電磁場

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8693 (2023) この記事を引用

171 アクセス

6 オルトメトリック

メトリクスの詳細

改良された電気凝固プロセスによる実際のビート製糖工場の廃液の処理が提案されています。管状スクリーンロール陽極と 2 つの陰極 (内側陰極と外側陰極) からなる電磁場増強型電気化学セルの革新的な設計が使用されています。電流密度、流出物濃度、NaCl 濃度、rpm、アノードあたりのスクリーン層の数、電磁場の追加と方向の影響など、さまざまなパラメーターが調査されています。結果は、電流密度 3.13 A/m2、陽極あたり 2 つのスクリーン、NaCl 濃度 12 g/l、回転速度 120 rpm という最適条件下で、色除去率は 85.5%、電気エネルギーが高いことを示しました。消費量は 3.595 kWh/m3 でした。ただし、電磁場の存在により、エネルギー消費と色の除去率が明らかに増加しました。数値的には、磁場を適用することにより、2.569 KWh/m3 の消費電力を使用して 97.7% の脱色効率が達成され、これは産業廃水処理プロセスにおける顕著な成果と考えられます。低消費電力による色除去の強力な強化により、必要な処理コストが大幅に削減されました。推定治療費は 0.00017 ドル/h.m2 でした。この設計は、甜菜糖の産業排水の連続処理に有望であり、現在利用可能な技術の競合相手であることが証明されています。

製糖産業は、重度に汚染された廃水を大量に生成する、最も水を大量に消費するプロセスの 1 つです。現代の甜菜糖産業では、ほぼ閉回路で操業することにより、甜菜糖 1 トンあたり約 1.53 の水が消費され、約 0.5 m3 が排出されます1。排出された廃水は、高い有機負荷と濃い色が特徴です。ビート廃水中の典型的な BOD5 レベルは 4000 ～ 7000 mg/L の範囲ですが、COD は 8000 ～ 10,000 mg/L に達することがあります2,3。ビート産業からの廃水には、有機物と色素に加えて、作物の害虫、殺虫剤、病原菌が含まれています。流出液の色は淡黄色から茶色の間です4,5。着色料は可溶性化合物であり、製糖業界において最も危険な環境汚染物質の 1 つです。着色された化合物は、異なる分子量、構造、特性を持つポリマーです。これらの化合物は、糖の分解によりその過程で形成されます。 Coca et al6 は、これらの廃水の色は主に 2 つのグループ、メラノイジンとカラメルによって生成されると報告しました。メラノイドの組成は反応条件によって異なります。主に温度、加熱時間、pH、反応物の性質6,7。 Pant, D. および A. Adholeya7 は、次のメラノイジンの実験式を示唆しました: C17–18 H26–29 O10 N。また、Davis8 によれば、キャラメルはビート糖 (スクロース) の制御された熱分解によって形成されます。これらは、甜菜糖シロップを高温、pH 3 ～ 9 で加熱することによって形成されます。スクロースのカラメル化により、3 つの主要な製品グループが茶色の原因となります。 1 つの脱水生成物、カラメラン (C12H18O9)、および 2 つのポリマー (カラメレン (C36H50O25) およびカラメリン (C125H188O80))。

全体として、高度な産業廃水処理プロセスには、吸着、光分解、電気化学的酸化、フェントン酸化、イオン交換、生物学的分離および膜分離が含まれる場合があります9。電気化学的酸化、電気化学的凝固、電気化学的浮選などの電気化学的手法は、製糖工場の廃液 13、14、15、16、17 を含む、重度に汚染された着色有機廃液 10、11、12 の処理に広く使用されています。従来の凝固法とは異なり、電気凝固法（EC）は局所的に凝固剤を生成するメリットがあります。アルミニウムと鉄は、EC プロセスの陽極材料としてのみ使用されます。

特に製糖工場排水では電気化学凝固法が効率が高いことから最も注目されている。例えば、製糖工場廃水では初期 COD 含有量 6000 mg/l18 から COD 削減値の約 60 ～ 70% が報告されています。しかし、治療費は依然として高く、幅広い用途が制限されています2、19、20、21。これに関して、コストを削減し、高い除去効率を維持するために、いくつかの試みが提案されている。たとえば、一部の研究者は細胞構成要素の設計に焦点を当てています 19,22。また、廃水の流れのモード 23 や EC と他の処理プロセスとの統合に焦点を当てた研究者もいます 24,25。ただし、この効果的な治療プロセスを経済的に推奨される方法論にするためには、さらなる努力が必要です。

鉄と比較して、アルミニウム陽極には欠点があり、工業規模での幅広い用途が制限されます。例えば、不動態層の形成には、比較的多量の塩素イオン（例えば、ＮａＣｌ）２６の添加が必要である。工業排水中の最大塩化物濃度を 252 mg/L27 と定義する標準規格に従って、飲料水処理中の導電率の増加 (特に NaCl 添加による) は非常に制限されています。さらに、アルミニウムと比較して、鉄には 2 つの重要な利点があります。第一に、これは毒性がないため、モロッコの基準がアルミニウムと同様に官能的および美的理由から200 ppbであるとしても、飲料水の製造に使用できます。 2 つ目は、鉄のキログラムあたりのコストがアルミニウムよりも安いことです (Al のコストが 1.5 ～ 3 ドル/kg であるのに対し、Fe のコストは 0.5 ～ 0.8 ドル/kg です)。しかし、EC で Fe アノードを利用する主な欠点は、Al に比べて Fe の緩衝効果が弱いことと、Fe2+ イオンの溶解度が高いことです。通常、アルミニウムのルイス酸性は、陰極での OH- 陰イオンの生成を平衡させ、緩衝効果を引き起こし、最終 pH が 7 ～ 828 になります。一方、鉄について報告されている緩衝効果はアルミニウムよりも弱いです。 Fe 電極では、初期 pH が酸性であっても、通常達成される最終 pH は 9 または 10 です 29,30。溶解度の高い Fe2+ は、Fe(OH)3 による効率的なコロイドの不安定化の形成に悪影響を及ぼし、EC 性能の低下を引き起こします 31。実際には、工業廃水の処理においてこの豊富で安価な金属を適切に利用するために、Fe-EC 処理プロセスの性能を向上させるさまざまな試験が進行中です。

この点に関して、Fe-EC プロセスの性能を向上させるために、水に曝気して溶存酸素濃度と Fe2+ 酸化を増加させる、pH を 7.5 以上に上げて Fe2+ 酸化速度を向上させる、交互反応を導入するなどのいくつかの戦略が導入されています。完全な Fe2+ 酸化を達成するには、そのような酸化剤を使用し、滞留時間を長くします 29,32,33。さらに、EC セルの形状と電極の設計は治療性能に大きく影響します 34,35。

磁気流体力学 (MHD) は、磁場と電気伝導流体システムを組み込んだ分野です 36。この場の主な点は、磁場の印加によっても導電性流体を誘導できることです。磁場の存在下では、ローレンツ力、常磁性イオンの存在による常磁性力、磁気勾配力などの追加の力が生成されます。これらの力は、電解質溶液内のイオンの任意の動きを変えることに寄与します。コーイとハインズは、電磁場 (EMF) だけでは、電気化学反応で作用する他の力 (拡散や移動など) よりもはるかに小さいと主張しましたが、EMF によって課せられるローレンツ力の影響を無視すべきではないと結論付けました。それが電解質中の別の確信的な動きと組み合わされた場合37。化学反応における EMF の利用は集中的に研究されています 38、39、40。主な調査は、プラズマ反応とパイプを通る流体の流れに向けられました。

この研究では、EC プロセスによる実際のビート糖流出液の処理に対するセルの幾何学的パラメーターと EMF の添加の影響を調査します。この研究は、管状スクリーンアレイアノードと 2 つのカソード (内側と外側のカソード) で構成される新しい電気化学セルを使用することを目的としています。研究されたパラメータは、電流密度、電解質濃度、NaCl濃度、電解質の撹拌、電極対の数、および電磁場の印加である。この研究の新規性は、電気化学セルの設計と、色除去時間を短縮するための EMF の利用にあります。私たちの結果は、少ない消費電力で高い色除去効率と、必要なコストが高く評価されることを示しました。

本研究で使用されるセルは、アノードとして密に配置されたスチールスクリーンの管状アレイと 2 つのカソードで構成されています。これら 2 つのカソードは、内側のスチールロッドと、スクリーンアノードを取り囲む外側の円筒形シートです。電極は、直径0.09 m、高さ0.125 mのガラス容器内に配置されました。 32メッシュの低炭素鋼織線が陽極として使用されています。高さは0.04メートル、平均直径は0.038メートルです。外側カソードの高さは 0.05 m です。内部陰極ロッドの高さは 0.05 m、直径は 0.019 m です。電極間の内部ギャップは０．０１μｍに維持した。すべての電極は、アブクルカス製糖工場 (エジプト、ミニア県アブクルカス市) からの実際の廃水に浸されています。カソードとアノードは銅線で 16 V DC 電源 (ADAK-PS 808) に接続されました。図1に示すように、電流計と電圧計を使用して電流と電池電位を測定しました。アノードおよびカソード付近のイオンの拡散抵抗を克服するために、マグネチックスターラーを使用して廃水溶液を回転させた。別の一連の実験では、電気化学セルの下に電磁ソレノイドが挿入されました。ソレノイドは、直径 0.13 m、高さ 0.001 m、比透磁率 k = 100 の鉄心で構成されています。図に示すように、コアの周囲に 18 AWG ゲージのエナメル銅線が N = 800 回巻かれています。 1. 磁場は DC 電源に接続され、強度は次のように計算されました。

ここで、μ は透磁率 (μ = μo × k)、i は電流、n は巻線密度 (n = N/L、N は巻数、L はソレノイドの長さ) です。

電気化学セル、電極、サンプル、電磁場の実験セットアップ。

廃水（０．２５Ｌ）をセルに投入する前に、エジプトのＡｌＳａｆａ社によって供給されるＮａＣｌ溶液を指定濃度（６〜３０ｇ／Ｌ）で添加することによって導電率を調整した。サンプル (0.003 L) をさまざまな時間間隔で取り出し、遠心分離し、UV 分光光度計 (島津モデル、UV 1601) を使用して波長 274 nm で色除去測定を分析しました。研究された変数は、流出物濃度、NaCl 濃度、電流密度 (CD)、撹拌速度、アノードスクリーンの数 (1 ～ 3 スクリーン)、および EMF の影響です。大きさと方向。使用済み廃水の代表的な特性を表 1 に示します。

砂糖排水 1 m3 の処理にかかるエネルギー消費量は、電圧と電流の読み取り値および処理時間から次の式 41 に従って計算されました。

ここで、E はエネルギー消費量 (kWh/m3)、V は電気凝固セルの電圧 (ボルト)、I は電流強度 (A)、\(\mathcal{V}\) は m3 単位の処理体積、t は治療時間(h)。 EMFと組み合わせたECを使用して砂糖流出物から有機汚染物質を除去するために消費されるエネルギーは、式1を使用して計算されました。 (3)。

図 2 は、さまざまな電流密度 (CD) での、使用された廃水からの色の除去率と時間の関係を示しています。電気分解中、陽極電解により凝集種が放出されます。色の除去は、アノードによって生成される金属イオンの濃度に直接依存します。反応時間を長くすると、アノード表面から放出される金属イオンの濃度が増加します。その結果、電解液中でより多くの水酸化鉄が形成され、フロックの生成と蓄積が促進されます。図 2 からは、処理時間を長くすると色除去率が CD 3.13 A/m2 で最大 85.5% まで増加することもわかります。さらに、CD を 0.374 から 3.13 A/m2 に増加させると、色除去効率が 70 % から 85.5% に増加します。アノードで生成される Fe3+ イオンは、ファラデーの法則の式 (1) に従って電流密度を増加させることによって増加します。 (4)42．

ここで、m は送出されたイオンの質量 (g)、Q は通過した総電荷 (C)、Mwt は鉄の原子質量、F はファラデー定数 (96,485 C /mol)、Z は鉄の価数です。。したがって、電流密度が高くなると、大量の鉄イオンが瞬時に生成され、これがヒドロキシルイオンと反応して局所的な凝固部位を形成し、フロックの形成が開始され、フロックの形成がより多くの色材を吸着し、色の除去効率が促進されると予想されます43。。

以下の一定条件下での色除去率に対する CD の変更の影響: ([NaCl] = 12 g/L、アノードスクリーンの数 = 1、電解質濃度 = 原廃水の 100%、rpm = 0、およびB = 0 テスラ)。

EC プロセス中、生成された Fe(OH)2 分子は、表面錯体形成または静電引力によって有機物を引き付けます。これにより、有機分子が凝集する44。このようなプロセスのメカニズムは、外部電流を印加することによって鉄イオンが生成される陽極サイトから始まります。次に、鉄カチオンはアノードの表面から電気二重層と拡散層の両方を通って電解質の大部分に拡散します。その後、水酸化鉄は前述のメカニズムにより有機汚染物質と結合して 1 つのフロックを形成します。フロックはより高密度のクラスターを形成する傾向があります。陰極では水素ガスが発生し、生成したフロックに水素の泡が付着して表面に引きずられます。

また、アニオン性色素分子は、電気泳動によって陽極領域に移動し、そこで中和され、水酸化鉄に付着し、陽極近傍で電気凝固するものと考えられる。セルの反対側では、電流密度を増加させることによって水素ガスの泡の生成が増加し、その結果、大気中に放出される前に電解質を通過するガスの泡の数が増加します。また、CD が増加するにつれて、カソードで発生する余分な H2 気泡により、上昇する H2 気泡によって取り込まれる溶液の量が増加します。取り込まれた溶液は電極間ギャップをかき混ぜ、鉄イオンと汚染物質の混合を促進します。

EC 性能に及ぼす使用済み流入水の希釈の影響は、純水との混合を通じて受け取った廃水からさまざまな濃度を調製することによって調査されました。さまざまな濃度が用意されています。 C1 は希釈なしの流出液 (100% 濃度) であり、C2、C3、および C4 はそれぞれ 80、40、20% の希釈率を表します。図 3 は、異なる初期濃度における時間の経過に伴う色除去率の関係を示しています。同じ一連の条件下で製糖工場の廃液を 100% から 20% に希釈することにより、色の除去率が 53% から 80% に増加したことは明らかです。これは次のように説明できます。 (1) 一定の電流密度では、生成される Fe(OH)3 フロックの量は、低濃度の廃液中のすべての色材を吸着するのに十分であり、その結果、高い色の除去率が得られますが、高濃度の廃液では、濃度が高いと、生成する水酸化鉄フロックよりも着色物質の数が多くなります。 (2) 排水濃度が高い場合、着色分子は互いに付着しやすく、拡散速度が遅い大きな凝集体を形成する傾向があります。これにより、水酸化鉄フロックへの色材の吸着速度が遅くなり、色の除去率が低下します。 (3) バルク溶液中の流出物濃度が高いと、アノード表面に吸着される色の分子の量が増加してアノードが不動態化される可能性があります45。

以下の一定条件下での脱色率に対する流出液濃度の変更 (希釈による) の影響: ([NaCl] = 12 g/l、CD = 3.13 A/m2、アノードスクリーンの数 = 1、rpm = 0、 B = 0 テスラ)。

図 4 は、色除去率 (6 ～ 30 g/l) に対する電解質濃度の影響を示しています。示されているように、色の除去のパーセンテージは、約 12% NaCl で最大値に達するまで塩濃度の増加とともに増加し、その後、NaCl がさらに増加すると減少します。この強化スキームは次のように説明できます。最初は、NaCl の増加に伴って除去される色のパーセンテージが増加するのは、塩化物イオン (NaCl のイオン化) が鉄アノード上に形成された不動態酸化鉄皮膜を破壊する能力に起因している可能性があります。電解。したがって、Fe2+ および Fe3+ イオンの形成を維持することにより、溶液中で形成されるイオンの量が増加し、色の除去効率が向上します 46,47。むしろ、12 g NaCl/l を超えると色の除去が減少するのは、負に帯電した着色分子よりも塩素イオンがアノード表面に移動するという競合効果に起因する可能性があります。また、NaCl 分子の塩析による溶存酸素の溶解度の低下により、Fe(OH)3 フロックの量が減少し、発色体を吸着できるサイトの数が減少したことも原因である可能性があります。

以下の一定条件下での色除去率に対する支持電解質の濃度の影響: (CD = 2.36 A/m2、陽極スクリーンの数 = 1、電解質濃度 = 未処理廃水の 100%、rpm = 0、およびB = 0 テスラ)。

図 5 は、廃水の色除去に対する回転撹拌速度の影響を示しています。色除去率は、120 rpm までは回転速度の増加とともに増加し、その後 rpm がさらに増加すると減少します。これは、2 つの領域が存在することに起因すると考えられます。1 つは 0 ～ 120 rpm の領域、もう 1 つはより高速な領域です。穏やかに撹拌すると、発色体と加水分解された Fe3+ の混合効率が向上し、その結果、色の除去率が増加します。また、穏やかに撹拌すると H2 気泡が溶液中に均一に分布し、その結果フロックの浮遊能力が高まります。一方、120 rpm を超える速度で激しく撹拌すると、凝固した色分子が溶液中に分散し、その結果、水酸化鉄への色の付着率が減少します。この発見は、Khaled, B. らによって行われた以前の研究と一致しています。およびカラフ、A.ら。 48、49。

左: 以下の一定条件下での色除去率に対する回転速度 (rpm) の影響: (CD = 3.13 A/m2、陽極スクリーンの数 = 1、電解質濃度 = 未処理廃水の 100%、および B = 0) Tesla)、右: 4 ～ 30 分後の色除去率に対する rpm の影響。

追加の陽極スクリーンにより、電解質内での鉄イオンの形成が促進されます。図 6 は、さまざまな数のスクリーン陽極を使用した場合の色除去率を示しています。結果は、単一陽極および三重陽極と比較して、二重スクリーン陽極を使用した場合の色の除去のパーセンテージが高いことを示しました。色除去率の向上は、多孔質スクリーン陽極により、上昇する H2 気泡に同伴された溶液の自由循環が可能になり、その結果、陽極で溶解した Fe3+ イオンと着色汚染物質との混合効率が向上するという事実に起因すると考えられます。強調の程度は、脱色時間に基づいて異なる範囲を持っていました。 2 番目のスクリーンを追加すると、電流密度が減少しても、より多くの開口部が存在し、乱流促進剤として機能するため、電流密度の減少を克服するより多くの乱流が生成されます。これにより、反応セル内でより効率的な流体力学が実現します。しかし、3 番目のスクリーンの追加により、生成された乱流は (2 番目のスクリーンからの) 既存の乱流と干渉し、電流密度の減少の効果に加えて、乱流促進剤としての効果が弱まり、流量の減少につながります。システムの効率。

左: 以下の一定条件下で、さまざまな数のスクリーンを使用した場合の色除去率に対する時間の影響: ([NaCl] = 12 g/L、CD = 3.13 A/m2、電解質濃度 = 未処理廃水の 100%、rpm = 0) 、B = 0 テスラ)。右: 色除去率に対するアレイ陽極あたりのスクリーン数の影響 (ゼロは円筒形シート陽極)。

何年も前から、磁場（MF）が水の物理化学的特性を変える可能性があることがいくつかの論文で文書化されてきました50。たとえば、Han ら 51 が 2 つの強力な磁石の存在下で水の光学特性を研究したとき、赤外線の吸収特性が変化していることを発見しました。 Holysz らによると、磁場は導電性を改善し、水の表面張力を低下させることができます 52。Wang らは摩擦研究を使用して、次のように述べています。液体の水に対する静磁場の影響を調査しました。その結果、磁場の存在下では摩擦係数が低くなることが示されました 53。Cai らは、水の水素結合に対する磁場の影響に関する研究で、 54 人は、分子動力学モデリング、実験データ、理論モデルを使用して磁化のメカニズムを調べました。結果は、磁場が水素結合に明確な影響を与えることを示しました。磁場が 0 ～ 900 mT まで変化すると、Liu らは次のように述べています。 55 は、磁場がパルプと紙の流出物中の有機物質の分解を加速する可能性があると報告しました。廃水の pH 値は最初は最高点まで上昇しましたが、その後低下しました。そこで本研究では、磁場の印加が色除去効率に及ぼす影響を調査した。

図 7A は、EC セルの下に EMF を加えた場合の汚染物質除去速度への影響を示しています。また、図７Ｂは、同じ挙動を示すが、ＥＭＦが電極の横に配置されている。両方の図から、EMF の追加により色の除去パーセンテージと速度が向上したことが明らかです。さらに、磁場の強度を高めると、色の除去が促進されます。 B = 3.02 テスラを使用すると、EMF を使用しない実験では 30 分かかった除去率と比較して、20 分で除去率が 80% 以上に達しました。また、EC セルの下 (垂直) の EMF の位置が、EC セルの横 (平行) の位置よりも色除去の効果が向上していることも注目に値します。 EMF を追加すると、電場の効果による常磁性イオンの誘導運動と、電解質中の EMF によって課せられる追加の力により、EC 反応が強化されました。チェンら。図５６は、電極端におけるＭＨＤ力の値が電極材料の磁気特性に依存することを示した。電極表面における MHD 力の考えられる作用の 1 つは、カソードからの水素気泡とアノードからの鉄イオンの放出を促進することです。鉄電極の磁化率が高いため、EMF によって生成される常磁性特性により水素気泡の移動が促進され、水素気泡が陰極から急速に分離されます。

(A) 電極に垂直な EMF、(B) 電極に平行な EMF。実験は、[NaCl] = 12 g/L、CD = 3.13 A/m2、電解質濃度 = 未処理廃水の 100%、rpm = 0、および 2 つのスクリーン陽極で行われました。

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-d65987614e1431">57. FEMM ソフトウェアでは、シミュレーションセットアップフレームは通常、E、B、および J で表されるマクスウェル方程式を使用します。したがって、方程式は次のようになります。

図 8a は、シミュレートされた 2D 磁場プロファイルの側面図を示しています。電磁石の磁場強度の等高線は、磁束がソレノイドから出て 2 つの経路を通過することを示しました。i- 常磁性イオンの存在による電解質。 ii-スチールロッド、スチールメッシュ、およびスチールシリンダー（電極）。電解液の影響は主に外側のカソードとアノードメッシュの間で現れ、内側のカソードとアノードメッシュの間では徐々に減少します。また、磁場の方向は下向きであるため、通常、生成されたフロックの沈降が促進されます。一方、電極は強磁性であるため、磁束も電極を通過します。これにより、アノードを通って上向きに、またはカソードを通って下向きに電子の移動が強化されます。電解液中の常磁性イオンの移動は、電界と電磁界の両方によりらせん浴内で行われるため、より多くの鉄イオンが生成され、陰極領域でより多くの反応が発生します。また、計算された磁束は 3.02 テスラであるのに対し、溶液内の磁束は 0.01 テスラであるため、磁束の 0.5% のみが電気化学セル内の電解質に向けられていることも注目に値します (図 8b を参照)。測定された磁束とシミュレーションされた磁束の間には不一致があります。これは、シミュレーション用に指定された磁気特性と実際の材料の磁気特性の違いによるものです。さらに、シミュレーション中、常磁性鉄イオンを含む電解質の適切な磁気特性は完全には指定されていません。そのため、シミュレーションは予備的な視覚化のために行われ、電場と磁場の両方の下での常磁性鉄イオンの動的挙動を正確に指定するには、より多くの計算が必要です。

(a) 電気化学セル内部の電磁場プロファイルの側面図。シミュレーション手順は、電気化学セルの電位を追加せずに実行されました。カラースケールは、0.0 ～ 0.027 T の磁場を表します。(b) 電磁場の強度と位置による強度の変動を示す直線等高線 (赤い矢印で表示) の関係。

式を使用したエネルギー消費の計算 (2 および 3) 最適条件 (CD = 3.13 A/m2、NaCl 濃度 = 12 g/L、陽極あたり 2 つのスクリーン) では、処理済み廃水の量が 3.595 kWh/m3 であることがわかりました。 Sahu, O.らによる研究との比較。実際の砂糖缶排水の脱色に関する研究結果 14 では、エネルギー消費量の最大値が 32.1 kWh/m3 であり、現在の作業 (3.595 kWh/m3) と比較して非常に高いことが示されました。 2 つのエネルギー消費値間のこの不一致は、Sahu, O. et al. が使用した 4 対のアルミニウム電極からなる電気化学反応器と比較して、本研究で使用した新しく提案された電気化学セルの効率が高いことに起因すると考えられます。パラレルモノポーラモード。図 9 に示すように、EMF を追加することでエネルギー消費がさらに改善される (3.595 から 2.569 kWh/m3) ことを指摘することも興味深いです。 EMF を使用しない実験と比較した EMF。エジプトの電気料金が 0.075 ドル/kWh の場合、エネルギーコストは 0.193 ドル/m3 になります。表 2 は、提案されたセルをさまざまな条件で使用した場合の最適な色除去結果と、それに対応する必要な電力をまとめたものです。

EMF を使用しない実験と比較した、EMF の 2 つの位置におけるエネルギー消費量 (kWh/m3 単位) と色の除去率 (%)。

提案された処理戦略を適切に評価するために、表 3 に、さまざまな電極を使用した電気化学技術を使用した製糖工場廃水の処理における消費電流密度を示します。あらゆる産業で処理プロセスを選択する際の主な考慮事項は、その経済的存続可能性です。したがって、表 3 には、既存の処理プロセスの費用対効果の分析も含まれています。国際ウェブサイト (2023 年 4 月 22 日のアリババウェブサイト、Fe、Cu、Al はそれぞれ 0.5 ドル、13 ドル、2 ドル/kg) に基づいて、使用済み金属板のコストも表 3 に概算しました。電極の重量 (kg/h.m2) はファラデーの式 (式 4) から計算されました。表に示すように、提案されたセルで必要な電流密度とそれに対応するコストは、報告されている他の方法と比較して非常に小さいです。全体として、この研究で提案された治療戦略は、強く推奨される治療プロセスで必要な 2 つの主なパラメータ、つまり高効率と低コストの間に集まります。

甜菜糖工業廃水の色除去効率は、改良設計の鉄ベースの電気凝固セルによって大幅に改善できます。 2 つのカソード (内側のロッドと外側のフラットシート) と、密に配置されたスクリーンアノードの管状アレイを使用することで、電流分布の均一性が可能になり、IR 降下が減少しました。また、H2 バブルが効率的に汚染物質に付着することも可能になりました。これらのアクションは、特に動作パラメータが最適化されている場合に、色の除去を明らかに改善します。最適な NaCl 電解質濃度は 12 g/L です。スクリーンの数が 2 つを超えると、溶液の循環が妨げられるため、プロセスの効率が低下します。最適な rpm はこの値より 120 回転高く、吸着された有色汚染物質の再分散が起こります。さらに、電磁場の存在により汚染物質の除去に必要な時間が短縮され、エネルギー消費が増加しました。全体として、結果は、提案された新しいセル設計と磁場補助が、必要な電流密度を低減し、経済的に推奨される処理コストで非常に許容可能な色除去効率を実行するという点で効果的なパラメータであることを示しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

オースターマン・ハウン、U.、メイヤー、H.、サイフリード、CF、ローゼンウィンケル、K.-H. 食品・飲料業界における嫌気・好気処理プラントの本格的な経験。水科学テクノロジー。 40、305–312 (1999)。

記事 CAS Google Scholar

Güven, G.、Perendici, A. & Tanyolaç, A. 模擬テンサイ製糖工場廃水の電気化学的処理。化学。工学 J. 151、149–159。 https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.02.008 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

カキモバ、N. 他生体吸着による微細藻類によるテンサイ加工廃水処理。水 https://doi.org/10.3390/w14060860 (2022)。

記事 Google Scholar

クシュワハ、日本製糖産業廃水に関するレビュー: 発生源、処理技術、および再利用。デサリン。ウォータートリート。 53、309–318 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Mudoga, HL、Yucel, H. & Kincal, NS 市販の活性炭とテンサイパルプベースの活性炭を使用した砂糖シロップの脱色。ビオレ。テクノロジー。 99、3528–3533。 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.07.058 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Coca, M.、Garcı́a, MT、González, G.、Peña, M.、Garcı́a, JA テンサイの加工で形成される着色成分の研究。食品化学。 86、421–433 (2004)。

記事 CAS Google Scholar

Pant, D. & Adholeya, A. 蒸留所廃水処理のための生物学的アプローチ: レビュー。ビオレ。テクノロジー。 98、2321–2334 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

Davis, S. in Proc S Afr Sug Technol Ass。 328–336 (シテシーア)。

Zaher, A. & Shehata, N.、IOP カンファレンスシリーズ: 材料科学と工学。 012021（IOP出版）。

Singh, S.、Srivastava、VC & Mall、ID ゼータ電位、TOC、COD、色の測定、および残留物の特性評価による、アルミニウム電極による塩基性グリーン 4 色素の電気化学的処理の機構研究。 RSC アドバンス 3、16426–16439 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Singh, S.、Srivastava、VC & Mall、ID アルミニウム電極を使用した繊維廃水の電気化学的処理の多段階最適化と残留物処理の研究。内部。Ｊ．Ｃｈｅｍ．原子炉工学 11、31–46 (2013)。

記事 Google Scholar

Phalakornkule, C.、Polgumhang, S.、Tongdaung, W.、Karakat, B. & Nuyut, T. 青色反応性染料、赤色分散染料および混合染料の電気凝固、および繊維廃液の処理への応用。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．管理。 91、918–926 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

Chaudhary, R. & Sahu, O. 電気凝固による砂糖廃水の処理。Ｊ．アトモス。汚染。 1、5–7 (2013)。

Google スカラー

Sahu, O.、Gupta, V.、Chaudhari, P.、Srivastava, VC アルミニウム電極を使用した実際の製糖工場廃水の電気化学的処理。内部。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．科学。テクノロジー。 12、3519–3530 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Sahu, O. 製糖工場廃水処理における化学および電気凝固プロセスの適切性。内部。 J. エネルギー水資源。 3、117–125 (2019)。

記事 Google Scholar

Güven, G.、Perendici, A. & Tanyolac, A. 模擬テンサイ製糖工場廃水の電気化学的処理。化学。工学 J. 151、149–159 (2009)。

記事 Google Scholar

Asaithambi, P. & Matheswaran, M. 模擬砂糖産業排水の電気化学的処理: 応答曲面法を使用した最適化とモデリング。アラブ。Ｊ．Ｃｈｅｍ． 9、S981–S987 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Patel, RK、Shankar, R.、Khare, P. & Mondal, P. 連続電気化学プロセスとその後の低コスト吸着床による製糖工業廃水の処理: 性能評価と経済分析。 9月、プリフ。テクノロジー。 271、118874 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Sharma, S. & Simsek, H. 電気化学的手法を使用したテンサイ産業のプロセス廃水処理と、応答曲面手法を使用したパラメータの最適化。 Chemosphere 238、124669 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Azizi, H.、Hakimzadeh, V.、Golestani, HA 電気凝固による生のテンサイジュースの精製。ウクル。 Food J. 5、667 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ラフマニアら。農業ベースの産業廃水に対する電気凝固プロセスの最近の応用: レビュー。サステナビリティ 14、1985 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Gondudey, S. & Chaudhari, PK 電気凝固効率におけるさまざまな電極材料の影響: 製糖産業排水の処理への応用。シュガーテック。 22、15–27 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

アリザデ、R. 他エタノール生産産業の生のビナス廃液を処理するための新しい技術としての循環電気凝固法の開発。アナル。バイオアナル。化学。解像度 10、319–327。 https://doi.org/10.22036/abcr.2023.382431.1879 (2023)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, Y.、Lin, H.、Ding, L. & Hu, B. ビート糖廃水の嫌気性消化中に硫化物を沈殿させるための低電圧電気化学処理。科学。トータル環境。 747、141243 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Gondudey, S. & Chaudhari, PK SBR とそれに続く電気凝固による製糖工場排水の処理。シュガーテック。 22、303–310 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Mansouri, K.、Ibrik, K.、Bensalah, N. & Abdel-Wahab, A. 電気凝固プロセス中の純アルミニウムの陽極溶解: 支持電解質、初期 pH、および電流密度の影響。工業工学化学。解像度 50、13362–13372 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Galal-Gorchev, H. & Ozolins, G. 飲料水の水質に関する WHO ガイドライン。給水 11、1–16 (1993)。

CAS Google スカラー

Harif, T.、Khai, M. & Adin, A. 電気凝固と化学凝固: 凝固/凝集メカニズムとその結果生じる凝集特性。水耐性 46、3177–3188 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Lakshmanan, D.、Clifford, DA & Samanta, G. 鉄電気凝固中の第一鉄および第二鉄イオンの生成。環境。科学。テクノロジー。 43、3853–3859 (2009)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Chafi, M.、Gourich, B.、Essadki, A.、Vial, C. & Fabregat, A. 溶解性の高い酸性染料の除去における、鉄およびアルミニウム電極を使用した電気凝固と化学凝固の比較。淡水化 281、285–292 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Bagga, A.、Chellam, S. & Clifford, DA 地表水精密ろ過のための鉄の化学凝固および電気凝固前処理の評価。 J.メンバー科学。 309、82–93 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Sasson, MB、Calmano, W. & Adin, A. 電気凝集 (電気凝固) セルにおける鉄酸化プロセス。 J.ハザード。メーター。 171、704–709 (2009)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Gendel, Y. & Lahav, O. 低 pH 鉄電気凝固アプリケーションの効率を高める新しいアプローチ。 J.ハザード。メーター。 183、596–601 (2010)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

PK 州ホルト、GW 州バートン、カリフォルニア州ミッチェル局所的な水処理技術としての電気凝固の未来。 Chemosphere 59、355–367 (2005)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Comninellis, C. & Chen, G. 環境のための電気化学 Vol. 2015 (スプリンガー、2010)。

Google Scholar を予約する

Koza, JA、Uhlemann, M.、Gebert, A. & Schultz, L. CoFe 合金の電着における磁場の影響。エレクトロキム。 Acta 53、5344–5353 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

コーイ、JMD 磁性材料。 J.合金。コンプ 326、2–6 (2001)。

記事 CAS Google Scholar

タヘリ、MH チャネルの入口領域の流体の流れに対する磁場の影響: 分析/数値解。 SN Appl. 科学。 1、1233。https://doi.org/10.1007/s42452-019-1244-3 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ファダリ、OA 他。磁場の存在下での銅イオンセメンテーション。化学。工学テクノロジー。 38、441–445。 https://doi.org/10.1002/ceat.201400153 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Huang、HJ、Wang、YH、Chou、Y.-FC、Chiang、H.-P. & ウー、JC-S。マイクロ光流体チップリアクターにおける磁場増強光触媒反応。ナノスケール解像度レット。 14、323。https://doi.org/10.1186/s11671-019-3153-1 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mahmoud, MS、Farah, JY & Farrag, TE 鉄電極を使用した電気凝固によるメチレンブルーの除去の強化。エジプト。 J.ペット。 22、211–216。 https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2012.09.013 (2013)。

記事 Google Scholar

プリカ、M.ら。電気凝固/浮遊選別の研究: 廃湿し水からの重金属の除去。プロセスセーフ。環境。プロット。 94、262–273 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Singh, TSA & Ramesh, ST アルミニウム犠牲電極を使用した電気凝固による水溶液からの CI リアクティブブルー 25 除去の実験的研究: 電気凝固性能に対するパラメーターの影響と速度論。デサリン。ウォータートリート。 52、2634–2642 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Moussa, DT、El-Naas, MH、Nasser, M. & Al-Marri, MJ 水処理のための電気凝固の包括的なレビュー: 可能性と課題。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．管理。 186、24–41。 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.10.032 (2017)。

記事 Google Scholar

El-Shazly, A. & Daous, M. 栄養素の除去に使用される電気凝固ユニットの性能に対する溶液流量の影響に関する調査と反応速度論の研究。内部。Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Sci 8、12509–12518 (2013)。

CAS Google スカラー

Manisankar, P.、Rani, C. & Viswanathan, S. 蒸留所流出物の電気化学的処理におけるハロゲン化物の効果。 Chemosphere 57、961–966 (2004)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Chandra, R.、Bharagava, RN & Rai, V. サトウキビ糖蜜ベースの蒸留所流出液の主要な着色剤としてのメラノイジンとその分解。ビオレ。テクノロジー。 99、4648–4660 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Khaled、B. et al. 合成廃水およびリン酸塩工業廃水からのカドミウムの除去に影響する電気凝固反応器の設計パラメーターの調査。アラブ。Ｊ．Ｃｈｅｍ． 12、1848–1859 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Khalaf, A.、Mubarak, A. & Nosier, S. 垂直および水平の粗いシリンダー陽極を使用した電気凝固による Cr (VI) の除去。内部。Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．科学。 11、1601–1610 (2016)。

CAS Google スカラー

Wang, Y.、Wei, H. & Li, Z. 水の物理的性質に対する磁場の影響。 Physics 8、262–267 (2018) の結果。

記事 ADS Google Scholar

Han, X.、Peng, Y. & Ma, Z. 水および KCl 溶液の光学的特徴に対する磁場の影響。 Optik 127、6371–6376 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Holysz, L.、Szczes, A. & Chibowski, E. 水および電解質溶液に対する静磁場の影響。 J. コロイド界面科学。 316、996–1002 (2007)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, Y. et al. 摩擦実験を使用した、水中の水素結合に対する静磁場の影響。Ｊ．Ｍｏｌ．構造体。 1052、102–104 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Cai, R.、Yang, H.、He, J.、Zhu, W. 水分子の水素結合に対する磁場の影響。Ｊ．Ｍｏｌ．構造体。 938、15–19 (2009)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Liu、B.ら。パルプおよび紙廃水の高度な処理における磁場と鉄ベースの複合体の組み合わせの使用。化学。工学 J. 178、232–238 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

チェン、Y.-J.、リー、Y.-H. & チェン、C.-Y. 電極材料と磁場の水素生成効率への影響を研究しています。磁気化学 https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8050053 (2022)。

記事 Google Scholar

Meeker, D. FEMM ソフトウェアマニュアル、有限要素法磁気ユーザーズマニュアルおよびチュートリアル、 (2004)。

Baltzis、KB 有限要素法磁性体 (FEMM) フリーウェアパッケージ: 電磁気学を教える際の教育ツールとして機能する可能性がありますか? 教育する。情報テクノロジー。 15、19–36。 https://doi.org/10.1007/s10639-008-9082-8 (2010)。

記事 Google Scholar

Sahu, O. & Dhanasekaran, P. 銅電極を使用したサトウキビ加工産業廃水からの汚染物質の電気化学的除去。 J.イラン。化学。社会 18、2101–2113 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Sahu, O. & Chaudhari, P. 製糖工場廃水の電気化学的処理: COD と色の除去。 J.エレクトロアナル。化学。 739、122–129 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Sahu, O.、Mazumdar, B.、Chaudhari, P. 製糖産業廃水の電気化学的処理: 応答曲面法によるプロセスの最適化。内部。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．科学。テクノロジー。 16、1527–1540 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Tiwari, A. & Sahu, O. 金属銅と塩による食品・農業 (砂糖) 産業廃水の処理: バッチモードでの化学酸化と電気酸化の組み合わせ研究。水資源。 Ind. 17、19–25 (2017)。

記事 Google Scholar

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ミニア大学工学部化学工学科、エルミニア、61516、エジプト

オルファット・A・ファダリ、ラシャ・H・アリ、マムドゥ・M・ナサール、モハメド・S・マフムード、マルワ・M・アブデル＝アティ、ナセル・AM・バラカット

工学部、技術応用科学大学、311、スハール、オマーン

モハメド・S・マフムード

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ナンブ; 元の草案の準備、監督、方法論、および最終原稿の執筆 MSM; データキュレーション、リソースM.MN; プロジェクト管理O.AF; 視覚化R.HA; 検証と正式な分析M.MA-A. 方法論。

ナセル AM バラカットへの通信。

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ファダリ、OA、アリ、RH、ナサール、MM 他。電磁場を強化した新しい管状電気凝固セルで、ビート糖産業廃水の効果的かつ低コストの色除去を実現します。 Sci Rep 13、8693 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35182-9

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受信日: 2023 年 2 月 7 日

受理日: 2023 年 5 月 14 日

公開日: 2023 年 5 月 29 日

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