KFUPM ePrints

Removal of heavy metal ions using a novel integrated electrolytic-electrodialytic process

Abo-Ghander, Nabeel Salem M. (2003) Removal of heavy metal ions using a novel integrated electrolytic-electrodialytic process. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF
2752Kb

Arabic Abstract

يحتوي الماء الملوث على أيونات معادن سامة مثل الكادميوم ، النحاس ، الذهب ، الرصاص ، النيكل ، الفضة ، أيونات الزنك إلخ . تنتج تلك العناصر أو الأيونات عادة بكميات كبيرة في عمليات الحفر بالمناجم ، عمليات تجلية المعادن ، صناعة الألياف الدقيقة ، عمليات صناعة أفلام التصوير إلخ . يمكن استعادت أيونات المعادن الثقيلة بشكلها المعدني بواسطة التحليل الدقيق الذي يحدث عند القطب السالب (كاثود) في الخلية الكهربائية . تكمن المشكلة المتعلقة بهذه العملية بنقص كفاءتها مع نقص تركيز أيونات المعدن في المياه الملوثة . تركيز أيونات هذه المعادن يجب أن يكون بنسبة تقل عن جزء واحد لكل مليون من هذه الأيونات لضمان التخلص الآمن لهذه اليونات إلى مياه التصريف الصناعية . تعتمد قدرة التحليل الكهربائي على تركيز الأيونات فعندما يقل تركيز الأيونات تقل كفاءة التحليل الكهربائي أيضاً وينتج عن ذلك استهلاك عال للطاقة . أما بالنسبة لعملية الفصل باستخدام الأغشية النفاذة فهي تملك القدرة على تقليل تراكيز أيونات المعادن إلى أدنى مستوياتها (أقل من جزء واحد لكل مليون جزء) بواسطة نفاذية تلك الأيونات خلال غشاء تبادل الأيونات مع أقل طاقة ممكنة لإنجاز تلك العملية . هذه الطريقة ساعدت على إنتاج محلول مركز يحتوي على خليط من أيونات المعادن والشوائب التي تتطلب عمليات تنقية وتصفية إضافية أو تحليل آخر باستخدام عمليات أخرى . في هذه الدراسة تم دمج عملية التحليل الكهربائي والغشائي باستخدام خلية واحدة لمعالجة المياه الملوثة وبأقل طاقة متطلبة . كما تم اختبار فعالية الخلية باستخدام ماء ملوث يحتوي على ألف جزء لكل مليون جزء أيونات النحاس الثنائية التكافو حيث تم قياس الكفاءة الحالية والطاقة المطلوبة لعملية التحليل الكهربائي . كما تم مناقشة تأثير بعض العوامل مثل : فرق الجهد والمسافة بين الأغشية النفاذة وتركيز حمض الكبريت الموجود في المنطقتين الجانبيتين على ثابت التفاعل والكفاءة الحالية والطاقة المطلوبة لإزالة الأيونات الموجودة في الماء الملوث .

English Abstract

Wastewater containing toxic metal ions, such as cadmium, copper, gold, lead, nickel, silver, and zinc ions, are generated in large quantities in the mining, metal finishing, microelectronic fabrication, and photographic film processing industries. The heavy metal ions in wastewater can be recovered in their metallic form by electrodeposition at the cathode of an electrolytic cell. The concentration limits for safe discharge of metal ions to waste streams are typically less than 1 ppm. At these low concentrations, the current efficiency for electrodeposition becomes extremely low, which results into high energy consumption. The electrodialysis method, on the other hand, is able to reduce the metal ion concentrations to a low level by permeating the metal ions through an ion-exchange membrane with low energy requirement. The method, however, produces a by-product of concentrated solution containing mixed metal ions and impurities, which requires further purification or treatment with other processes. In this work, the electrolytic and electrodialytic process were integrated into a single cell. An integrated electrolytic-electrodialytic cell was designed and constructed. The functionality of the cell was tested with a wastewater containing 1000 ppm of Cu⁺² ions. The integrated process could reduce the copper ions concentration from 1000 ppm to few ppms. The effect of some parameters like applied potentials; distance between membranes and concentration of sulfuric acid in the side compartments on the apparent reaction rate constant, energy consumption and current efficiency were discussed. The apparent reaction rate constants could be enhanced by reducing the distance between membranes and the concentration of sulfuric acid in the side compartments. At a cell potential of 8.0 V and side concentration of sulfuric acid of 0.5, he apparent reaction rate constant is 8.9780 x 10⁻⁵ sec⁻¹ at a membrane distance of 7.1 cm while it is 2.4410 x 10⁻⁴ sec⁻¹ at a membrane distance of 5.0 cm. Similarly, at the same cell potential and membrane spacing of 7.1 cm, the apparent reaction rate constant is 8.9780 x 10⁻⁵ sec⁻¹ at a side concentration of sulfuric acid of 0.5 M while it is 1.2150 x 10⁻⁴ sec⁻¹ at a side concentration of sulfuric acid of 0.5 M. The current and energy requirement for the electrodeposition were calculated. The current efficiency increases as the copper ions concentration is high and the cell potential increases. However, the energy consumption decreases as the potential increases, passes through a minimum then it increases.



Item Type:Thesis (Masters)
Date:December 2003
Date Type:Completion
Subjects:Chemical Engineering
Divisions:College Of Engineering Sciences > Chemical Engineering Dept
Creators:Abo-Ghander, Nabeel Salem M.
Committee Advisor:Isab, A. A.
Committee Members:Al-Saleh, Muhammad A. and Zaidi, S. M. Javaid
ID Code:9540
Deposited By:KFUPM ePrints Admin
Deposited On:22 Jun 2008 16:43
Last Modified:25 Apr 2011 08:50

Repository Staff Only: item control page