بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی حذف نیکل از پساب مصنوعی با جاذب شلتوک برنج اصلاح شده در رآکتور پیوسته به

توضیحات

بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی حذف نیکل از پساب مصنوعی با جاذب شلتوک برنج اصلاح شده در رآکتور پیوسته به
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد
چکيده
روش جذب سطحی از روشهای موثر در حذف فلزات و از جمله فلز نیکل می باشد. در این تحقیق از شلتوک برنج اصلاح شده بازی به عنوان ماده جاذب استفاده شده است. از آنجا که این جاذب ماده ای طبیعی با سطح تماس بالا می باشد، علاوه بر توانایی بالا در جذب فلز، ارزان قیمت و در دسترس است و عملیات جذب را مقرون به صرفه می نماید. همچنین آزمایشات به صورت سیستم پیوسته ستون جهت حذف فلز انجام شده است.
به منظور بررسی اثرات و بهینه سازی پارامتر های موثر بر راندمان جذب شامل ارتفاع جاذب، دبی ورودی به ستون و غلظت اولیه نیکل، طرح آزمایش با استفاده از روش سطح پاسخ و با به کارگیری طرح آزمایش مرکب مرکزی انجام گرفت. نتایج حاصل از انجام آزمایشها توسط نرم افزار Design Expert آنالیز و تحلیل شد و مناسب ترین مدل به منظور رسم منحنی های سطح پاسخ که روش مرتبه دوم بوده است مشخص گردید. همچنین از مدلهای تجربی Adam-Bohart و توماس به منظور تطبیق نتایج آزمایشها استفاده گردید. بر اساس نتایج بدست آمده ارتفاع جاذب بیشترین اثر را بر راندمان جذب داشته و با تاثیر مثبت وارد می گردد. دو فاکتور دبی و غلظت ورودی نیکل اثرات کمتری بر جذب داشته و با افزایش هر یک از آنها راندمان کاهش می یابد. همچنین بالاترین بازدهی جذب برابر 8/69 % و بیشترین ظرفیت جذبی ستون برابر 33/16 میلی گرم نیکل در واحد جرم جاذب بوده است.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1- مقدمه....................................................................................................................................................... 2
1-1- کلیات................................................................................................................................................... 2
1-2- ضرورت انجام تحقیق........................................................................................................................ 4
1-3- اهداف تحقیق..................................................................................................................................... 6
1-4- نوآوری تحقیق.................................................................................................................................... 6
1-5- ساختار پایان نامه............................................................................................................................... 7
2- پیشینه و تئوری تحقیق.......................................................................................................................9
2-1- مقدمه.................................................................................................................................................. 9
2-2- پیشینه تحقیق................................................................................................................................... 9
2-2-1- انواع جاذب.....................................................................................................................................9
2-2-1-1- پوسته برنج................................................................................................................................9
2-2-1-2- کربن فعال..............................................................................................................................11
2-2-1-3- پوسته گردو............................................................................................................................12
2-2-1-4- خاک اره..................................................................................................................................12
2-2-1-5- نانو ذرات کربنی....................................................................................................................13
عنوان صفحه
2-2-1-6- سایر جاذب ها........................................................................................................................14
2-2-2- انجام آزمایشات با استفاده از سیستم ستون........................................................................15
2-2-3- استفاده از روش پاسخ سطح (RSM) در مدلسازی آزمایش..........................................16
2-2-4- انجام آزمایشات با استفاده از سیستم ستون و مدلسازی توسط روش RSM............18
2-3- تئوری تحقیق...................................................................................................................................18
2-3-1- روش سطح پاسخ(RSM)..................................................................................................... 18
2-3-1-1-روش شناسی سطح پاسخ.....................................................................................................18
2-3-1-2- طرحهای آزمایشی برای برازانیدن سطح های پاسخ.....................................................20
2-3-1-3- انواع طرح های سطح پاسخ................................................................................................21
2-3-1-4- طرح های مرکب مرکزی (CCD).................................................................................. 24
2-3-2- تئوری جذب سطحی................................................................................................................27
2-3-2-1- ایزوترم جذب پایه.................................................................................................................29
2-3-2-2- مدل های تجربی برای مدلسازی نتایج آزمایشها...........................................................31
2-3-2-2-1- مدل Adam-Bohart.................................................................................................31
2-3-2-2-2- مدل توماس......................................................................................................................32
2-4-جمع بندی....................................................................................................................................33
3- مواد و روشها ........................................................................................................................................35
3-1- مقدمه............................................................................................................................................35
3-2- مواد مورد استفاده.......................................................................................................................35
3-2-1- جاذب مورد استفاده: شلتوک برنج اصلاح شده بازی.......................................................35
3-2-2- فاضلاب مصنوعی حاوی فلز سنگین.....................................................................................36
3-2-3- سایر مواد مورد استفاده............................................................................................................36
3-3- دستگاههای مورد استفاده.........................................................................................................37
3-4- روشهای مورد استفاده................................................................................................................37
عنوان صفحه
3-4-1- آماده سازی ستون.....................................................................................................................37
3-4-2- طراحی آزمایشها به کمک روش RSM..............................................................................39
3-4-3- روش تعیین بازدهی جذب در هر آزمایش...........................................................................41
3-4-4- روش انجام آزمایش غیر پیوسته.............................................................................................43
4- نتایج .......................................................................................................................................................46
4-1-مقدمه.............................................................................................................................................46
4-2- نتایج آزمایش های غیر پیوسته...............................................................................................46
4-3- نتایج آزمایش های انجام شده بر مبنای روش سطح پاسخ به منظور بررسی عوامل موثر بر بازدهی جذب فلز سنگین.................................................................................................................49
4-4- تحلیل نتایج.................................................................................................................................52
4-4-1- تحلیل واریانس...........................................................................................................................68
4-4-1-1- تحلیل واریانس مدل چند جمله ای مرتبه دوم..............................................................68
4-4-1-2- تحلیل واریانس مدل خطی.................................................................................................72
4-4-2- تعیین بهترین رابطه.................................................................................................................74
4-5- ترکیبات مختلف پارامتر ها در اهداف تعیین شده مجموعه آزمایش ها............................79
4-6- تطبیق نتایج بدست آمده از آزمایش های پیوسته با مدل های تجربی.............................81
5- نتیجه گیری و پیشنهادات ................................................................................................................85
5-1- نتیجه گیری.................................................................................................................................85
5-2- پیشنهادات....................................................................................................................................86
فهرست منابع...............................................................................................................................................88
فهرست جدول­ها
عنوان و شماره صفحه
جدول 2-1- خلاصه نتایج تحقیقات صورت گرفته بر روی حذف فلزات سنگین مختلف به کمک پوسته برنج (سعادت، 1391) 10
جدول 2-2- ترکیب های مختلف کد شده پارامتر ها در طرح متشکل از 3 پارامتر 26
جدول 2-3- مقایسه بین جذب فیزیکی و شیمیایی 28
جدول 3-1- پارامترهای مستقل طرح و سطوح مقادیر و کد های مربوطه 40
جدول 3-2- پارامترهای مورد نظر در این مطالعات و ترکیبات مختلف آزمایشها 41
جدول 4-1- مقدار غلظت تعادلی نیکل، بازدهی جذب و مقدار نیکل جذب شده در واحد جرم جاذب در آزمایش های غیرپیوسته 47
جدول 4-2- نتایج آزمایش های انجام شده بر مبنای روش سطح پاسخ 50
جدول 4-3- میزان غلظت خروجی نیکل را در زمان های مختلف از ستون با حداکثر بازدهی جذب نیکل 52
جدول 4-4- نتایج آنالیز برنامه Design Expert جهت انتخاب مدل ریاضی 60
جدول 4-5- تحلیل واریانس مدل چند جمله ای درجه دوم (نتایج آنالیز برنامه Design Expert) 69
عنوان و شماره صفحه
جدول 4-6- ضرایب ثابت، اثرات خطی، مربعی و متقابل پارامتر های مدل مرتبه دوم 70
جدول 4-7- تحلیل واریانس مدل خطی (نتایج آنالیز برنامه Design Expert) 72
جدول 4-8- ضرایب ثابت و اثرات خطی پارامتر های مدل خطی 74
جدول 4-9- نتایج مقایسه درصد حذف نیکل حاصل از کاربرد روابط مرتبه دوم و خطی 75
جدول 4-10- ترکیبات مختلف پارامتر ها را در مدل مرتبه دوم برای بدست آوردن حداکثر راندمان 80
جدول 4-11- پارامتر های مدل Adam-Bohart 82
جدول 4-12- پارامتر های مدل توماس 83
فهرست شکل­ها
عنوان و شماره صفحه
شکل 2-1- طرح مرکب مرکزی (CCD) 24
شکل 2-2- ایزوترم جذب 28
شکل 3-1- شمای شماتیک سیستم پیوسته 38
شکل 3-2- سیستم پیوسته به هنگام انجام آزمایش ها 39
شکل 3-3- شمای شماتیک نمودار جذب 42
شکل 4-1- نمودار ایزوترم جذب نیکل در آزمایش های غیر پیوسته 48
شکل 4-2- نمودار مطابقت ایزوترم جذب با مدل لانگمویر 48
شکل 4-3- نمودار مطابقت ایزوترم جذب با مدل فروندلیچ 49
شکل 4-4- نمودار شکست آزمایش شماره 4 با راندمان حداکثر برابر با 8/69 % 51
شکل 4-5- نمودار نرمال باقیمانده ها در مدل های مرتبه دوم و خطی 55
شکل 4-6- نمودار باقیمانده ها در مقابل مقادیر پیش بینی شده 56
شکل 4-7- نمودار باقیمانده ها در برابر ترتیب اجرای آزمایش 57
شکل 4-8- نمودار پریشیدگی پارامتر های مختلف در پارامتر ها 58
عنوان و شماره صفحه
شکل 4-9- نمودار اثر ارتفاع جاذب بر میزان جذب فلز سنگین در دو مدل مرتبه دوم و خطی 62
شکل 4-10- نمودار اثر دبی بر میزان جذب فلز سنگین در دو مدل مرتبه دوم و خطی 63
شکل 4-11- نمودار اثر غلظت اولیه نیکل بر میزان جذب فلز سنگین در دو مدل مرتبه دوم و خطی 64
شکل 4-12- نمودار خطوط پاسخ اثر تغییرات ارتفاع جاذب و دبی ورودی بر بازدهی جذب 65
شکل 4-13- نمودار اثر توامان ارتفاع جاذب و دبی بر راندمان جذب 66
شکل 4-14- نمودار سه بعدی اثر توامان ارتفاع جاذب و دبی بر راندمان جذب 67
شکل 4-15- نمودار مقایسه نتایج روابط شماره 4-3 و 4-5 با نتایج واقعی بازدهی حاصل از انجام آزمایشها 77
شکل 4-16- اختلاف نتیجه بازدهی بر اساس روابط 4-3 و 4-5 با مقدار واقعی بازدهی از آزمایشها 78
شکل 4-17- نمودار میله ای مطلوبیت ترکیبات تعریف شده در اهداف 80
شکل 4-18- مقایسه نمودار بدست آمده از آزمایشها با مدل Adam-Bohart 82
شکل 4-19- مقایسه نمودار بدست آمده از آزمایشها با مدل توماس 83
شکل پ-1- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 95/25 سانتی متر، دبی 75/15 میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 76 میلی گرم بر لیتر 95
شکل پ-2- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 95/25 سانتی متر، دبی 72/10 میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 2/34 میلی گرم بر لیتر 95
شکل پ-3- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 05/14 سانتی متر، دبی 78/15 میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 2/34 میلی گرم بر لیتر 96
عنوان و شماره صفحه
شکل پ-4- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 05/14 سانتی متر، دبی 72/10 میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 2/34 میلی گرم بر لیتر 96
شکل پ-5- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 95/25 سانتی متر، دبی 78/15 میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 2/34 میلی گرم بر لیتر 97
شکل پ-6- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 05/14 سانتی متر، دبی 72/10میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 8/75 میلی گرم بر لیتر 97
شکل پ-7- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 95/25 سانتی متر، دبی 72/10میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 8/75 میلی گرم بر لیتر 98
شکل پ-8- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 05/14 سانتی متر، دبی 78/15میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 8/75 میلی گرم بر لیتر 98
شکل پ-9- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی 25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 90 میلی گرم بر لیتر 99
شکل پ-10- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی 25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 20 میلی گرم بر لیتر 99
شکل پ-11- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی5/17میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 100
شکل پ-12- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 10 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 100
شکل پ-13- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی9میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 101
شکل پ- 14- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 101
شکل پ-15- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 102
عنوان و شماره صفحه
شکل پ-16- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 102
شکل پ-17- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 103
شکل پ-18- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 103
شکل پ-19- نمودار شکست در ستون با ارتفاع جاذب 20 سانتی متر، دبی25/13میلی لیتر بر دقیقه و غلظت اولیه نیکل 55 میلی گرم بر لیتر 104
شکل پ-20- نمودار خطوط پاسخ اثر تغییرات ارتفاع جاذب و غلظت نیکل ورودی بر بازدهی جذب 105
شکل پ-21- نمودار خطوط پاسخ اثر تغییرات دبی ورودی و غلظت نیکل ورودی بر بازدهی جذب 106
شکل پ-22- - نمودار اثر توامان ارتفاع جاذب و غلظت اولیه نیکل بر راندمان جذب 107
شکل پ- 23- نمودار اثر توامان غلظت اولیه نیکل و دبی بر راندمان جذب 108
شکل پ-24- نمودار سه بعدی اثر توامان غلظت اولیه نیکل و ارتفاع جاذب بر راندمان جذب 109
شکل پ-25- نمودار سه بعدی اثر توامان غلظت اولیه نیکل و دبی بر راندمان جذب 110