تصفیه الکتروشیمیایی فاضلاب صنعتی

هر ساله، عملیات تولید صنعتی در تقریباً تمامی بازارها میلیاردها گالن پساب آلوده به آلاینده‌های آلی سمی و غیرقابل تجزیه زیستی تولید می‌کنند که در برابر روش‌های سنتی، زیستی و اکسیداسیون پیشرفته مقاوم هستند. در صورتی که این آلاینده‌ها به درستی تصفیه نشوند، می‌توانند خطرات بلندمدتی را برای صنعت، جوامع، سلامت انسان و محیط‌ ز یست ایجاد کنند.

تصفیه‌ خانه‌های فاضلاب شهری معمولاً جریان‌های آلوده به این ترکیبات آلی را نمی‌پذیرند. از این‌ رو، تولیدکنندگان اغلب مجبور می‌شوند پساب‌های خود را برای سوزاندن یا تزریق به چاه‌های عمیق به خارج از محل منتقل کنند.

در موارد دیگر، تولیدکنندگان یا از محدودیت‌های تخلیه عبور کرده‌اند یا با خطرات و مقررات نوظهور برای مواد مؤثره مواجه هستند. در نتیجه، استفاده از روش‌های پیشرفته‌ای مانند اکسیداسیون حرارتی، شیمیایی یا الکتروشیمیایی برای تجزیه این ترکیبات ضروری می‌شود.

تصفیه الکتروشیمیایی فاضلاب صنعتی چیست؟

یک استاندارد برای تصفیه آلاینده‌های آلی سمی موجود در پساب‌های تولید صنعتی ایجاد شده است. فناوری اکسیداسیون الکتروشیمیایی برای تصفیه طیف وسیعی از آلاینده‌های آلی مشکل‌ساز مانند حلال‌ها، آروماتیک‌ها، پلیمرها، سورفکتانت‌ها، آفت‌کش‌ها، مواد مؤثره و دیگر ترکیبات آلی پیچیده مناسب است. کاتالیزورهای پیشرفته، رادیکال‌های هیدروکسیل قدرتمندی تولید می‌کنند که با این ترکیبات واکنش داده و آنها را بدون استفاده از مواد شیمیایی خطرناک و بدون تولید پسماند مایع یا جامد اکسید می‌کنند.

تصفیه الکتروشیمیایی فاضلاب فناوری‌ای است که از جریان برق برای حذف آلاینده‌ها از فاضلاب استفاده می‌کند. این فناوری با اعمال جریان الکتریکی از طریق الکترودهایی که در آب غوطه‌ور شده‌اند، واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌کند که آلاینده‌ها را به مواد بی‌ضرر تجزیه می‌کند. این فرآیند معمولاً از روش‌هایی مانند الکتروانعقاد، الکتروکسیداسیون یا کاهش الکتریکی استفاده می‌کند، بسته به نوع آلاینده موجود. به‌طور کلی، این روش با استفاده از برق و واکنش‌های الکترودی، فاضلاب را تصفیه می‌کند.

در این فرآیند یک جریان الکتریکی از محلول حاوی فاضلاب عبور داده می‌شود که واکنش‌های اکسیداسیون یا کاهش را در سطح الکترودها ایجاد می‌کند. این واکنش‌ها می‌توانند آلاینده‌ها را به ترکیبات ساده‌تر و کم‌خطرتر تجزیه کنند.

روش‌های رایج تصفیه الکتروشیمیایی پساب

• انعقاد الکتریکی: تولید یون‌های فلزی از الکترودهای قربانی (مانند آلومینیوم یا آهن) که باعث انعقاد و حذف جامدات معلق می‌شود.
• الکتروکسیداسیون: اکسید کردن آلاینده‌های آلی در آند، که معمولاً برای حذف ترکیبات آلی پیچیده به کار می‌رود.
• کاهش الکتریکی: کاهش برخی آلاینده‌ها در کاتد، که عمدتاً برای حذف فلزات سنگین استفاده می‌شود.

این فناوری، آلاینده‌ها را به ترکیبات پایه مانند هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، مونوکسید کربن (CO) و دی‌اکسید کربن (CO2) تبدیل می‌کند که به‌ صورت گازهای بی‌ضرر و در مقادیر کم تخلیه می‌شوند. این راهکارهای الکتروشیمیایی برای تصفیه پساب در محل طراحی شده‌اند.

فرآیند الکترو کواگولاسیون برای تصفیه فاضلاب صنعتی

الکترولیز یک واحد فرآیندی است که تغییرات شیمیائی در آن ناشی از واکنش انتقال الکترون از میان سطح مشترک محلول و الکترود می باشد. ولتاژی که بین دو الکترود در یک سلول الکترولیتی به کار می رود این واکنش ها را به پیش می برد.

فاضلاب علاوه بر مواد معدنی (فلزات سنگین، اسیدها، بازها و …) حاوی مواد آلی است که باید قبل از دفع تصفیه شود. تصفیه بیولوژیکی فاضلاب اقتصادی ترین فرآیندی است که معمولا برای تصفیه آلودگی های آلی سهل الهضم از نظر بیولوژیکی (موجود در غالب فاضلاب ها) به کار می رود. اما وقتی که فاضلاب حاوی مواد آلی مقاوم در مقابل تصفیه بیولوژیکی باشد یا غلظت آنها زیاد و یا بسیار متغیر باشد، وضعیت کاملا فرق می کند. در این صورت انواع دیگری از تصفیه باید مورد استفاده قرار بگیرد. تکنولوژی های تصفیه متعددی برای بازیافت یا اضمحلال این آلودگی ها مورد استفاده قرار گرفته یا پیشنهاد شده است. این راهبردها شامل جذب سطحی کربن فعال و استخراج توسط حلال (بمنظور بازیافت مواد شیمیائی) یا اکسیداسیون الکتروشیمیائی برای از بین بردن این مواد است. کاربردهای متعددی از اکسیداسیون شیمیائی نیز گزارش شده است. مواد اکسیدکننده بکار رفته شامل پراکسیدهیدروژن (در حضور آهن دو ظرفیتی)، ازن و کلر است.

در 30 سال گذشته تکنیک های الکتروشیمیائی متنوعی برای تجزیه مواد آلی سمی و غیرقابل تجزیه بیولوژیکی برای تصفیه فاضلاب پیشنهاد و ابداع شده است. تاکنون فقط تعداد کمی از روش های متداول در ارتباط با الکترولیز آلاینده ها بر روی الکترودها مطرح بوده است. این تکنیک می تواند به وسیله هر یک از واکنش های زیر رخ دهد.

در دهه های اخیر تکنیک الکتروشیمیائی به طور موفقیت آمیزی در کشورهای توسعه یافته بکار گرفته شده و به محیط زیست کمک کرده است. به علاوه، قابل پیش بینی است که این تکنیک در آینده گسترش یافته و سهم بزرگی را از طریق کاربرد و بهبود تکنیک های موجود و ابداع و تکمیل تکنیک-های جدید به خود اختصاص دهد. دو روش مختلف جهت تصفیه آلاینده ها در شکل 2-1 نشان داده شده است. الکترولیز مستقیم به وسیله اکسیداسیون آندیک، که آلاینده در سطح الکترود با رادیکال OH˚ حاصل از اکسیداسیون آب واکنش می دهد (a). الکترولیز غیرمستقیم، که آلاینده در محلول با عامل B+ برگشت ناپذیر واکنش می دهد که به صورت الکترولیتی و به وسیله اکسیداسیون عامل غیرفعال B در آند تولید شده است.

مراحل مختلف برای تصفیه الکتروشیمیایی فاضلاب

• واکنش انتقال الکترون به صورت مستقیم به مواد آلی نامطلوب (احیاء) یا حذف الکترون از مواد آلی نامطلوب (اکسیداسیون)
• واکنش شیمیائی آلاینده ها با عواملی که قبلا به صورت الکترولیتی تولید شده اند و در محلول باقیمانده اند و در نهایت جذب سطح الکترود می شوند.
• غالب روش های الکتروشیمیائی بر اساس الکترولیز مستقیم (توسط عوامل حد واسط) بنیانگزاری شده اند، در روش اخیر آلاینده های موردنظر در محلول به وسیله عوامل فعال تولید شده بر روی الکترودها حذف می شوند و عوامل فعال در صورت نیاز می توانند به صورت برگشت پذیر بازیابی شوند.
• روش های الکتروشیمیائی توصیف شده در اینجا برای تجزیه مواد آلی در فاضلاب به دو بخش عمده تقسیم می شوند. فرآیندهای الکترولیز مستقیم شامل روش های متداول احیاء در محل کاتد و اکسیداسیون در محل آند می باشد.

فرآیندهای الکترولیز غیرمستقیم نیز شامل روش های ذیل می باشد:

• عوامل حد واسط اکسیداسیون و احیاء: همانند عواملی که به صورت الکترولیتی تولید شده و برگشت پذیر می باشند.
• تولید اکسیدان های قوی در محل آند: همانند عوامل الکترولیتی برگشت ناپذیر شامل: O3، CLO-، CL2 و CLO2
• تولید اکسیدان های قوی در محل کاتد: همانند H2O2
• روش های متداول جداسازی فاز مانند: الکتروکواگولاسیون، الکتروفلوتاسیون و الکتروفلوکولاسیون.

مزایای تصفیه فاضلاب به روش الکتروشیمیایی

1. کارایی بالا:
   • توانایی حذف طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها شامل آلودگی‌های آلی، معدنی و میکروبی.
   • مناسب برای تصفیه جریان‌های فاضلاب با غلظت‌های پایین و بالا.
2. طراحی فشرده:
   • سیستم‌ها عموماً ابعاد کوچکتری دارند و برای تأسیسات با محدودیت فضای نصب ایده‌آل هستند.
3. فرآیند دوستدار محیط‌ زیست:
   • نیاز به استفاده از مواد شیمیایی را کاهش می‌دهد.
   • نسبت به روش‌های متداول، ضایعات ثانویه کمتری تولید می‌کند.
4. تصفیه انتخابی:
   • امکان هدف‌گیری آلاینده‌های خاص مانند فلزات سنگین یا ترکیبات آلی.
5. قابلیت ماژولار و توسعه‌پذیری:
   • به‌ راحتی می‌توان فرآیند را بر اساس حجم فاضلاب مقیاس‌بندی کرد.
6. توانایی گندزدایی:
   • به‌ صورت مؤثر عوامل بیماری‌زا را بدون نیاز به مراحل اضافی مانند کلرزنی از بین می‌برد.

چالش‌های تصفیه پساب به روش الکتروشیمیایی

1. مصرف بالای انرژی:
   • فرآیندهای الکتروشیمیایی ممکن است نیاز به توان الکتریکی زیادی داشته باشند که هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد.
2. رسوب‌گذاری الکترودها:
   • الکترودها ممکن است دچار افت عملکرد یا پوشش آلاینده شوند که به کاهش کارایی سیستم و نیاز به تعمیر و نگهداری منجر می‌شود.
3. هزینه بالای مواد اولیه:
   • الکترودها اغلب از مواد گران‌قیمتی مانند تیتانیوم یا فلزات گران‌بها ساخته می‌شوند که هزینه اولیه را افزایش می‌دهد.
4. محدودیت در تصفیه برخی آلاینده‌ها:
   • همیشه برای ترکیبات بسیار محلول یا غیرقطبی کارآمد نیست.
5. تشکیل محصولات جانبی:
   • ممکن است منجر به تولید محصولات جانبی مضر مانند گاز کلر یا پرکلرات‌ها شود، اگر به‌ درستی مدیریت نشوند.
6. پیچیدگی عملیات:
   • نیاز به اپراتورهای ماهر برای مدیریت و بهینه‌سازی فرآیند تصفیه به‌ صورت مؤثر دارد.
7. چالش‌های مقیاس‌پذیری:
   • اگرچه ماژولار است، مقیاس‌بندی سیستم برای حجم‌های بزرگ فاضلاب می‌تواند به دلیل نیازهای انرژی و مواد دشوار باشد.

عوامل مؤثر بر تصفیه فاضلاب به روش انعقاد الکتروشیمیایی

فرآیند تصفیه فاضلاب به روش انعقاد الکتروشیمیایی به عوامل مختلفی وابسته است که هر یک از آن‌ها تأثیر مستقیمی بر عملکرد و بازده این فرآیند دارند. در این مقاله به بررسی مهم‌ترین عوامل مؤثر در این روش پرداخته‌ایم:

تأثیر جنس الکترود آند در تصفیه فاضلاب

انتخاب جنس الکترود آند یکی از عوامل کلیدی در فرآیند تصفیه فاضلاب انعقاد الکتروشیمیایی است. الکترودهایی از جنس آلومینیوم، آهن، فولاد ضدزنگ و برخی فلزات دیگر مانند منیزیم و کادمیم در این فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرند. فلزات چندظرفیتی مانند آلومینیوم و آهن به دلیل دسترسی بالا، هزینه کمتر و حلالیت مناسب‌تر در آب، کاربرد بیشتری دارند. از سوی دیگر، استفاده از فلزاتی مانند سرب به دلیل تولید مواد آلاینده ثانویه نظیر یون‌های سمی Pb2+Pb^{2+} محدود شده است.

تأثیر pH در انعقاد الکتروشیمیایی

pH یکی از پارامترهای حیاتی در فرآیند انعقاد الکتروشیمیایی است که بر رسانایی محلول، انحلال الکترودها و تشکیل هیدروکسیدها تأثیر می‌گذارد. این فرآیند معمولاً در pH کمی قلیایی بهینه عمل می‌کند. در pH‌های بسیار قلیایی، یون‌هایی تشکیل می‌شوند که خاصیت لخته‌کنندگی پایین‌تری دارند، در حالی که محدوده pH اسیدی و خنثی نیز بسته به شرایط فرآیند می‌تواند عملکرد قابل‌ قبولی ارائه دهد.

تأثیر چگالی جریان در تصفیه فاضلاب

چگالی جریان یکی از عوامل عملیاتی مهم و قابل‌کنترل در این فرآیند است. افزایش چگالی جریان باعث افزایش انحلال فلز آند و تولید بیشتر کمپلکس‌های هیدروکسیدی می‌شود که منجر به حذف بهتر آلاینده‌ها نظیر رنگ و COD خواهد شد. همچنین نرخ تولید حباب‌های گازی (هیدروژن) در کاتد افزایش می‌یابد که برای شناورسازی ذرات معلق مؤثر است. با این حال، تعیین چگالی جریان بهینه نیازمند موازنه‌ای بین بازده فرآیند و هزینه‌های اقتصادی است.

تأثیر دما بر فرآیند انعقاد الکتروشیمیایی

تأثیر دما در این فرآیند کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است، اما معمولاً این روش در دمایی پایین‌تر از ۶۰ درجه سانتی‌گراد اجرا می‌شود. دمای فرآیند به دلیل واکنش‌های الکتروشیمیایی به مرور زمان افزایش می‌یابد، اما این افزایش به طور معمول شیب ملایمی دارد.

تأثیر انفعال الکترود در تصفیه فاضلاب

انفعال الکترود یکی از چالش‌های عملیاتی اصلی در این فرآیند است که می‌تواند بر طول عمر الکترودها و بازده کلی سیستم تأثیر بگذارد. به‌عنوان مثال، در الکترودهای آلومینیومی، رسوبات کلسیم کربنات و منیزیم هیدروکسید در کاتد و لایه‌های اکسیدی در آند تشکیل می‌شوند. برای کاهش انفعال، روش‌هایی نظیر تعویض قطب‌های الکترود، تمیزکاری مکانیکی یا هیدرومکانیکی و سایر تکنیک‌ها پیشنهاد می‌شود.

نتیجه‌ گیری

فرآیند تصفیه فاضلاب به روش انعقاد الکتروشیمیایی تحت تأثیر پارامترهایی همچون جنس الکترود، pH، چگالی جریان، دما و انفعال الکترود قرار دارد. بهینه‌سازی هر یک از این عوامل می‌تواند به بهبود بازده و کاهش هزینه‌های عملیاتی منجر شود. این روش به دلیل کارایی بالا و تولید حداقل آلودگی ثانویه، یکی از گزینه‌های کارآمد در تصفیه فاضلاب صنعتی و شهری محسوب می‌شود.

یکی از فعالیتهای عمده شرکت مهندسی فراب زیست فراز طراحی و تولید انواع پکیج تصفیه فاضلاب بهداشتی و صنعتی میباشد. ساخت پکیج تصفیه الکتریکی فاضلاب نیز یکی از محصولات این شرکت محسوب میشود. تصفیه الکتریکی فاضلاب فرآیندی است که در آن، یونهای فلزی در آند و یون های هیدروکسیل و هیدروژن در کاتد تشکیل می شوند. از این فرآیند برای جدا سازی فلزات سنگین، تصفیه فاضلاب با بار آلی بالا، حذف کدورت و … استفاده می شود.