مدل¬سازی سینتیکی و بهینه سازی پارامترهای موثر تصفیه فاضلاب 4-کلروفنل در فرآیند جذب با نانو کاتالیست کربن فعال/مگنتیت در محلول آبی
محورهای موضوعی : فنآوری های نوین در منابع طبیعی و محیط زیست
فرهام امین شرعی
1
,
محمد آسترکی
2
,
سهند جرفی
3
,
رضا درویشی چشمه سلطانی
4
,
مجتبی نصر اصفهانی
5
1 - گروه مهندسی ایمنی، بهداشت و محیط زیست، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.
2 - گروه مهندسی شیمی، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.
3 - گروه مهندسی شیمی، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.
4 - گروه مهندسی شیمی، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.
5 - گروه شیمی ، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسالمی، نجف آباد، ایران
کلید واژه: مدلسازی سینتیکی, 4-کلروفنل, جاذب, کربن فعال/مگنتیت,
چکیده مقاله :
مقدمه: ترکیبات آلی و حلقوی کلرینه نظیر 4-کلروفنل، در منابع آب های سطحی و زیرزمینی به دلیل کاربرد فراوان آن در صنایع مختلف و ایجاد مشکلات و عوارض جبران ناپذیری مانند سرطانزایی، جهش زایی، ناهنجاری های مادرزادی و سمیت بالا بسیار مورد توجه سازمان های حفاظت از محیط زیست بوده است. مواد و روش‌ها: این مطالعه یک پژوهش کاربردی است که به صورت پایلوت و در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. در این مطالعه ابتدا محلول آبی حاوی 4-کلروفنل تهیه شد و سپس با استفاده از لاستیک ضایعاتی برای تهیه کربن فعال نانو کاتالیست کربن/ مگنتیت تهیه شد و بدین منظور ml 100 از محلول آبی در تماس با جاذب کربن فعال قرار گرفت و متغییر های تاثیرگذار در فرایند جذب (pH، دما، دوز جاذب و زمان ماند) از روش پاسخ سطح (RSM) با انتخاب طرح مرکب مرکزی (CCD) طراحی شد. نتایج و بحث: برای فرایند جذب 4-کلروفنل با استفاده از کربن فعال/مگنتیت، یک الگوی آزمایش با 30 اجرا انجام شد و R^2 تنظیم شده و پیش بینی شده به ترتیب 919/0 و 762/0 برآورد گردید و بر اساس ANOVA، مدل فرایند جذب 4-کلروفنل با جاذب پیشنهادی معنی دار بود و F-value 58/24 بود.همچنین عوامل مستقل در این مطالعه(,pH دما، دوز جاذب و زمان ماند)، معنی دار بودند نتیجه‌گیری: با توجه به تاثیر پارامترهای مختلف در انتخاب شرایط بهینه نرم افزار، 100 راه حل پیشنهاد کرد، که در نهایت اولین راه حل با 948/0 مطلوبیت انتخاب شد که پارامترهای تاثیر گذار برای جذب به این شرح بهینه شد: 3 pH ، دمای ℃ 42.5 ، دوز جاذب g L^(-1) 84/1 و زمان ماند 91 دقیقه. همچنین نتایج مدلسازی جذب نشان داد با افزایش مصرف دوز بیشتر جاذب، فرایند می تواند در زمان کوتاه تری به پایان برسد و همچنین افزایش بیش از مقدار بهینه ی دوز جاذب از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
Introduction: Organic and cyclic chlorinated compounds such as 4-chlorophenol in surface and underground water sources due to its widespread use in various industries and causing irreparable problems and side effects such as carcinogenesis, mutagenesis, birth defects and high toxicity are of great concern to conservation organizations. It was from the environment. Materials and Methods: This study is an applied research that was conducted in a pilot and laboratory scale. In this study, first an aqueous solution containing 4-chlorophenol was prepared, and then using waste rubber to prepare activated carbon, carbon/magnetite nano catalyst was prepared, and for this purpose, 100 ml of the aqueous solution was placed in contact with the activated carbon absorber and the influencing variables In the adsorption process (pH, Temperature, Adsorbent dose and Retention Time) the response surface method (RSM) was designed by selecting the central composite design (CCD). Results and Discussion: For the absorption process of 4-chlorophenol using activated carbon/magnetite, a test model was conducted with 30 runs and the adjusted and predicted R2 were estimated as 0.919 and 0.762, respectively, and based on ANOVA, the process model The absorption of 4-chlorophenol with the proposed adsorbent was significant and the F-value was 24.58. Also, the independent factors in this study (pH, Temperature, Adsorbent dose and Retention Time) were significant. Conclusion: According to the influence of different parameters in choosing optimal conditions, The software proposed 100 solutions, and finally the first solution was selected with a favorability of 0.948, and the effective parameters for absorption were optimized as follows: pH 3, temperature 42.5 ℃, adsorbent dosage g L(-1) 1.84 and the retention time is 91 minutes. Also, the results of adsorption modeling showed that by increasing the dosage of adsorbent, the process can be completed in a shorter time, and increasing the adsorbent dose beyond the optimal amount is not economically viable.
1- Niu H, Zheng Y, Wang S, Zhao L, Yang S. Continuous generation of hydroxyl radicals for highly efficient elimination of chlorophenols and phenols catalyzed by heterogeneous Fenton-like catalysts yolk / shell Pd @ Fe 3 O 4 @ metal organic frameworks. J Hazard Mater [Internet]. 2018;346(December 2017):174–83. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.12.027
2- Zhu Y, Fan W, Feng W, Wang Y, Liu S, Dong Z. A critical review on metal complexes removal from water using methods based on Fenton-like reactions : Analysis and comparison of methods and mechanisms. J Hazard Mater [Internet]. 2021;414(37):125517. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125517
3- Fu W, Yi J, Cheng M, Liu Y, Zhang G, Li L. When bimetallic oxides and their complexes meet Fenton-like process. J Hazard Mater. 2022;424(October 2021).
4- Liu W, Wang J, Liu J, Hou F, Wu Q, Wang C, et al. Preparation of phenylboronic acid based hypercrosslinked polymers for effective adsorption of chlorophenols. 2020;1628.
5- Jiang X, Xiao Y, Xiao J, Zhang W, Rongliang Q. Chemosphere The effect of persistent free radicals in sludge derived biochar on p-chlorophenol removal. Chemosphere [Internet]. 2022;297(February):134218. Available from: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134218
6- Tang B, Zou J, Wang X, Li B, Fu D, Thapa S. Science of the Total Environment Theoretical insights into the gas / heterogeneous phase reactions of hydroxyl radicals with chlorophenols : Mechanism , kinetic and toxicity assessment. Sci Total Environ. 2022;807.
7- Peng Y, Yan Y, Wang J, Xiang Z, Li Y, Yang J, et al. CdSe cluster-modified biogenic α -FeOOH based on macroporous biochar for Fenton-like reaction of As ( III ). Appl Surf Sci [Internet]. 2022;589(February):152872. Available from: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152872
8- Duan Z, Zhang W, Lu M, Shao Z, Huang W, Li J, et al. Magnetic Fe 3 O 4 / activated carbon for combined adsorption and Fenton oxidation of 4-chlorophenol. Carbon N Y [Internet]. 2020;167:351–63. Available from: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.106
9- Yang J, Li P, Duan X, Zeng D, Ma Z, An S. Insights into the role of dual reaction sites for single Ni atom Fenton-like catalyst towards degradation of various organic contaminants. J Hazard Mater [Internet]. 2022;430(February):128463. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128463
10- Santana-martínez G, Roa-morales G, Martin E, Romero R, Frontana-uribe BA, Natividad R. Electrochimica Acta Electro-Fenton and Electro-Fenton-like with in situ electrogeneration of H 2 O 2 and catalyst applied to 4-chlorophenol mineralization. 2016;195:246–56.
11- Hadi S, Taheri E, Mehdi M, Fatehizadeh A. Synergistic degradation of 4-chlorophenol by persulfate and oxalic acid mixture with heterogeneous Fenton like system for wastewater treatment : Adaptive neuro-fuzzy inference systems modeling. J Environ Manage [Internet]. 2020;268(April):110678. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110678
12- Shen T, Wang P, Hu L, Hu Q, Wang X, Zhang G. Journal of Environmental Chemical Engineering Adsorption of 4-chlorophenol by wheat straw biochar and its regeneration with persulfate under microwave irradiation. J Environ Chem Eng. 2021;9(February):1–11.
13- Niu H, Zheng Y, Wang S, Zhao L, Yang S. Continuous generation of hydroxyl radicals for highly efficient elimination of chlorophenols and phenols catalyzed by heterogeneous Fenton-like catalysts yolk / shell Pd @ Fe 3 O 4 @ metal organic frameworks. J Hazard Mater [Internet]. 2018;346(December 2017):174–83. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.12.027
14- Abdullah N, Ainirazali N, Najmuddin M. Materials Today : Proceedings Tea waste residue as low-cost biosorbent for treatment of 2 chlorophenol. Mater Today Proc [Internet]. 2022;57:1048–52. Available from: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.167
15- Beni AA. Design of a solar reactor for the removal of uranium from simulated nuclear wastewater with oil-apatite ELM system. Arab J Chem [Internet]. 2021;14(2):102959. Available from: https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2020.102959
16- Vahdat A, Ghasemi B, Yousefpour M. Synthesis of hydroxyapatite and hydroxyapatite/Fe3O4 nanocomposite for removal of heavy metals. Environ Nanotechnology, Monit Manag [Internet]. 2019;12(March):100233. Available from: https://doi.org/10.1016/j.enmm.2019.100233
17- Saja S, Bouazizi A, Achiou B, Ouaddari H, Karim A, Ouammou M, et al. Fabrication of low-cost ceramic ultrafiltration membrane made from bentonite clay and its application for soluble dyes removal. J Eur Ceram Soc [Internet]. 2020;40(6):2453–62. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.01.057
18-Wagner M, Lin KA, Oh W, Lisak G. Metal-organic frameworks for pesticidal persistent organic pollutants detection and adsorption – A mini review. J Hazard Mater. 2021;413(February):1–8.
19- Soliman NK, Moustafa AF. Industrial solid waste for heavy metals adsorption features and challenges; a review. J Mater Res Technol [Internet]. 2020;9(5):10235–53. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.045
20- Marwani HM, Bakhsh EM. Selective adsorption of 4-chlorophenol based on silica-ionic liquid composite developed by sol – gel process. Chem Eng J [Internet]. 2017;326:794–802. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.030
21- Yadav VB, Gadi R, Kalra S. Clay based nanocomposites for removal of heavy metals from water: A review. J Environ Manage [Internet]. 2019;232(October 2018):803–17. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.11.120
