لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
فرمت فایل word و قابل ویرایش و پرینت
تعداد صفحات: 15
بررسی امکان حذف هیومیک اسید از محیط های آبی توسط فرآیند الکتروشیمیایی ضمن استفاده از الکترود آهنی
چکیده:
حضور هیومیک اسید در منابع آب آشامیدنی حتی به مقادیر ناچیز در طی فرآیند گندزدایی آب توسط ماده کلر منجر به تشکیل محصولات جانبی گندزدایی متأثر بر سلامت بشر و دیگر موجودات می گردد. در این مطالعه قابلیت فرآیند الکتروشیمیایی در حذف این ماده از محیط های آبی در شرایط آزمایشگاه و در یک مخزن شیشهای به حجم موثر یک لیتر، تجهیز شده توسط الکترودهای آهنی به روش دو قطبی، به انجام رسید. در ابتدا مخزن توسط نمونه سنتتیک حاوی غلظت 20 میلی گرم در لیتر هیومیک اسید و pH های 3، 5، 7 و 8، پتانسیل الکتریکی50 ولت در زمانهای واکنش 15، 30، 45، 60 و 80 دقیقه، پر شده و پس از آغاز عملیات واکنش در هر یک از زمان های فوق، نمونه 25 میلی لیتری بر داشت میشد. سپس بلافاصله پس از آماده سازی نمونه ها، مقادیر هیومیک اسید بوسیله میزان جذب پرتو فرابنفش و تعیین کل ماده آلی سنجش می شدند. در ادامه پس از کسب شرایط بهینه در نمونه های سنتتیک، آزمایشات با شرایط بهینه فوق بر نمونه آب طبیعی نیز انجام شد. در نمونه سنتتیک بیشترین راندمان حذف هیومیک اسید با میزان 69/92 درصد در شرایطی حاصل شد که اختلاف پتانسیل 50 ولت، زمان واکنش 80 دقیقه، 5 pH= و هدایت الکتریکی برابر 3000 میکرو زیمنس بر سانتی متر بود، در نمونه آب طبیعی با شرایط بهینه فوق، راندمان کاهش یافت و با میزان 8/68 درصد، حاصل شد. نتایج این مطالعه نشان داده که فرآیند الکتروشیمیایی تجهیز شده با الکترود های آهنی می تواند به عنوان روشی مناسب در حذف ماده هیومیک اسید از محیط های آبی مورد توجه قرار گیرد.
واژگان کلیدی: هیومیک اسید، محیط های آبی، الکتروشیمیایی، الکتروکواگولاسیون، الکترود آهنی.
1- مقدمه:
ترکیبات هیومیک اسید بیشترین قسمت مواد آلی طبیعی محلول در آب های طبیعی را تشکیل می دهند به طوری که می توان 90 درصد کربن آلی محلول در تمامی آبهای طبیعی را به آن ها نسبت داد (1). هیومیک اسید یک ماده درشت مولکول است که در ساختار پیچیده خود حاوی ترکیباتی نظیر گروه های کربوکسیلیک و گروه های فنولیک می باشد (شکل (1))، این ترکیبات در pH های بالاتر از 2 تا غلظت g/lµ 20 در منابع آب زیر زمینی و در منابع آب سطحی تا غلظت mg/l30 به حالت محلول و گونه های با بار منفی وجود دارند (2). ترکیبات هیومیک اسید به تنهایی سمی نمی باشند اما مشکلات ثانویه ای در زمان تصفیه آب آشامیدنی را مسبب می شوند از جمله؛ ایجاد اثرات نامطلوب زیبا شناختی مرتبط با ایجاد رنگ، طعم و بو در آب آشامیدنی (3)، افزایش نقل و انتقالات فلزات سنگین و ترکیبات مصنوعی سمی (2)، کاهش اثر مطلوب فرآیند های متداول تصفیه آب بر حذف آلاینده مورد هدف (4)، خوردگی تأسیسات فلزی (5)، اثر نا مطلوب بر فرآیند انعقاد (6)، اثر نا مطلوب بر فرآیند جذب سطحی (7)، اثر نا مطلوب بر عملکرد غشا ها (8)، موجب رشد مجدد میکروارگانیسم ها در سیستم آب رسانی و مخازن ذخیره آب (9و 10)، افزایش میزان مصرف مواد گندزدا در امور تصفیه آب و مهمتر اینکه در زمان انجام فرآیند گند زدایی ترکیبات هیومیک اسید می توانند با ترکیبات گند زدا وارد واکنش شده و عامل ایجاد بیش از نوع 600 نوع ترکیبات جانبی گند زدایی که THM و HAA ها مسبب سرطان از جمله سرطان مثانه و قسمت انتهایی روده بزرگ در انسان از جمله مهمترین آنها هستند، شوند ( 12 و11). در حال حاضر مهمترین دلیل ذکر شده برای حذف این ترکیبات از آب آشامیدنی با توجه به اعمال قوانین سخت گیرانه گندزدایی مبتنی بر پیشگیری از تشکیل DBPs و کنترل تری هالومتان ها (THMs) و هالو استیک اسید ها (HAAs) می باشد به گونه ایی که مقدار مجاز آنها در آب آشامیدنی توسط سازمان محیط زیست آمریکا به ترتیب در مرحله اول اعمال قوانین حدود µg/L 80 و µg/L 60 و در مرحله دوم حدود µg/L 40 و µg/L30 تعیین شده است (13). سازمان بهداشت جهانی نیز حداکثر مقدار مجاز وجود THMs را در آب آشامیدنی µg/L 100 اعلام نموده است (14). مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی کشور ایران نیز حداکثر مقادیر مجاز حضور تری هالومتان ها در آب آشامیدنی به ترتیب برای برموفرم، دی برموکلرومتان، برمو دی کلرومتان و کلروفرم 1/0، 1/0، 06/0 و 3/0 میلی گرم در لیتر تعیین شده است (15). با توجه به اینکه بر اساس مطالعات انجام گرفته در 10- 20 سال گذشته حضور این ترکیبات در منابع تأمین آب آشامیدنی روند رو به افزایش داشته است در جهت کاهش مقادیر و یا حذف این گونه ترکیبات از منابع آب آشامیدنی قبل از انجام عمل گندزدایی باید اقدام نمود (17- 16و 12). از روش های حذف این ترکیبات از محیط های آبی می توان به انعقاد شیمیایی و ته نشینی، اکسیداسیون، جذب سطحی، توسط تبادل یون و فیلتراسیون توسط غشاءها اشاره نمود(18). در این بین فرآیند الکتروشیمیایی (Electrochemical) با توجه به قابلیت بالای آن در حذف انواع آلاینده ها نیز امروزه در زمینههای مختلف تصفیه آب و فاضلاب، مورد توجه قرار گرفته است (19). این فرآیند بر این اصل علمی استوار است که الکترودها تحت میدان الکتریکی قوی و واکنشهای اکسیداسیون و احیاء قرار گرفته و توسط اعمال جذب، خنثی سازی بار الکتریکی و ایجاد کمپلکس منجر به حذف آلایندههای مورد نظر در محیط آب میشوند (19- 21).
تا کنون مطالعاتی در زمینه بررسی فرآیند انعقاد بر حذف مواد آلی طبیعی و هیومیک اسید از محیط های آبی صورت گرفته است از جمله این مطالعات می توان به مطالعه ای که توسط Qi-yan FENG و همکارانش با عنوان حذف هیومیک اسید از منابع آب زیر زمینی توسط فرآیند الکتروکواگولاسیون (22). مطالعه Christopher W.K و همکارانش با عنوان بهینه سازی میزان آلومینیوم سولفات در حذف مواد آلی محلول(23)، مطالعهAnu Matilainen و همکارانش با عنوان حذف مواد آلی طبیعی در حین انجام فرآیند تصفیه آب (12)، Xiao Zhan و همکارانش با عنوان بررسی اثر راندمان انعقاد پلی آلومینویم کلراید در حذف گونه هایی از مواد آلی طبیعی با جذب اشعه فرابنفش کم در آب های سطحی و متعاقباً بررسی اثرات آنها بر میزان کاهش یون کراید (24)، مصداقی نیا و همکارانش با عنوان استفاده از فرآیند انعقاد در بهینه سازی حذف مواد آلی طبیعی از محیط های آبی با کدورت پایین (25) و مطالعه بررسی اثر فرآیند الکتروکواکولاسیون توسط احمدی مقدم و همکارانش با عنوان حذف کل کربن آلی از فاضلاب های صنعتی توسط فرآیند الکتروکواگولاسیون (26)، اشاره نمود. از آنجایی که اطلاعات موجود در بررسی عملکرد فرآیند الکتروشیمیایی در حذف ماده آلی هیومیک اسید ضمن استفاده از الکترود آهن بسیار کم و ناقص می باشد این مطالعه به منظور رفع شبهات و حدود نا مشخص آن و همچنین جهت ارائه دامنه و امکان استفاده از این روش در امور تصفیه آب انجام گرفته است.
2- مواد و روش ها:
نمونه های مورد استفاده در آزمایشات این مطالعه از دو نوع نمونه آب سنتتیک و نمونه آب خام تهیه شده از منبع آب سطحی چاه نیمه در شهر زاهدان تهیه گردید. تمامی ترکیبات شیمیایی از جمله هیومیک اسید، هیدروکسید سدیم، اسید پرکلریک و کلرید پتاسیم از نوع مواد ساخت شرکت مرک آلمان مورد استفاده قرار گرفتند. تجهیزات مربوط به واحد الکتروشیمیایی شامل یک ظرف بوکال(شیشه نشکن) با حجم مؤثر 1 لیتر، تجهیز شده توسط چهار الکترودهای آهنی صفحه ای مستغرق در محیط ظرف با ابعاد 11×11 سانتیمتر و با فاصله 2 سانتی متر بین صفحات الکترود و کف ظرف بوکال مطابق با شکل(2) بوده است. این تجهیزات به روش اتصال دو قطبی به دستگاه ترانسفورماتور (منبع تغذیه) بمنظور تأمین اختلاف پتانسیل 50 ولت متصل شد. همچنین بمنظور همگن سازی محیط آبی تحت فرآیند توسط همزن مغناطیسی با دور ثابت (70rpm) در نمونه ها عمل اختلاط انجام شد. محلول سنتتیک هیومیک اسید از طریق انحلال مقدار معین پودر هیومیک اسید تجارری با درجه خلوص95/99 درصد در محلول 1/0 نرمال هیدروکسید سدیم ضمن اخطلات شدید به مدت چنین ساعت، تهیه شد. آزمایشات ابتدا بر نمونه های سنتتیک انجام گرفت و پس از کسب اطلاع از شرایط مناسب و بهینه pH، اختلاف پتانسیل و زمان واکنش، آزمایشات با شرایط بهینه فوق بر نمونه آب خام تهیه شده از منبع آب سطحی چاه نیمه در شهر زاهدان با کیفیت مطابق جدول (1) نیز انجام پذیرفت. ماده هیومیک اسید از نمونه آب طبیعی فوق با استفاده از روش کاهش اسیدیته محیط به کمتر از 2 توسط اسید هیدروکلریدریک غلیظ استخراج و توسط دستگاه TOC آنالایزور مدل ANATOC Series п تعیین مقدار شد (27). بمنظور انجام آزمایشات، هر یک از نمونه های سنتتیک مورد نظر با غلظت اولیه20 میلی گرم در لیتر هیومیک اسید، مقادیر pH برابر 3، 5، 7 و 8 ایجاد شده توسط اسید پرکلریک و هیدروکسید سدیم 1/0 و 1 نرمال (سنجش توسط pH متر مدل Denver Ultra basic-UB10 ساخت آمریکا بوده است) و همچنین هدایتهای الکتریکی (EC) 1000، 1500، 2000 و 3000 میکرو زیمنس در سانتی متر حاصل از افزودن محلول 5/0 نرمال کلرید پتاسیم (KCl) (سنجش توسط هدایت سنج مدل TWT-Cond 1310 ساخت آلمان بوده است)، تهیه و به درون ظرف بوکال تزریق شدند و با روشن نمودن منبع تغذیه مجموعه آزمایشات آغاز و دنبال گردید. پس از گذشت زمانهای انجام واکنش 15 – 30 – 45 – 60 و 80 دقیقه اقدام به برداشت نمونه به حجم مناسب با نوع آزمایش مورد نظر، از میانه ظرف بوکال گردیده شد. در ادامه فرآیند نمونه برداری پس از انجام فرآوری های لازم بر نمونه، میزان جذب نور فرابنفش و کل ماده آلی را در نمونه های آب بترتیب توسط دستگاه اسپکتوفتومتر مدلvisible T80 UV مطابق با معادله ذیل (28).
[HS]= 30.48×ABS-2.0549, r= 0.9918
و دستگاه TOC آنالایزور مدل ANA TOC series п مورد آنالیز فوری قرار گرفت. پس از فرارسیدن زمان ختم واکنش(80 دقیقه) اسیدته و دمای نهایی محیط آب نیز ثبت و گزارش شد. همچنین الکترود ها نیز در پایان هر دوره از آزمایشات پس از قرار گرفتن به مدت 30 دقیقه در اسید پرکلریک 1 نرمال، شسته و در دمای 105 درجه سانتی گراد در دستگاه فور خشک، پس از توزین آنها تغییرات وزنی آنها ثبت و گزارش شد. برای مقابله با کاهش حجم محیط آبی تحت فرآیند الکتروکواگولاسیون ناشی از تبخیر حاصل از افزایش دما، میزان کاهش حجم محیط آبی در زمان های معین سنجیده و به همان میزان آب منایب با نوع نمونه مورد آزمایش به محیط آن افزوده شد، این عمل علاوه بر باز گرداندن حجم از دست رفته مقداری موجب خنک شدن محیط آبی می شد. در پایان با توجه به نتایج حاصله از انجام آزمایشات، منحنی های مرتبط با هر یک از پارامتر های pH، زمان واکنش، اختلاف پتانسیل و هدایت الکتریکی ترسیم و ضمن مقایسه این منحنی ها با یکدیگر بهترین، بهینه ترین و بالاترین درصد حذف هیومیک اسید صورت گرفته در مجموعه آزمایشات این مطالعه گزارش شده است. گفتنی می باشد که در پایان بمنظور بررسی تأثیر فرآیند فوق نمونه آب خام تهیه شده از منبع آب سطحی چاه نیمه در شهر زاهدان میزان راندمان کاهش پارامتر های سولفات، نیترات، سختی، فلوراید و همچنین هیومیک اسید تجاری علاوه بر هیومیک اسید از نوع موجو در خود نمونه طبیعی آب را سنجیده و گزارش شده اند. تمامی آزمایشات در این مطالعه به صورت دو بار تکرار و مطابق با روشهای استاندارد ذکر شده در کتاب مرجع آزمایشهای آب و فاضلاب انجام گرفته است(28).
شکل (1): ساختار مرسوم ماده آلی هیومیک اسید(29). شکل(2): دستگاه الکتروشیمیایی با روش دو قطبی مورد استفاده.
3- یافتهها:
در مطالعه حاضر به بررسی فرآیند انعقاد الکتروشیمیایی ضمن استفاده از الکترود های آهنی به عنوان یکی از انواع فرآیند تصفیه پیشرفته مورد استفاده در امور تصفیه آب به جهت حذف بسیاری از آلاینده ها از محیط آب، در حذف ماده آلی هیومیک اسید از دو نمونه آب سنتتیک و طبیعی در پارامتر های متفاوتی از زمان واکنش و pH و ... پرداخته شد. تمامی آزمایشات دو بار تکرار شده و نتایج با حدود اطمینان 95% گزارش شده اند. ویژگی های نمونه آب طبیعی مورد بررسی در جدول (1) آورده شده است.
جدول (1): کیفیت نمونه آب خام تهیه شده از منبع آب چاه نیمه در شهر زاهدان، فصل پائیز سال 1389
پارامتر
مقدار (mg/l)
پارامتر
مقدار (mg/l)
پارامتر
مقدار (mg/l)
NO3-
81/11
pH
78/7
TH
12/580
HCO3-
01/188
UV254 nm, cm-1
189/0
PO4-
092/0
--CO3
67/6
TOC
12/7
C دما `
18
Ca++
28/45
NO2-
008/0
قلیائیت کل (CaCO3)
68/194
Mg++
50/32
SO4-
155
سختی موقت (CaCO3)
35/194
Na+
94/106
Cl-
05/106
سختی کل (CaCO3)
94/246
K+
94/4
F-
48/0
کدورت
09/6
مقاله درباره بررسی امکان حذف هیومیک اسید از محیط های آبی توسط فرآیند الکتروشیمیایی ضمن استفاده از الکترود آهنی
