Обезвоженный ил, украшенный наночастицами, для кондиционирования квасцового шлама в соответствии с концепцией «конца отходов»

¹Факультет математики, Колледж естественных и гуманитарных наук в Аль-Хардже, Университет принца Саттама бин Абдель Азиза, Аль-Хардж 11942, Саудовская Аравия

²Кафедра фундаментальных инженерных наук, инженерный факультет, Университет Менуфия, Шебин Эль-Ком 32511, Египет

³Лаборатория передовых материалов/солнечной энергии и экологической устойчивости (AMSEES), инженерный факультет, Университет Менуфия, Шебин Эль-Ком 32511, Египет

^*Автор, которому следует адресовать корреспонденцию.

Наноматериалы 2023 ,

13 (21), 2903; https://doi.org/10.3390/nano13212903 (регистрация DOI)

Поступила: 9 сентября 2023 г. /

Пересмотрено: 2 ноября 2023 г. /

Принято: 3 ноября 2023 г. /

Опубликовано: 5 ноября 2023 г.(Эта статья относится к теме «

Новые материалы в процессах очистки воды и отходов »).

СкачатьKeyboard_arrow_down

Просмотр рисунков

Примечания к версиям

Абстрактный

Концепция экономики замкнутого цикла является ведущей экологической инженерией в поисках критериев « конца отходов ». Необработанные остатки отходов предприятий по очистке питьевой воды создают серьезные экологические проблемы, поэтому их повторное использование имеет важное значение. В связи с этим данное исследование представляет преимущества повторного использования кека квасцового шлама, чтобы замкнуть цикл между образованием шламовых отходов и их повторным использованием. Рассмотрение шлама квасцов как ресурса для обезвоживания вместо его отнесения к отходам отражает подход « Конец отходам ». Кек квасцов был термически прокален при 400 °C и назван термически обработанным шламом квасцов (TAS-кек). В данном исследовании TAS-торт, украшенный магнетитом с процентной массой от 5 до 1% соответственно, был маркирован как TAS-cake@Fe-(5-1). Рентгеновская дифракция (XRD) и морфология были применены для характеристики гибридного композита. Гибридный композит на основе Фентона применяли для экструдирования воды из шлама квасцов в течение 7 минут выдержки. Кроме того, для оптимизации операционных переменных был применен факторный дизайн, основанный на методологии поверхности отклика (RSM). TAS-cake@Fe-(5-1) и перекись водорода показали дозы 1,2 г/л и 740 мг/л при pH 3,0, продемонстрировав выраженную эффективность и продемонстрировав наибольшее снижение времени капиллярного всасывания (CST), которое достигло 53%. Повышение температуры также показало выраженный эффект повышения обезвоживаемости осадка, который достиг 72% при применении температуры 55 °C. Таким образом, такой новый кондиционер является многообещающим кандидатом для кондиционирования шлама квасцов.Ключевые слова:

1. Введение

На обычных станциях питьевого водоснабжения на этапах очистки воды соли Al применяются в качестве коагулянтов, что приводит к высоким концентрациям алюминия в остатках очистки, образуя так называемый « квасковый шлам ». В результате ежегодно образуются отходы по всему миру [ 1 , 2 ]. Отходы на основе квасцов, сбрасываемые на открытые территории, в некоторых местах являются обычным критерием. Это приводит к массовому загрязнению почвы и экосистемы [ 3 ]. Таким образом, экологическая инженерия и научные круги ищут решение, позволяющее преодолеть такие критерии утилизации отходов.Первоначально, перед обработкой и сбросом осадка, необходимо уменьшить его объем путем обезвоживания. Необходимо уменьшить его объем за счет улучшения показателей внутренней обезвоживаемости. Распространенной методикой является использование коммерческих полиэлектролитов для кондиционирования осадка на основе органических полимеров для повышения эффективности обезвоживания [ 4 ]. В связи с этим, согласно литературе, применялись многочисленные методы кондиционирования осадка. Например, катионный полиакриламидный стабилизатор успешно применяется в качестве кондиционера [ 5 ], а полиалюминийхлорид [ 6 ] — в качестве полиэлектролитного кондиционера [ 7 ]. Также были исследованы термическая обработка и обработка ультразвуком в сочетании с химическим кондиционером [ 8 , 9 ]. Кроме того, также применялось сочетание технологии коагуляции/флокуляции посредством применения различных коагулянтов/флокулянтов [ 10 , 11 ]. Однако практическое применение требует дополнительных исследований, поскольку использование химикатов делает процесс дорогим, особенно использование свежих химикатов, а некоторые другие химикаты, например полиэлектролиты, токсичны. Таким образом, были внедрены передовые процессы окисления как экологически чистые методологии. Поэтому выбор подходящего кондиционера является обязательным условием.С другой стороны, при постоянно растущей озабоченности во всем мире, необходимо внедрять экологически безопасные методы вместо различных доступных токсичных веществ. Кроме того, для кондиционирования шлама квасцов были применены экологически безопасные передовые методы окисления как экологически безопасный метод [ 12 , 13 ]. На сегодняшний день реакция Фентона является лучшим кондиционером для различных видов обработки ила [ 14 , 15 ].Реакция Фентона применяется в различных формах в качестве системы окисления и представляет собой многообещающий кандидат на кондиционер. Система основана на сочетании ионов железа с H₂O₂ для получения высокореактивных веществ, которые окисляют частицы ила [ 16 , 17 , 18 , 19 , 20 ]. В последние десятилетия применение наночастиц показало превосходную эффективность окисления. Такие наноразмерные частицы включают магний [ 3 , 20 ], двойной слоистый гидроксид магния/алюминия [ 19 ], нульвалентное железо [ 18 ] и отходы, содержащие опилки [ 17 ].Однако при использовании свежих химикатов система по-прежнему вызывает беспокойство, и такие ограничения затрудняют применение процесса [ 21 ]. Одним из основных глобальных соображений является замена свежих химикатов экологически чистыми материалами или отходами [ 22 ]. Исходя из этой концепции, изучение новых веществ, получаемых из потоков отходов, привлекает внимание ученых [ 23 , 24 ]. Кроме того, утилизация отходов «от колыбели до колыбели» важна для зеленой окружающей среды [ 25 , 26 ]. Таким образом, прогресс в поиске более экологически чистых материалов, особенно для управления осадком, ограничен [ 27 ].Классическая система Фентона предлагается как самая простая и применяется для очистки различных типов отходов, особенно сточных вод, при этом публикации, посвященные обезвоживанию шлама квасцов, ограничены [ 28 , 29 , 30 ]. Из-за различных ограничений, включая образование осадка и большое количество остаточных ионов металлов, он до сих пор не применялся [ 31 ]. Для преодоления системных границ исследуется новизна использования источника металлов из потока отходов, сопряженного с экологически неопасным материалом, за счет использования шламов на основе алюминия [32 ] . В этом процессе можно избежать использования экстремальных химикатов, поскольку он зависит от нескольких ионов металлов из сточных вод.Целью данного исследования является представление новой стратегии кондиционирования и обезвоживания шлама квасцов. Исследование основано на изучении недорогого кондиционера, полученного из отходов гидротехнических сооружений и сопряженного с наночастицами магнетита, в качестве источника катализатора Фентона в качестве инновационного кондиционера. Полученный композит характеризуется различными методами: XRD, SEM, EDX, FTIR и TEM-анализом. Затем кондиционер тестируется на обезвоживание шлама квасцов. Было проверено влияние рабочих переменных, таких как начальная загрузка композита, доза H₂O₂ , pH и рабочая температура. Оптимальные переменные оценивались с использованием метода поверхности отклика (RSM) с использованием максимального ответа эффективности снижения CST.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Жидкие побочные продукты на основе алюминия, называемые квасцовым шламом, с содержанием влаги 99,59%, были собраны из отстойника водоочистной станции, расположенной в южной части города Шебин-Эльковм в провинции Менуфия на севере Египта, где производится сульфат алюминия. используется в качестве основного коагулянта для очистки воды реки Нил. Основными характеристиками полученного ила являются содержание взвешенных веществ 11850 мг/л, мутность надосадочной жидкости 286 NTU, CST 42 с и pH 8,5.Кроме того, для наночастиц магнетита необходимыми предшественниками являются сульфат железа (FeSO ₄ ·7H ₂ O) и сульфат железа Fe₂ (SO₄)₃ , которые были поставлены компанией Qualikems Fine Chem Pvt. Ltd. (Дели, Индия). Для инициирования реакции окисления использовали перекись водорода (40%, мас ./ мас. ). При необходимости для регулирования pH осадка использовали серную кислоту и гидроксид натрия. LT-25 был поставлен компанией CIBA Specialty Chemicals и использовался в качестве источника анионного полиэлектролита. Кроме того, в качестве катионного полиэлектролита использовали Magnafloc FO-4140, поставляемый SNF SAC ZACde Milieux, Andrézieux 42163, Франция. Все химические реагенты имели аналитическую степень чистоты и использовались в том виде, в каком они были получены, без дополнительной очистки.

2.2. Синтез кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1)

Первоначально наночастицы Fe₃O₄ были синтезированы методом соосаждения. Процесс осуществляли путем смешивания прекурсоров Fe₂(SO₄)₃ и Fe(SO₄ ) при их стехиометрическом соотношении в дистиллированной воде. Затем по каплям добавляли водный раствор NaOH до достижения pH 11,0. После этого осадок подвергали последовательной промывке до тех пор, пока pH не снизился до нейтрального, а затем сушили для получения тонкого порошка наночастиц магнетита. Подробная процедура подробно проиллюстрирована в другом месте [21 ].Параллельно по предыдущей методике готовили порошок шлама квасцов [ 33 , 34 ]. Первоначально излишняя вода, содержащаяся в осадке, была удалена из осадка путем гравитационного осаждения перед сушкой на воздухе, в результате чего получился высушенный осадок, содержащий 10% влаги. Затем высушенные кеки шлама подвергались очистке дистиллированной водой от примесей. Наконец, для достижения порошкообразной формы шлам подвергали сушке в печи и измельчению в шаровой мельнице в течение одного часа. Затем по предварительной работе полученный порошок прокаливали в печи в течение 2 ч при температуре 400 °С и маркировали как ТАС-кек.Композит был получен путем смешивания свежесинтезированного шлама квасцов и порошка магнетита, названного TAS-cake @Fe₃O₄ , в весовых пропорциях 5/1, обозначенного как TAS-cake@Fe-(5-1), и затем подвергнутого для определения характеристик перед использованием при обезвоживании шлама квасцов и тесте на кондиционирование.

2.3. Морфоструктурная характеристика

Характеристика полученного TAS-кека, дополненного Fe₃O₄ в качестве композитного кондиционера (TAS-cake@Fe-(5-1)) была достигнута с помощью дифракционной рентгеновской дифракции (XRD) для композита. Полученную интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения регистрировали с помощью дифрактометра XRPhillips X’pert (MPD3040, Кембридж, Великобритания) с использованием источника излучения Cu Ka (λ = 1,5406), работающего при 40 кВ и 40 мА в режиме пошагового сканирования 0,02°.Инфракрасное FTIR с преобразованием Фурье (Jasco, FT/IR-4100, тип A, MICHIGAN Ann Arbor, MI 48109 USA) дополнительно применялось для определения типа функциональной группы, ответственной за кондиционирование (TAS-cake@Fe-(5-1) )) с использованием источника He-Ne лазера (λ = 632,8 нм) в форме таблеток KBr (образец 0,001 г с 0,3 г KBr). Спектры зарегистрированы в области 4000–350 см ^–1 .Для исследования морфологии образцов применяли сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) (СЭМ, Quanta FEG 250) и просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения (ТЕМ) (тип Tecnai G20, FEI). Кроме того, цифровое ПЭМ-изображение было проанализировано с использованием программы IMAGEJ 1.48 V для установления гранулометрического состава гибридного композиционного вещества TAS-cake@Fe-(5-1). Обычно используемые увеличения составляли ×8000 и ×60000. Основные элементы в составе кондиционера оценивались по энергодисперсионному спектру (EDX).

2.4. Процедура совместного кондиционирования

Для проведения испытаний на кондиционирование при комнатной температуре использовали аппарат с баночным перемешиванием, при этом смешанные образцы ила (100 мл) добавляли в химический стакан емкостью 250 мл. После этого значение pH осадка при необходимости корректировали с помощью прибора AD1030, Adwa, Венгрия. Затем добавляли композит и в системе инициировали реакцию окисления за счет добавления H₂O₂ . Таким образом, реагенты и осадок подвергались испытанию в банке в течение определенного времени кондиционирования.

На рис. 1 показано схематическое графическое изображение экспериментальной установки.

Рисунок 1. Схематическое графическое изображение экспериментальной установки.Аппарат для испытания на капиллярное всасывание (CST) и установка SRF оценивали обезвоживаемость осадка до и после совместного кондиционирования. Для измерения CST использовали аппарат Triton CST (Trition-WPRL, тип 304M CST), и каждый образец измеряли в трех экземплярах. Эффективность снижения CST (%) рассчитывали по уравнению (1).

C S Т ( % ) =К С То− С С ТК С То× 100ССТ(%)»=»ССТо−ССТССТо×100(1)где CSTo и CST – время капиллярного всасывания шлама квасцов до и после добавления кондиционеров соответственно.

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Характеристика композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1)

3.1.1. Рентгеновская дифракционная картина

На рис. 2 представлена рентгенограмма термически активированного обезвоженного кека осадка (ТАС-кек), обогащенного Fe₃O₄ в качестве композитного кондиционера (ТАС-кек@Fe-(5-1)). Примечательно, что кристаллическая природа композиционного порошка включает в себя резкую картину дифракционных пиков. В образце продемонстрирована чистая кубическая кристаллическая структура (JCPDS № 89-4319) пиков магнетита. Рентгеновские спектры пиков при значениях 2θ 30,0°, 35,3°, 43,0°, 56,9° и 62,8°, соответствующих hkl 220, 35,3°, 311, 43,0° 400, 56,9°, 511 и 62,8°, 440, появляются в образце. Также видно, что SiO₂ и CaO в (TAS-cake@Fe-(5-1)) имеют аморфную структуру [ 35 , 36 ]. Кроме того, активные вещества алюминия и графита присутствуют в образце в виде алюмосиликата натрия (Na _1,15 Al _1,15 Si _0,85 O ₄ ) и алюмосиликата кальция (CaAl ₂ Si ₂ O ₈ ). Этот рентгеновский спектр подтвердил сосуществование Fe ₃ O ₄ и TAS-кека в гибридном композитном кондиционере. SiO ₂ показывает наличие пиков 100, 101 и 110, 36. Кроме того, кальций-алюминий отражается в спектре XRD пиками 022, 112, 202 и 114. Однако 002, 011 и 004 отражают присутствие натрия. силикат алюминия. Следует отметить, что с использованием данной методики были успешно синтезированы композитные наносферы с хорошо диспергированными наночастицами Fe ₃ O ₄ без повреждения кристаллической структуры магнетита.

Рисунок 2. Спектр рентгеновской дифракции (XRD) гибридного кондиционера.Размер кристаллов полученного композита также был определен по этой рентгенограмме. Полуширина на полувысоте использовалась для расчета размера частиц с использованием уравнения Дебая-Шеррера (2) [ 1 ]:D = kλ/β cosθ(2)где D — средний диаметр наночастиц, λ — длина волны рентгеновского излучения (1,5418 Å), θ — угол дифракции, k = 0,9 (параметр формы) и β — полная ширина на полувысоте рентгеновской дифракции. пики. По индексу (311) размер кристаллов оказался близким к 103,92 нм. Кроме того, по рентгенограмме была рассчитана степень кристалличности композита. Степень кристалличности рассчитывали по стандартной формуле. В таком случае кристалличность составляла около 54,63%, что означает, что приготовленный композиционный материал все еще обладал важными свойствами кристаллического материала [ 3 , 16 ].

3.1.2. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

Анализ спектра пропускания FTIR гибридного композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) показан на рисунке 3 . Как показано на кривой на рисунке 3 , полосы около 420 см ^-1 и 556 см

^-1 относятся к валентным колебаниям связей Fe-O в подрешетке Fe ₃ O ₄ [ 37 , 38 ]. Полосы при 1124 см ^-1 и 1629 см ^-1 являются признаком присутствия C–O и C=C [ 39 , 40 ]. Также полоса 440,38 см ^-1 выделена для валентного колебания O–H структурной воды. Группа Al–Mg–OH обозначена полосой 789,7 см ^–1 и связана с валентными колебаниями. Полосы поглощения, относящиеся к кремнезему, появляются при 467,65 см ^-1 O-Si-O [ 23 ]. Сводная информация о полосах и соответствующих им пиках композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) представлена в таблице 1 . Данные FTIR ( таблица 1 и рисунок 3 ) гибридного композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) позволяют оценить наличие магнетита, а также Al-, Si- и C-, которые составляют шлам квасцов.

Рисунок 3. FIR-спектр композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1).

Таблица 1. Пики и соответствующие полосы адсорбции пиков FTIR для композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1).

3.1.3. Изображение сканирующего электронного микроскопа

СЭМ-изображение было исследовано для оценки и понимания поверхности гибридного композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1). На СЭМ-микрофотографии модифицированного шлама на основе алюминия, дополненного наночастицами магнетита, показанного на рисунке 4 , был обнаружен полушестиугольный листовой гибридный материал TAS-cake@Fe-(5-1) с белыми пятнами, что отражает присутствие металлов в шламе квасцов. Такие листы также сопряжены со сферической частицей, покрывающей поверхность частицы нанокомпозита, что отражает наличие магнетита. Более того, на рис. 4а показано, что форма осадка была неправильной и неоднородной, с пористой текстурой.

Рисунок 4. ( а ) Совместные СЭМ-изображения гибридного композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) и ( б ) отчет об анализе EDX.Основные элементы в образцах фотокатализаторов оценивали по энергодисперсионному спектру (EDX). Анализ EDX продемонстрировал на рисунке 4b , что Al, O, Si, C, Ca и Fe являются основными элементами осадка TAS-кека. В гибридном материале ТАС-кек Fe выявлено высокое содержание Si и Al, что может быть связано с присутствием глин и алюмосиликатных веществ [ 41 , 42 ].

3.1.4. Изображение просвечивающего электронного микроскопа

На рисунке 5 представлены изображения гибридного композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) с помощью ПЭМ. Слоистый характер полученного шлама на основе алюминия подтверждается изображением ПЭМ. Снимки ПЭМ типичного продукта на рис. 5 ясно демонстрируют, что смешанные гексагональные частицы шлама квасцов были дополнены сферическими наночастицами магнетита. Кроме того, очень четко видимые листы неправильной формы обозначают границу шлама квасцов. Были достигнуты шероховатые кристаллические поверхности.

Рисунок 5. ПЭМ-микрофотография приготовленного гибридного композитного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) (вставка: распределение частиц по размерам).Примечательно, что на вставке на рисунке 5 показан диапазон размеров частиц, в котором средний размер частиц находится в диапазоне от 2 до 16 нм, что считается довольно маленьким размером частиц, что свидетельствует о существовании наночастиц магнетита в образце.

3.2. Эффективность обезвоживания осадка на основе алюминия

3.2.1. Время кондиционирования на основе гибридного кондиционера

Влияние гибридного кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) и время кондиционирования совместно проиллюстрированы на Фиг.6 . Показано влияние гибридного нанокомпозита-кондиционера TAS-cake@Fe-(5-1) как источника процедуры кондиционирования Фентона по значимости снижения CST. Испытание проводилось путем изменения температуры кондиционирования, при этом все остальные эксплуатационные параметры сохранялись постоянными, т.е. pH 3,0, TAS-cake@Fe-(5-1): 1 г/Земля H 2 O 2 _доза 800 _мг / Л. Обычно минимальная CST означает лучшую производительность фильтрации. Значение времени испытания на кондиционирование осадка на основе квасцов для улучшения характеристик обезвоживания оценивалось при различных временах флокуляции в диапазоне от 1 до 8 минут. Были проверены различные серии экспериментов с различными кондиционерами композита TAS-cake@Fe-(5-1) и проверено оптимальное время кондиционирования.

Рисунок 6. Эффективность снижения CST при различном времени кондиционирования (условия эксплуатации: pH: 3,0; TAS-cake@Fe-(5-1): 1 г/л; доза H ₂ O ₂ : 800 мг/л; стандартное отклонение три копирует).Результаты, показанные на рисунке 6, показывают, что композит TAS-cake@Fe-(5-1), дополненный перекисью водорода в качестве источника кондиционера Фентона, может привести к увеличению снижения CST. Данные показали, что влияние TAS-cake@Fe-(5-1)/H ₂ O ₂ имело эффективную тенденцию к кондиционированию осадка и улучшалось с увеличением времени. Наивысшая эффективность снижения CST соответствовала времени 7 мин. Однако дополнительное время кондиционирования, превышающее 7 минут, является неблагоприятным, поскольку снижение CST не улучшается. Это исследование согласуется с предыдущим исследованием, опубликованным Mo et al. [ 43 ].Данные очевидно показали, что максимальное снижение CST (%) соответствовало определенному времени кондиционирования (7 минут). Однако с течением времени результатом является снижение тенденции к обезвоживанию. Это можно объяснить размером хлопьев, образующихся после добавления флокулянта, основного элемента, ответственного за повышение обезвоживаемости [ 44 ]. Также необходимо отметить, что повышение обезвоживаемости осадка за счет окисления по Фентону зависит от выделения как поровой, так и химически связанной воды. Пористая вода задерживается между органикой и химически связанной водой или адсорбируется в результате окисления и разрушения органики. Примечательно, что эта работа соответствует исследованиям, проведенным [ 45 ], поскольку аналогичные результаты были отмечены при изменении времени реакции от 2 до 60 мин. Однако не было подробной иллюстрации влияния времени реакции на эффективность кондиционирования. Очевидно, что необходима дальнейшая работа для изучения такого влияния. Таким образом, предполагается, что TAS-cake@Fe-(5-1) станет эффективной альтернативой для замены традиционного химического кондиционера Fenton для шлама квасцов. Примечательно, что использование отходов в качестве перерабатываемого вещества, заменяющего традиционные элементы в качестве источника реакции Фентона, является многообещающим кандидатом для такой системы обезвоживания.

3.2.2. Эффект дозы TAS-cake@Fe-(5-1)

Чтобы оценить эффективность TAS-cake@Fe-(5-1) в системе окисления/кондиционирования, которая играет жизненно важную роль в кондиционировании квасцового шлама, доза реагента TAS-cake@Fe-(5-1) была изменена в систему Фентона, при этом все остальные рабочие параметры поддерживались при следующих постоянных условиях: время выдержки – 7 мин; рН 3,0; и доза H ₂ O _{2 800 мг/л.}Результаты эксперимента, представленные на рисунке 7 , показали, что режим фильтруемости осадка связан с дозой композита TAS-cake@Fe-(5-1), которая считается стадией, ограничивающей скорость кондиционирования, поскольку его количество присутствует в Реакционная среда влияет на эффективность кондиционирования.

Рисунок 7. Эффективность снижения CST при различных дозах TAS-cake@Fe-(5-1) (условия эксплуатации: время кондиционирования: 7 минут; pH: 3,0; доза H ₂ O ₂ : 800 мг/л; и стандартное отклонение, равное трем копирует).Гибридный композит TAS-cake@Fe-(5-1) повышали с дозы 0,25 мг/л до дозы 1,0 г/л и исследовали снижение CST. Данные, представленные на рисунке 7 , подчеркивают примечательную роль порошка ила на основе алюминия и магнетита в генерации гидроксильных радикалов и тем самым в улучшении фильтруемости квасцового ила [ 46 ]. Следовательно, снижение CST увеличилось с 23 до 53% при увеличении составной дозы TAS-cake@Fe-(5-1) с 0,25 до 1,0 мг/л, тогда как большее количество реагента привело к снижению CST, достигнув только 41%.Это можно объяснить наличием металлов в гибридном композите TAS-cake@Fe-(5-1), которые гидролизовались в реакции, и их присутствие в оптимальном количестве приводило к максимальному образованию гидроксильных радикалов. Это определяло реакцию окисления [ 47 ]. Кроме того, количество TAS-cake@Fe-(5-1) менялось в каждом эксперименте, а это значит, что его присутствие влияло на выработку гидроксильных радикалов. Следовательно, неоптимальное значение действует как ингибитор радикалов, а не как генератор, тем самым снижая общую скорость кондиционирования [ 48 ]. В реакционной среде образуются радикалы ОН, что связано с наличием катализатора в качестве реагента, инициируемого пероксидом водорода, и связано с количеством добавленного катализатора. Количество образующихся радикалов ОН недостаточно для того, чтобы атаковать частицы квасцового шлама и инициировать новые интермедиаты для улучшения фильтрующих свойств [ 14 ].

3.2.3. Влияние дозы перекиси водорода

Изменение реагента перекиси водорода, дополненного TAS-cake@Fe-(5-1), в зависимости от скорости восстановления CST показано на фигуре 8 , а другие рабочие условия поддерживались постоянными следующими способами: время кондиционирования — 7 минут; рН 3,0; и ТАС-кек@Fe-(5-1) 1 г/л. Согласно представленным данным, увеличение перекиси водорода с 200 до 800 мг/л привело к снижению КСТ, достигнув 53%. В качестве инициатора катализатора TAS-cake@Fe-(5-1) использовали перекись водорода. Однако дальнейшее увеличение дозы реагента перекиси водорода достигло более 800 мг/л, что привело к снижению эффективности удаления ЦСТ. Такое воздействие обусловлено тем, что реагент перекиси водорода запускает выработку гидроксильного радикала. Гидроксильные радикалы являются основной движущей силой кондиционирования посредством систем окисления/обезвоживания. Их присутствие в реакции в оптимальном количестве приводит к максимальной реакции флокуляции за счет максимальной генерации гидроксильного радикала.

Рисунок 8. Эффективность снижения CST при различных дозах перекиси водорода (условия эксплуатации — время кондиционирования: 7 мин; pH 3,0; TAS-cake@Fe-(5-1): 1 г/л; стандартное отклонение трех повторностей).Увеличение дозы пероксида водорода повышало эффективность обезвоживания до определенного предела добавления реагента. Хотя повышение обезвоживаемости ила происходит при широком диапазоне содержания пероксида водорода, обратимые результаты CST достигаются при дополнительном увеличении количества реагента. Таким образом, реагент перекиси водорода играет существенную роль в реакции Фентона, поскольку избыточное добавление приводит к отрицательному влиянию на эффективность обезвоживания шлама квасцов. Это может быть связано с количеством радикалов ОН, основной силы в системе окисления. Повышение уровня перекиси водорода приводит к установлению определенного предела концентрации; в результате получается эффект очистки образующихся радикалов, а не генератор. Некоторые авторы [ 14 , 21 , 45 ] в литературе сообщают о таких явлениях, связанных с образованием ОН-радикалов, на влиянии реакции Фентона, которое связано с количеством перекиси водорода.3.2.4. Влияние значения pHВлияние обезвоживаемости осадка на основе алюминия показано на рисунке 9. Испытания проводились при постоянных рабочих условиях при дозе H ₂ O ₂ 800 мг/л и TAS-cake@Fe-(5-1) 1. г/л. Как показано на рисунке, показатели обезвоживания квасцов были улучшены при повышении значения pH с 2,0 до 3,0, что привело к снижению CST на 53%. Однако при повышении уровня pH более 3,0 результатом является снижение эффективности улучшения CST. Это связано с присутствием частиц ила на поверхности, и характеристика дополнительно определила воздействие на внеклеточное вещество (TAS-cake@Fe-(5-1)) в иле на основе алюминия. Но в кислых или щелочных условиях квасцового шлама коллоидные частицы квасцового шлама могут гидролизоваться и образовываться хлопья. Но при контроле и регулировании pH квасцовый ил может адсорбировать ионы H ⁺ и/или OH ^— , тем самым влияя на их самозарядность. Более того, это может быть связано с высвобождением ионов металлов из ила, т.е. ионов алюминия и железа, которые могут способствовать флокуляции, тем самым увеличивая высвобождение воды из ила на основе алюминия. Эта иллюстрация ранее была признана Квоном и др. [ 45 ] по обработке и кондиционированию осадка сточных вод для повышения его обезвоживаемости. Тем не менее, отмечается, что более высокий уровень pH приводит к уменьшению количества радикалов ОН, что считается движущей силой улучшения обезвоживаемости осадка. Влияние pH на эффективность времени капиллярного всасывания (CST) при pH 3,0 в этом исследовании является лучшим, что соответствует наивысшей достигаемой чистой эффективности снижения CST. Такие результаты согласуются с предыдущими выводами Lu et al. [ 48 ] и Тони [ 49 ], которые заявили об аналогичной эффективности обезвоживания активного ила при исследовании окислительного кондиционирования Фентона в кислом диапазоне pH. В экстремально кислой и щелочной среде структура внеклеточного ила редуцируется до мелких хлопьев [ 50 , 51 ].

Рисунок 9. Эффективность снижения CST при различных значениях pH (условия эксплуатации — время кондиционирования: 7 мин; доза H ₂ O ₂ : 800 мг/л; TAS-cake@Fe-(5-1) 1 г/л; стандартное отклонение из трех повторов).

3.2.5. Влияние температуры

Хотя наиболее распространенный метод реакции Фентона проводится при обычной комнатной температуре, повышение температуры может повлиять на систему кондиционирования. В связи с этим кондиционирование осадка проверяют при различных температурах в пределах от 25° до 55°С. Испытание проводилось в рабочих условиях в течение 7 мин; рН 3,0; доза H ₂ O _{2 800 мг/л;}и ТАС-кек@Fe-(5-1) 1 г/л. Результаты обезвоживания алюминиевого осадка представлены на фигуре 10 . Процесс кондиционирования проводили с использованием TAS-cake@Fe-(5-1): 1 г/земля H ₂ O

₂ в дозе 800 мг/л при pH 3,0. Результаты, показанные на рисунке 10, демонстрируют, что при повышении температуры от комнатной до 55 °C эффективность кондиционирования и обезвоживания осадка улучшилась с 53% снижения CST до 72%. Таким образом, термический эффект оказывает положительное влияние на кондиционирование осадка. Температура оказывает существенное влияние на выделение воды, тем самым увеличивая скорость обезвоживания осадка. Однако стоит отметить, что, хотя скорость потребления перекиси водорода высока при более высоких температурах, термический эффект с помощью реакции Фентона приводит к более высокому эффекту, чем соло-окисление Фентона [47 ] . Примечательно, что повышение температуры может увеличить скорость выделения воды из молекул ила за счет ее теплового воздействия на частицы ила. Это приводит к двойному кондиционированию: термическому и химическому обезвоживанию [ 32 ]. Это исследование согласуется с предыдущими выводами Мустранты и Виикари [ 50 ], которые описали заметное улучшение эффективности кондиционирования активированного ила при повышении температуры.

Рисунок 10. Эффективность снижения CST при температурах (условия эксплуатации — время кондиционирования: 7 мин; pH 3,0; доза H ₂ O ₂ : 800 мг/л; TAS-cake@Fe-(5-1): 1 г/л; и стандартное отклонение трех повторов).

3.2.6. Сравнение Фентона с коммерческими кондиционерами

Крайне важно сравнить недавно представленную устойчивую установку для кондиционирования с традиционно встречающимися коммерческими полимерами. На рисунке 11 показаны типичные результаты для оптимальной системы Фентона на основе TAS-cake@Fe-(5-1) в сравнении с полиэлектролитным кондиционированием. Первоначально проверяли оптимальное время и дозы анионных и катионных полиэлектролитов (данные не показаны). Оптимальное рабочее время было зафиксировано при времени выдержки 3 минуты, а оптимальный полиэлектролит составлял 10 мг/л для обоих типов полиэлектролита. Данные на рисунке 11 демонстрируют последствия оптимальных условий кондиционирования для всех кондиционеров. Результаты показали, что самая высокая эффективность кондиционирования была зафиксирована для анионного полиэлектролита, который показал снижение CST, составившее 89%. Однако катионные полиэлектролиты могут привести к снижению CST на 67%. Присутствие полиэлектролита улучшило содержание сухого твердого вещества в осадке для образования хлопьев. Примечательно, что это было достигнуто потому, что эффективность кондиционирования в случае катионного полиэлектролита различается, и был получен более высокий результат по сравнению с эффективностью анионного полимера. Считается, что это связано с различиями в природе и ионном заряде полимеров, которые контролируют коагуляцию и флокуляцию [

33 ].

Рисунок 11. Сравнение эффективности снижения CST для разных систем.По сравнению с системой Фентона на основе TAS-cake@Fe-(5-1), которая не могла связывать большие хлопья молекул квасцового ила, полученные хлопья ила для полиэлектролита были больше, чем соответствующие его оптимальному TAS-cake@. кондиционирование Фентона на основе Fe-(5-1); тем самым в системе ТАС-кек@Fe-(5-1) было снижено выделение воды по сравнению с полиэлектролитами. Результатом является значительное снижение CST в полиэлектролитах по сравнению с системой Фентона.Хотя самая низкая производительность была связана с системой Фентона на основе TAS-cake@Fe-(5-1), следует отметить, что устойчивый катализатор TAS-cake@Fe-(5-1) представляет собой материал, получаемый из отходов. , а магнетит является экологически безопасным материалом. Кроме того, токсичность синтетических полиэлектролитов по-прежнему остается проблемой для будущего использования и применения [ 37 ].

3.2.7. Сравнительное исследование

Сравнение текущей работы с данными по обезвоживанию из литературы имеет важное значение для оценки текущих результатов исследования. Руководство по фильтруемости CST оценивалось по оптимальным эксплуатационным значениям и условиям. Сравнительные результаты, представленные в Таблице 2, показывают последствия различных обработок обезвоживания осадка с использованием разных кондиционеров. Согласно данным, представленным в Таблице 2 , различные формы реакции Фентона были отнесены к категории существенно приемлемых кондиционеров для различных типов ила. Хотя важно различное время кондиционирования, максимальная эффективность обезвоживания не связана с периодом времени. Также установлено, что для классической системы Фентона достигнуто выраженное обезвоживание на уровне 98%. Однако в текущем исследовании он достиг лишь 53%. Но важно отметить, что текущее исследование основано на использовании перерабатываемого материала в качестве альтернативы кондиционированию, а не на использовании свежих химикатов, поскольку нынешний катализатор основан на перерабатываемых отходах, а также на магнетите в экологически безопасном материале.

Таблица 2. Кондиционирование Фентона с использованием различных систем из предыдущих исследований по сравнению с текущей работой.

Применение окисления Фентона в качестве кондиционера показало многообещающий превосходный метод обезвоживания, имеющий многочисленные преимущества. Использование окисления Фентона для минимизации осадка считается безопасной альтернативой применению полиэлектролита в качестве кондиционера осадка, что позволяет достичь более устойчивой стратегии управления осадком. Более того, когда источником катализатора системы Фентона является поток отходов, особенно шлам как источник металлов, подлежащих вторичной переработке, это надежный способ минимизировать отходы. Несмотря на то, что он обладает меньшей склонностью к обезвоживанию по сравнению с кондиционированием полимера или классическим кондиционированием реагентом Фентона, предлагаемый катализатор из потока отходов предлагает потенциальное преимущество, заключающееся в устранении предполагаемого долгосрочного риска, связанного с остатками полимера или попаданием свежих химикатов в окружающую среду. Таким образом, хотя производительность ниже, чем у классического Фентона, важно отметить, что источником элементов являются другие иловые отходы и магнетит. Таким образом, магнетит считается экологически безопасным материалом и используется в небольших количествах. Кроме того, использование восстановленного осадка классифицируется как беспроигрышная технология, позволяющая сократить количество отходов.

3.2.8. Статистическая оптимизация

Факторный расчет Бокса-Бенкена, основанный на RSM (методология поверхности отклика), был применен для оптимизации комбинированных эффектов эксплуатационных параметров, а именно TAS-cake@Fe-(5-1); концентрации H ₂ O _{2 ;}и значение pH. Это связано с тем, что система Fenton является многопараметрической системой (с использованием программного обеспечения SAS, SAS (версия 1990 г.)). Переменные диапазона расположены в виде предварительно оптимизированной работы и уровней согласно проекту, приведенному в Таблице 3 . Далее было спроектировано 15 запусков комбинированных испытаний, структура расчета представлена в Таблице 3 .

Таблица 3. Факторный дизайн RSM на кодированном и некодированном уровнях для системы TAS-cake@Fe-(5-1)/H ₂ O _{2 .}

Прежде всего, начальный этап RSM заключается в выявлении соответствующей аппроксимации между ответом (сокращение CST, %) и набором независимых переменных. Полиномиальная модель второго порядка для трех переменных коррелирует согласно уравнению (2).

𝐶 𝑆 𝑇( % ) =78+5,42𝑥1− 1,09𝑥2+ 5,00𝑥3− 16,91𝑥21+ 0,90 𝑥1𝑥2− 0,50 𝑥1𝑥3− 9,95𝑥22− 6,8 ×10− 9𝑥2𝑥3− 11.03𝑥23ССТ%»=»78+5.42Икс1−1.09Икс2+5.00Икс3−16.91Икс12+0,90 Икс1Икс2−0,50 Икс1Икс3−9,95Икс22−6,8×10−9Икс2Икс3−11.03Икс32(3)где x ₁ , x ₂ и x ₃ — закодированные независимые переменные, как указано в таблице 3 .В результате дисперсионного анализа (тест ANOVA) данные, полученные с помощью SAS, продемонстрировали хорошее согласие между экспериментальными данными и прогнозируемыми с помощью анализа SAS. Корреляция оценивалась и оценивалась с помощью критерия Фишера «F», значение вероятности « p — значения » и коэффициент регрессии » R ²« . Как правило, модель надежна, когда p > F меньше > 0,05 (SAS, 1990), тогда как R ² больше 0,80 (SAS, 1990). Следовательно (SAS, 1990 ), суггестивную прогнозируемую модель проверяли на адекватность, значение p > F соответствовало 0,039, значение R ² составляло 0,97. Эти данные подтвердили достоверность значимости модели.Для иллюстрации модели было создано графическое представление такой модели с использованием 3D-поверхности и соответствующих ей 2D-контурных графических иллюстраций (спроектированных в версии программного обеспечения MATLAB 7.11.0.584). Визуализированное представление на рисунке 12 отображает реакцию, продемонстрированную в виде снижения CST (%), которое усиливается ( рис. 12 a,b) за счет увеличения как TAS-cake@Fe-(5-1), так и перекиси водорода. Однако предполагаемое улучшение CST уменьшалось при дальнейшем увеличении количества реагентов. Кроме того, снижение (%) CST происходило при высоких или низких значениях pH ( рис. 12 b,c). График подтверждает, что процентное снижение CST улучшилось при добавлении доз реагента Фентона до определенного предела, тем самым оптимизируя концентрации TAS-cake@Fe-(5-1) и H ₂ O ₂ в дополнение к значению pH, контролирующему процесс кондиционирования. .

Рисунок 12. Снижение CST (%) на поверхностных и контурных графиках (

а ), закодированных TAS-cake@Fe-(5-1) и H ₂ O ₂ ; ( б ) код TAS-cake@Fe-(5-1) и значение pH; и ( c ) кодируют H ₂ O ₂ и значение pH.Для определения оптимальных переменных использовали математическое программное обеспечение (V 5.2. Wolfram Research Inc., Шампейн, Иллинойс, США). Максимальные значения переменных в некодированном виде были достигнуты и зафиксированы следующим образом: TAS-cake@Fe-(5-1) = 1,2 г/л; Н ₂ О ₂ = 740 мг/л; и значение pH = 3,0.Кроме того, для проверки модели был проведен дополнительный эксперимент с тремя повторами с использованием вышеупомянутых оптимальных условий. Результаты таких испытаний подтвердили оптимальные значения, при которых достигается максимальное снижение XST, достигающее 54%, что наглядно доказывает эффективность предложенной модели.

4. Выводы

Для усиления водоотделения и кондиционирования осадка применяли реагент-кондиционер Фентона на основе TAS-cake@Fe-(5-1) с добавлением H ₂ O _{2 .}Кондиционер основан на концепции устойчивого развития и использует переработанный материал, что делает его экологически чистым кондиционером, дополненным экологически безопасным магнетитом. Композит был исследован с помощью XRD, FTIR и микроструктуры. Оптимальные рабочие переменные использовались в оптимизированных условиях, особенно более высокий выход, который был основан на оптимизации модели на основе метода RSM. Были исследованы параметры системы и установлены оптимальные рабочие параметры: TAS-cake@Fe-(5-1) 1,2 г/л с H ₂ O ₂ 740 мг/л при pH 3,0, что соответствует максимальному снижению CST до 53%. Дополнительные данные показали, что повышение температуры оказывает выраженное влияние на эффективность кондиционирования и обезвоживания, которая достигает 72% при повышении температуры от комнатной до 55 °C. При использовании в качестве кондиционеров 10 мг/л обоих полиэлектролитов, анионных и катионных полимеров, снижение CST достигало 89% и 67% соответственно. Таким образом, сравнивая окисление Фентона с полиэлектролитами в качестве коммерческого кондиционера, CST меньше, чем достигается при использовании полиэлектролитов. Примечательно, что проблема токсичности при применении полиэлектролитов продемонстрировала важность текущего исследования. В целом, это исследование было сосредоточено на подходе экономики замкнутого цикла.

Вклад автора

Концептуализация, MAT; Методология, HAN и MAT; Программное обеспечение, HAN; Письмо — первоначальный черновик, HAN и MAT; Написание — обзор и редактирование, MAT; Администрация проекта, HAN. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Авторы выражают признательность Университету принца Саттама бин Абдель Азиза за финансирование этой исследовательской работы по номеру проекта (PSAU/2023/01/2194222).

Заявление о доступности данных

Данные доступны по запросу.

Конфликт интересов

Авторы объявили, что нет никаких конфликтов интересов.