27629

بررسي آزمايشگاهي حذف نيترات از آب با روش يون زدايي ظرفيتي غشايي(MCDI)

دكتري

مهندسي شيمي- فرايندهاي جداسازي

1401

1401/08/18

خانم دكتر سوسن روشن ضمير

آقاي دكتر فواد مهري

مهندسي شيمي

روش يون زدايي ظرفيتي از جمله فناوري هاي نوين مورد استفاده در فرايندهاي حذف نيترات از آب است كه براساس يك سيستم الكتروشيميايي عمل مي كند. يكي از عناصر كليدي در اين فرايند، الكترودها هستند كه نقش اساسي در جذب يوني دارند، لذا در اين كار مطالعاتي به منظور نيترات زدايي از محلول خوراك با استفاده از اين فناوري، تلاش شد كه الكترود كامپوزيتي جديدي معرفي، ساخته و بكارگرفته شود. به منظور تعيين تركيب درصد بهينه مواد اين الكترود با هدف بهبود خاصيت ترشوندگي، هدايت الكتريكي و خواص سطح الكترود براي دستيابي به ظرفيت خازني بيشتر الكترود، از طراحي آزمايش بر اساس روش" طراحي مخلوط" ( به وسيله روش D-optimal ) با كمك نرم افزار Design Expert استفاده شد. تركيب درصد مواد الكترود شامل كربن فعّال (80% وزني)، پودر پلي وينليدين فلورايد (8 % وزني)، نانوذرات اكسيد زيركونيوم (6 % وزني) و پودر نمك امرالدين پلي آنيلين (6 % وزني) بود. براي بررسي رفتار الكتروشيميايي الكترودها و نيز تعيين مشخصات فيزيكي، ساختاري، عناصر تشكيل دهنده و گروه هاي عاملي و خاصيت ترشوندگي آنها به ترتيب از آزمون هاي ولتامتري چرخه اي، طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي، ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني، تخلخل سنجي و محاسبه مساحت سطح ويژه، طيف سنجي تبديل فوريه مادون قرمز، پراش اشعه ايكس، طيف سنجي پراش انرژي پرتو ايكس و زوايه تماس استفاده شد. در ادامه، آزمون هاي ولتامتري چرخه اي و طيف‌ سنجي امپدانس الكتروشيميايي به منظور تعيين ظرفيت جذب خازني و مقاومت الكتريكي الكترود در برابر انتقال بار يوني در يك سل سه الكترودي با وجود الكترودهاي كامپوزيتي كربني با ابعاد cm2 1و حضور محلول يك مولار NaNO3 انجام شد. نتايج نشان داد كه ظرفيت جذب يوني و مقاومت الكتريكي الكترود بهينه به ترتيبF/g 24/90 و Ω 4/2 بود كه نسبت به ديگر الكترودها، عملكرد بهتري داشت. سپس، اين الكترود بهينه در ابعاد cm2 5×5 به روش غير درجا بر اساس تركيب درصد فوق الذكر ساخته شده و به كارگيري شد. حذف يون هاي نيترات به وسيله فرايند هاي يون زدايي ظرفيتي بدون غشاء (CDI) و با غشاء (MCDI) در يك مجموعه ازمايشگاهي با استفاده از يك جفت الكترود بهينه به ابعاد cm25×5 ، ضخامتµm 220 و جرم 985/0 گرم با وجود محلول خوراك دو نمكي NaNO3 و NaCl (با غلظت اوليهmg/L 100)، دبي جريانmL/min 10 طي فرايند ناپيوسته در ولتاژ ثابت 2 ولت انجام پذيرفت. چرخه جذب و دفع به ترتيب در ولتاژ هاي 2 ولت و صفر ولت انجام شد. نتايج حاصله براي فرايند MCDI ، نشان داد كه ميزان يون جذب شده نيترات و بازدهي جذب آن به ترتيب mg/g51/ 7 و 06/81 % بود، در حالي كه اين پارامترها براي فرايند CDI به ترتيب mg/g23/ 5 و 49/56 % بود. اين نتايج نشان داد كه ظرفيت يون نيترات جذب شده توسط فرايند MCDI، 36/30 % بيشتر از مقدار آن طي فرايند CDIبوده است، ضمن آن كه ميزان گزينش پذيري يون نيترات نسبت به يون كلرايد در فرايند MCDI حدود 2 برابر فرايندCDI ارزيابي شد.

1401/10/10

An Experimental Investigation Of Nitrate Removal From Water By Membrane Capacitive Deionization (MCDI)

11/9/2023 12:00:00 AM

The capacitive deionization (CDI) method is one of the new technologies used in the field of removal of nitrate from water, which is based on the performance of an electrochemical system. One of the key elements in this process is the electrodes, which play a basic role, so in this study, in order to remove nitrate from feed solution using this technology, it was attempted introduce a new composite electrode, its manufacturing, and to be employed. To determine the optimal percentage composition of materials of the electrodes to improve wettability, electrical conductivity and surface properties of the electrode t[bfo achieve higher capacitance, the experimental design method based on "mixture design" (by the D-optimal method) was used by design-expert software. The percentage composition of materials were included activated carbon (80 wt.%), polyvinylidene fluoride powder (8 wt.%) zirconium dioxide (6 wt.%) nanoparticles and polyaniline emeraldine salt (6 wt.%) nanoparticles. The cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), field emission scanning electron microscopy (FESEM), porosity and special surface area measurement, and calculation of contact angle, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), x-ray diffraction (XRD), and x-ray energy diffraction spectroscopy (EDS) were used to investigate the electrochemical behavior and to determine the physical properties, structural, elemental mapping, and functional groups of the electrodes, respectively. Next, the cyclic voltammetry and the electrochemical impedance spectroscopy tests were performed to determine the absorption capacity and electrical resistance to ionic charge transfer in a three-electrode cell with the carbon composite electrodes size (1cm2) and the presence of 1 M solution of NaNO3. Results showed the maximum specific capacitance and charge transfer resistance of 90.24 Fg-1 and 2.4 Ω, respectively, for E4 as an optimized composite electrode determined by CV and EIS analysis, respectively, which its performance was better than other electrodes. Then, the composite electrode with 5×5 cm2 size manufactured based on the ex situ technique(with the percentage composition of the above ), and was employed. Removal of nitrate ions performed by setup of CDI and MCDI using these electrodes ( with size 5×5 cm2, thickness 220µm, and weight 0.985 g) in the presence of 200 mL of binery salt feed solution (NaNO3 and NaCl) with initial concentration 100 mg/L and flow rate of 10 mL/min during the batch process with constant voltage 2.0 volts The absorption-desorption cycle was carried out with the applied voltage of 2.0 volts and the short-circuit mode (zero voltage), respectively. The results showed that the amount of adsorbed nitrate ions and the ion removal efficiency by MCDI process were determined 7.51 mg/g and 81.06%, while those parameters were calculated 5.23 mg/g and 56.49% for CDI process. These results indicated the capacity of adsorbed nitrate ions by MCDI process was 30.34% higher than CDI process. In addition, the selectivity of nitrate ion in comparison with chloride ion was about 2 times in MCDI process than CDI process.

نيترات زدايي , فرايند يون زدايي ظرفيتي غشايي , جذب الكترودي , الكترود كامپوزيتي

nitrate removal , membrane capacitive deionization process , electrosorption , composite electrode

reza fateminia

soosan rowshanzamir