حذف آهن، روی و منگنز از فاضلاب کارخانه فولاد با استفاده از غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون(کد 0177)

راهنمایی ضروری: اغلب قریب به اتفاق مطالب این سایت ترجمه خود ما هستند. با توجه به اینکه برخی از این مطالب برای خواننده ایرانی ابهام و سرگشتگی ایجاد می کند، گاه مجبور به ارائه توضیحات اضافی هستیم. از آنجا که برای همه خوانندگان واجب و ضروری است که مطالب ترجمه را از توضیحات اضافی تشخیص دهند، تمام توضیحات اضافی را بصورت نوشته های کج دارای خط زیرین آورده ایم.

خلاصه
زمینه و هدف: مقادیر مازاد فلزات سنگین در فاضلاب های صنعتی یک مشکل جدی بحرانی است و نیاز به روش های کارآمدی دارد که باید معرفی شده و مورد استفاده قرار گیرند. در ضمن، کارخانجات فولاد به عنوان واحدهای تولیدی هر کشور مقادیر زیادی از مایعات را به داخل منابع سطحی و زیرزمینی وارد می کنند. عموما، این فاضلاب شامل فلزات سنگین در مقادیر جزیی است، این مقدار می تواند سبب آسیب بزرگی به ارگانیزم های زنده گردد.
مواد و روش ها: در این مطالعه، حذف آهن، منگنز و روی و کل جامدات محلولی که عموما در فاضلاب کارخانجات فولاد یافت می شوند بر مبنای استفاده از اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون مد نظر قرار گرفته است. در ابتدا، مقادیر مختلف پی اچ و فشارهای بهره برداری به فاضلاب اعمال شدند. سپس، این پارامترها برای فاضلاب فقط دارای آهن در قیاس با کنش و واکنش عناصر دیگر در حذف آهن ارزیابی گردید.
نتایج: نتایج دلالت بر این داشت که غشاهای اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون می تواستند با موفقیت فاضلاب دارای چندین فلز سنگین با غلظت های بالای روی، آهن و منگنز را به ویژه در اپتیمم فشار و پی اچ حذف کنند. علاوه بر این، کنش و واکنش دیگر فلزات سنگین و ترکیبات در ورودی بازدهی اسمز معکوس را کاهش داد، ولی کارآیی نانوفیلتراسیون در حذف آهن را ازدیاد بخشید. برای داشتن تصویر بهتر، یک فرمول برای هر روش پیشنهاد شد که تاثیر نرخ حذف پارامترها را مشخص می کند. در نهایت، تخمین هزینه برای هر دو روش نشان داد که اسمز معکوس در قیاس با نانوفیلتراسیون دارای کارآمدی فنی اقتصادی نیست.
نتیجه گیری : نانو فیلتراسیون یک اجرای قابل پذیرش با جریان آب بالا را نشان داد که آن را مناسب صنایع می سازد. در انتها، آنالیز هزینه نسبی نشان داد که حتی اگر قیمت اولیه بالا باشد، هزینه مصرف انرژی و کل هزینه اسمز معکوس بالاتر خواهد بود.
لغات کلیدی: فلزات سنگین، محیط زیست، رگرسیون، هزینه
1- معرفی
فلزات سنگین عناصری هستند که خواص فلزی نشان می دهند و وزن مخصوص بیش از 5 دارند. با گسترش سریع صنایعی از قبیل آبکاری فلزات، بهره برداری از معدن، صنایع کودسازی، دباغی، باتری سازی، صنایع کاغذ، آفت کش ها، ... فاضلاب های فلزات سنگین بطور مستقیم یا غیر مستقیم، به ویژه در کشورهای در حال توسعه، بطور فزاینده ای وارد محیط زیست می شوند. بعضی از این فلزات سنگین همانند آهن، کبالت، مس، منگنز، روی حیاتی برای ارگانیزم های زنده هستند، در حالی که مقادیر مازاد آن ها می تواند به این ارگانیزم ها آسیب وارد نماید. از سوی دیگر، جیوه، کادمیوم و کروم سمی هستند، و تجمع آن ها در طول زمان می تواند سبب آسیب جدی به بدن چیزهای زنده شود. عموما، حذف آهن، روی و منگنز از مشکلات مربوط به تولید آب آشامیدنی است. این سه عنصر مهم از اهداف عمده این پژوهش هستند. یک صنعت که ممکن است سطوح بالایی از آهن، منگنز، روی، کادمیوم و سیانید در فاضلاب خود داشته باشند، کارخانه تولید فولاد است. آب به عنوان جزء ضروری فرآیند تولید فولاد آلوده می شود؛ در حالی که ترکیبات و عناصر مختلفی را حل می کند. در سال های اخیر، به سبب مقررات سختگیرانه و سطوح بهبود یافته توده های آبی، نیاز به معرفی روش جدید برای تصفیه فاضلاب منتج از کارخانجات تولید فولاد بحرانی است. به علاوه، احجام بالایی از آب برای تولید محصولات فولادی مورد نیاز است، و یک تصفیه کارآمد فاضلاب منتج می تواند راه حل تقاضای آبی باشد. البته، اگر کیفیت آب تصفیه شده مناسب باشد، ممکن است به عنوان آب مورد نیاز برای آبیاری، استفاده های بهداشت، ... این کارخانه مصرف شود. امروزه، مقادیر بالای آب برای کارخانه تولید فولاد استفاده می شود. به عنوان مثال، در هند گزارش شده که بطور متوسط هر تن تولید فولاد نیاز به 25 تا 50 متر مکعب آب و 4 تا 5 تن مواد خام دیگر دارد. در موردی دیگر، چین به عنوان بزرگترین تولید کننده فولاد دنیا معرفی شده، و مصرف آب صنایع فولاد و آهن آن حدود 14 درصد کل آب صنعتی مورد استفاده در چین است. به علاوه، به گزارش داده که هر کارخانه فولاد سازی در مالزی حدود 18000 متر مکعب آب در روز مصرف می کند. این مقدار عظیم آب اساسا در اهداف خنک کنندگی تولید فولاد مورد استفاده قرار می گیرد. این سه مثال از قسمت های مختلف دنیا دلالت بر این دارند که تولید فولاد یک صنعت وابسته به آب است و روش تصفیه عملی می تواند به ذخیره سازی منابع آبی کمک نماید. هر چند از روش هایی همانند جریان برق و انعقاد، اکسیداسیون/ فیلتراسیون، تبادل یونی و جذب سطحی برای حذف فلزات سنگین استفاده می شود، هنوز اطلاعات معتبری وجود ندارد تا بر مبنای آن ها با استفاده از روش های فیلتراسیون غشایی نسبت به حذف آهن، منگنز و روی اقدام شود. جدا از این ها، خیلی از روش های ذکر شده محدودیت هایی همانند گرفتگی سریع و غلظت های آلاینده دارند. فیلتراسیون غشایی به عنوان یک فناوری جدید از جمله روش هایی است که به سبب کاربردهای اخیر در سراسر دنیا بهبود یافته است. به دلیل بازدهی بالا، سادگی بهره برداری و ذخیره فضا، انواع مختلف غشاها در حذف فلزات سنگین قابلیت عالی نشان داده اند. بطور کلی، فناوری غشا به 4 روش عمده تقسیم می شود: اولترا فیلتراسیون، اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون و الکترودیالیز.
نانوفیلتراسیون فرایند بین اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس است. نانوفیلتراسیون یک فناوری است که یون های فلزات سنگین از قبیل نیکل، کرم، مس و آرسنیک را از فاضلاب حذف می کند. فرآیند نانوفیلتراسیون از لحاظ سادگی بهره برداری، قابلیت اعتماد، مصرف انرژی نسبتا پایین به همان خوبی کارآمدی بالا در حذف آلاینده است. غشای نانو فیلتراسیون می تواند کادمیوم، منگنز و سرب را با کارآیی های 99، 89 و 74 درصد حذف نماید. از سوی دیگر، فرآیند اسمز معکوس دارای مزیت غشای نیمه تراوا است که به آن اجازه خالص سازی مایعی که آلاینده هایش گرفته شده اند را می دهد. اسمز معکوس یک اختیار تصفیه فاضلاب با تمایل عمومی فزاینده است که در مهندسی محیط زیست و شیمی مطرح می گردد. اخیرا، کاربرد سیستم های مناسب اسمز معکوس در حذف فلزات سنگین بررسی شده است، ولی مطالعات نشان داد که فلزات هنوز در سطحی گسترده وجود دارند. به ویژه، مس، نیکل، آرسنیک، روی و کرم با استفاده از اسمز معکوس در مقادیر معمول بالاتر از 95 تا 99.5 درصد حذف شدند. در مطالعات قبلی، نتایج واضحی از کارآیی اسمز معکوس به دست نیامده بود. جداسازی اتفاق افتاده در نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس به سبب پخش محلول به همان خوبی غربالگری، اثر دونان، ممانعت دی الکتریک و مهاجرت یونی الکترون ها به سوی الکترود با اینجاد برق صورت می گیرد که آن ها را در جداسازی حل شده های آلی باردار و بدون بار مفید می سازد.
به علاوه، پی اچ تغذیه می تواند طبیعت بار سطحی غشا و اندازه خلل و فرج را به اندازه گونه های فلزی محلول تغییر داده و روی بازدهی جداسازی غشا موثر باشد. هوآنگ از وتلند به عنوان پیش تصفیه استفاده کرد تا با حذف آلاینده ها از آهن و فولاد، با استفاده از اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون، حذف آهن و منگنز را میسر و عملی گرداند. آنطور که او گزارش داده است، غلظت اولیه آهن و منگنز 1.59 میلی گرم بر لیتر و 0.53 میلی گرم بر لیتر، به ترتیب، بودند. در مطالعه ای دیگر، ال جلیل و همکاران، با استفاده از اسمز معکوس و رس بنتونیت سعودی به عنوان جاذب، فلزات سنگین را از فاضلاب حذف کردند.( کبالت، آرسنیک و کرم) حداقل حذف به وسیله اسمز معکوس 88 درصد بود، در حالی که حداقل حذف جذب سطحی 89 درصد بود. اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون قادر نیستند کاملا ترکیبات معدنی محلول همانند آهن و منگنز را حذف کنند. به علت اینکه معمولا اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون بازدهی کمتر از اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون دارند، در این مطالعه جهت حذف آهن، منگنز، روی، جامدات محلول، هدایت الکتریکی و کدورت از فاضلاب فولاد سازی از اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون کمک گرفته شد. هر چند مطالعات قبلی حذف آهن، منگنز و روی را ارزیابی کرده بودند، هیچیک از آن ها غلظت بالای این فلزات سنگین را با اعمال غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در تولید فولاد مد نظر قرار نداده بودند. تمرکز اصلی این پژوهش مد نظر قرار دادن غلظت های بالای آهن، منگنز و روی ورودی فاضلاب کارخانه فولاد بود. بنابراین، استفاده از دو روش فیلراسیون غشایی به نام های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون از لحاظ فنی و اقتصادی مقایسه گردید. برای فهم بهتر هر دو روش از روابط ریاضی استفاده شد.
2- مواد و روش ها
2-1- فاضلاب همگن شده(
در این مطالعه، فاضلاب همگن شده برای غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون اعمال گردید. مشخصات فاضلاب فولاد با استفاده از نتایج فاضلاب مالزی به دست آمد. مشخصات فاضلاب کارخانه فولاد و مقادیر استاندارد B به قرار زیر است:
جدول -1 مشخصات کارخانه فولاد

قابل توجه این است که درجه حرارت ورودی 26.5 درجه سانتیگراد بود. همانگونه که از جدول 1 دیده می شود، آهن(23.3 میلی گرم بر لیتر)، روی(4.02 میلی گرم بر لیتر) و منگنز(1.56 میلی گرم بر لیتر) بالاترین غلظت ها را داشتند و از میان آن ها آهن جلوتر از مابقی بود. مطابق با این جدول، دیگر پارامترها در مقادیر استاندارد هستند و فقط آهن، منگنز و روی خارج از محدوده می باشند. بنابراین، اگر فقط غلظت های آهن، منگنز و روی مدنظر واقع شده و کاهش یابد، تهدید دیگری برای محیط زیست وجود ندارد. البته، در کنار آهن، روی و منگنز، مقادیر BOD، COD و TSS باید کاهش یابد تا محدوده های استاندارد رعایت گردند.
2-2- روش شناسی
آزمون های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون با استفاده از غشاهای کامپوزیت پلی آمید ورقه نازک با ترکیب اسپیرال واند(spiral wound) انجام شدند. نوع غشای اسمز معکوس یک Film-Tec BW30-4040 بود و غشای نانوفیلتراسیون یک Film-Tec NF90-4040 بود. جدول 2 نشان دهنده آگاهی عمومی در باره غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون می باشد.
جدول 2- مشخصات غشاهای Film-Tec

تمام مواد شیمیایی مورد استفاده در این پژوهش محصول مرک آلمان بودند. بر مبنای تجربیات، ورودی در مخزن 200 لیتری جمع و ذخیره شده و از یک میکروفیلتراسیون 1 میکرونی عبور داده می شد تا تمام مواد جامد معلق آن حذف شود( ذرات ماسه، لای، آشغال و غبار)

سپس، آن وارد یک کاتریج کربن فعال دانه ای شد تا کلر احتمالی، رنگ و بو حذف شوند. یک دیاگرام شماتیک سر هم بندی مقیاس آزمایشگاهی در تصویر 1 نشان داده شده است.

 

تصویر 1- دیاگرام مقیاس آزمایشگاهی: سیستم های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون

تمام تجربیات در درجه حرارت ثابت 25 درجه سانتیگراد اتاق راهبری شدند. حجم مخزن ذخیره 50 لیتر(0.05 متر مکعب) بود و غلظت با میکسر تانک تنظیم شد. به علاوه، در طی آزمایش، غلظت و پی اچ مکررا کنترل می شدند. این آزمایش یک سیستم بسته بود. برای مثال، یک اختلاط آماده شد، و آزمایشات روی ورودی انجام گرفت.

از آنجا که روش های اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون بطور معمول قادر نیستند فلزات سنگین را بصورت کارآمد تصفیه کنند، اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در مطالعه حاضر اعمال شدند تا آهن، منگنز، روی، TDS و هدایت الکتریکی را از فاضلاب کارخانه فولاد همگون شده حذف نمایند. در این پژوهش، در نخستین گام، فشار بهینه پیدا شد و در این فشار، اثر پی اچ روی حذف آهن، منگنز و روی( در بالاترین غلظت در دسترس فاضلاب)، بخوبی TDS، مطالعه شد. در ضمن، در تمام آزمایش ها، مقدار جریان نشتی گزارش شد. سپس، در پی اچ و فشار بهینه، غلظت آهن( به عنوان بالاترین غلظت در دسترس) تغییر کرد تا کارآمدی غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در غلظت بالاتر فلز سنگین مشاهده شود. بالاخره، برای تعیین تاثیر یون های دیگر روی حذف آهن، یک فاضلاب همگن شده فقط شامل آهن فراهم شد و غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون برای مقایسه کارآمدی حذف آهن در هر دو فاضلاب مقایسه شدند. در انتها، با مقایسه نتایج حاصله از هر دو، غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون، مقایسه هزینه ای بین آن ها صورت گرفته و غشای مناسب این کارخانه تولید فولاد گزارش گردید. برای داشتن فهم بهتر تاثیر تمام پارامترها روی نرخ های حذف، در هر روش تصفیه، فرمولی پیشنهاد گردید.

2-3- روابط کاربردی

اندازه گیری های جریان آب با استفاده از معاده یک در هر فشار ثابت انجام شد؛ جایی که J_V جریان نفوذی(L/m²h)، A سطح موثر بر حسب متر مربع و Q نرخ جریان حجمی(L/h) است:

معادله 1: J_V= Q/A

برای اندازه گیری حذف فلز سنگین، یک غلظت اولیه فلز سنگین به مخزن ذخیره اضافه شد و سپس به میان یک غشای دو گانه پمپ و به هم زده شد. بازدهی حذف با استفاده از معادله شما 2 بیان شد، جایی که E(%) بازدهی حذف است و C_p و C₀ غلظت های نفوذی و مغذی هستند.

معادله 2: E(%)=(1-C_p/C₀)*100

آزمایشات برای دو ورودی انجام شدند: الف- ورودی فقط شامل آهن که WF نامیده می شود. ب- ورودی شامل تمام عناصر فهرست شده در جدول 1 که COM نامیده می شود. بزرگترین مورد استفاده از 2 جریان مختلف توانایی مقایسه تاثیر دیگر اجزا(عناصر) روی حذف آهن است. برای غشای اسمز معکوس، آزمایشات در فشارهای مختلف(7، 9، 11 و 13 بار) ودر مقدار پی اچ ثابت 8 صورت گرفتند. در این گام، علاوه بر نرخ جریان نفوذی مطلوب، بالاترین پس زدگی پیدا شد، زیرا با تغییر فشار اعمالی نرخ های جریان تغییر کردند. سپس، در فشار بهینه، مقادیر پی اچ از 5 تا 9.5 تغییر کردند. همچنان که قبلا تشریح گردید، تاثیر پی اچ مهم است، زیرا پی اچ، طبیعت بار سطحی غشا و اندازه خلل و فرج را تغییر می دهد. در نهایت، در فشار و پی اچ بهینه، تا قابلیت اسمز معکوس در حذف غلظت بالا هویدا شود. تمام تست ها در درجه حرارت ثابت 25 درجه سانتیگراد انجام شدند. تمام تغییرات TDS، هدایت الکتریکی، جریان آب، غلظت های آهن، روی، منگنز برای تمام متغیرها مشاهده شدند. برای غشای نانوفیلتراسیون، شرایط همانند اسمز معکوس بود، به استثنای تغییرات فشار(5، 7، 9 و 11 بار) در مقدار پی اچ ثابت 8.

2-4- اثر فشار بهره برداری

برای غشای اسمز معکوس، فشار بهره برداری از 7 تا 13 بار متغیر است تا فشار بهینه پیدا شود، زیرا یک فشار پایین اسمز معکوس در مطالعه جاری اعمال گردید. تغییر فشار بهره برداری می تواند علاوه بر پس زدگی محلول ها روی نرخ جریان نفوذی تاثیر بگذارد. تغییر فشار برای تمام انواع ورودی ها( شامل فقط آهن و یا تمام اجزا) انجام شد تا بازدهی حذف پارامترها مقایسه گردد. بطور مشابه، فرآیند برای غشای نانوفیلتراسیون تکرار شد، ولی فشار از 5 تا 11 بار متغیر بود. همچنین، غلظت یون های فلزی با استفاده از یک اسپکترومتر(اسپکترو لوی باند پی سی) آزمایش شد.

2-5- تاثیر پی اچ

سطح پی اچ با استفاده از یک پی اچ متر کالیبره شده اندازه گیری شد( سری های WTW، Ph 730) فشار بهینه به ورودی اعمال شد و مقدار پی اچ از 5 تا 9.5 تغییر کرد تا بهترین پی اچ محتمل برای حذف آهن، منگنز، روی، کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی به دست آید. قبلا معلوم شده بود که پی اچ با تاثیر روی هیدراسیون و ظرفیت جذب محلول های روی غشا روی جداسازی اثر می گذارد. قابل توجه است که تغییر پی اچ برای انواع ورودی ها( شامل فقط آهن و یا تمام اجزا) جهت مقایسه بازدهی حذف مشاهده شد.

2-6- اثر غلظت تغذیه

غلظت آب تغذیه تغییر داده شد تا قابلیت اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در حذف غلظت های بالای آهن مشاهده شوند، در حالی که دیگر آیتم ها ثابت نگه داشته شده اند. دلیل اصلی برای انتخاب غلظت آهن، غلظت نسبتا بالای آن در ورودی در مقایسه با دیگر عناصر است. در همان زمان، غلظت تغذیه می تواند روی نرخ جریان ورودی و پس زدگی محلول تاثیر گذار باشد.

3- نتایج

3-1- غشای اسمز معکوس

همچنان که در بالا ذکر شد، در غشای اسمز معکوس، فشار اعمالی از 7 تا 13 بار متغیر بود و مقادیر پی اچ از 5 تا 9.5 متغیر بودند. جدول 3 بازدهی حذف آهن، روی، منگنز، کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی فاضلاب های "فقط آهن" و " تمام اجزا" را نشان می دهد.

جدول 3- بازدهی حذف آهن، منگنز، روی، کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی در غشای اسمز معکوس برای پی اچ ها و فشارهای مختلف

3-2- مدل رگرسیون اسمز معکوس

به منظور داشتن منظره بهتر از تاثیر پی اچ و فشار روی نرخ حذف آهن و کل جامدات محلول( برای جریان کل اجزا) یک مدل رگرسیون پیشنهاد گردید. در این مدل، @0، @1 و @2 ضرایب ثابت هستند و R_Fe بر نرخ حذف آهن دلالت می کند. در تمام مدل ها، اصطلاح "sig" به معنی اهمیت F است.

3-2-1- حذف آهن

از آنجا که آهن از مکررترین فلزات سنگین موجود در فاضلاب کارخانه فولاد است، یک مدل رگرسیون بصورت زیر پیشنهاد می گردد:

معادله 3     R_Fe=@0+@1ph+@2pressure

جداول 4 و 5 به ترتیب نتایج رگرسیون و جزییات ANOVA را مشخص می کنند.

جدول 4-  نتایج رگرسیون برای معادله 3

جدول 5- نتایج ANOVA برای معادله 3

برای رگرسیون کل، ضریب تعیین، R²، معادل 0.651 است.( مقدار R برابر 0.81 است) آشکار است که این رگرسیون ایده آل نیست؛ هرچند، می تواند مقدار حذف آهن را تا درجه ای پیش بینی نماید زیرا مقدار اهمیت حدود 0.07 بود که ممکن است کمی نامناسب به نظر برسد و ضریب رگرسیون نیز مورد پذیرش بود. خطای استاندارد این مدل حدود 0.0025 بود و احتمالا برای یک پارامتر، پی ولیو مطلوب نبود ولی مدل اساسا کارآمد بود.

3-2-2- حذف کل جامدات محلول

بصورت مشابه، یک مدل رگرسیون برای نرخ حذف کل جامدات محلول بصورت زیر پیشنهاد شد:

معادله 4   TDS=@0+@1PH+@2PRESSURE

جداول 6 و 7، به ترتیب، نتایج رگرسیون و جزییات ANOVA را معرفی می کنند.

جدول 6- نتایج رگرسیون برای معادله 4

جدول 7-نتایج ANOVA برای معادله 4

برای این مدل، R² معادل 0.85 است( مقدار R معادل 0.921 است) که می تواند به معنی دقت بالاتر در مقایسه با R_Fe باشد. مقدار ضریب رگرسیون در اینجا خیلی مطلوب بود و مقدار Sig کمتر از 0.05 بود که کاملا رضایتبخش است. در همان زمان، پی ولیو احتمالا مناسب تمام پارامترها نبود، ولی در مجموع، نمایش قابل قبولی داشت.

3-3- غشای نانوفیلتراسیون

بطور مشابه، جدول 8 اطلاعات مربوط به غشای نانوفیلتراسیون و کارآمدی حذف آهن، روی، منگنز، TDS، هدایت الکتریکی را برای هر دو، ورودی های آهن و کل اجزا، نشان می دهد.

جدول 8- بازدهی حذف آهن، منگنز، کل جامدات محلول، هدایت الکتریکی در غشای نانوفیلتراسیون برای پی اچ ها و فشارهای مختلف

3-4- مدل رگرسیون نانوفیلتراسیون

3-4-1- حذف آهن

از آنجا که آهن از مکررترین فلزات سنگین موجود در فاضلاب است، یک مدل رگرسیون بصورت زیر پیشنهاد شده است:

معادله 5 R_Fe=@0+@1PH+@2PRESSURE

جداول 9 و 10، به ترتیب، نتایج رگرسیون و جزییات ANOVA را نشان می دهند.

جدول9- نتایج رگرسیون معادله 5

جدول 10- نتایج ANOVA برای معادله 5

برای رگرسیون کلی، ضریب تعیین، R²، معادل 0.825 بود.( مقدار R معادل 0.908) هر چند پی ولیو برای @1 کمی بیشتر از 0.05 بود، این مدل رگرسیون برای نرخ حذف آهن مطلوب است. درضمن، خطای استاندارد این مدل 0.004 بود.

3-4-2- حذف TDS

به همین صورت، یک مدل رگرسیون برای نرخ حذف TDS بصورت زیر(معادله 6) پیشنهاد می شود:

TDS=@0+@1PH+@2PRESSURE

جداول 11 و 12 به ترتیب نتایج رگرسیون و جزییات ANOVA را نشان می دهند.

جدول 11- نتایج رگرسیون معادله 6

 

جدول 12- نتایج ANOVA برای معادله 6

برای این مدل، R² معادل 0.939 است(R می شود 0.969) خطای استاندارد این مدل برابر 0.021 بود. این مدل مورد پذیرش قرار گرفت، زیرا ضریب رگرسیون بالای 0.9 بود که یک مقدار صحیح بود.

3-5- نرخ جریان در غشاهای RO و NF

جریان آب خالص بصورت تابعی از فشار انتقال از غشا با استفاده از معادله 1 ارزیابی شد. تصویر 2 جریان نفوذی غشای اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون را در برابر فشار اعمالی نشان می دهد.

تصویر 2- جریان آب خالص برای غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در پی اچ ثابت 8

3-6- مقایسه هدایت الکتریکی، کل جامدات محلول، C_Fe، C_Zn و C_Mn در غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون در شرایط بهینه

تصویر 3 بازدهی حذف برای مقادیر بهینه فشار و پی اچ غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون( ورودی کل اجزا) را برای حذف هدایت الکتریکی، کل جامدات محلول، آهن، منگنز و روی نشان می دهد.

تصویر 3- بازدهی حذف هدایت الکتریکی، کل جامدات محلول، C_Fe ، C_Mn و C_Zn برای غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون

 

همچنان که از تصویر 3 می توان فهمید، اساسا سیستم اسمز معکوس اجرای قابل پذیرش تری دارد؛ هر چند اختلاف بین سیستم های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون، به ویژه در شرایط بهینه، معمولا قابل چشم پوشی است. همچنان که در تصویر 3 دیده می شود، ما می توانیم به دلیل مقدار جریان نفوذی بهتر، که آن را به دلیل اعمال فشار کمتر اقتصادی و ذخیره کننده انرژی می سازد، روش موفق تصفیه فاضلاب به حساب بیاوریم.

3-7- تاثیر غلظت های بالاتر آهن روی حذف آهن، منگنز، روی، کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی

همچنان که زودتر گفته شد، در میان تمامی یون های موجود در فاضلاب، آهن بیشترین غلظت را دارد. در این قسمت، غلظت آهن از 23.3 تا 35 میلی گرم بر لیتر و سپس تا 50 میلی گرم بر لیتر متغیر است که توانایی غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون را در تصفیه این مقدار بالای فلزات سنگین از فاضلاب نشان می دهد. جدول 13 میزان انجام غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون را در غلظت های بالاتر آهن نشان می دهد.

جدول 13- تاثیر غلظت بالا روی کارآیی اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون

4- شرح

همانطور که می توانید در جدول 3 ببینید، بهترین نتایج در فشار 9 بار حاصل شده اند. بالاترین حذف محتمل آهن، منگنز و روی در این فشار ایجاد گشته اند. علاوه بر این، حذف قابل پذیرش هدایت الکتریکی و کل جامدات محلول را هم داشته ایم( حدود 94 درصد) منطبق با این جدول، بازدهی حذف کل جامدات محلول، هدایت الکتریکی یا آهن از 9 بار تا 11 بار کاهش یافته است و همچنین از 11 بار تا 13 بار کم شده است که بر این نکته دلالت دارد که پولاریزه شدن غلظت و انتقال کانوکتیو بعدی اتفاق افتاده است. مقدار پی اچ بهینه 8 بود، زیرا در نتیجه آن همه پارامترها در محدوده قابل قبول حذف شدند. به علاوه، مطابق با جدول 3، می تواند نتیجه گیری شود که برای غشای اسمز معکوس بازدهی حذف ورودی فقط آهن در مقایسه با ورودی همه اجزا بطور مستمر بالاتر است.

از طرف دیگر، وقتی دیگر یون ها و عناصر به ورودی فقط آهن اضافه می شوند، بازدهی حذف آهن، هدایت الکتریکی و کل جامدات محلول کاهش می یابد. این امر دلالت بر تداخل کنش و واکنش بین یون های مختلف در غشای اسمز معکوس دارد. این کاهش وازنی می تواند با اصطلاح اثر دونان توضیح داده شود: آنیون های منفی حاضر در محلول تغذیه می توانند براحتی از غشا عبور کنند و با یون هایی مواجه شوند که می توانند تحت فشار از میان غشا عبور نموده و خنثی سازی الکتریکی اطراف غشا را حفظ نمایند؛ این امر از نظر فشار اسمزی باعث افزایشی خواهد بود که حضور دیگر یون های هم بارباعث آن هستند. البته، از آنجا که کاهش بازدهی حذف بین فقط آهن و همه اجزا کم بود، می تواند نتیجه گیری شود که غلظت یون های هم بار حاضر در ورودی کوچک(کم) بود و یا حرکت آن ها بزرگ(زیاد) بود. عامل اصلی این کاهش می تواند به حضور عناصری همچون مس، منگنز و روی ربط داشته باشد که ممکن است در حذف آهن دخالت کند و یا دست کم بازدهی حذف را تضعیف نماید. به علاوه، می تواند فهمیده شود که حذف هدایت الکتریکی و کل جامدات محلول همان الگوی جدول 3 را داشتند. همچنان که در جدول 8 شرح داده شد، بهترین نتایج در فشار معادل 5 بار نائل شدند و پی اچ معادل 8. در همان زمان، فشار معادل 5 بار رقیب فشار 7 بار بود، ولی به سبب جریان آب بالاتر، فشار معادل 7 بار به عنوان فشار بهینه محسوب گردید. نائل شدگی مهم غشای نانوفیتراسیون مقایسه بین ورودی های فقط آهن و کل اجزا بود و نتایج ورودی های کل اجزا مناسب تر از فقط آهن بودند. از سوی دیگر، وقتی دیگر عناصر و یون ها به ورودی فقط آهن اضافه شدند، آن ها بطور کلی بازدهی حذف آهن، هدایت الکتریکی و کل جامدات محلول را سرآمد کردند. این جریان می تواند به رسوب هیدروکسید فلزی و فیلتراسیون لایه کیک در غشای نانوفیلتراسیون ربط داشته باشد. این سیمای نانوفیلتراسیون می تواند قابل ملاحظه باشد، زیرا حتی با افزودن دیگر یون ها به ورودی، نه فقط باززنی تغییر نمی کند، بلکه بازدهی حذف می تواند بهبود یابد. به عنوان نتیجه عمومی برای غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس، تغییرات وازنی برای تمام فشارها و پی اچ ها کم و حتی قابل صرف نظر کردن بود. این می تواند به نرخ نفوذ آب ربط داشته باشد که در فشار بالاتر بیشتر می شود، یا به نرخ پخش محلول که مورد توقع نیست به میزان قابل ملاحظه ای با فشار بالاتر تحت تاثیر قرار گیرد، زیرا اساسا توسط غلظت محلول کنترل می شود. باید متذکر شد که حضور دیگر کاتیون ها اختلافات بار الکتریکی در سمت غشا را افزایش داد، هر چند برای به دست آوردن تعادل، کاتیون های بیشتری باید غشا را قطع کنند. در این حالت، کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی نفوذ زیاد می شوند. از آنجا که غشاهای اسمز معکوس، یون دو یا سه ظرفیتی را استخراج می کنند، فرض شد که Na⁺ و NH₄⁺ از غشا عبور کردند و همانطور که در جداول 3 و 8 نشان داده شده است، حتی وقتی روی و منگنز دو ظرفیتی غلظت هایی خیلی بیش از سایر کاتیون ها داشتند، کاملا از فاضلاب حذف شدند. همچنان که می تواند از تصویر 2 استنتاج شود، در حالی که فشار اعمالی افزایش یافت، جریان آب هم زیاد شد. قابل توجه است که جریان آب نانوفیلتراسیون در شرایط بهینه خیلی بالاتر(حدود 30 درصد) از اسمز معکوس بود. از این نقطه نظر، نانوفیلتراسیون اقتصادی تر است. ال رشدی گفته است که با افزایش فشار، انتقال همرفت و قطبی شدن غلظت مهمتر می شود. مطابق با تصویر 2، تغییر در جریان نفوذ در برابر فشار، خطی باقی می ماند که بر قطبی شدن مهم غلظت دلالت دارد(R²>0.97) بطور عمومی، تغییر جریان با پی اچ تغذیه خیلی کم بود.لذا، داده ها در این بخش معرفی نشدند، و به عنوان نتیجه کلی، برای تمامی مقادیر فشار و پی اچ، مقدار وازنی برای آهن، منگنز، روی، کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی مناسب هستند. بنابراین، می تواند گفته شود که حتی فشارهای بالای سیستم های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون می توانند مطلوب باشند. همانطور که از جدول 13 می توان یافت، به مجرد اینکه غلظت آهن افزایش می یابد، حذف هدایت الکتریکی و کل جامدات محلول در غشای اسمز معکوس تا 6 درصد کم می شود، در حالی که بازدهی حذف آهن، منگنز و روی تقریبا در همان مقادیر محتمل بالا باقی می ماند. برای غشای نانوفیلتراسیون، بازدهی حذف کل جادمدات محلول و هدایت الکتریکی تا 9 درصد کم می شود، در حالی که بازدهی حذف آهن، منگنز و روی نزدیک 100 درصد است. به عنوان یک نتیجه گیری عمومی، ما می توانیم بگوییم که حتی اگر حذف کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی کم شود، اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون می توانند شوک های غلظت بالای فلزات سنگین را تحمل کنند. زو مدلی را برای فیلتراسیون غشایی معرفی کرد که کل هزینه فرآیند را تخمین می زند. در این بخش، مطابق با مدل آن ها، تخمین قیاسی برای هر دو روش فیلتراسیون غشایی انجام شد. عبارت 1 مربوط به هزینه های پیش تصفیه و معرف است، که هدف این مطالعه نیست. عبارت 2 مربوط به هزینه های انرژی است که باید آنالیز شود.

F هزینه برق مورد نیاز برای تولید به ازای هر واحد آب( یوان بر لیتر)، C قیمت برق( یوان بر کیلووات ساعت)، Q_F آب ورودی(لیتر بر ساعت)، P_f فشار بهره برداری(مگا پاسکال)، j_w جریان نفوذی(لیتر بر متر مربع بر ساعت) و S سطح موثر غشا است(متر مربع)

از معادله بالا، ما می توانیم معلوم کنیم که قیمت غشای اسمز معکوس 16 درصد بیش از نانوفیلتراسیون است. البته، باید متذکر شد که قیمت اولیه نانوفیلتراسیون تقریبا 23 درصد بیش از اسمز معکوس است. در تقرب طولانی مدت، نانوفیلتراسیون اقتصادی است که سبب می شود هزینه اولیه صرفه نظر کردنی باشد.

5- نتیجه گیری

در سال های اخیر، نیاز به ذخیره سازی منابع آب برای حکومت ها حیاتی بوده است و این امر باعث شده پژوهش ها به سوی تصفیه فاضلاب و تولید آب مورد تقاضا، حداقل برای صنایع آلاینده، متمایل گردد. به عنوان یک نتیجه گیری عمومی، فیلتراسیون غشایی می تواند فواید زیر را دارا باشد: عدم نیاز به مواد شیمیایی( انعقاد، لخته سازی، ضد عفونی، تنظیم پی اچ)، کیفیت خوب و ثابت آب تصفیه شده، فشردگی فرآیند و واحد و بهره برداری راحت. کارخانجات تولید فولاد، از صنایعی هستند که آب زیاد مصرف می کنند تا محصولات فولادی تولید کنند و در فاضلاب خود فلزات سنگین زیاد دارند.

هدف اصلی پژوهش حاضر معرفی سیستم نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس به عنوان روش قابل در حذف فلزات سنگین( آهن، منگنز و روی) و کاهش کل جامدات محلول و هدایت الکتریکی در مقادیر مطلوب بود. در مطالعه حاضر، برای فاضلاب ویژه در روش اسمز معکوی، پی اچ و فشار بهینه به ترتیب 8 و 9 بار بودند که مقادیر مطلوب هستند. تبادل داخلی بین یون ها و ذرات نیز در مطالعه حاضر مطالعه شدند تا نشان دهند عناصر مختلف چطور ممکن است در نرخ حذف آهن تداخل ایجاد کنند. به علاوه، بررسی غلظت های بالای آهن دلالت بر این کرد که سیستم های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون دارای قابلیت های ویژه در تصفیه فاضلاب بسیار آلوده هستند. به عنوان نتیجه عمومی، نانوفیلتراسیون یک اجرای قابل پذیرش با جریان آب بالا نشان داد که آن را مطلوب صنایع می نماید. در انتها، آنالیز نسبی هزینه نشان داد که حتی اگر هزینه اولیه نانوفیلتراسیون بالا باشد، هزینه مصرف انرژی و کل اسمز معکوس بالاتر خواهد بود.

قدردانی

نویسندگان مایل هستند از دکتر مهدی حسینیان بابت رهنمودهای لازم در باره مدل های رگرسیون تشکر نمایند.

تزاحم با علائق

نویسندگان اعلام می دارند که در این پژوهش از کمک های مالی هیچ سازمانی بهره مند نشده اند.(حامی ما باشید)

سهم نویسندگی

AM استاد راهنمای این پروژه بود.NB تست های تجربی آزمایشگاهی را انجام داد و به نوشتن مقاله کمک کرد.SA آزمایش های تجربی آزمایشگاه را انجام داد.PR به ما در طراحی تست ها کمک کرد و در نوشتن مقاله سهم دارد. AY رویه مدلسازی مقاله را انجام داد و مقاله را از جهت تصحیحات مهم ویرایش نمود.

#حذف_آهن_روی_منگنز

صفحه نخست

مهم: اگر اطلاعات خود را بیش از مطالعه و خواندن، از طریق شنیدن به دست می آورید بهتان توصیه می کنیم که "چرا مشاوره تلفنی!؟" را بخوانید.