KFUPM ePrints

Electrochemical Oxidation of Phenol in Simulated Petrochemical Wastewaters Using Boron-Doped Diamond Electrodes: Investigation of Effect of NH4+, CN- and S2- Presence

Mu'azu, Nuhu (2010) Electrochemical Oxidation of Phenol in Simulated Petrochemical Wastewaters Using Boron-Doped Diamond Electrodes: Investigation of Effect of NH4+, CN- and S2- Presence. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF
Restricted to Registered users only

4Mb

Arabic Abstract

إن وجود التّركيزات العالية للملوّثات الغير عضويّة في فينول (أحماضِ الكربوليك) مياه الصرف المتدفقة كمخلّفات من المصانع البتروكيماويّة ومن محطّة التّكرير يشكل تحدياً ومسؤولية في خروجها مع مياه الصّرف الصحي ويعرّض البيئية لعواقب ضّارّة وكما يطرح أيضاً التّحدّي الأكبر لأكاسيد الفينول المؤثّرة في عمليّة التّطهير الكلّيّة والشاملة. ولقد تطرَّقـَتْ هذه الرّسالة العلمية لمثل هذه القضايا بدقة والّتي تعتبر معالجة ومحاكاة للأكسدة الكهروكيميائيّة للفينول في مياه الصرف التي تحتوي على البتروكيماويات الآتية: الـكبريتيد S2- والـسيانيد CN- والأمونيوم NH4+ بنسب مختلفة في هذا الخليط كمزيج مترابط في أشكاله الرّباعيّة والثّلاثيّة والثنائيّة والأحادية باستخدام الأقطاب شبه الموصلة الموجبة للبورون الماسيِّ(بي دي دي). التّصميم التّجريبيّ الإحصائيّ اُسْتُخْدِمَ هنا لعرض وزيادة فاعليّة ظروف التّشغيل التّجريبيّة من خلال قياس مدى الاستجابة السطحية لهذه المواد وفق منهج علمي بتقنية النمذجة لاستجابة السطوح:( آر إس إم ). ولقياس مدى انحلال مادة الفينول، والمقدارالكلي للكربون العضوي (سي أو دي) ومقدار الأكسجين الكيميائي المطلوب(تي أو سي) التي تُلْمح بشكل ممتاز لمدى ملائمتهم تجريبيًّا للتحقّق من نتائج النّماذج الرياضية من الدرجة الثانية التي يتوافر فيها كل معالم التأثير ذات الدلالة إحصائية. كانت عمليّة التطهير وإزالة التلوث الكلّيّة عمليّةً محدّدةً حركيًّا بشكل رئيسيّ مسيطر عليها بتفاعلات الأكسدة المباشرة الغير قابلة للتّغيير والمختلفة الأثر على سطح القطب شبه الموصل (بي دي دي) المتوسّط بشكل رئيسيّ بالهدروكسيل المولد كهربائياً للحد من آثار انتقال محتوى المادة. إن أكسدة الفينول حُقِّقَتْ بفاعليّة بصرف النّظر عن تركيز الفينول الأوَّلي على درجة الحموضة pH أقل من تركيز درجة الـ pKaفي الفينول، وعندما كان الرقم الهيدروجيني pH أكبر من درجة حمضيَّة الـ pKa وتركيز الفينول منخفض أدى ذلك إلى تراكم المشتقات الناتجة مصاحِبَةً وإلى تكوين المبلمرات التي تعوق وتمنع من تأكسد الفينول. إن التّنبّؤات الخاطئة لسلوك تحرك أكسدة الفينول كان بسبب وجود زيادة في نماذج الـ (سي أو دي) وترجع لوجود بعض الأنواع غيرالعضوية والتي تم تصحيحها بالنماذجِ المُعَدَّلةِ مستندة على بياناتِ انحلال الـ (تي أو سي). بإستثناء آيونات الأمونيوم NH4+ ، ولوَهَنْ قوَى حركة الفينول لحامضِ الكربوليك بالإضافة إلى تواجد المواد غير العضوية في أخلاط ذات خصائص نشأة مختلفة كَانتْ متوائمة مع شبيه النوع الحركي من الدرجة الأولى بالثوابتِ الحركيّةِ والهايدروديناميكيةِ لكل من: الفينول والـ (تي أو سي) والـ (سي أو دي) قد تناقصت بشكل رئيسي كنتيجة لهبوطِ في أنشطة الأقطاب شبه الموصلة الموجبة بي دي دي. إن التّحليلات الشّاملة لمشتقات الأكسدة للفينول تجعل قولنا سائغاً بأن آليّة الأكسدة في المقام الأول التي بدأتها أصناف من عينات جزيئات الفينول والتي أدّت إلى توليد مواد مصاحبة عطريّة وسيطة بواسطة الهيدروكسيل الذي تَأَكْسَدَ أكثر وتحول إلى سلسلة من الأحماض الأليفاتأية الدُّهنيّة القصيرة قبل تحوّلها في نهاية المطاف إلى ثاني أكسيد الكربون CO2. ووجود هذه العينات من الجزيئات غيرالعضوية لم يكن عائقاً لقدرة كسدة الفينول لأقطاب البورون شبه الموصلة الموجبة بي دي دي، رغم أن الوصول إلى حالة ثابتة مستقرّة من درجة التطهير وإزالة التلوّث بالكامل تأخر بشكل ملحوظ وذلك لوجود هذا النوع من الجزيئات الغيرعضويّة في المحلول السائل المراد دراسته هنا

English Abstract

Presence of high concentrations of inorganic pollutants in phenolic wastewater effluents from refinery and petrochemical industries renders improper discharge of such wastewaters liable to leading to detrimental environmental consequences and also posing greater challenge for effective phenol oxidation and overall decontamination process. This dissertation thoroughly addressed such issues considering electrochemical oxidation of phenol in simulated petrochemical wastewaters containing NH4+, CN- and S2- in different single, binary, ternary and quaternary mix matrixes using Boron Doped Diamond (BDD) anodes. Statistical experimental design was employed to model and optimize the experimental operating conditions through Response Surface Methodology (RSM) modeling technique. Phenol, TOC and COD decay profiles excellently fitted experimentally verified second order quadratic models having all investigated influencing parameters statistically significant. The overall decontamination process was mainly kinetically controlled process dominated by heterogeneous and irreversible direct oxidation reactions on the BDD anode surface mainly mediated by electro-generated OH● with mass transfer effects as the rate limiting step. At pH < pKa of phenol, oxidation of phenol was effectively achieved regardless of phenol initial concentration, while at pH > the pKa and low phenol concentration, accumulation of intermediary byproducts and polymerization hindered phenol oxidation. Erroneous predictions of phenol oxidation kinetics from existing COD evolution based models due to presence of the inorganic species were corrected with modified models based on TOC decay data. With the exception of NH4+ ions, the degradation kinetics for phenol as well as the inorganic species in the different mix matrixes were consistently pseudo-first order kinetics with the kinetic and hydrodynamic constants for phenol, TOC and COD been reduced mainly as result of decline in the BDD anodes’ activities. Comprehensive analyses of oxidation byproducts suggested that the mechanism for phenol oxidation was primarily initiated by speciation of the phenol molecules that led to the generation of aromatic intermediates via hydroxylation which were further oxidized and converted to short chain aliphatic acids before finally converting to CO2. Presence of the inorganic species didn’t hamper the phenol oxidation ability of the BDD anode, though reaching steady state of complete decontamination was significantly delayed according to the inorganic species presence in solution.



Item Type:Thesis (PhD)
Date:27 January 2010
Date Type:Completion
Subjects:Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Divisions:College Of Engineering Sciences > Civil Engineering Dept
Creators:Mu'azu, Nuhu
Email:Dalhat
Committee Advisor:Prof. Muhammad, H. Al-Malack
Committee Co-Advisor:Dr. Nabil, Abuzaid
Committee Members:Dr. Alaadin, Al-Bukhari and Dr. Saleem, Ur Rahman and Dr. Mazen, Kahled
ID Code:136266
Deposited By:NUHU DALHAT MUAZU
Deposited On:07 Jun 2010 09:49
Last Modified:30 Apr 2011 17:05

Repository Staff Only: item control page