مدل‌سازی تصفیه الکتروشیمیایی فنل و پیش‌بینی میزان مصرف انرژی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

فنل آلاینده‌ای سرسخت در مقابل تصفیه‎های فیزیکی-شیمیایی و بیولوژیکی است که در پساب بسیاری از صنایع وجود دارد و به‌شدت محیط زیست را به خطر می‌اندازد. لذا، فرایندهای اکسایش پیشرفته به‌عنوان فرایندهای مؤثر برای تصفیه پساب‎های دارای آلاینده‎های سمّی و آلاینده‎های آلی مقاوم توسعه یافته‎اند. هدف از این تحقیق ارائه یک مدل ریاضی‌ برای اکسایش الکتروشیمیایی فنل با توجه به تغییرات COD با زمان در راکتور ناپیوسته بود. در این مدل با توجه به نسبت دانسیته جریان عملی به دانسیته جریان حدی، رژیم‌های عملیاتی مختلفی برای کنترل فرایند در نظر گرفته شد. به این ترتیب که در دانسیته جریان پایین و غلظت اولیه بالا، به گونه‌ای که شرایط فرایند همواره پایین‌تر از شرایط حدی باشد، COD با زمان به‌صورت خطی کاهش می‌یابد و فرایند توسط جریان کنترل می‌گردد اما در دانسیته جریان‌های بالاتر از شرایط حدی و غلظت کم آلاینده، فرایند تحت کنترل انتقال جرم است که در این رژیم COD به‌صورت نمایی با زمان تغییر می‌کند. پارامترهای مدل عبارت‌اند از دانسیته جریان، غلظت اولیه‌ فنل و مساحت الکترود. با توجه به اهمیت مقدار انرژی الکتریکی مورد نیاز، محاسبه میزان مصرف انرژی فرایند اکسایش الکتروشیمیایی فنل در مدل ریاضی مورد توجه قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که افزایش دانسیته جریان و پتانسیل عملی منجر به افزایش میزان مصرف انرژی الکتریکی می‌گردد و با کاهش غلظت اولیه فنل میزان مصرف انرژی نیز کاهش می‌یابد. در بخش اعتبارسنجی مدل، نتایج حاصل از مدل با مقادیر آزمایشگاهی ارائه شده در منابع مورد مقایسه قرار گرفتند. تطابق خوبی بین نتایج تجربی و پیش‌بینی شده از مدل در همه شرایط آزمایشگاهی با محاسبه ریشه متوسط مربعات خطاRMSE) ) در محدوده‎ 41/0 تا 22/1 و ضریب تعیین بالاتر از 91/0 مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling of Electrochemical Treatment of Phenol and Prediction of Specific Energy Consumption

نویسندگان [English]

  • Najmeh Khabbazi 1
  • Soosan Rowshanzamir 2
چکیده [English]

Phenol belongs to the recalcitrant pollutants to conventional physical chemical and biological treatments. These compounds are released in the surface water by a considerable number of industries, constituting an environmental hazard.  On the other hand, the advanced oxidation processes (AOPs) have been defined as effective processes for treatment of wastewater containing toxic and persistent organic pollutants. In this work, a mathematical model is developed to quantify the variation of chemical oxygen demand (COD) as a function of time during electrochemical oxidation of phenol for a batch system. Depending on applied current density (iappl) with respect to limiting current density (ilim), which decreased during treatment, different operating regimes were identified. In particular, for high organic concentrations or low current densities (iappl ilim), COD decreased linearly over time, indicating a kinetically controlled process. Conversely, for low organic concentrations or high current densities, electrolysis was under mass-transport control and COD  removal followed an exponential trend. Model parameters were: current density, initial phenol concentration and electrode area. The present purpose is to use the model as a design tool for the prediction of specific energy consumption for the elimination of a given organic loading (kg COD h-1). The results showed that the increase of density and applied potential caused increase of specific energy consumption of initial phenol concentration decrease in energy consumed . In the mathematical model validation, the model results were compared with experimental results published in the literature. The good agreement between experimental and model predicted data was obtained in all the examined conditions by accounting root mean square error (RMSE) between 0.013-1.22 and R2>0.91.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mathematical Modeling
  • Phenolic Wastewater Treatment
  • Limiting Current Density
  • COD
  • Specific energy consumption
1- Ma, H., Zhang, X., Ma, Q., and Wang, B. (2009). “Electrochemical catalytic treatment of phenol wastewater.” J. of Hazardous Materials, 165 (1-3), 475-480.

2- Velegraki, T., Balayinnis, G., Diamadopoulos, E., Katsaounis, A., and Mantzavions, D. (2010). “Electrochemical oxidation of benzoic acid in water over boron-doped diamond electrodes: Statistical analysis of key operating parameters, kinetic modeling, reaction by-products and ecotoxicity.” Chemical Engineering Journal, 160(2), 538-548.

3- Canizares, P., Garcia-Gomez, S., Lobato, J., and Rodrigo, M. A. (2004). “Modeling of wastewater electro-oxidation processes partI.General description and application to inactive electrodes.” Applied Chemistry, 43, 1915-1922.

4- Polcaro, A.M., Palmas, S., Renoldi, F., and Mascia, M. (1999). “On the performance of Ti/SnO2 and Ti/PbO2 anodes in electrochemical degradation of 2-chlorophenol for wastewater treatment.” J. of Applied Electrochemistry, 29, 147-151.

5- Canizares, P., Dominguez, J. A., Rodrigo, M. A., Villaenor, J., and Rodriguez, J. (1999). “Effect of the current intensity in the electrochemical oxidation of aqueos phenol wastes at an activated carbon and steel anode.” American Chemical Society, 38, 3779-3785.

6- Panizza, M., Michaud, P.A., Cerisola, G., and Comniellis, Ch. (2001). “Electrochemical treatment of wastewaters containing organic pollutants on boron-doped diamond electrodes: Prediction of specific energy consumption and required electrode area.” Electrochemistry Communications 3, 336-339.

7- PCanizares, P., Garcia-Gomez, J., Lobato, J., and Rodrigo, M.A. (2004). “Modeling of wastewater electro-oxidation processes partII. Application to active electrodes.” Applied Chemistry, 43, 1923-1931.

8- Mascia, M., Vacca, A., Palmas, S., and Plcaro, A.M. (2007). “Kinetics of the electrochemical oxidation of organic  compounds at BDD anodes: Modeling of surface reactions.” J. of Applied Electrochemistry, 37, 71-76.

9- Jamshidi, N., Torabian, A., Azimi, A.A., Nabi Bidhendi, Gh., and Jafarzadeh, M. T. (2009). “Investigation of phenol removal in aqueous solutions using advanced photochemical oxidation (APO).” J. of Water and Wastewater, 72, 24-29. (In Persian)

10- Alemzadeh, I., Nejati, S., and Motamed, S. (2010). “Phenol removal by immobilized horseradish peroxidase.” J. of Water and Wastewater, 74, 2-9. (In Persian)

11- Malakootian, M., and Asodi, M. (2011). “Efficiency of fenton oxidation process in removal of phenol in aqueous solutions.” J. of Water and Wastewater, 79, 45-52. (In Persian)

12- Christos Comninellis, Ch. (2006). “Electrode material for the electrochemical oxidation of organic pollutants for wastewater treatment.” 4th European Summer School on Electrochemical Engineering, ESSEE 4, Palić, Serbia and Montenegro.

13- Panizza, M., and Cerisola, G. (2009). “Direct and mediated anodic oxidation of organic pollutants.” Chemical Reviews, 109, 6541-6569.

14- Rajkumar, D., Kim, J.G., and Palanivelu, K. (2005). “Indirect electrochemical oxidation of phenol in the presence of chloride for wastewater treatment.” Chemical Engineering Technology, 28, 98-105.

15- Panizza, M., Michaud, P.A., Cerisola, G., and Comninellis, Ch. (2001). “Anodic oxidation of 2-naphthol at boron-doped diamond electrodes.” J. of Electroanalytical Chemistry, 507, 206-214.

16- Kapałka, A., Gyorgy, F., and Christos, C. (2007). “Investigations of electrochemical oxygen transfer reaction on boron-doped diamond electrodes.” Electrochimica Acta, 53, 1954-1961.

17- Mollaei, M., and Rowshanzamir, S. (2011). “Experimental investigation of electrochemical oxidation of phenol for wastewater treatment.” M.Sc. Thesis, Green Research Center, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. (In Persian)

18- Khabazi, N., and Rowshanzamir, S. (2011). “Modeling of electrochemical oxidation of phenol for wastewater treatment.” M.Sc. Thesis, Green Research Center, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. (In Persian)