تصفیه فتوالکتروشیمیایی آبهای آلوده در راکتور با جریان چرخشی با استفاده از آند تیتانیم روتنیم اکسید و کاتد حاوی نانولوله های کربنی

در بخش اول پروژه حاضر، فرآیند فتوالکتروشیمیایی با استفاده از کاتد نانولوله¬های کربنی-پلی تترافلوئورواتیلن (ptfe) و آند تیتانیم روتنیم اکسید (tiruo2) برای تخریب ماده رنگزای آبی مستقیم 129 مورد بررسی قرار گرفته است. در تهیه کاتد مذکور، نانولوله¬های کربنی با قطر داخلی nm 5-3، قطر خارجی nm 15-8 و دارای مساحت سطح ویژه m2/g 233، با استفاده از پلی تترافلوئورواتیلن بر روی ورق کربنی تثبیت و این امر با استفاده از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) و میکروسکوپ نیروی اتمی (afm) بررسی و تأیید گردید و برای محاسبه اندازه نانولوله¬های کربنی از میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem) استفاده شد. برای افزایش کارائی تصفیه یا رنگ¬زدایی محلول¬های آبی، تلفیقی از فرآیند اکسایش فتوشیمیایی (uv/h2o2) و فرآیند اکسایش آندی با استفاده از الکترود تیتانیم روتنیم اکسید و الکترود حاوی نانولوله¬های کربنی در یک سیستم با جریان چرخشی استفاده شد. برای مقایسه کارائی فرآیندهای فوتولیز مستقیم، اکسایش الکتروشیمیایی و اکسایش فتوالکتروشیمیایی، راندمان تخریب آبی مستقیم 129 در شرایط عملیاتی یکسان توسط فرآیندهای مذکور بررسی گردید و نتایج نشان داد که بعد از گذشت مدت زمان 90 دقیقه از فرآیند 29/29% برای فرآیند فتولیز مستقیم، 19/37% برای فرآیند اکسایش الکتروشیمیایی و 03/92% برای فرآیند اکسایش فتوالکتروشیمیایی حذف ماده رنگزا صورت گرفته است. در نتیجه فرآیند اکسایش فتوالکتروشیمیایی بیشترین راندمان را دارد و از این فرآیند در تخریب آبی مستقیم 129 استفاده می¬شود. علاوه بر این، هم¬افزایی بالا 69/0 برای فرآیند فتوالکتروشیمیایی محاسبه شد که اثر تلفیقی بالای فرآیند¬ اکسایش فتوشیمیایی (uv/h2o2) و فرآیند اکسایش الکتروشیمیایی را نشان می¬دهد. انرژی الکتریکی مصرف شده در هر دوره به طور قابل توجهی از 60/121 برای فرآیند الکتروشیمیایی به kwh m-3 order-1 26/39 برای فرآیند فتوالکتروشیمیایی کاهش می¬یابد که 1/3 برابر کمتر می¬شود. این نتایج نیز نشان داد کاهش قابل توجهی در برق مورد نیاز توسط سیستم فتوالکتروشیمیایی تلفیقی صورت می¬گیرد. در ادامه، تأثیر پارامترهای عملیاتی مانند شدت جریان الکتریکی، ph اولیه محلول، غلظت اولیه ماده رنگزا، حضور و یا عدم حضور نور uv، شدت جریان حجمی پساب (flow)، در فرآیند تصفیه بررسی گردید. همچنین مقدار h2o2 تولید شده در سیستم الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که میزان تولید h2o2در سیستم الکتروشیمیایی در معرض نور uv کمتر از شرایط بدون uv است. ضریب همبستگی (r2) بالاتر از 99/0 در همه نمودارها نشان می¬دهد که فرآیند فتوالکتروشیمیایی از سینیتیک شبه مرتبه اول تبعیت می¬کند. سپس، تخریب و معدنی¬سازی ماده رنگزای آبی مستقیم 129 توسط فرآیند تلفیقی مذکور به وسیله اندازه¬گیری کل کربن آلی (toc) در شرایط بهینه، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که 36/93% از toc پس از 360 دقیقه از فرآیند تصفیه حذف شد. حدواسط¬های تولید شده در جریان تخریب ماده¬ی رنگزای آبی مستقیم 129 با استفاده از روش کروماتوگرافی گازی- اسپکتروسکوپی جرمی (gc-ms) شناسایی شد. در قسمت بعدی این کار پژوهشی، برای بررسی تأثیر ساختار شیمیایی مواد رنگزا روی راندمان فرآیند اکسایش فتوالکتروشیمیایی، حذف هفده نوع ماده رنگزا با گروه¬های عاملی مختلف بررسی گردید. نتایج گزارش شده برای راندمان رنگزدایی هفده ماده رنگزا در شرایط بهینه (غلظت اولیه مواد رنگزا mg/l30، شدت جریان a2/0، دبی جریان l/h 10 و زمان انجام فرآیند min40) نشان می¬دهد که راندمان رنگزدایی آبی اسیدی 5 از گروه تری آریل متان بیشتر از مواد رنگزای دیگر و دارای بالاترین ثابت سرعت شبه مرتبه اول می¬باشد و آبی راکتیو 21 که از گروه فتالوسیانین است دارای کمترین ثابت سرعت و کمترین راندمان رنگزدایی است. همچنین نتایج به دست آمده نشان داد که در فرآیند اکسایش فتوالکتروشیمیایی حضور گروه¬های الکترون دهنده در ساختار ماده رنگزا سرعت واکنش را افزایش داده و در مقابل وجود گروه¬های الکترون کشنده سرعت واکنش را کاهش می¬دهد. بنابراین ساختار شیمیایی مواد رنگزای آلی تأثیر قابل ملاحظه¬ای بر راندمان رنگزدایی دارد.