بررسی قابلیت سیستم الکتروفنتون با استفاده از الکترود گرافیت با پوشش نانو لوله کربن در حذف رنگزای اسید اورانژ 7

نویسندگان
1 ص.پ. 4838-14155
2 دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در این تحقیق فرایند الکتروفنتون با استفاده از کاتدی از جنس گرافیت با پوشش نانو لوله کربنی و آندی از جنس فولاد زنگ نزن برای حذف رنگ از فاضلاب سنتزی انجام شد. نتایج بر روی فاضلاب سنتزی نشان داد که فرایند الکتروفنتون تحت شرایط بهینه غلظت اولیه رنگزا 100 میلی گرم بر لیتر، چگالی جریان 1 میلی آمپر بر سانتی متر مربع، بدون هوادهی، pH معادل با 5/6، سطح الکترود 90 سانتی متر مربع، غلظت الکترولیت 01/0 مولار و با مصرف انرژی 13/0 کیلووات ساعت به ازای هر ppm رنگزای حذف شده پس از 360 دقیقه به ترتیب به راندمان حذف 98 و 95 درصد برای رنگزا و COD رسید. در این تحقیق نشان داده شد که سیستم الکتروفنتون با استفاده از الکترودهای گرافیت با پوشش نانو لوله کربنی و فولاد زنگ نزن در عین کاهش هزینه‌های اجرایی از کارایی بالایی در حذف رنگزای اسید اورانژ 7 برخوردار می‌باشد. بر اساس نتایج بدست آمده، فرایند الکتروفنتون برای تجزیه فاضلاب حاوی رنگزا و آلاینده‌های مقاوم می‌تواند به عنوان پیش تصفیه مورد استفاده قرار گیرد. این تکنولوژی قابل اجراء موجب بهبود قابلیت تصفیه پذیری زیستی فاضلاب نساجی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Analysis of degradation of Acid Orange 7 by Electro-Fenton process with graphite cathode coated by carbon nanotubes

نویسنده English

Bita Ayati 1
1 P.O.Box 14155-4838
چکیده English

Azo dyes constitute the largest class of dyes and contains one or various azo groups conjugated with aromatic systems such as acid azo dyes which have sulfonic groups causing strong attachment to the cationic groups of fibers. The characteristics of these materials are high color intensity and visibility in very low concentrations, complex chemical structures, and light resistance and hard to biodegradability, variability in pH range and above of these they have high carcinogenic and mutagenic potential. Generally, the physical, chemical and biological methods are considered as textile wastewater treatment techniques such as electrocoagulation, absorption, advanced oxidation, Fenton, photo-Fenton, photoelectrochemical and photoelectrocatalytic. Electro-Fenton is an indirect oxidation process and is based on in situ electrochemical generation of peroxide hydrogen due to electrochemical reduction of dissolved oxygen next to graphite cathode. In this process hydroxide radicals are generated by reaction of hydrogen peroxide and iron ions in acidic condition. Hydroxide radicals are the most powerful radicals with high oxidation potential lead to degrade organic matters into simple compounds like water and carbon dioxide. Recently carbonic material like carbon felt, graphite, activated carbon fibers, carbon nanotubes, carbonic sponge and graphite-PTFE are used to improve electro-Fenton process. Enhancement of surface area, reaction rate and electron transfer are the main reasons which Carbon nanotubes are used to improve electrochemical production of hydrogen peroxide in electro-Fenton process. Dye removal increased at initial reaction time by increasing current intensity, aeration rate and electrode surface due to enhancing electro-Fenton regents, meanwhile it decreased with increasing pH and electrolyte concentration. Reduction in dye degradation is usually caused by scavenging role of hydrogen peroxide and iron ions due to reaction of these compounds with hydroxyl radicals which decreased its concentration in reactor. Dye degradation increase by enhancement of Initial dye concentration from 35 to 100 mg/L but when initial dye concentration increased further to 200 mg/L, degradation rate was reduced. On the other hand energy consumption reduced by decreasing current intensity from 2 to 1 mA/cm2 and enhancing electrode surface from 30 to 90 cm2. It has been shown that carbon nanotubes coated on graphite cathode could enhance dye removal rate by increasing hydrogen peroxide concentration due to increase electrode surface area, electron transfer and reaction rate. The results showed that dye and COD removal efficiency was obtained 98% and 95% after 180 and 360 minutes respectively at the optimal condition of effective parameters such as current density of 1 mA/cm2, pH of 6.5, no aeration, initial dye concentration of 100 mg/L, electrode surface of 90 cm2, electrolyte concentration of 0.01 M, temperature of 25 ◦C and energy consumption of 0.13 KWh/ppm. Electro-Fenton process seems to be an economic and environmental friendly process to remove the toxicity of the persistent organic pollutants from water due to generation of hydrogen peroxide and hydroxyl radicals. It has been demonstrated that electro-Fenton process with the use of stainless steel anode and graphite cathode coated with carbon nanotube is a very effective and operative method to degrade Acid Orange 7.

کلیدواژه‌ها English

pH
electrochemical
electrode surface
current intensity
energy consumption
  1. اسلامی اکبر، مسعودی نژاد محمد رضا، قنبری فرشید، مرادی مهسا، (1391). «بررسی تصفیه پذیری فاضلاب واقعی صنعت نساجی به وسیله فرایند تولید الکتروشیمیایی واکنش گر فنتون با استفاده از کاتد گرافیت فلت». مجله سلامت و محیط، فصلنامه علمی پژوهشی انجمن علمی بهداشت محیط ایران، دوره پنجم، شماره سوم، صفحات 273 تا 282.

  2. Pekakis, P. A., Xekoukoulotakis, N. P., & Mantzavinos, D. (2006). Treatment of textile dyehouse wastewater by TiO2 photocatalysis. Water Research, 40(6), 1276-1286.

  3. De Souza, S. M. D. A. G. U., Bonilla, K. A. S., & de Souza, A. A. U. (2010). Removal of COD and color from hydrolyzed textile azo dye by combined ozonation and biological treatment. Journal of Hazardous Materials, 179(1), 35-42.

  4. Merzouk B. Gourich B. Sekki A. Madani K. Vial C. Barkaoui M. Studies on the decolorization of textile dye wastewater by continuos electro-coagulatoin process. Chemical Engineering Journal. 149 (2009) 207-214.

  5. همزه یحیی، ایزدیار سهیلا، آزاده الهام، ابیض علی، اسدالهی یوسف،(1390). «استفاده از پسماند کانولا به عنوان جاذب رنگ اسید اورانژ 7 از محلول آبی»، فصلنامه عملی پژوهشی انجمن علمی بهداشت محیط ایران، دوره چهارم، شماره اول، صفحات 49-56.

  6. ضرابی منصور، رحمانی علیرضا، سمرقندی محمدرضا، برجسته عسکری فاطمه، (1391). «بررسی کارایی پودر آهن صفر ظرفیتی (ZVI) در حضور نور UV و پراکسید هیدروژن در حذف رنگهای اسید اورانژ 7 و راکتیو بلک 5 از محلول آبی»، مجله سلامت و محیط زیست، فصلنامه علمی پژوهشی انجمن علمی بهداشت محیط زیست، دوره پنجم، شماره چهارم، صفحات 469-478.

  7. Ertugay, N. Acar, F. N., Removal of COD and color from Direct Blue 71 azo dye wastewater by Fenton’ s oxidation: Kinetic study, Arabian Journal of Chemistry. 6 (2013) 136-142.

  8. Lin W. C. Chen C. H. Tang H. Y. Hsiao. Y. C. Pan J. R. Hu C. Huang C. Electrochemical Photocatalytic degradation of dye solution with a TiO2 – coated stainless steel electrode prepared by electrophotetic deposition, Applied Catalysis B: Environmental. 140-14 (2013) 32-41.

  9. Peng, Y.P. Yassitepe, E. Yeh, Y.T. Ruzybayev, I. Ismat Shah, S. Huang, C.P. Photoelectrochemical degradation of azo dye over pulsed laser deposited nitrogen-doped TiO2 thin film. Applied Catalysis B: Environmental. 125 (2012) 465-472.

  10. Turolla, A., Fumagalli, M., Bestetti, M., & Antonelli, M. (2012). Electrophotocatalytic decolorization of an azo dye on TiO2 self-organized nanotubes in a laboratory scale reactor. Desalination, 285, 377-382.

  11. Oturan, M. A., Oturan, N., Edelahi, M. C., Podvorica, F. I., & Kacemi, K. E. (2011). Oxidative degradation of herbicide diuron in aqueous medium by Fenton's reaction based advanced oxidation processes. Chemical Engineering Journal, 171(1), 127-135.

  12. Pajootan, E., Arami, M., and Rahimdokht, M. (2014). Discoloration of wastewater in continuous electro-Fenton process using modified graphite electrode with multi-walled carbon nanotubes/surfactant. Separation and Purification Technology, 130, 34-44.

  13. Wang, C. T., Hu, J. L., Chou, W. L., & Kuo, Y. M. (2008). Removal of color from real dyeing wastewater by Electro-Fenton technology using a three-dimensional graphite cathode. Journal of Hazardous Materials, 152(2), 601-606.

  14. Serra A. Domenech X. Arias C. Brillas E. Parel J. Oxidation of α-methylphenylglycine under Fenton and electro-Fenton conditions in the dark and in the presence of solar light. Applied Catalysis B: Environmental. 89 (2009) 12-21.

  15. Montanaro D. Pertucci E. Meril C. Anodic, cathodic and combined treatment for the electrochemical oxidation of an effluent from the flame retardant industry. Journal of Applied Electrochemistry. 38 (2008) 947-957.

  16. Oturan M.A., Brillas E. Electrochemical advanced oxidation processes for environmental applications. Portugaliae Electrochimica Acta. 25 (2007) 1-18.

  17. Brillas E. Sires I. Cabot P.L. Use of both anode and cathode reaction in wastewater treatment. In: Comninellis C, Chen G, editors. Electrochemistry for the environment. New York, Springer Science Business Media, 2010.

  18. Zhou, L., Zhou, M., Zhang, C., Jiang, Y., Bi, Z., & Yang, J. (2013). Electro-Fenton degradation of p-nitrophenol using the anodized graphite felts. Chemical Engineering Journal, 233, 185-192.

  19. Lei, H., Li, H., Li, Z., Li, Z., Chen, K., Zhang, X., & Wang, H. (2010). Electro-Fenton degradation of cationic red X-GRL using an activated carbon fiber cathode. Process Safety and Environmental Protection, 88(6), 431-438.

  20. Ahmad, A. A., & Hameed, B. H. (2010). Effect of preparation conditions of activated carbon from bamboo waste for real textile wastewater. Journal of Hazardous Materials, 173(1), 487-493.

  21. Özcan, A., Şahin, Y., Koparal, A. S., & Oturan, M. A. (2008). Degradation of picloram by the electro-Fenton process. Journal of Hazardous Materials, 153(1), 718-727.

  22. Oturan, M. A., Pimentel, M., Oturan, N., & Sirés, I. (2008). Reaction sequence for the mineralization of the short-chain carboxylic acids usually formed upon cleavage of aromatics during electrochemical Fenton treatment. Electrochimica Acta, 54(2), 173-182.

  23. Özcan, A., Şahin, Y., Savaş Koparal, A., & Oturan, M. A. (2008). Carbon sponge as a new cathode material for the electro-Fenton process: Comparison with carbon felt cathode and application to degradation of synthetic dye basic blue 3 in aqueous medium. Journal of Electroanalytical Chemistry, 616(1), 71-78.

  24. Zhou, M., Tan, Q., Wang, Q., Jiao, Y., Oturan, N., & Oturan, M. A. (2012). Degradation of organics in reverse osmosis concentrate by electro-Fenton process. Journal of Hazardous Materials, 215, 287-293.

  25. Khataee, A. R., Safarpour, M., Zarei, M., & Aber, S. (2011). Electrochemical generation of H2O2 using immobilized carbon nanotubes on graphite electrode fed with air: Investigation of operational parameters. Journal of Electroanalytical Chemistry, 659(1), 63-68.

  26. ملکوتیان محمد، اسدی مهدی، محوی امیر حسین، (1390). ارزیابی عملکرد فرایند الکتروفنتون در حذف COD و رنگ راکتیو بلو 19 از محلول آبی، مجله سلامت و محیط، فصلنامه علمی پژوهشی انجمن علمی بهداشت ایران، دوره پنجم، شماره چهارم صفحات 433 تا 444.

  27. یزدی مریم، امین زاده بهنوش، ترابیان علی، (1392). «تصفیه فاضلاب خشکشویی با استفاده از فرایندهای انعقاد و شناورسازی الکتریکی و الکتروفنتون». محیط شناسی، سال سی و نهم شماره 3، صفحات 1-12.

  28. Lin, H., Zhang, H., Wang, X., Wang, L., & Wu, J. (2014). Electro-Fenton removal of Orange II in a divided cell: Reaction mechanism, degradation pathway and toxicity evolution. Separation and Purification Technology, 122, 533-540.

  29. APHA, AWWA, WEF (2012). Standard Methods for the Examination of water and wastewater. USA: Washington EC.

  30. باقری امیر، موسوی غلامرضا، خوانین علی. بررسی کارایی فرایند الکترفنتون در تصفیه صنعتی. انجمن علمی بهداشت محیط ایران، دوره پنجم، شماره دوم، تابستان 1391. ص 143-156.

  31. سمرقندی محمد رضا، شعبانلو امیر، شمسی خدیجه، مهرعلی پور جمال، پورعشق یوسف، بررسی کارایی فرایند الکترفنتون در حذف سیانید در حضور مداخله گر اسید هیومیک از محیط های آبی، مجله سلامت و بهداشت، دوره چهارم، شماره چهارم، زمستان 1392، ص 293-303.

  32. Daneshvar N., Aber S., Vatanpour V., Rasoulifard M. H. (2008). Electro-fenton treatment of dye solution containing Orange II:  Influence of operational parameters. Journal or Electroanalytical Chemistry. 615, 165-174.

  33. Nidheesh, P. V., & Gandhimathi, R. (2012). Trends in electro-Fenton process for water and wastewater treatment: an overview. Desalination, 299, 1-15.

  34. Zhang, T., Yu, S. R., & Feng, H. X. (2012). Fenton-like mineralization of anion surfactant by Fe2O3/attapulgite catalyst. Advanced Materials Research, 399, 1392-1395.

  35. Panizza, M., & Cerisola, G. (2009). Electro-Fenton degradation of synthetic dyes. Journal of Water Research, 43(2), 339-344.