نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

بهینه سازی فرآیند فوتو فنتون جهت کاهش مواد آلی فاضلاب کارخانه خمیر و کاغذ با استفاده از روش سطح پاسخ

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
علی طهماسبی
محمد حسین صراف زاده
بهنام غفاری
کرسی یونسکو در بازیافت آب، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
صنایع خمیر و کاغذ از جمله صنایع با بالاترین مصرف آب شیرین و تولید کننده فاضلاب است که در صورت رهاسازی مستقیم فاضلاب تولیدی در محیط زیست، آسیب جدی به چرخه زیستی آب و خاک وارد کند. وجود مواد آلی زیست تخریب ناپذیر با جرم مولکولی بالا در فاضلاب تولیدی، روش های تصفیه مرسوم مانند تصفیه زیستی و ته نشینی را دچار محدودیت می کند. امروزه روش فوتو فنتون به عنوان روشی  ساده، سریع و دوستدار محیط زیست مورد توجه محققین قرار گرفته است که می­ تواند با تولید رادیکال های هیدروکسیلی پرقدرت موجب اکسید شدن مواد آلوده کننده ‎گردد. غلظت اکسید کننده، غلظت آهن و pH  محیط واکنش از جمله عوامل موثر در کارآیی این فرآیند می باشند. در این پژوهش جهت بررسی اثر عوامل ذکر شده موثر، طراحی آزمایش با روش ترکیب مرکزی بر پایه روش سطح پاسخ، با سه عامل متغیر غلظت بدون بعد هیدروژن پروکسید، غلظت یون آهن (II) و pH، در 18 آزمایش انجام گردید. جهت اعمال روش تصفیه فوتو فنتون بر روی نمونه پساب، ابتدا pH تنظیم و سپس به ترتیب، اضافه کردن یون آهن (II) و هیدروژن پروکسید انجام گردید و محلول پس از آن بلافاصله تحت تابش نور UV قرار گرفت. COD به عنوان شاخص نشاندهنده آلودگی فاضلاب تعریف گردید و جهت از حذف اثر مزاحم هیدروژن پروکسید در اندازه گیری COD، اصلاح نمونه ها با استفاده از سدیم سولفیت انجام پذیرفت. بر پایه نتایج بدست آمده، بهینه سازی عوامل موثر جهت رسیدن به بهترین عملکرد با حداقل هزینه اقتصادی انجام شد. بیشینه مقدار حذف COD بطور تجربی برابر 51/71% به دست آمد. در حالت بهینه اقتصادی با غلظت اولیه اکسید کننده بدون بعد 369/0، غلظت یون آهن ((II برابر mg/L 98/99 و pH برابر 28/3، 21/65% حذف COD و 37/1 ریال هزینه به ازای حذف 1 واحد COD به ‎دست آمد.
کلیدواژه‌ها
اکسیداسیون پیشرفته
فوتو فنتون
فاضلاب کارخانه خمیر و کاغذ
بهینه سازی
ترکیب مرکزی

موضوعات

[1] Sevimli MF. Post-Treatment of Pulp and Paper Industry Wastewater by Advanced Oxidation Processes. Ozone Sci Eng. 27(1): 37–43 (2005).
[2] Haq I, Mazumder P, Kalamdhad AS. Recent Advances in Removal of Lignin from Paper Industry Wastewater and its Industrial Applications – A Review. Bioresour Technol. 312: 123636 (2020).
[3] Ashrafi O, Yerushalmi L, Haghighat F. Wastewater Treatment in the Pulp-and-Paper Industry: A Review of Treatment Processes and the Associated Greenhouse Gas Emission. J Environ Manage. 158: 146–157 (2015).
[4] Anandan S, Kumar Ponnusamy V, Ashokkumar M. A Review on Hybrid Techniques for the Degradation of Organic Pollutants in Aqueous Environment. Ultrason Sonochem. 67: 105130 (2020).
[5] Kamali M, Khodaparast Z. Review on Recent Developments on Pulp and Paper Mill Wastewater Treatment. Ecotoxicol Environ Saf. 114: 326–342 (2015).
[6] Ahmadi A, Sarrafzadeh M-H, Hosseinian A, Ghaffari S-B. Foulant Layer Degradation of Dye in Photocatalytic Membrane Reactor (PMR) Containing Immobilized and Suspended NH2-MIL125(Ti) MOF Led to Water Flux Recovery. J Environ Chem Eng. 10(1): 106999 (2022).
[7] Zhou M, Oturan MA, Sirés I.  Electro-Fenton Process. Eds: Zhou M, Oturan MA, and Sirés I Springer Singapore: Singapore (2018).
[8] Sgroi M, Snyder SA, Roccaro P. Comparison of AOPs at Pilot Scale: Energy Costs for Micro-Pollutants Oxidation, Disinfection by-Products Formation and Pathogens Inactivation. Chemosphere. 273: 128527 (2021).
[9] Sevimli MF, Deliktaş E, Şahinkaya S, Güçlü D. A Comparative Study for Treatment of White Liquor by Different Applications of Fenton Process. Arab J Chem. 7(6): 1116–1123 (2014).
[10] Ribeiro JP, Marques CC, Portugal I, Nunes MI. AOX Removal from Pulp and Paper Wastewater by Fenton and Photo-Fenton Processes: A Real Case-Study. Energy Reports. 6: 770–775 (2020).
[11] Alizadeh Fard M, Torabian A, Bidhendi GRN, Aminzadeh B. Fenton and Photo-Fenton Oxidation of Petroleum Aromatic Hydrocarbons Using Nanoscale Zero-Valent Iron. J Environ Eng. 139(7): 966–974 (2013).
[12] Shokri A, Bayat A, Mahanpoor K. Employing Fenton-Like Process for the Remediation of Petrochemical Wastewater Through Box–Behnken Design Method Desalin WATER Treat. 166: 135–143 (2019).
[13] Li H, Gong Y, Huang Q, Zhang H. Degradation of Orange II by UV-Assisted Advanced Fenton Process: Response Surface Approach, Degradation Pathway, and Biodegradability. Ind Eng Chem Res. 52(44): 15560–15567 (2013).
[14] Bacardit J, Hultgren A, García-Molina V, Esplugas S. Biodegradability Enhancement of Wastewater Containing 4-Chlorophenol by Means of Photo-Fenton. J Adv Oxid Technol. 9(1): (2006).
[15] Salari M, Rakhshandehroo GR, Nikoo MR. Degradation of Ciprofloxacin Antibiotic by Homogeneous Fenton Oxidation: Hybrid AHP-PROMETHEE Method, Optimization, Biodegradability Improvement and Identification of Oxidized by-Products.  Chemosphere. 206: 157–167 (2018).
[16] Rodriguez M, Sarria V, Esplugas S, Pulgarin C. Photo-Fenton Treatment of a Biorecalcitrant Wastewater Generated in Textile Activities: Biodegradability of the Photo-Treated Solution. J Photochem Photobiol A Chem. 151(1–3): 129–135 (2002).
[17] Kajitvichyanukul P, Suntronvipart N. Evaluation of Biodegradability and Oxidation Degree of Hospital Wastewater Using Photo-Fenton Process as the Pretreatment Method. J Hazard Mater. 138(2): 384–391 (2006).
[18] Carvalho Neves L, Beber de Souza J, de Souza Vidal CM, Herbert LT, de Souza KV, Geronazzo Martins K, et al. Phytotoxicity Indexes and Removal of Color, COD, Phenols and ISA from Pulp and Paper Mill Wastewater Post-Treated by UV/H2O2 and Photo-Fenton. Ecotoxicol Environ Saf. 202: 110939 (2020).
[19] Umar M, Aziz HA, Yusoff MS. Trends in the use of Fenton, Electro-Fenton and Photo-Fenton for the Treatment of Landfill Leachate. Waste Manag. 30(11): 2113–2121 (2010).
[20] Wang Y, Li W, Irini A. A Novel and Quick Method to Avoid H2O2 Interference on COD Measurement in Fenton System by Na2SO3 Reduction and O2 Oxidation. Water Sci Technol. 68(7): 1529–1535 (2013).
[21] Karimi S, Shokri A, Aghel B. Remediation of Spent Caustic in the Wastewater of Oil Refinery by Photo-Fenton Process. Arch Hyg Sci. 9(3): 179–188 (2020).
[22] Pishbin M, Sarrafzadeh M-H, Faramarzi MA. Nitrate and Phosphate Removal Efficiency of Synechococcus elongatus Under Mixotrophic and Heterotrophic Conditions for Wastewater Treatment. Iran J Sci Technol Trans Civ Eng. 45(3): 1831–1843 (2021).
[23] Jung C, Deng Y, Zhao R, Torrens K. Chemical Oxidation for Mitigation of UV-Quenching Substances (UVQS) from Municipal Landfill Leachate: Fenton Process Versus Ozonation. Water Res. 108: 260–270 (2017).
[24] Asghar A, Abdul Raman AA, Daud WMAW. A Comparison of Central Composite Design and Taguchi Method for Optimizing Fenton Process. Sci World J. 2014: 1–14 (2014).
[25] de Morais JL, Zamora PP. Use of Advanced Oxidation Processes to Improve the Biodegradability of Mature Landfill Leachates. J Hazard Mater. 123(1–3): 181–186 (2005).
[26] Cai QQ, Lee BCY, Ong SL, Hu JY. Fluidized-Bed Fenton Technologies for Recalcitrant Industrial Wastewater Treatment–Recent Advances, Challenges and Perspective. Water Res. 190: 116692 (2021).
[27] Brink A, Sheridan C., Harding KG. The Fenton Oxidation of Biologically Treated Paper and Pulp Mill Effluents: A Performance and Kinetic Study. Process Saf Environ Prot. 107: 206–215 (2017).
[28] Chamarro E, Marco A, Esplugas S. Use of Fenton Reagent to Improve Organic Chemical Biodegradability. Water Res. 35(4): 1047–1051 (2001).
[29] Hermosilla D, Cortijo M, Huang CP. Optimizing the Treatment of Landfill Leachate by CONVENTIONAL FENTON and Photo-Fenton Processes. Sci Total Environ. 407(11): 3473–3481 (2009).
[30] Babuponnusami A, Muthukumar K.  A Review on Fenton and Improvements to the Fenton Process for Wastewater Treatment. J Environ Chem Eng. 2(1): 557–572 (2014).
[31] Parsons S. Advanced Oxidation Processes for Waste Water Treatment. Elsevier (2018).
[32] Mohadesi M, Shokri A. Treatment of oil Refinery Wastewater by Photo-Fenton Process Using Box–Behnken Design Method: Kinetic Study and Energy Consumption. Int J Environ Sci Technol. 16(11): 7349–7356 (2019).
[33] Torrades F, García-Montaño J. Using Central Composite Experimental Design to Optimize the Degradation of Real Dye Wastewater by Fenton and Photo-Fenton Reactions. Dye Pigment. 100: 184–189 (2014).