مدل‌سازي تصفيه الكتروشيميايي فنل و پيش‌بيني ميزان مصرف انرژي

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

فنل آلاينده‌اي سرسخت در مقابل تصفيه‎هاي فيزيكي-شيميايي و بيولوژيكي است كه در پساب بسياري از صنايع وجود دارد و به‌شدت محيط زيست را به خطر مي‌اندازد. لذا، فرايندهاي اكسايش پيشرفته به‌عنوان فرايندهاي موثر براي تصفيه پساب‎هاي داراي آلاينده‎هاي سمّي و آلاينده‎هاي آلي مقاوم توسعه يافته‎اند. هدف از اين تحقيق ارايه يك مدل رياضي‌ براي اكسايش الكتروشيميايي فنل با توجه به تغييرات COD با زمان در راكتور ناپيوسته بود. در اين مدل با توجه به نسبت دانسيته جريان عملي به دانسيته جريان حدي، رژيم‌هاي عملياتي مختلفي براي كنترل فرايند در نظر گرفته شد. به اين ترتيب كه در دانسيته جريان پايين و غلظت اوليه بالا، به گونه‌اي كه شرايط فرايند همواره پايين‌تر از شرايط حدي باشد، COD با زمان به‌صورت خطي كاهش مي‌يابد و فرايند توسط جريان كنترل مي‌گردد اما در دانسيته جريان‌هاي بالاتر از شرايط حدي و غلظت كم آلاينده، فرايند تحت كنترل انتقال جرم است كه در اين رژيم COD به‌صورت نمايي با زمان تغيير مي‌كند. پارامترهاي مدل عبارت‌اند از دانسيته جريان، غلظت اوليه‌ فنل و مساحت الكترود. با توجه به اهميت مقدار انرژي الكتريكي مورد نياز، محاسبه ميزان مصرف انرژي فرايند اكسايش الكتروشيميايي فنل در مدل رياضي مورد توجه قرار گرفت. نتايج نشان مي‌دهد كه افزايش دانسيته جريان و پتانسيل عملي منجر به افزايش ميزان مصرف انرژي الكتريكي مي‌گردد و با كاهش غلظت اوليه فنل ميزان مصرف انرژي نيز كاهش مي‌يابد. در بخش اعتبارسنجي مدل، نتايج حاصل از مدل با مقادير آزمايشگاهي ارايه شده در منابع مورد مقايسه قرار گرفتند. تطابق خوبي بين نتايج تجربي و پيش‌بيني شده از مدل در همه شرايط آزمايشگاهي با محاسبه ريشه متوسط مربعات خطاRMSE) ) در محدوده‎ 41/0 تا 22/1 و ضريب تعيين بالاتر از 91/0 مشاهده شد.

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 current 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.