بهینه سازی و پیش بینی فرایند فتوکاتالیستی با پوشش نانو ذرات تیتانیا بر سطح بتن برای تصفیه آب حاوی فنل

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل دکتری /مهندسی محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران و استادیار دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه خوارزمی

2 دانشیار /دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 استاد /دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

4 دانشیار/ دانشکده فنی و مهندسی، بخش مهندسی مواد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، بهینه‌سازی فرایند فتوکاتالیستی توسط روش تاگوچی و پیش‌بینی راندمان حذف سیستم توسط شبکه عصبی مصنوعی انجام شد. راکتور فتوکاتالیستی از نوع پوشش یافته بود که انرژی مورد نیاز برای تحریک نانوذرات تیتانیا و تولید رادیکال‌های هیدروکسیل جهت تجزیه فنل موجود در آب با استفاده از لامپ‌های UV-A تأمین می‌شد. جهت بهینه‌سازی فرایند با استفاده از روش تاگوچی و آرایه استاندارد L16، تاثیر پارامترهای موثر شامل غلظت آلاینده ورودی (mg/L 500-50)، شدت تابش لامپ‌ (60-8 وات)،pH محلول (12-4)، میزان تیتانیا بر واحد سطح (g/m2 80-20) و فاصله لامپ تا صفحات بتنی (cm 20-5) بررسی شد. نتایج نشان داد که تاثیر غلظت آلاینده ورودی و pH نسبت به سایر عوامل بیشتر بوده و شرایط بهینه ‌بصورت غلظت آلاینده ورودی mg/L50، pH برابر 12، شدت تابش 60 وات، میزان تیتانیا معادل g/m2 80 و فاصله لامپ از صفحات معادل cm 10 تعیین گردید. پیش‌بینی فرایند با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی نشان داد که ساختار شبکه بصورت دو لایه پنهان و توابع انتقال گوسین در لایه پنهان اول، تانژانت هیپربولیک در لایه پنهان دوم و سیگموئید در لایه پنهان خروجی و ساختار (1-4-6-5) بهترین جواب بوده و اختلاف میان نتایج آزمایشگاه و مدل کمتر از 5 درصد می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimization and prediction of photocatalytic process of nano titania immobilized on concrete surface for treating phenolic water Optimization and Prediction of Photocatalytic Process of Nano Titania Immobilized on Concrete Surface for Treating Phenolic Water

نویسندگان [English]

  • M Delnavaz 1
  • B Ayati 2
  • H Ganjidoust 3
  • S Sanjabi 4
1 Ph.D graduated in Environmental Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran and Assistant Professor, Department of Engineering, Kharazmi University
2 Associate Professor, Civil and Environmental Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Professor, Civil and Environmental Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, IranFull Professor, Civil and Environmental Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
4 Associate Professor, Engineering Faculty, Material Engineering Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The optimizartion of photocatalytic process by Taguchi method and the prediction of removal efficnecy by artificial neural network were investigated in this research. Immobilized photocatalytic reactor was irradiated with TiO2 by UV-A lamps to produce hydroxyl radicals for degradation of phenolic synthetic wastesater. Taguchi method and L16 orthogonal array for experimental planning was used for determination of optimum conditions including initial phenol concentration (50-500 mg/L), UV lamps power (8-60 W), pH (4-12), TiO2 concentration (20-80 g/m2), and UV lamp distance from concrete surface (5-20 cm). The results showed that influent phenol concentration and solution pH had the highest effect on the removal efficiency. The optimum conditions were obtained for influent phenol concentration of 50 mg/L, pH of 12, UV lamp of 60 W, titania amount of 80 g/m2, and UV lamp distance to concrete surface of 10 cm. Prediction of photocatalytic process performance by artificial neural network showed that the best result was obtained at the structure of (5-6-4-1). Transfer functions for this model were Gaussian, Hyperbolic Tangent, and Sigmoid for hidden layer 1 and 2 and output layer, respectively. The difference between measured and predicted values of output nodes was less than 5%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Taguchi method
  • Titanium dioxide
  • Concrete
  • Artificial Neural Network
  • Model

ضرغامی م، احسانی ا (1390) ارزیابی روش‌های مختلف تصمیم‌گیری گروهی چند معیاره در انتخاب طرحهای انتقال آب به حوضه دریاچه ارومیه. تحقیقات منابع آب ایران، سال 7، شماره 2: 1-14.

American Concrete Institute ACI 211 (1996) Manual of concrete practice. Farmington Hill, USA.

APHA, AWWA and WPCF (2005) Standard method for the examination water and wastewater. Washington DC.  USA.

Ayati B, Ganjidoust H, Mir Fattah M (2007) Degradation of aromatic compounds using moving bed biofilm reactor. Iran J Environ Health 4(2):107-112.

Beltran FJ, Rivas FJ, Montro-de-Espinosa R (2005) Iron type catalysts for the ozonation of oxalic acid in water. Water Res 39:3553-3564.

Busca G, Berardinelli S, Resini C, Arrighi L (2008) Technologies for the removal of phenol from fluid streams: A short review of recent developments. J Hazard Mater 160(2-3):265-288.

Carpio E, Zuniga P, Ponce S, Solis J, Rodriguez J, Estrada W (2005) Photocatalytic degradation of phenol using TiO2 nanocrystals supported on activated carbon. J Mol Catal A-Chem 228:293–298.

De Lasa H, Serrano B, Salaices M (2005) Photocatalytic Reaction Engineering. Springer Science.

Delnavaz M, Ayati B, Ganjidoust H (2010) Prediction of moving bed biofilm reactor (MBBR) performance for the treatment of aniline using artificial neural networks (ANN). J Hazard Mater179(1-3):769–775.

Dezuane J (1997) Handbook of drinking water quality. 2ndEdition, Vannos Trand Reinhold.

Engin AB, Ozdemir O, Turan M, Turan, AZ (2008) Color removal from textile dye bath effluents in a zeolite fixed bed reactor: Determination of optimum process conditions using Taguchi method. J Hazard Mater 159:348–353.

Hordern BK, Ziolek M, Nawrocki J (2003) Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone in reactions water treatment. Appl Catal B-Environ 46:639-669.

Horikoshi S, Watanabe N, Onishi H, Hidaka H, Serpone N (2002) Photodecomposition of a nonylphenol polyethoxylate surfactant in a cylindrical photoreactor with TiO2 immobilized fiberglass cloth. Appl Catal B-Environ 37(2):117–129.

Hosseini SN, Borghei SM, Vossoughi M, Taghavinia N (2007) Immobilization of TiO2 on perlite granules for photocatalytic degradation of phenol. Appl Catal B-Environ 74(1-2):53–62.

Ling CM, Mohamed AR, Bhatia S (2004) Performance of photocatalytic reactors using immobilized TiO2 film for the degradation of phenol and methylene blue dye present in water stream. Chemosphere 57:547–554.

Manojlovic D, Ostojic DR, Obradovic BM, Kuraica MM, Krsmanovic VD, Puric J (2007) Removal of phenol and chlorophenols from water by new ozone generator. Desalination 213:116–122.

Moussavi G, Mahmoudi M, Barikbin B (2009) Biological removal of phenol from strong wastewaters using a novel MSBR. Water Res 43(5):1295–1302.

Rachel A, Subrahmanyam M, Boule P (2002) Comparison of photocatalytic efficiencies of TiO2 in suspended and immobilized form for the photocatalytic degradation of nitrobenzene sulfonic acids. Appl Catal B-Environ 37(4):301–308.

Sarfaraz S, Thomas S, Tewari UK (2004) Anoxic treatment of phenolic wastewater in sequencing batch reactor. Water Res 38(4):965-971.

Scotti R, D’Arienzo M, Morazzoni F, Renato Bellobono I (2009) Immobilization of hydrothermally produced TiO2 with different phase composition for photocatalytic degradation of phenol. Appl Catal B-Environ 88(3-4):323–330.

Sreethawong T, Chavadej S (2008) Color removal of distillery wastewater by ozonation in the absence and presence of immobilized iron oxid catalyst. J Hazard Mater 155:486-493.

Suryaman D, Hasegawa K, Kagaya S (2006) Combined biological and photocatalytic treatment for the mineralization of phenol in water. Chemosphere 65(11):2502–2506.

Tryba B (2008) Immobilization of TiO2 and Fe-C-TiO2 photocatalysts on the cotton material for application in a flow photocatalytic reactor for decomposition of phenol in water. J Hazard Mater 151(2-3):623-627.

Uchida H, Itoh S, Yoneyama H (1993) Photocatalytic degradation of propyzamide using TiO2 supported on activated carbon. Chem Lett12:1995-1998.

US Environmental Protection Agency (2002) Toxicological Review of Phenol. CAS No. 108-95-2.

Velasco LF, Tsyntsarski B, Petrova B, Budinova T, Petrov N, Parra JB, Ania CO (2010) Carbon foams as catalyst supports for phenol photodegradation. J Hazard Mater 184:843–848.

Venkata Subba Rao K, Rachel A, Subrahmanyam M, Boule P (2003) Immobilization of TiO2 on pumice stone for the photocatalytic degradation of dyes and dye industry pollutants. Appl Catal B-Environ46(1): 77–85.

Wang  X, Liu Y, Hu Z, Chen Y, Liu W, Zhao G (2009) Degradation of methyl orange by composite photocatalysts nano-TiO2 immobilized on activated carbons of different porosities. J Hazard Mater 169 (1-3):1061–1067.

Zhang L, Kanki T, Sano N, Toyoda A (2003) Development of TiO2 photocatalyst reaction for water Purification. Sep Purif Technol 31:105-110.