حذف فتوكاتاليستي اتيلن دي‌كلرايد توسط نانوكامپوزيت پلي آنيلين-دي اكسيد تيتانيم تثبيت شده بر سطح گلوله‌هاي شيشه‌اي: بهينه‌سازي به روش سطح پاسخ-طراحي مركب مركزي

Photocatalytic Removal of Ethylene Dichloride Using PAni-TiO2 Nanocomposites Supported on Glass Beads: Process Optimization by RSM-CCD Approach

اتيلن دي‌كلرايد يكي از مهم‌ترين هيدروكربن‌هاي كلرينه در پساب صنايع پتروشيمي است كه عمدتاً براي توليد مونومر وينيل كلرايد كه پيش ماده اصلي توليد پي‌وي‌سي است، استفاده مي‌شود. ايران يكي از بزرگ‌ترين توليدكنندگان پي‌وي‌سي در جهان است. در فرايند توليد 1000 كيلوگرم اتيلن دي‌كلرايد، در حدود 4/0 مترمكعب پساب توليد مي‌شود كه حاوي 50 تا 200 ميلي‌گرم در ليتر اتيلن دي‌كلرايد است. در اين پژوهش، روش تجزيه فتوكاتاليستي براي حذف اين هيدروكربن كلرينه مورد استفاده قرار گرفت. نانوكامپوزيت PAni-TiO2 به روش لايه‌نشاني غوطه‌وري بر سطح گلوله‌هاي شيشه‌اي تثبيت شد. خصوصيات مورفولوژي نانوكامپوزيت PAni-TiO2 با استفاده از تحليل‌هاي ميكروسكوپ الكتروني روبشي، طيف سنجي پراش انرژي پرتو ايكس و طيف سنجي مرئي- فرابنفش مورد تأييد قرار گرفت. يك راكتور فتوكاتاليستي بستر ثابت در مقياس نيمه صنعتي براي آزمايش‌هاي فوتوكاتاليستي مورد استفاده قرار گرفت. روش سطح پاسخ بر اساس طراحي مركب مركزي براي ارزيابي و بهينه‌سازي پارامترهاي غلظت اوليه اتيلن دي‌كلرايد، زمان ماند، pH و ضخامت پوشش به‌عنوان پارامترهاي مستقل و حذف فتوكاتاليستي اتيلن دي‌كلرايد به‌عنوان پاسخ، در نظر گرفته شد. بر اساس نتايج به‌دست آمده، داده‌هاي واقعي و مقادير پيش‌بيني شده توسط روش سطح پاسخ با ضريب رگرسيون 0/9870 و ضريب رگرسيون اصلاح شده 0/9718 و ضريب رگرسيون پيش‌بيني شده 0/9422 همبستگي داشتند. مطابق نتايج، در شرايط بهينه غلظت اوليه اتيلن دي‌كلرايد 250 ميلي‌گرم در ليتر, زمان ماند 240 دقيقه, pH برابر 5 و ضخامت پوشش 0/5 ميلي‌گرم بر سانتي‌متر مربع، درصد تجزيه فتوكاتاليستي اتيلن دي‌كلرايد 88/84 بود. سينتيك تجزيه فتوكاتاليستي در شرايط بهينه از مدل مرتبه اول لانگمير-هينشلوود با ثابت سرعت مرتبه اول (K) برابر 0/0095 و ضريب رگرسيون برابر 0/9455 پيروي مي‌كرد. حذف كامل فتوكاتاليستي اتيلن دي‌كلرايد پس از 360 دقيقه به‌دست آمد. از نتايج به‌دست آمده در اين پژوهش مي‌توان نتيجه گرفت راكتور طراحي و ساخته شده، احتمالاً قابليت صنعتي شدن را دارد.

Ethylene dichloride is one of the most important chlorinated hydrocarbons in the petrochemical industry, which is mainly used to produce vinyl chloride monomer, the main precurser of PVC production. Iran is one of the largest PVC producers in the world. During the production of 1000 kg of ethylene dichloride, about 0.4 m3 wastewater is produced containing 50-200 mg/L of ethylene dichloride. In this study, heterogeneous photocatalysis was used for degradation of this chlorinated hydrocarbon. PAni-TiO2 nanocomposite was immobilized on glass beads by a modified dip coating and heat attachment method. The morphology characteristics were confirmed by scanning electron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy and ultraviolet–visible spectroscopy. A pilot scale packed bed recirculating batch photocatalytic reactor was used for conducting photocatalytic experiments. Response surface methodology based on central composite design was used to evaluate and optimize the effect of ethylene dichloride concentration, residence time, pH and coating mass as independent variables on the photocatalytic degradation of ethylene dichloride as the response function. Based on the results, actual and RSM predicted results were well fitted with R2 of 0.9870, adjusted R2 of 0.9718 and predicted R2 of 0.9422. Optimum conditions were the ethylene dichloride concentration of 250 mg/L, reaction time of 240 min, pH of 5 and immobilized mass of 0.5 mg/cm2, which resulted in 88.84% photocatalytic degradation. Kinetic of the photocatalytic degradation at optimal condition followed the Langmuir-Hinshelwood first order reaction with k=0.0095 min-1 with R2=0.9455. Complete photocatalytic degradation of ethylene dichloride was achieved after 360 min. Based on the results, it may be argued that the designed and constructed photocatalytic reactor has the potential for industrialization.