SUPERVISOR
Ahmad Moheb,Arjomand Mehrabani zeinabad
احمد محب (استاد مشاور) ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
STUDENT
Elaheh Baghban
الهه باغبان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1386
TITLE
Electrochemical Removal of Cadmium, Nickel and Silver Ions from Dilute Aqueous Solutions by Application of a Spouted Bed Electrode
The electrochemical removal of metal ions from dilute aqueous solutions was investigated in this study by use of a spouted bed electrode. To design and construct the cell, the effective hydrodynamic characteristics of the cell including inlet nozzle diameter, and central duct height, weight and position were optimized by response surface methodology. The performance of the relevant cell was investigated for cadmium ion removal from 1 L of a solution with the initial concentration of 180 ppm cadmium ion in 0.5 M sodium sulfate with the initial pH of 4.4 by applying the electrical current density of 9.5 A/m 2 . The effects of operational parameters consisting cadmium ion initial concentration, electrolyte concentration, applied electrical current density and catholyte initial pH were also investigated by monitoring of cadmium ion concentration, instantaneous current efficiency, and the pHs of the catholyte and anolyte solutions with time. It was observed that the effect of catholyte initial pH and electrolyte concentration on the process is negligible. Applied electrical current must be optimized according to initial concentration of cadmium ion. A theoretical model was developed for the electrochemical removal of metal ion over the three-dimensional electrode surfaces which was validated by the experimental data. The most unique characteristic of this model is consideration of the simultaneous effects of mass transfer, charge transfer and electrochemical reaction on the process. It was then generalized and validated for multi-stage electrolysis, for the first time. The effect of enlargement of the cathode surface area on improvement of cadmium ion removal process in the spouted bed cell was studied. Enlargement of cathode surface area from 1000 to 1500 cm 2 resulted in a decrease of nearly 30% in both of the process time and the specific energy consumption. The multi-stage electrolysis process was also investigated to increase the cadmium ion final removal efficiency and to decrease the specific energy consumption. Application of a three-stage electrolysis process for a solution containing 270 ppm of cadmium ion, resulted in the removal of 99.9% cadmium ion in 135 minutes with the specific energy consumption of 2.29 kWh/kg, 23% less than the value of a single-stage process. For a solution with 180 ppm of cadmium ion, 99.9% of cadmium ion was removed with the specific energy consumption of 2.82 i.e., 30% less than that of a single-stage process. Finally the electrochemical removal of nickel and silver ions in the spouted bed reactor were investigated to study the validation of the developed model for these metal ions. The adjusted theoretical model was also confirmed for electrochemical removal of nickel and silver ions. It was necessary to increase the applied electrical current density from 5.8 to 14.4 A/m 2 by increasing nickel ion initial concentration from 56 to 179 ppm. Upon application of the process for silver ion recovery from a solution containing 150 ppm silver ion, it was observed that 99.9% of silver ion was recovered in 65 minutes with the specific energy consumption of 1.79 kWh/kg and the average current efficiency of 26.4% by applying the electrical current density of 9.5 A/m 2 . In order to decrease the specific energy consumption in this process, the oxygen evolution reaction in the anodic compartment was replaced by the anodic reaction of copper dissolution, for the first time. This resulted in a decrease of nearly 26% in the cell voltage and specific energy consumption of the process. It was observed that the efficient electrochemical removal of metal ions from dilute aqueous solutions is achieved using the constructed spouted bed cell. The performance of the cell can also be improved using the innovative methodologies containing multi-stage electrolysis and replacement of the anodic reaction by a more appreciate reaction. Key Words Electrochemical removal, Dilute aqueous solutions, Spouted bed electrode, Cadmium ion, Muti-stage electrolysis
در این رساله، فرآیند کاهش الکتروشیمیایی یونهای کادمیم، نیکل، و نقره در یک راکتور بستر جهنده مجهز به ناودان مرکزی مورد ارزیابی قرار گرفت. برای طراحی و ساخت راکتور بستر جهنده مسطح مورد نظر، بهینه سازی مشخصه های هیدرودینامیکی راکتور با روش رویه پاسخ انجام شد و بر این اساس قطر نازل ورودی به راکتور، و عرض، ارتفاع و موقعیت ناودان مرکزی، تعیین شدند. سپس کارایی راکتور ساخته شده برای حذف الکتروشیمیایی یون کادمیم از یک لیتر از محلول با غلظت اولیه 180 قسمت در میلیون یون کادمیم در 5/0 مولار سدیم سولفات با pH اولیه 4/4 ضمن اعمال دانسیته جریان ظاهری 5/9 آمپر بر متر مربع ارزیابی شد و تأثیر مشخصه های عملیاتی شامل غلظت اولیه یون کادمیم، غلظت الکترولیت سدیم سولفات، دانسیته جریان کاربردی و pH اولیه محفظه کاتدی بر حذف الکتروشیمیایی این یون از محلولهای آبی رقیق مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور روند تغییر غلظت یون کادمیم، راندمان لحظه ای جریان و pH محفظه های کاتدی و آندی با زمان بررسی گردید. بر اساس نتایج به دست آمده غلظت الکترولیت و pH اولیه محلول، تأثیر محدودی بر فرآیند حذف الکتروشیمیایی یون کادمیم دارد و دانسیته جریان کاربردی نیز باید متناسب با غلظت اولیه یون کادمیم، باشد. یک مدل ریاضی نیز برای برآورد روند حذف یون فلزی روی الکترود سه بعدی توسعه یافت و درستی آن با توجه به انطباق بسیار خوب مدل با داده های تجربی حذف یون کادمیم تأیید شد. ویژگی منحصر به فرد این مدل توسعه یافته، توانایی آن در منظور نمودن تأثیر همزمان پدیده های انتقال جرم، واکنش الکتروشیمیایی و انتقال بار الکتریکی بر فرآیند حذف الکتروشیمیایی یون فلزی است. سپس این مدل برای نخستین بار برای فرآیند الکترولیز چند مرحله ای تعمیم داده شد و در این شرایط نیز انطباق آن بر داده های تجربی تأیید شد. برای افزایش کارایی راکتور الکتروشیمیایی ضمن حذف یون کادمیم از محلول با غلظت اولیه 180 قسمت در میلیون، سطح ذرات کاتدی به میزان 5/1 برابر افزایش داده شد و از این طریق زمان فرآیند و مصرف ویژه انرژی الکتریکی برای دستیابی به 99 درصد حذف یون کادمیم، به میزان 30 درصد کاهش یافت. علاوه بر این با کاربرد الکترولیز چند مرحله ای، ضمن افزایش درصد حذف یون کادمیم، مصرف ویژه انرژی الکتریکی کاهش داده شد. اعمال الکترولیز سه مرحله ای برای یک لیتر از محلول با غلظت اولیه 270 قسمت در میلیون باعث حذف 9/99 درصد از یون کادمیم در مدت 135 دقیقه شد. در این شرایط مصرف ویژه انرژی الکتریکی برابر با 29/2 کیلووات ساعت بر کیلوگرم بود که 23 درصد کمتر از انرژی مصرفی در فرآیند تک مرحله ای است. برای محلول با غلظت اولیه 180 قسمت در میلیون یون کادمیم نیز، اعمال الکترولیز دو مرحله ای، باعث حذف 9/99 درصد از یون کادمیم با مصرف ویژه انرژی الکتریکی 30 درصد کمتر از فرآیند تک مرحله ای شد. برای محلول با غلظت اولیه 90 قسمت در میلیون یون کادمیم، الکترولیز تک مرحله ای ترجیح داده شد که باعث حذف 5/99 درصد از یون کادمیم در مدت 2/100 دقیقه و مصرف 78/3 کیلووات ساعت بر کیلوگرم انرژی گردید. در انتها جهت ارزیابی مدل توسعه یافته برای سایر یونهای فلزی، فرآیندهای حذف الکتروشیمیایی یونهای نیکل و نقره، بررسی شد و درستی مدل ارائه شده با توجه به انطباق آن با داده های تجربی حذف الکتروشیمیایی این یونها تأیید شد. ملاحظه گردید که با افزایش غلظت یون نیکل از 56 تا 179 قسمت در میلیون یون نیکل در محلول 5/0 مولار سدیم سولفات، نیاز به افزایش دانسیته جریان الکتریکی از 8/5 تا 2/14 آمپر بر متر مربع است تا ضمن پایین نگه داشتن مصرف ویژه انرژی الکتریکی، زمان فرآیند کاهش یابد. حذف الکتروشیمیایی یون نقره از محلول حاوی 150 قسمت در میلیون یون نقره در محلول 1 مولار پتاسیم سیانید نیز با اعمال دانسیته جریان 5/9 آمپر بر متر مربع در شرایط معمول که واکنش آندی، واکنش جهش گاز اکسیژن است، بررسی شد و سپس برای نخستین بار واکنش آندی با واکنش انحلال مس در محفظه آندی جایگزین شد. در این شرایط، مصرف ویژه انرژی الکتریکی 26 درصد کاهش یافت. در مجموع ملاحظه گردید که حذف یونهای فلزی از محلولهای آبی رقیق با استفاده از راکتور بستر جهنده امکان پذیر است. به ویژه اینکه با افزایش سطح الکترود، اعمال الکترولیز چند مرحله ای و جایگزینی واکنش آندی با یک واکنش مناسب، علاوه بر افزایش راندمان فرآیند، مصرف ویژه انرژی الکتریکی کاهش می یابد. کلمات کلیدی: حذف الکتروشیمیایی، محلول آبی رقیق، الکترود بستر جهنده، یون کادمیم، الکترولیز چند مرحله ای