Elektromagnetisches Feld

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8693 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Es wird die Behandlung von echten Rübenzuckermühlenabwässern durch ein modifiziertes Elektrokoagulationsverfahren vorgeschlagen. Es wurde ein innovatives Design einer durch elektromagnetische Felder verstärkten elektrochemischen Zelle verwendet, die aus einer rohrförmigen Siebwalzenanode und zwei Kathoden (einer inneren und einer äußeren Kathode) besteht. Es wurden verschiedene Parameter untersucht, darunter Stromdichte, Abwasserkonzentration, NaCl-Konzentration, Drehzahl, Anzahl der Siebschichten pro Anode sowie die Wirkung der Hinzufügung und Richtung eines elektromagnetischen Feldes. Die Ergebnisse zeigten, dass unter optimalen Bedingungen, einer Stromdichte von 3,13 A/m2, zwei Schirmen pro Anode, einer NaCl-Konzentration von 12 g/l und einer Rotationsgeschwindigkeit von 120 U/min, der Prozentsatz der Farbentfernung 85,5 % und die elektrische Energie betrug Der Verbrauch betrug 3,595 kWh/m3. Allerdings steigerte das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes den Energieverbrauch und den Prozentsatz der Farbentfernung deutlich. Numerisch gesehen führte die Anwendung des Magnetfelds zu einer Farbentfernungseffizienz von 97,7 % bei einem Stromverbrauch von 2,569 KWh/m3, was als herausragende Errungenschaft im industriellen Abwasseraufbereitungsprozess gilt. Die starke Verbesserung der Farbentfernung bei geringem Stromverbrauch reduzierte die erforderlichen Behandlungskosten erheblich; Die geschätzten Behandlungskosten betrugen 0,00017 $/h.m2. Dieses Design hat sich als vielversprechend für die kontinuierliche Behandlung von Rübenzucker-Industrieabwässern erwiesen und ist ein Konkurrent zu den derzeit verfügbaren Techniken.

Die Zuckerindustrie ist einer der wasserintensivsten Prozesse, der große Mengen an stark verschmutztem Abwasser produziert. In der modernen Rübenzuckerindustrie werden durch den Betrieb in einem nahezu geschlossenen Kreislauf1 pro Tonne Rübenzucker etwa 1,53 % Wasser verbraucht und etwa 0,5 m3 ausgestoßen. Das eingeleitete Abwasser zeichnet sich durch hohe organische Belastungen und intensive Farbe aus. Der typische BSB5-Gehalt im Rübenabwasser liegt im Bereich von 4.000–7.000 mg/L, während der CSB 8.000 bis 10.000 mg/L2,3 erreichen kann. Das Abwasser der Rübenindustrie enthält neben organischen Stoffen und Farbstoffen auch Pflanzenschädlinge, Pestizide und Krankheitserreger. Die Farbe des Abwassers variiert zwischen hellgelb und braun4,5. Farbstoffe sind lösliche Verbindungen und gehören zu den gefährlichsten Umweltschadstoffen in der Zuckerindustrie. Bei den farbigen Verbindungen handelt es sich um Polymere mit unterschiedlichen Molekulargewichten, Strukturen und Eigenschaften. Diese Verbindungen entstehen dabei durch den Zuckerabbau. Coca et al6 berichteten, dass die Farbe in diesen Abwässern hauptsächlich von zwei Gruppen erzeugt wird: Melanoidin und Karamell. Die Zusammensetzung der Melanoide hängt von den Reaktionsbedingungen ab; hauptsächlich Temperatur, Erhitzungszeit, pH-Wert und Art der Reaktanten6,7. Pant, D. und A. Adholeya7 schlugen die folgende empirische Formel von Melanoidin vor: C17–18 H26–29 O10 N. Außerdem entstehen Karamellen laut Davis8 durch kontrollierten thermischen Abbau von Rübenzucker (Saccharose). Sie entstehen durch Erhitzen von Rübenzuckersirup bei hoher Temperatur und einem pH-Wert von 3 bis 9. Durch die Karamellisierung von Saccharose sind drei Hauptproduktgruppen für die braune Farbe verantwortlich; ein Dehydrierungsprodukt, Karamelane (C12H18O9) und zwei Polymere (Karamell (C36H50O25) und Karamell (C125H188O80)).

Insgesamt können die fortschrittlichen industriellen Abwasserbehandlungsverfahren Adsorption, Photoabbau, elektrochemische Oxidation, Fenton-Oxidation, Ionenaustausch sowie biologische und Membrantrennung umfassen9. Die elektrochemischen Techniken wie elektrochemische Oxidation, elektrochemische Koagulation und elektrochemische Flotation werden häufig zur Behandlung stark verschmutzter farbiger organischer Abwässer10,11,12 einschließlich Abwässer aus Zuckerfabriken13,14,15,16,17 eingesetzt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Koagulationsverfahren hat die Elektrokoagulation (EK) den Vorteil, dass sie lokal Gerinnungsmittel erzeugt. Als Anodenmaterialien werden im EC-Verfahren ausschließlich Aluminium und Eisen verwendet.

Insbesondere bei den Abwässern der Zuckerindustrie erregt die elektrochemische Koagulation aufgrund der hohen Effizienz die größte Aufmerksamkeit. Beispielsweise werden für das Abwasser der Zuckerindustrie ab einem anfänglichen CSB-Gehalt von 6000 mg/l18 ca. 60–70 % der CSB-Reduktionswerte angegeben. Allerdings sind die Behandlungskosten immer noch hoch, was die breiten Einsatzmöglichkeiten einschränkt2,19,20,21. In diesem Zusammenhang wurden mehrere Versuche vorgeschlagen, um die Kosten zu senken und die hohe Entfernungseffizienz aufrechtzuerhalten. Einige Forscher haben sich beispielsweise auf die Gestaltung der Zellbestandteile konzentriert19,22. Und andere konzentrierten sich auf die Art des Abwasserflusses23 und die Integration von EC in andere Behandlungsprozesse24,25. Allerdings sind weitere Anstrengungen erforderlich, um diesen effektiven Behandlungsprozess zu einer wirtschaftlich empfehlenswerten Methode zu machen.

Im Vergleich zu Eisen weist die Aluminiumanode Nachteile auf, die ihre breite Anwendung im industriellen Maßstab einschränken. Beispielsweise erfordert die Bildung einer Passivschicht die Zugabe einer relativ großen Menge an Chlorionen (z. B. NaCl)26. Der Anstieg der Leitfähigkeit (insbesondere durch NaCl-Zugabe) während der Trinkwasseraufbereitung ist gemäß den Standardnormen, die die maximale Chloridkonzentration in Industrieabwässern auf 252 mg/L27 festlegen, stark begrenzt. Darüber hinaus hat Eisen im Vergleich zu Aluminium zwei wichtige Vorteile. Erstens ist es ungiftig und kann daher zur Herstellung von Trinkwasser verwendet werden, auch wenn der marokkanische Standard aus organoleptischen und ästhetischen Gründen genauso wie Aluminium 200 ppb beträgt. Zweitens kostet Eisen pro Kilogramm weniger als Aluminium (Fe kostet zwischen 0,5 und 0,8 $/kg, verglichen mit 1,5–3 $/kg für Al). Die Hauptnachteile der Verwendung von Fe-Anoden in der EC sind jedoch die schwache Pufferwirkung von Fe im Vergleich zu Al und die hohe Löslichkeit von Fe2+-Ionen. Typischerweise gleicht die Lewis-Acidität von Aluminium die Bildung von OH−-Anionen an der Kathode aus, was zu einem Puffereffekt führt und zu einem End-pH-Wert zwischen 7 und 828 führt. Andererseits ist der für Eisen berichtete Puffereffekt schwächer als für Aluminium; Mit Fe-Elektroden wird üblicherweise ein End-pH-Wert von 9 oder 10 erreicht, selbst wenn der anfängliche pH-Wert sauer ist29,30. Das hochlösliche Fe2+ wirkt sich negativ auf die Bildung der effizienten Kolloiddestabilisierung durch Fe(OH)3 aus und führt dadurch zu einer schlechten EC-Leistung31. In der Praxis laufen derzeit verschiedene Versuche, die Leistung des Fe-EC-Behandlungsprozesses zu verbessern, um dieses reichlich vorhandene und kostengünstige Metall bei der Behandlung von Industrieabwässern optimal zu nutzen.

In diesem Zusammenhang wurden mehrere Strategien eingeführt, um die Leistung des Fe-EC-Prozesses zu verbessern, einschließlich der Belüftung des Wassers, um die Konzentration des gelösten Sauerstoffs und der Fe2+-Oxidation zu erhöhen, der Erhöhung des pH-Werts auf 7,5 oder höher, um die Fe2+-Oxidationsrate zu verbessern, und der Einführung eines Wechselstroms Oxidationsmittel und Erhöhung der Verweilzeit, um eine vollständige Fe2+-Oxidation zu erreichen29,32,33. Darüber hinaus haben die Geometrie der EC-Zellen und das Elektrodendesign erheblichen Einfluss auf die Behandlungsleistung34,35.

Die Magnetohydrodynamik (MHD) ist das Fachgebiet, das das Magnetfeld und elektrisch leitende Flüssigkeitssysteme umfasst36. Der Kernpunkt dieses Feldes besteht darin, dass die elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten auch durch die Anwendung eines Magnetfelds induziert werden können. In Gegenwart von Magnetfeldern werden zusätzliche Kräfte erzeugt, wie die Lorentzkraft, die paramagnetische Kraft aufgrund der Anwesenheit paramagnetischer Ionen und die magnetische Gradientenkraft. Diese Kräfte tragen dazu bei, die willkürlichen Bewegungen der Ionen innerhalb der Elektrolytlösung zu verändern. Obwohl Coey und Hinds behaupteten, dass das elektromagnetische Feld (EMF) allein viel kleiner sei als andere Kräfte, die bei der elektrochemischen Reaktion wirken (wie Diffusion und Migration), kamen sie zu dem Schluss, dass die Wirkung der durch das EMF verursachten Lorenzkraft in der elektrochemischen Reaktion nicht vernachlässigt werden sollte falls es mit einer anderen Überzeugungsbewegung im Elektrolyten kombiniert wird37. Die Nutzung von EMF bei chemischen Reaktionen wurde intensiv untersucht38,39,40. Die Hauptuntersuchung konzentrierte sich auf Plasmareaktionen und den Flüssigkeitsfluss durch Rohre.

In dieser Studie werden die Auswirkungen zellgeometrischer Parameter und die Zugabe von EMF für die Behandlung von echtem Rübenzuckerabwasser mittels EC-Verfahren untersucht. Ziel dieser Arbeit war die Verwendung einer neuen elektrochemischen Zelle, die aus einer röhrenförmigen Schirmanordnungsanode und zwei Kathoden (einer inneren und einer äußeren Kathode) besteht. Die untersuchten Parameter sind Stromdichte, Elektrolytkonzentration, NaCl-Konzentration, Elektrolytrührung, Anzahl der Elektrodenpaare und Anwendung eines elektromagnetischen Feldes. Die Neuheit dieser Arbeit liegt im Design der elektrochemischen Zelle und der Nutzung von EMF zur Verkürzung der Farbentfernungszeit. Unsere Ergebnisse zeigten eine hohe Farbentfernungseffizienz bei geringem Stromverbrauch und hoch akzeptierten erforderlichen Kosten.

Die in der vorliegenden Studie verwendete Zelle besteht aus einer röhrenförmigen Anordnung eng beieinander liegender Stahlsiebe als Anode und zwei Kathoden. Diese beiden Kathoden sind der innere Stahlstab und das äußere zylindrische Blech, das die Schirmanode umgibt. Die Elektroden wurden in einem Glasbehälter mit einem Durchmesser von 0,09 m und einer Höhe von 0,125 m platziert. Als Anode wurde kohlenstoffarmer Stahldraht mit 32 Maschen verwendet. Es hat eine Höhe von 0,04 m und einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,038 m. Die äußere Kathode hat eine Höhe von 0,05 m. und einen Durchmesser von 0,058 m, während der innere Kathodenstab eine Höhe von 0,05 m und einen Durchmesser von 0,019 m hat. Der Innenabstand zwischen den Elektroden wurde auf 0,01 m gehalten. Alle Elektroden sind in echtes Abwasser der Zuckerfabrik Abu-Qurqas (Stadt Abu Qurqas, Gouvernement Minia, Ägypten) getaucht. Die Kathoden und die Anode wurden über einen Kupferdraht an die 16-V-Gleichstromversorgung (ADAK-PS 808) angeschlossen. Wie in Abb. 1 dargestellt, wurden Amperemeter und Voltammeter zur Messung von Strom und Zellpotential verwendet. Mithilfe eines Magnetrührers wurde die Abwasserlösung rotiert, um den Diffusionswiderstand der Ionen in der Nähe der Anode und der Kathoden zu überwinden. In einer anderen Reihe von Experimenten wurde ein elektromagnetischer Magnet unter der elektrochemischen Zelle eingesetzt. Der Magnet besteht aus einem Eisenkern mit einem Durchmesser von 0,13 m, einer Höhe von 0,001 m und einer relativen Permeabilität von k = 100. Um den Kern herum wurde ein emaillierter Kupferdraht der Stärke 18 AWG mit N = 800 Windungen gewickelt, wie in Abb. 1. Das Magnetfeld wurde an die Gleichstromversorgung angeschlossen und die Intensität wurde wie folgt berechnet:

Dabei ist μ die Permeabilität (μ = μo × k), i der Strom und n die Windungsdichte (n = N/L, N ist die Anzahl der Windungen und L die Länge des Magnetventils).

Versuchsaufbau für die elektrochemische Zelle, Elektroden, Proben und das elektromagnetische Feld.

Vor dem Einfüllen des Abwassers (0,25 l) in die Zelle wurde die Leitfähigkeit durch Zugabe von NaCl-Lösung in einer bestimmten Konzentration (von 6 bis 30 g/l) eingestellt, NaCl, geliefert von der Firma Al Safa, Ägypten. Proben (0,003 l) wurden in unterschiedlichen Zeitintervallen entnommen und zentrifugiert und dann zur Farbentfernungsmessung mit einem UV-Spektrophotometer (Modell Shimadzu, UV 1601) bei einer Wellenlänge von 274 nm analysiert. Die untersuchten Variablen sind Abwasserkonzentration, NaCl-Konzentration, Stromdichte (CD), Rührgeschwindigkeit, Anzahl der Anodensiebe (1–3 Siebe) und Wirkung von EMF; Größe und Richtung. Typische Eigenschaften des verwendeten Abwassers sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der Energieverbrauch für die Behandlung von 1 m3 Zuckerabwasser wurde aus den Spannungs- und Strommesswerten sowie der Behandlungszeit gemäß der folgenden Gleichung41 berechnet.

Dabei ist E der Energieverbrauch (kWh/m3), V die Spannung der Elektrokoagulationszelle (Volt), I die Stromstärke (A), \(\mathcal{V}\) das behandelte Volumen in m3 und t die Behandlungszeit (h). Der Energieverbrauch zur Entfernung der organischen Schadstoffe aus dem Zuckerabwasser unter Verwendung von EC gekoppelt mit EMF wurde mithilfe von Gl. berechnet. (3).

Abbildung 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Prozentsatz der Farbentfernung aus dem genutzten Abwasser und der Zeit bei unterschiedlichen Stromdichten (CD). Bei der Elektrolyse führt die anodische Elektroauflösung zur Freisetzung von Gerinnungsmittelspezies. Die Farbentfernung hängt direkt von der Konzentration der von der Anode erzeugten Metallionen ab. Eine Verlängerung der Reaktionszeit erhöht die Konzentration der von der Anodenoberfläche abgegebenen Metallionen. Dadurch wird im Elektrolyten mehr Eisenhydroxid gebildet, was die Bildung und Ansammlung von Flocken erleichtert. Aus Abb. 2 ist auch ersichtlich, dass sich mit zunehmender Behandlungszeit der Prozentsatz der Farbentfernung auf bis zu 85,5 % bei einem CD-Wert von 3,13 A/m2 erhöht. Darüber hinaus erhöht die Erhöhung des CD-Werts von 0,374 auf 3,13 A/m2 die Farbentfernungseffizienz von 70 auf 85,5 %. Die an der Anode erzeugten Fe3+-Ionen nehmen durch Erhöhung der Stromdichte gemäß dem Faradayschen Gesetz Gl. zu. (4)42.

Dabei ist m die Masse der abgegebenen Ionen (g), Q die gesamte durchgelassene elektrische Ladung (C), Mwt die Atommasse von Eisen, F die Faraday-Konstante (96.485 C/mol) und Z die Wertigkeitszahl von Eisen . Daher wird erwartet, dass eine höhere Stromdichte sofort eine erhebliche Menge an Eisenionen erzeugt, die mit Hydroxylionen reagieren und lokale Koagulationsstellen bilden, um die Bildung von Flocken einzuleiten, die wiederum mehr Farbstoffe adsorbieren und die Effizienz der Farbentfernung fördern43 .

Auswirkung der CD-Änderung auf den Prozentsatz der Farbentfernung unter den folgenden konstanten Bedingungen: ([NaCl] = 12 g/L, Anzahl der Anodensiebe = 1, Elektrolytkonzentration = 100 % des Rohabwassers, U/min = 0 und B = 0 Tesla).

Während des EC-Prozesses zieht das erzeugte Fe(OH)2-Molekül die organische Substanz durch Oberflächenkomplexierung oder elektrostatische Anziehung an. Dadurch kommt es zu einer Agglomeration der organischen Moleküle44. Der Mechanismus eines solchen Prozesses beginnt an den anodischen Stellen, wo durch Anlegen eines externen elektrischen Stroms Eisenionen erzeugt werden. Dann diffundieren Eisenkationen von der Oberfläche der Anode sowohl durch die elektrische Doppelschicht als auch durch die Diffusionsschicht in die Masse des Elektrolyten. Anschließend verbindet sich Eisenhydroxid mit dem organischen Schadstoff durch die zuvor genannten Mechanismen zu einer Flocke. Die Flocken neigen dazu, dichtere Cluster zu bilden. An der Kathode wird Wasserstoffgas erzeugt, Wasserstoffblasen heften sich an die erzeugten Flocken und ziehen sie an die Oberfläche.

Es ist auch wahrscheinlich, dass die anionischen Farbstoffmoleküle durch Elektrophorese in den Anodenbereich wandern, wo sie neutralisiert, an das Eisenhydroxid gebunden und in der Anodenumgebung elektrokoaguliert werden. Auf der anderen Seite der Zelle steigt durch die Erhöhung der Stromdichte die Bildung von Wasserstoffgasblasen, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Gasblasen führt, die durch den Elektrolyten strömen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Außerdem erhöhen die an der Kathode entstehenden zusätzlichen H2-Blasen mit zunehmender CD die Menge an Lösung, die von den aufsteigenden H2-Blasen mitgerissen wird. Die mitgerissene Lösung bewegt den Elektrodenspalt und beschleunigt die Vermischung von Eisenionen mit den Schadstoffen.

Der Einfluss der Verdünnung des verwendeten Abwassers auf die EC-Leistung wurde untersucht, indem unterschiedliche Konzentrationen aus dem empfangenen Abwasser während des Mischens mit reinem Wasser hergestellt wurden. Es wurden verschiedene Konzentrationen hergestellt; C1 ist das Abwasser ohne Verdünnung (100 % Konzentration), während C2, C3 und C4 Verdünnungsprozentsätze von 80, 40 bzw. 20 % darstellen. Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen der prozentualen Farbentfernung im Zeitverlauf bei unterschiedlichen Anfangskonzentrationen. Es ist offensichtlich, dass durch die Verdünnung des Zuckerfabrikabwassers von 100 auf 20 % unter den gleichen Bedingungen der Prozentsatz der Farbentfernung von 53 auf 80 % stieg. Dies kann wie folgt erklärt werden: (1) Bei konstanter Stromdichte reicht die Menge der erzeugten Fe(OH)3-Flocken aus, um alle Farbstoffe in niedrig konzentriertem Abwasser zu adsorbieren, was zu einem hohen Prozentsatz an Farbentfernung führt, wohingegen bei hohem Abwassergehalt eine hohe Farbentfernung erzielt wird Konzentration sind die Farbstoffe zahlreicher als die produzierten Eisenhydroxidflocken. (2) Bei hohen Abwasserkonzentrationen neigen die Farbstoffmoleküle dazu, aneinander zu haften und große Aggregate mit geringer Diffusionsgeschwindigkeit zu bilden. Dadurch wird die Adsorptionsrate von Farbstoffen an Eisenhydroxidflocken verzögert und folglich der Prozentsatz der Farbentfernung verringert. (3) Hohe Abwasserkonzentrationen in der Gesamtlösung können auch die Anode passivieren, indem sie die Menge der auf der Anodenoberfläche adsorbierten Farbmoleküle erhöhen45.

Auswirkung der Änderung der Abwasserkonzentration (durch Verdünnung) auf die prozentuale Farbentfernung unter den folgenden konstanten Bedingungen: ([NaCl] = 12 g/l, CD = 3,13 A/m2, Anzahl der Anodensiebe = 1, U/min = 0, und B = 0 Tesla).

Abbildung 4 zeigt die Auswirkung der Elektrolytkonzentration auf den Prozentsatz der Farbentfernung (6–30 g/l). Wie gezeigt, nimmt die prozentuale Farbentfernung mit steigender Salzkonzentration zu, bis sie bei etwa 12 % NaCl ihr Maximum erreicht, und nimmt dann mit weiterem Anstieg der NaCl ab. Das Verstärkungsschema lässt sich wie folgt erklären: Zu Beginn kann der Anstieg des Prozentsatzes der entfernten Farbe mit steigender NaCl-Konzentration auf die Fähigkeit von Chloridionen (Ionisierung von NaCl) zurückgeführt werden, den passiven Eisenoxidfilm zu zerstören, der sich dabei auf der Eisenanode gebildet hat Elektrolyse. Indem es die Bildung von Fe2+- und Fe3+-Ionen aufrechterhält, erhöht es die Menge der gebildeten Ionen in der Lösung und verbessert die Effizienz der Farbentfernung46,47. Stattdessen kann die Abnahme der Farbentfernung über 12 g NaCl/l hinaus auf den konkurrierenden Effekt der Migration von Chlorionen zur Anodenoberfläche zugunsten des negativ geladenen farbigen Moleküls zurückgeführt werden. Dies könnte auch auf eine Abnahme der Löslichkeit von gelöstem Sauerstoff zurückzuführen sein, die durch das Aussalzen von NaCl-Molekülen verursacht wird, was die Menge an Fe(OH)3-Flocken und damit die Anzahl der zur Adsorption von Farbkörpern verfügbaren Stellen verringert.

Einfluss der Konzentration des Grundelektrolyten auf die prozentuale Farbentfernung unter den folgenden konstanten Bedingungen: (CD = 2,36 A/m2, Anzahl der Anodenschirme = 1, Elektrolytkonzentration = 100 % des Rohabwassers, U/min = 0 und B = 0 Tesla).

Abbildung 5 zeigt die Auswirkung der Rotationsrührgeschwindigkeit auf die Abwasserfarbentfernung. Die prozentuale Farbentfernung steigt mit zunehmender Drehzahl bis 120 U/min und nimmt dann bei weiterer Erhöhung der U/min ab. Dies kann auf das Vorhandensein zweier Regime zurückgeführt werden: das erste Regime von 0 bis 120 U/min und das andere Regime bei einer höheren Geschwindigkeit. Durch mildes Rühren wird die Mischeffizienz zwischen den Farbkörpern und dem hydrolysierten Fe3+ verbessert und dadurch der Prozentsatz der Farbentfernung erhöht. Außerdem kann leichtes Rühren die H2-Blasen gleichmäßig in der Lösung verteilen, was zu einer Erhöhung der Schwimmfähigkeit der Flocken führt. Andererseits werden durch kräftiges Rühren über 120 U/min die koagulierten Farbmoleküle in der Lösung dispergiert, was zu einer Verringerung des Prozentsatzes der Farbbindung an Eisenhydroxid führt. Dieser Befund steht im Einklang mit der früheren Arbeit von Khaled, B. et al. und Khalaf, A. et al. 48,49.

links: Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit (U/min) auf die prozentuale Farbentfernung unter den folgenden konstanten Bedingungen: (CD = 3,13 A/m2, Anzahl der Anodensiebe = 1, Elektrolytkonzentration = 100 % des Rohabwassers und B = 0 Tesla), rechts: Einfluss der Drehzahl auf die prozentuale Farbentfernung nach 4–30 Minuten.

Zusätzliche Anodenschirme können die Bildung der Eisenionen im Elektrolyten erleichtern. Abbildung 6 zeigt die Farbentfernungsrate bei unterschiedlicher Anzahl von Siebanoden. Die Ergebnisse zeigten, dass der Prozentsatz der Farbentfernung bei Verwendung von Doppelschirmanoden höher ist als bei Einzel- und Dreifachanoden. Die Steigerung der Farbentfernungsrate wird auf die Tatsache zurückgeführt, dass die poröse Schirmanode eine freie Zirkulation der von den aufsteigenden H2-Blasen mitgerissenen Lösung ermöglicht, was zu einer Verbesserung der Mischeffizienz zwischen den anodisch gelösten Fe3+-Ionen und den farbigen Schadstoffen führt. Der Grad der Verstärkung schwankte je nach Zeitpunkt der Entfärbung in unterschiedlichen Bereichen. Durch die Hinzufügung einer zweiten Abschirmung werden trotz einer Abnahme der Stromdichte mehr Öffnungen vorhanden sein, die als Turbulenzförderer wirken, und folglich wird mehr Turbulenz erzeugt, die die Abnahme der Stromdichte überwindet. Dies führt zu einer effizienteren Hydrodynamik innerhalb der Reaktionszelle. Mit der Hinzufügung des dritten Schirms interferieren die erzeugten Turbulenzen jedoch mit den vorhandenen Turbulenzen (vom zweiten Schirm) und dämpfen deren Wirkung als Turbulenzförderer, zusätzlich zu dem Effekt der Verringerung der Stromdichte, was zu einer Verringerung der Stromdichte führt die Effizienz des Systems.

links: Einfluss der Zeit auf die prozentuale Farbentfernung bei unterschiedlicher Anzahl von Sieben unter den folgenden konstanten Bedingungen: ([NaCl] = 12 g/L, CD = 3,13 A/m2, Elektrolytkonzentration = 100 % des Rohabwassers, U/min = 0 und B = 0 Tesla). Rechts: Auswirkung der Anzahl der Schirme pro Array-Anode auf die prozentuale Farbentfernung (Null ist die zylindrische Blechanode).

Seit vielen Jahren wird in mehreren Artikeln dokumentiert, dass das Magnetfeld (MF) die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Wasser verändern kann50. Als Han et al.51 beispielsweise die optischen Eigenschaften von Wasser in Gegenwart zweier starker Magnete untersuchten, stellten sie fest, dass sich die Qualität der Infrarotabsorption verändert hatte. Laut Holysz et al. kann das Magnetfeld die Leitfähigkeit verbessern und die Oberflächenspannung des Wassers verringern 52. Mithilfe von Reibungsstudien konnten Wang et al. untersuchten den Einfluss eines statischen Magnetfelds auf das flüssige Wasser. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Reibungskoeffizient in Gegenwart des Magnetfelds niedriger war 53. In ihrer Studie über den Einfluss des Magnetfelds auf die Wasserstoffbrückenbindungen von Wasser haben Cai et al. 54 nutzten molekulardynamische Modelle, experimentelle Daten und theoretische Modelle, um den Mechanismus der Magnetisierung zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Magnetfeld einen deutlichen Einfluss auf die Wasserstoffbrückenbindungen hat. Wenn das Magnetfeld zwischen 0 und 900 mT variiert, haben Liu et al. 55 berichteten, dass das Magnetfeld die Zersetzung organischer Materialien in Zellstoff- und Papierabwässern beschleunigen kann. Die pH-Werte des Abwassers stiegen zunächst auf den Höhepunkt und fielen anschließend ab. Daher wurde in dieser Studie der Einfluss der Magnetfeldanwendung auf die Farbentfernungseffizienz untersucht.

Abbildung 7A zeigt die Auswirkung der Zugabe von EMF unterhalb der EC-Zelle auf die Geschwindigkeit der Schadstoffentfernung. Auch Abb. 7B zeigt das gleiche Verhalten, jedoch mit dem EMF, der neben den Elektroden platziert ist. Aus beiden Abbildungen geht klar hervor, dass die Zugabe des EMF den Prozentsatz und die Rate der Farbentfernung steigerte. Darüber hinaus fördert die Erhöhung der Magnetfeldstärke eine schnellere Entfernung der Farbe. Bei Verwendung von B = 3,02 Tesla erreichte die Entfernungsrate mehr als 80 % in 20 Minuten, verglichen mit 30 Minuten beim Experiment ohne EMF. Es fällt auch auf, dass die Position des EMF unterhalb (senkrecht zur) der EC-Zelle zu einer besseren Verstärkung der Farbentfernung führte als die Position neben (parallel zur) EC-Zelle. Die Zugabe des EMF verstärkte die EC-Reaktionen aufgrund der induzierten Bewegung der paramagnetischen Ionen durch die Wirkung des elektrischen Feldes und der zusätzlichen Kräfte, die durch das EMF im Elektrolyten ausgeübt werden. Chen et al. 56 gab an, dass der Wert der MHD-Kraft an der Elektrodenkante von den magnetischen Eigenschaften der Elektrodenmaterialien abhängt. Eine der wahrscheinlichen Wirkungen der MHD-Kraft an der Elektrodenoberfläche besteht darin, den Abtransport der Wasserstoffblasen von der Kathode und der Eisenionen von der Anode zu erleichtern. Aufgrund der hohen magnetischen Suszeptibilität der Eisenelektroden verstärken die durch die EMF erzeugten paramagnetischen Eigenschaften die Fortbewegung von Wasserstoffblasen und bewirken, dass sie sich schnell von der Kathode lösen.

(A) EMF senkrecht zu den Elektroden, (B) EMF parallel zu den Elektroden; Die Experimente wurden bei [NaCl] = 12 g/L, CD = 3,13 A/m2, Elektrolytkonzentration = 100 % des Rohabwassers, U/min = 0 und zwei Siebanoden durchgeführt.

The Finite Element Method Magnetics (FEMM) software has been used to simulate the static magnetic field intensity inside the proposed electrocoagulation cell. This simulation software can deal with some low-frequency electromagnetic problems in two-dimensional planar and axisymmetric domains (2004)." href="/articles/s41598-023-35182-9#ref-CR57" id="ref-link-section-d45188922e1431">57. In der FEMM-Software verwendet der Simulations-Setup-Rahmen typischerweise Maxwell-Gleichungen, die als E, B und J ausgedrückt werden. Daher lauten die Gleichungen 58:

Abbildung 8a zeigt die Seitenansicht des simulierten 2D-Magnetfeldprofils. Die Konturen der magnetischen Feldstärke der Elektromagnete zeigten, dass der magnetische Fluss vom Elektromagneten ausgeht und über zwei Wege verläuft: i-den Elektrolyten aufgrund der Anwesenheit paramagnetischer Ionen; und ii-der Stahlstab, das Stahlgeflecht und der Stahlzylinder (Elektroden). Der Effekt im Elektrolyten tritt hauptsächlich zwischen der äußeren Kathode und dem Anodennetz auf und lässt zwischen der inneren Kathode und dem Anodennetz allmählich nach. Außerdem ist die Richtung des Magnetfelds nach unten gerichtet, was typischerweise das Absetzen der erzeugten Flocken beschleunigt. Da die Elektroden ferromagnetisch sind, fließt auch ein magnetischer Fluss durch die Elektroden. Dadurch wird die Elektronenbewegung nach oben durch die Anode oder nach unten durch die Kathode verstärkt. Die Bewegung der paramagnetischen Ionen im Elektrolyten erfolgt aufgrund elektrischer und elektromagnetischer Felder in einem spiralförmigen Bad. Daher werden mehr Eisenionen erzeugt und es finden mehr Reaktionen im kathodischen Bereich statt. Auffällig ist auch, dass nur 0,5 % des magnetischen Flusses auf den Elektrolyten in der elektrochemischen Zelle gerichtet sind (wie in Abb. 8b dargestellt), da der berechnete Fluss 3,02 Tesla betrug, während der Fluss innerhalb der Lösung 0,01 Tesla beträgt. Es besteht eine Inkonsistenz zwischen dem gemessenen und dem simulierten magnetischen Fluss. Dies ist auf den Unterschied zwischen den magnetischen Eigenschaften der für die Simulation angegebenen und der realen Materialien zurückzuführen. Darüber hinaus werden während der Simulation die richtigen magnetischen Eigenschaften des Elektrolyten, der die paramagnetischen Eisenionen enthält, nicht vollständig spezifiziert. Daher dient die Simulation der vorläufigen Visualisierung und erfordert weitere Berechnungen, um das dynamische Verhalten der paramagnetischen Eisenionen sowohl unter elektrischen als auch magnetischen Feldern genau zu spezifizieren.

(a) die Seitenansicht des elektromagnetischen Feldprofils innerhalb der elektrochemischen Zelle. Das Simulationsverfahren wurde ohne Hinzufügung des elektrochemischen Zellpotentials durchgeführt. Die Farbskala stellt das Magnetfeld von 0,0 bis 0,027 T dar. (b) Die Intensität des elektromagnetischen Feldes im Vergleich zur linearen Kontur (dargestellt durch den roten Pfeil), die die Schwankung der Intensität mit der Position anzeigt.

Berechnung des Energieverbrauchs anhand der Gl. (2 und 3) unter optimalen Bedingungen (CD = 3,13 A/m2, NaCl-Konzentration = 12 g/L und zwei Siebe pro Anode) wurden 3,595 kWh/m3 behandeltes Abwasser ermittelt. Vergleich mit der Arbeit von Sahu, O. et al. 14 zur Farbentfernung von echtem Zuckerdosenabwasser ergab, dass der maximale Energieverbrauch 32,1 kWh/m3 betrug, was im Vergleich zur aktuellen Arbeit (3,595 kWh/m3) sehr hoch ist. Diese Diskrepanz zwischen den beiden Energieverbrauchswerten kann auf die hohe Effizienz der in der vorliegenden Arbeit verwendeten neu vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle im Vergleich zu dem von Sahu, O. et al. verwendeten elektrochemischen Reaktor zurückgeführt werden, der aus vier Paaren angeordneter Aluminiumelektroden besteht ein paralleler monopolarer Modus. Interessant ist auch der Hinweis, dass der Energieverbrauch durch die Zugabe von EMF weiter verbessert werden kann (von 3,595 auf 2,569 kWh/m3), wie in Abb. 9 dargestellt. Diese Verbesserung ist auf die schnellere Entfernung von Schadstoffen in Gegenwart von EMF zurückzuführen EMF im Vergleich zum Experiment ohne EMF. Bei einem Stromtarif in Ägypten von 0,075 $/kWh betragen die Energiekosten 0,193 $/m3. Tabelle 2 fasst die optimalen Farbentfernungsergebnisse und die entsprechende erforderliche Leistung unter Verwendung der vorgeschlagenen Zellen unter verschiedenen Bedingungen zusammen.

Energieverbrauch (in kWh/m3) und % Farbentfernung für die beiden Positionen des EMF im Vergleich zum Experiment ohne EMF.

Zur ordnungsgemäßen Bewertung der vorgeschlagenen Behandlungsstrategie zeigt Tabelle 3 die verbrauchten Stromdichten bei der Behandlung von Abwässern aus der Zuckerindustrie unter Verwendung elektrochemischer Techniken mit verschiedenen Elektroden. Die wichtigste Überlegung bei der Auswahl eines Behandlungsverfahrens für jede Branche ist seine Wirtschaftlichkeit. Daher enthält Tabelle 3 auch eine Analyse der Wirtschaftlichkeit des bestehenden Behandlungsverfahrens. Basierend auf einer internationalen Website (Alibaba-Website vom 22. April 2023; 0,5, 13 bzw. 2 $/kg für Fe, Cu und Al) wurden in Tabelle 3 auch die Kosten der verwendeten Metallplatten geschätzt. Die gelöste Masse der Elektrode (kg/h.m2) wurde aus der Faraday-Gleichung (Gleichung 4) berechnet. Wie aus der Tabelle hervorgeht, sind die erforderliche Stromdichte sowie die entsprechenden Kosten in der vorgeschlagenen Zelle im Vergleich zu den anderen beschriebenen Methoden sehr gering. Insgesamt vereint die in dieser Studie vorgeschlagene Behandlungsstrategie die beiden wichtigsten erforderlichen Parameter des dringend empfohlenen Behandlungsprozesses: hohe Effizienz und niedrige Kosten.

Die Effizienz der Farbentfernung aus Abwasser der Rübenzuckerindustrie kann durch eine modifizierte Elektrokoagulationszelle auf Eisenbasis erheblich verbessert werden. Die Verwendung von zwei Kathoden (innerer Stab und äußeres flaches Blech) und einer röhrenförmigen Anordnung eng beieinander liegender Schirmanoden ermöglichte eine gleichmäßige Stromverteilung und verringerte den IR-Abfall. Außerdem konnten H2-Blasen effizient an den Schadstoffen haften. Diese Maßnahmen verbessern die Farbentfernung insbesondere bei optimierten Betriebsparametern deutlich. Die optimale NaCl-Elektrolytkonzentration beträgt 12 g/L. Eine Erhöhung der Anzahl der Siebe über zwei verringert die Effizienz des Prozesses, da die Lösungszirkulation behindert wird. Die optimale Drehzahl lag bei 120 U/min. Über diesem Wert findet eine Redispergierung der adsorbierten farbigen Schadstoffe statt. Darüber hinaus verkürzte das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes die für die Entfernung des Schadstoffs erforderliche Zeit und erhöhte somit den Energieverbrauch. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das vorgeschlagene neue Zelldesign und die Magnetfeldunterstützung wirksame Parameter im Hinblick auf die Verringerung der erforderlichen Stromdichte und die Erzielung einer äußerst akzeptablen Farbentfernungseffizienz bei wirtschaftlich empfohlenen Behandlungskosten sind.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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NAMB; Vorbereitung des Originalentwurfs, Betreuung, Methodik und Verfassen des endgültigen Manuskripts MSM; Datenkuration, RessourcenM.MN; ProjektverwaltungO.AF; VisualisierungR.HA; Validierung und formale AnalyseM.MA-A.; Methodik.

Korrespondenz mit Nasser AM Barakat.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Fadali, OA, Ali, RH, Nassar, MM et al. Durch elektromagnetische Felder verstärkte neuartige röhrenförmige Elektrokoagulationszelle zur effektiven und kostengünstigen Farbentfernung aus Abwässern der Rübenzuckerindustrie. Sci Rep 13, 8693 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35182-9

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Eingegangen: 07. Februar 2023

Angenommen: 14. Mai 2023

Veröffentlicht: 29. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35182-9

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