مدلسازي و بهينه سازي حذف كدورت از آب با استفاده از گرافن اكسايد به عنوان ماده منعقدكننده

كارشناسي ارشد

فرآيند انعقاد و لخته سازي يكي از مهم‌ترين مراحل توليد آب آشاميدني است كه طي آن ذرات كلوئيدي كه عامل اصلي كدورت آب هستند، حذف مي شوند. به‌تازگي نانومواد با پايه كربني به علت سطح تاثير و سايت هاي فعال بيشتر، به‌عنوان جايگزين مواد شيميايي متداول در تصفيه آب مورد توجه قرار گرفته اند. يكي از اين مواد گرافن اكسايد (GO) مي باشد كه به دليل دارا بودن خواص سطحي منحصر به فرد، تحقيقات زيادي بر روي قابليت آن در جذب آلاينده ها از محيط آبي انجام شده است. از آنجايي كه در پژوهش هاي پيشين، مطالعات بسيار كمي در زمينه خواص انعقادي گرافن اكسايد صورت گرفته، لذا هدف اصلي اين پژوهش، بررسي خواص انعقادي گرافن اكسايد در حذف كدورت از آب به همراه بهينه سازي و مدل سازي فرآيند مي باشد. به اين منظور در گام نخست، تاثير pH، دوز گرافن اكسايد، كدورت اوليه و نيز زمان هاي اختلاط و ته نشيني بر حذف كدورت از نمونه هاي كدورت مصنوعي ساخته شده با خاك باغچه و آب شير، با استفاده از آزمون جار بررسي گرديد. طبق نتايج به‌دست ‌آمده، بازدهي حذف كدورت با افزايش دوز گرافن اكسايد در محدوده mg/L 2/5 تا mg/L 40 و نيز در pHهاي اسيدي (7 و كمتر از آن) افزايش يافت اما اثر كدورت اوليه بر راندمان حذف، تحت تاثير عوامل موثر ديگر همچون pH و دوز گرافن اكسايد بود. همچنين افزايش زمان هاي اختلاط تند و كند تاثير چنداني بر راندمان حذف نداشت. به‌علاوه، حذف عمده فلاك هاي تشكيل شده، در دقايق اوليه زمان ته نشيني رخ داده است. در گام دوم، توانايي منعقدكنندگي گرافن اكسايد و نحوه اثرگذاري پارامترهاي ورودي با استفاده از روش رويه پاسخ (RSM) و در نرم افزارDesign Expert ، مورد بررسي قرار گرفت. طبق نتايج، گرافن اكسايد در حذف كدورت نمونه با كدورت اوليه NTU 162/5 و pH برابر با 3، در دوز mg/L 16/25 از گرافن اكسايد بهترين عملكرد (بيش از 97% حذف كدورت) را دارا بود. طبق نتايج روش رويه پاسخ، دو پارامتر pH و دوز منعقدكننده به ترتيب موثرترين پارامترهاي تاثيرگذار بر راندمان حذف كدورت توسط گرافن اكسايد بودند كه اين نتيجه با نتايج آزمايشهاي مقدماتي همخواني داشت. علاوه بر نتايج آزمايش هاي جار، تصاوير ميكروسكوپ نوري، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و نيز آناليز دانه بندي بيانگر تناسب تشكيل لخته ها و انجام فرآيند انعقاد بود. همچنين با توجه به نتايج به‌دست ‌آمده از آناليز پتانسيل زتا، مكانيزم اصلي انعقاد توسط گرافن اكسايد از نوع جاروبي تشخيص داده شد. در ادامه مطالعات، كليه نمونه هاي برداشت شده در آزمايشگاه به‌منظور توسعه مدل هاي داده كاوي (تكنيك هاي شبكه عصبي مصنوعي (ANN)، رگرسيون بردار پشتيبان (SVR) و سيستم استنتاج فازي- عصبي تطبيقي (ANFIS)) تخمين حذف كدورت با استفاده از گرافن اكسايد، مورد استفاده قرار گرفت. براي تخمين پاسخ سيستم به اثرات دوز گرافن اكسايد، pH و كدورت اوليه، مدل هاي داده كاوي با تكنيك هاي مذكور توسعه داده شد و عملكرد آنها با يكديگر بر اساس شاخصه هاي آماري مورد مقايسه قرار گرفت. بر اساس نتايج حاصل، شبكه عصبي مصنوعي با دقت بسيار مناسب تري (0/9492=R2) نسبت به ساير تكنيك هاي داده كاوي مورد استفاده، به تخمين درصد حذف كدورت نائل گرديد. اگرچه سيستم استنتاج فازي- عصبي تطبيقي دقت پايين تري نسبت به مدل شبكه عصبي مصنوعي داشت اما ترسيم درست تري از دنياي واقعيت به دليل لحاظ نمودن عدم قطعيت ها ارائه مي نمايد. علاوه بر اين با استفاده از شاخصه اطلاعات متقابل جزئي (PMI)، pH، دوز گرافن اكسايد و كدورت به ترتيب داراي بيشترين اثر بر كارايي حذف كدورت از آب با استفاده از گرافن اكسايد تشخيص داده شدند. اين نتيجه مؤيد نتايج تحليل هاي ارائه شده توسط روش رويه پاسخ و نيز نتايج آزمايش هاي مقدماتي بود.

193874

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر محبوبه رباني

محيط‌ زيست

دكتر مريم حسني زنوزي - دكتر مطهره سعادت پور