مهندسي شيمي ايران دوره 43، شماره

بهينه سازي فرايند تثبيت و جامدسازي سيماني لجن صنايع آبکاري توسط شبکه عصبي مصنوعي و روش سطح پاسخ

محمدجواد ذوقي، حسين گنجي دوست*+، نادر مختاراني، بيتا آيتي تهران، دانشگاه تربيت مدرس، دانشکده مهندسي مهندسي عمران و محيط زيست

چكيده:فرايند تثبيت و جامدسازي يکي از روشهاي دفع پسماندهاي خطرناک ميباشد. در اين پژوهش از اختلاط آب مقطر، سيمان پرتلند تيپ دو، آهک و منيزيم اکسيد براي تثبيت و جامد سازي لجن صنايع آبکاري استفاده شد.
در اين مطالعه مقاومت فشاري و ميزان غلظت کروم و روي در شيرابه TCLP به عنوان پاسخ در نظر گرفته شد .طراحي 03 آزمايش براساس طرح مرکب مرکزي براي محاسبه معادله مدل در روش سطح پاسخ و آموزش شبکه عصبي مصنوعي انجام شد. از طراحي تصادفي 03 آزمايش براي صحت سنجي روش هاي چند متغيره استفاده شد .سپس بهينه سازي فرايند تثبيت و جامدسازي با استفاده از روش سطح پاسخ و شبکه عصبي مصنوعي با يکديگر مقايسه شد. با توجه به نتيجههاي مطالعه، از هر دو روش ميتوان با اطمينان بالا در بهينه سازي فرايند استفاده کرد .
شبکه عصبي مصنوعي نسبت به روش سطح پاسخ، روشي دقيق تر در مدلسازي فرايند تثبيت و جامدسازي بود. همچنين براي رسيدن به بيشترين لجن خشک قابل دفن طبق استاندارد، ميزان منيزيم اکسيد، آهک، آب و سيمان مصرفي با توجه به مدل روش سطح پاسخ به ترتيب برابر 0/01، 6/0، 1/94، 04 گرم و براساس شبکه عصبي مصنوعي به ترتيب برابر 4/09، 9/0، 96، 1/01 گرم براي 033 گرم لجن خشک صنايع آبکاري بهدست آمد.

واژههاي كليدي: روش سطح پاسخ؛ روي؛ کروم؛ MgO؛ تثبيت و جامدسازي؛ شبکه عصبي مصنوعي.
KEY WORDS: Response surface methodology; Chromium; Zinc; MgO; Solidification/stabilization;

مقدمه
براي تصفيه انواع پسماند هاي خطرناک و نيز مؤثرترين روش در بي خطرسازي آلاينده مؤثر هستند [9 ، 5].

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
97
ساختار شيميايي لجن بهدست آمده از صنايع آبکاري، داراي مقدارهاي گوناگون فلزهاي سنگين مانند سرب، روي، کروم و نيکل ميباشد که با توجه به امکان خروج اين فلزها از پسماند و انتشار آنها در محيط، اين نوع پسماند به عنوان پسماند خطرناک رده بندي شده است [3 ـ 1]. روشهاي گوناگوني براي تصفيه و بيخطرسازي لجن صنايع آبکاري وجود دارد [4]. تثبيت و جامدسازي سيماني به دليل سادگي و هزينه کم يکي از پرکاربردترين روشها
Artificial neural network.
در تصفيه لجن هاي آلوده به فلزهاي سنگين ميباشد [6 ، 5].
در اين روش بهوسيله ايجاد هيدروکسيدهاي غيرمحلول، انتقال فلزهاي سنگين به ساختارهاي معدني و محصور شدن فيزيکي ترکيبها، ميزان تحرک ترکيبهاي غيرآلي کاهش مييابد [7]. در اين فرايند با استفاده از تغيير ظرفيت شيميايي، سميت برخي از فلزهاي سنگين کاهش يافته [8] و آلاينده خطرناک با فرايند شيميايي جامد ميشود. فرايندهاي محصور شدگي و جذب نيز مطالعهها نشان داده که ميزان روي و کروم موجود در لجن صنايع آبکاري بين 7 تا 44 درصد وزني متغير ميباشد، درحالي که ميزان سرب و نيکل بين 4 تا 9 درصد بوده است [3]. بنابراين ميزان غلظت روي و کروم در پسماند اين نوع صنايع همواره از غلظت سرب و نيکل بهطور محسوسي بيشتر ميباشد و در اين پژوهش، تثبيت و جامد سازي روي و کروم مورد بررسي قرار گرفت. اگرچه برخي از فلزهاي سنگين مانند روي در سامانههاي زيستي به مقدار کم مورد نياز هستند. اما تمام آنها در مقدارهاي بالا سمي ميباشند .مقدارهاي بالاي روي سبب مرگ سلول ها، اعصاب و صدمههاي مغزي ميشود [14]. در محيط آلوده، کروم بهطور معمول بهصورت کروم شش ظرفيتي وجود دارد. همچنين اين فلز با توجه به شرايط اکسايش ـ کاهش و ميزان pH محيط ميتواند به صورت کروم سه ظرفيتي وجود داشته باشد. در شرايط هوازي )سطح خاک، آبهاي سطحي کم عمق( کروم به شکل شش ظرفيتي وجود دارد. در شرايط بي هوازي )آب هاي زير زميني و اعماق خاک( کروم شش ظرفيتي به کروم سه ظرفيتي تبديل ميشود. ميزان سميت کروم سه ظرفيتي بسيار کمتر از کروم شش ظرفيتي ميباشد .
کروم شش ظرفيتي سبب بروز انواع بيماري هاي پوستي و سرطان ميشود. بسياري از ترکيبهاي کروم به علت سرطان زا بودن، ايجاد جهش ژنتيکي، ناهنجاري هاي کروموزومي و حساسيت هاي پوستي به عنوان پسماند خطرناک در نظر گرفته ميشوند [11].
از سيمان بهطور گسترده براي کنترل، کاهش نفوذپذيري، کپسوله کردن، کاهش حلاليت و کاهش سميت برخي از اجزاي خطرناک از جمله تثبيت و جامدسازي لجن حاوي فلزهاي سنگين استفاده شده است [11 ، 5]. بهطوري که اگر چنانچه پسماند تثبيت شده داراي مقاومت فشاري ساده) Mpa )54Psi35/4 باشد ،فرايند تصفيه مطابق استاندارد انجام شده است [14 ، 13].
با توجه به اينکه مقدارهاي چشمگيري MgO در لجن صنايع آبکاري موجود است، استفاده از اين ماده در فرايند تثبيت و جامدسازي لجن صنايع آبکاري نيز مورد توجه قرار گرفته است .طبق نتيجههاي برخي مطالعهها، کارايي فرايند تثبيت و جامدسازي از نظر کنترل سميت در هنگام استفاده از MgO نسبت به استفاده از سيمان و آهک بيشتر است [15]. MgO داراي اثرهاي زيست محيطي کم، حلاليت پايين و قليائيت بالا بوده، بهطوري که pH بيشينه آن حدود 14 ميباشد. اين ويژگيها باعث تنظيم اسيديته و ترسيب فلزها ميشوند [16]. هدف استفاده از MgO
98
)2( Artificial neural network
کاهش حلاليت فلزهاي سنگين و جلوگيري از پديده انحلال دوباره ميباشد. طبق نتيجههاي پژوهشي با استفاده از MgO و آهک، ميزان تثبيت فلزها تا 84% امکان پذير بوده و با افزايش ميزان MgO به بيش از 14% راندمان فرايند افزايش يافته است [17].
در مطالعههاي صورت گرفته بر روي استفاده از MgO تنها کاهش سميت مطرح بوده و اطلاعات کمي در مورد تأثير اين ماده بر ويژگيهاي فيزيکي نمونه تثبيت و جامدسازي شده در دسترس ميباشد. همچنين در اين مطالعهها استفاده همزمان سيمان، آهک و MgO بررسي نشده است .درنتيجه بررسي تأثير MgO بر مقاومت فشاري و تأثير استفاده همزمان از سيمان، آهک و MgO مورد نياز ميباشد.
استفاده از روش هاي چندمتغيره به جاي تک متغيره در حال گسترش ميباشد. با استفاده از روش هاي بهينه سازي چند متغيره تعداد آزمايشهاي مورد نياز، زمان و هزينه کاهش مييابد.
در فرايند تثبيت و جامدسازي برهمکنش همبندکننده با پسماند و با ساير همبندکننده ها سبب ايجاد تغيير در اثر آنها بر پاسخها ميشود. بنابراين اثرهاي متغيرها بر فرايند تثبيت و جامدسازي غيرخطي ميباشد. روش سطح پاسخ)1( )RSM( و شبکه عصبي مصنوعي)1( )ANN( ابزاري انعطاف پذير براي تحليل برازشهاي چند متغيره غيرخطي ميباشند. بهطوري که با استفاده از اين دو روش و با انجام تعداد محدودي آزمايش ميتوان رابطه غيرخطي بين متغيرها و پاسخ ها را تعيين نمود [18]. از RSM و ANN در مطالعههاي گوناگون استفاده شده است [11-18].
هدف در اين مطالعه تثبيت و جامدسازي لجن خشک اوليه با استفاده از سيمان، آهک و Mgo و بهينه سازي فرايند تثبيت و جامدسازي بهوسيله روش هاي چند متغيره ميباشد. در اين مطالعه براي اولين بار شبکه عصبي مصنوعي و روش پاسخ سطح بهطور همزمان براي مدلسازي و پيش بيني فرايند تثبيت و جامدسازي لجن خشک اوليه استفاده و نتيجههاي اين دو روش با يکديگر مقايسه شده است.

بخش تجربي مواد شيميايي
-33908682093

لجن مورد استفاده در اين مطالعه از فيلتر پرس و خشک کن تصفيه خانه بخش آبکاري کارخانه پارس خزر واقع در شهر رشت تهيه شد. اين لجن از ترسيب پساب بخش آبکاري بهوسيله آهک
)0( Response surface method

به دست آمده و pH و هدايت الکتريکي آن به ترتيب برابر 61/8 و mS/cm 53/1 بود. رسوبهاي اين بخش از فيلتر پرس و خشککن با دماي C°64 عبور ميکند. ميزان رطوبت لجن بعد از عبور از فيلتر پرس 44% وزني و پس از عبور از خشک کن 8% وزني بود .
سپس اين لجن در آزمايشگاه و در دماي C°145 تا رسيدن به وزن ثابت خشک و با استفاده از خردکن به ذراتي با قطر کمتر از mm5/4 تبديل شد. در جدول 1 برخي از اجزاي سازنده لجن خشک و نتيجههاي آزمايش TCLP)1( ارايه شده است. همانگونه که ديده ميشود ميزان غلظت کروم و روي نسبت به ساير فلزهاي سنگين بيشتر بوده و غلظت منيزيم نيز چشمگير ميباشد.
در اين مطالعه از سيمان پرتلند تيپ دو، آهک و MgO با خلوص
96% به عنوان همبندکننده)1( در فرايند تثبيت و جامدسازي استفاده شد. ترکيبهاي شيميايي همبندکننده ها در جدول 1 داده شده است. از بين 5 تيپ موجود سيمان، سيمان تيپ 1 به علت دسترسي آسان و گستردگي کاربرد آن در تثبيت و جامدسازي، انتخاب شد [9 ، 4]. همچنين لجن صنايع آبکاري داراي مقدارهاي کمي سولفات )15 گرم به ازاي هر کيلوگرم لجن خشک( ميباشد.

)0( Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) )0( Central compose design
)2( Binder
99
سيمان تيپ 1 به علت غلظت پايين تري کلسيم آلومينات )33CaO.Al2O( نسبت به سيمان تيپ 1، 3 و 4 داراي مقاومت بيشتري در برابر اثرهاي مخرب سولفات ميباشد. سيمان تيپ 5 نسبت به سيمان تيپ 1 داراي مقاومت بيشتري در برابر سولفات بوده
-6603-2759895

اما به علت غلظت کمتر تري کلسيم سيليکات و غلظت بيشتر دي کلسيم سيليکات )22CaO.SiO( افزايش مقاومت در آن کندتر ميباشد [13]. بنابراين با توجه به غلظت پايين سولفات لجن، دسترسي آسان، کاربرد وسيعتر و افزايش مقاومت سريعتر سيمان تيپ 1، از اين سيمان براي فرايند تثبيت و جامد سازي استفاده شد.

آماده سازي نمونه ها
براي تثبيت و جامدسازي لجن از آب مقطر، سيمان پرتلند تيپ دو، لجن خشک اوليه، MgO و آهک جهت ساخت ملات استفاده شد که براي توليد نمونههاي گوناگون اين مواد با نسبتهاي گوناگون مخلوط شدند. تعيين نسبت اين مواد با توجه به آزمايشهاي مقدماتي، مطالعههاي
گذشته و طراحي آزمايش به روش طرح مرکب مرکزي)3( )CCD( انجام شد. پس از اختلاط کامل ملات توسط مخلوط کن، ملات طبق روش استاندارد در داخل قالب هاي mm 54 ريخته شد و پس از گيرش اوليه در 14 ساعت به مدت 18 روز در آب قرار گرفت [14].
اين روش براي ساخت تمام 44 نمونه مورد نياز اين مطالعه استفاده شد.

مقاومت فشاري نمونه ها
پس از آماده سازي نمونه هاي مکعبي با ابعاد mm54، مقاومت فشاري طبق استاندارد 80-ASTM C 109 بر روي نمونههاي 18 روزه انجام گرفت [14].
توليد شيرابه از لجن تثبيت شده
براي تخمين رفتار طولاني مدت لجن خشک تثبيت شده از آزمايش TCLP استفاده شد .پس از نگهداري نمونهها به مدت 18 روز، نمونه به ذراتي با قطر کمتر از mm14 خرد شد. سپس به همراه مايع استخراج به مخزن استخراج انتقال يافت. براي ساخت مايع استخراج، mL7/5 استيک اسيد با آب مقطر مخلوط شد تا حجم آن به يک ليتر افزايش يابد. طبق استاندارد pH محلول پاياني بايد برابر 45/4±88/1 باشد. پس از اضافه کردن مايع استخراج درب مخزن استخراج بسته شده و به مدت h1±18 در دور rpm34 و در دماي °C1±13 فرايند استخراج انجام شد سپس با صاف کردن، عمليات جداسازي فاز مايع و جامد صورت گرفت [15]. ميزان فلزهاي موجود در شيرابه بهوسيله دستگاهFlame Atomic Absorption Spectrometry (FAAS)
. اندازه گيري شد Buck scientific 210VGPبا نام تجاري

بهينه سازي
در اين مطالعه تأثير ميزان (A) MgO، لجن (B)، آهک (C)، آب (D) و سيمان (E) بر راندمان فرايند تثبيت و جامدسازي لجن خشک اوليه و مقاومت فشاري لجن خشک تثبيت شده بررسي شد.
براي کاهش تعداد متغيرهاي مستقل و در نتيجه کاهش تعداد آزمايشهاي مورد نياز ميزان سيمان مصرفي (E) به عنوان يک متغير وابسته محسوب شد. بدين منظور ميزان سيمان مصرفي در هر نمونه برابر با تفاوت وزن مجموع مواد جامد برحسب گرم با 144 گرم )MgO-لجن-آهک-144= سيمان مصرفي( در نظر گرفته شد .
بازه تغيير چهار متغير مستقل با توجه به مطالعههاي گذشته تعيين شد [16، 17، 16]. با توجه به اينکه يکي از روشهاي بهينهسازي مورد استفاده در اين مطالعه روش سطح پاسخ بود، تعداد آزمايشهاي مورد نياز در اين مطالعه با در نظر گرفتن 6 نقطه مرکزي 34 آزمايش شد. اين تعداد آزمايش بهوسيله CCD تعريف شد. اين نوع طراحي شامل دو قسمت مکعب و ستاره بود.
قسمت مکعبي مربوط به طرح غربالگري فاکتوريل و قسمت ستاره نقاط اضافه که داراي فاصله يکسان از مرکز مکعب بودند را در برگرفت.
اين نقاط اضافه روي هر يک از وجوه مکعب در نظر گرفته شد.
براي مدلسازي و پيش بيني راندمان فرايند تثبيت و جامدسازي و مقاومت فشاري لجن تثبيت شده از RSM و ANN استفاده شد. طراحي آزمايش بهوسيله RSM سبب ايجاد يک مدل
)2( Back propagation
آماري پيوسته ميشود که ميتوان با دقت و اطمينان بالا براي به دست آوردن شرايط بهينه استفاده کرد [17]. براي انجام اين کار، ابتدا پارامترهاي موثر بر فرايند و سپس بازه تغيير هريک از متغيرهاي مستقل با توجه به مطالعههاي گذشته و آزمايشهاي مقدماتي تعيين شد [18]. محاسبه معادله مدل يکي از مراحل بهينه سازي بهوسيله RSM ميباشد. از معادله مدل براي تخمين مقدار پاسخ ها در شرايط گوناگون متغيرهاي ورودي استفاده ميشود.
در ANN فرايند بهصورت موازي بررسي شده و نرونهاي تشکيل دهندهي شبکه به يکديگر متصل ميباشند. شبيه سازي هر نوع اتصال و مسيردهي بين وروديها و خروجيها با استفاده از شبکه عصبي پيشخور)1( چند لايه امکان پذير ميباشد [14]. بهطوري که پرکاربردترين ساختار شبکه عصبي براي تحليل برازشهاي غير خطي به علت دقت بالا، شبکه عصبي پيش خور چند لايه است [18]. در اين مطالعه براي پيش بيني شرايط بهينه از شبکه عصبي پيش خور چند لايه استفاده شد .از الگوريتم پس انتشار)1( که مهمترين الگوريتم در آموزش شبکههاي چند لايه ميباشد براي آموزش ANN و از آموزش و تست ساختارهاي متفاوت شبکه عصبي براي تعيين ساختار بهينه استفاده شد.
داده ها براي شبکه عصبي با استفاده از Matlab R2013b و براي طراحي آزمايشها و RSM با استفاده از Design-Expert 7.0.0 پردازش شدند.

نتيجه ها و بحث
در اين پژوهش پس از طراحي آزمايشها بهوسيله CCD از RSM و ANN به همراه داده هاي آزمايشگاهي براي پيشبيني ميزان غلظت کروم و روي در آزمايش TCLP و مقاومت فشاري لجن خشک تثبيت و جامدسازي شده استفاده شد. همچنين پس از بهينه سازي فرايند بهوسيله RSM و ANN دو مدل با يکديگر مقايسه شد .بدين منظور ميزان MgO، لجن، آهک و آب مصرفي به عنوان متغير مستقل و ميزان سيمان به عنوان متغير وابسته در نظر گرفته شد .با توجه به مطالعههاي گذشته و آزمايشهاي اوليه بازه تغيير هر يک از متغير ها تعيين شد [16، 17، 16]. حد پايين )1-( براي A( MgO(، لجن خشک )B(، آهک )C( و آب )D( برحسب درصد وزني به کل مواد جامد )گرم/144گرم مواد جامد( به ترتيب برابر 4، 54، 4 و 34 و حد بالا) 1+( براي اين چهار متغير به ترتيب برابر 15، 84، 14 و 44 تعيين شد .مقدارهاي متغيرهاي ورودي و خروجي 34 آزمايش انجام شده در جدول 3 مشخص شده است .
-35178-42073

)0( Feed forward
311 جدول 4ـ ماتريس طراحي شده بهوسيله طرح مرکب مرکزي )CCD( براي بهينهسازي فرايند تثبيت و جامدسازي.

313
4064195774

جدول 3ـ تجزيه و تحليل واريانس) ANOVA( براي پاسخ هاي روش سطح پاسخ.

RSM
در جدول 4 اثرهاي اصلي و برهمکنشي متغيرها بر مقاومت فشاري و غلظت کروم و روي در شيرابه TCLP در قالب تحليل واريانس بيان شده است. در اين جدول از مقدارهاي P به عنوان معياري براي تشخيص ميزان معنا داري اثرات متغيرهاي گوناگون بر پاسخها استفاده شد. تا زماني که مقدار P براي مدل کمتر از 45/4 باشد، بين متغير و پاسخ مورد نظر در سطح اطمينان 95% رابطه آماري وجود دارد.
312
با توجه به جدول 4 در سطح اطمينان 95% تمام اثرات اصلي معنادار ميباشند. چهار پارامتر MgO، لجن خشک، آهک و آب که در مدل به ترتيب با C ،B ،A وD مشخص ميباشند بر روي مقاومت فشاري تاثير منفي داشته و از بين اين پارامترها، لجن خشک داراي بيشترين تأثير منفي بر روي مقاومت فشاري ميباشد.
به عبارت ديگر تنها عاملي که به صورت منفرد بر روي مقاومت فشاري نمونه داراي تأثير مثبت بوده سيمان )E( ميباشد .
با افزايش مصرف سيمان به عنوان متغير وابسته )E=144-A-B-C(، ميزان مصرف ساير متغيرها کاهش و در نتيجه ميزان مقاومت فشاري افزايش مييابد .همچنين ميزان لجن خشک و آهک به ترتيب داراي بيشترين تاثير در افزايش و کاهش غلظت کروم و روي در شيرابه TCLP نمونه ها بودند.
با توجه به جدول 4 ميزان تأثير برخي از برهمکنشهاي بين پارامترها در سطح اطمينان 95% معنادار نبوده و حذف اين پارامترها در دقت مدل تأثير محسوسي ندارد .درنتيجه جهت مدلسازي سه پاسخ موجود در اين پژوهش از مدل کاهشي درجه دوم استفاده شد. پس از حذف برهمکنشهاي داراي اهميت ناچيز، مدلهاي مورد استفاده در اين مطالعه در مقدار P برابر 5 درصد و سطح اطمينان 95 درصد معنادار بوده است. ميزان مقاومت فشاري نمونه و غلظت کروم و روي در شيرابه TCLP به ترتيب از طريق معادله )1( تا )3( قابل محاسبه ميباشند.
)1( 6.81 2.46A4.91B= مقاومت فشاري نمونه
3.65C0.65D 1.14AB2.1BC
0.67A2 1.52B2 1.1C2
)1( 7.164.28A 1.05B= غلظت کروم در شيرابه نمونه
1.14C0.74D 1.52AC 1.08CD0.56A2
)3( 0.880.28A0.11B= غلظت روي در شيرابه نمونه
20.25C0.075D0.18AC0.1CD0.071Aميزان ضريب همبستگي و ضريب همبستگي اصلاحي براي مدلسازي مقاومت فشاري نمونه ها به ترتيب برابر 984/4 و 971/4، غلظت کروم در شيرابه TCLP برابر 941/4 و 874/4 و غلظت روي در شيرابه TCLP برابر 871/4 و 831/4 ميباشد .
درنتيجه با توجه به شاخص هاي آماري، مدل در پيش بيني پاسخها از راندمان بالايي برخوردار بود.
در شکل 1 نمودار شمارنده پاسخها نمايش داده شده است .
با توجه به شکل 1-الف بيشترين مقاومت فشاري نمونه )بيش از 1kg/cm14( در MgO کمتر از g1و آهک کمتر از g1 ديده ميشود.
به عبارت ديگر با افزايش ميزان آهک و MgO در نمونهها به دليل کاهش ميزان سيمان پرتلند مصرفي ميزان مقاومت فشاري نمونه ها کاهش يافته است. مهمترين ترکيبات سيمان خشک شامل آليت) 5Ca3SiO(، دي و تري کلسيم آلومينات ميباشند. اين ترکيبات در واکنش با آب سبب توليد پرتلنيت )Ca(OH)2( )14 – 15 درصد وزني( و کلسيم سيليکات هيدراته
)3CaO.2SiO2.3H2O( )64 – 74 درصد وزني( ميشوند.
314
در هيدراسيون، واحدهاي ارتوسيليس مجزا) -44SiO( موجود در کلينکر سيمان به واحدهاي دي سيليس) -76Si2O( تبديل شده و با پيشرفت فرايند هيدراسيون يون هاي سيليس زنجيرههاي پليمري بلند تشکيل ميدهند. اين پليمرسازي سبب عمل آوري ملات و افزايش مقاومت فشاري ميشود [13]. افزايش ميزان مصرف آهک و MgO و کاهش سيمان در نمونه ها، سبب کاهش سيليس شده و اين کاهش سبب کاهش توليد سيليکات کلسيم هيدراته و مقاومت فشاري ميشود.

32

25
/
9

5
/
6

75
/
4

3

C

32

25

/

9



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید