک نمونه سنتزی حاوی فنل با غلظتی معادل mg/l1750 بود. در طی انجام فرآیند pH محلول در مقدار 12 ثابت نگه داشته شد. همچنین از نمک سولفات سدیم به عنوان الکترولیت پشتیان استفاده گردید. هدف از انجام این تحقیق بررسی و تعیین شرایط عملیاتی و به طور ویژه دانسیته جریان به نحوی بود که مسیر واکنش به سمت اکسایش الکتروشیمیایی فنل بیش رود. در نهایت این نتیجه بدست آمد که دانسیته جریان در میزان زدایش فنل بسیار مؤثر است به طوریکه با افزایش دانسیته جریان میزان زدایش فنل به طرز چشمگیری بهبود مییابد [24].

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید