فرمالدئید یکی از مواد شیمیایی آلی است که کاربرد بسیار گسترده‌ای بعنوان ماده خام در بسیاری از صنایع دارد. پساب‌های خروجی صنایعی که حاوی غلظت‌های بالای فرمالدئید می‌باشند به‌دلیل خطرات احتمالی سرطان‌زایی و جهش‌زایی آن باید قبل از ورود به محیط زیست تصفیه گردند. هدف از این مطالعه تاثیر عوامل موثر در جداسازی فرمالدئید به روش اکسیداسیون الکتروشیمیایی می‌باشد. در این مطالعه با استفاده از طراحی آزمایش به روش تاگوچی با توجه به 4 عامل اصلی تاثیر‌گذار آزمایش‌هایی طراحی و انجام گردید که با توجه به نتایج آزمایش‌ها مشاهده گردید که زمان دارای بیشترین و الکترولیت دارای کمترین اثر در جداسازی فرمالدئید را دارا می‌باشند. اثر الکترولیت بر انرژی مصرفی نیز بررسی و مشاهده گردید که هیدروکلریدریک دارای کمترین انرژی مصرفی در محلول جهت جداسازی فرمالدئید می‌باشد. همچنین حالت بهینه جهت حذف فرمالدئید در 3pH= ، آمپراژ 4/0، الکترولیت هیدروکسید سدیم (NaOH) و در زمان 2 ساعت بدست می‌آید که در آن جداسازی 30درصد فرمالدئید حاصل گردید.
 
کلمات کلیدی : روش تاگوچی، جداسازی فرمالدئید، اکسایش الکتروشیمیایی
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست مطالب
 
 
عنوان                                                                                                                      صفحه
 
فصل اول: مقدمه
1-1- فرمالدئید و کاربردهای آن……………………………………………………………………………………………. 3
1-1-1- کاربردهای فرمالدئید…………………………………………………………………………………………… 3
1-2- سرچشمه‌های آزاد سازی فرمالدئید در محیط زیست ……………………………………………… 4
1-3- فرآیندهای تولید فرمالدئید………………………………………………………………………………………….. 5
1-4- اثرات بهداشتی فرمالدئید ……………………………………………………………………………………………. 6
1-5- خواص فیزیکی و شیمیایی، روش‌های آنالیتیک……………………………………………………….. 7
1-5-1- خواص فیزیکی و شیمیایی فرمالدئید………………………………………………………………. 7
1-5-2- روش‌های آنالیتیکال ………………………………………………………………………………………….. 8
1-6- روش‌های تصفیه فرمالدئید…………………………………………………………………………………………… 9
1-6-1- روش شیمیایی……………………………………………………………………………………………………. 9
1-6-1-1- واکنش با آب آهک………………………………………………………………………………….. 9
1-6-1-2- واکنش با آمونیاک …………………………………………………………………………………… 9
1-6-1-3- واکنش با پتاس ……………………………………………………………………………………… 10
1-6-1-4- واکنش با آب اکسیژنه H₂O₂………………………………………………………………… 10
1-6-1-5- واکنش با سدیم سیانید NaCN……………………………………………………………. 10
1-6-1-6- واکنش جذب سطحی بر روی سطح کربن فعال ………………………………… 10
1-6-2- روش بیولوژیکی ……………………………………………………………………………………………….. 11
1-6-2-1- اصول و قوانین اکسیداسیون بیولوژیکی ……………………………………………………. 11
1-6-2-2-انواع تصفیه بیولوژیکی …………………………………………………………………………………. 11
1-6-2-2-1- تصفیه هوازی …………………………………………………………………………………….. 12
1-6-2-2-2- تصفیه بی‌هوازی…………………………………………………………………………………. 12
 
عنوان                                                                                                                      صفحه
 
فصل دوم: مروری بر پژوهش‌های پیشین…………………………………………………………………………… 14
 
فصل سوم: طراحی آزمایشات به‌روش تاگوچی
3-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………… 23
3-2- تعاریف مفاهیم اولیه……………………………………………………………………………………………………. 25
3-2-1- پاسخ…………………………………………………………………………………………………………………… 25
3-2-1-1- پاسخ‌هایی از نوع بزرگ‌تر (بیشتر) – بهتر……………………………………………. 25
3-2-1-2- پاسخ‌هایی از نوع كمتر – بهتر……………………………………………………………… 25
3-2-1-3- پاسخ‌هایی از نوع نزدیك‌تر – بهتر ………………………………………………………. 25
3-2-2- فاكتور…………………………………………………………………………………………………………………. 25
3-2-2-1- فاكتورهای كمی و كیفی……………………………………………………………………….. 25
3-2-2-2- فاكتورهای كنترلی و اغتشاشگر…………………………………………………………….. 26
3-2-3- سطح………………………………………………………………………………………………………………….. 26
3-2-4- اثر اصلی…………………………………………………………………………………………………………….. 26
3-2-5- اثرات متقابل………………………………………………………………………………………………………. 26
3-3- انواع روش‌های طراحی آزمایش…………………………………………………………………………………. 27
3-3-1- روش تك‌عاملی…………………………………………………………………………………………………. 27
3-3-2- روش چند عاملی………………………………………………………………………………………………. 28
3-3-3- روش فاكتوریل………………………………………………………………………………………………….. 28
3-3-4- روش رویه پاسخ………………………………………………………………………………………………… 29
3-3-5- روش تاگوچی……………………………………………………………………………………………………. 30
3-4- فرایند طراحی آزمایش‌ها……………………………………………………………………………………………. 31
3-4-1- فاز برنامه‌ریزی و مفاهیم مهم در آن……………………………………………………………….. 31
3-4-1-1- مشخص كردن تعداد اثرات متقابل………………………………………………………… 32
3-4-1-2- انتخاب آرایه متعامد متناسب………………………………………………………………… 32
3-4-1-3- درجه آزادی فاكتور………………………………………………………………………………… 32
3-4-1-4- درجه آزادی اثرات متقابل……………………………………………………………………… 32
3-4-1-5- درجه آزادی كل آزمایش……………………………………………………………………….. 32
3-4-1-6- ویژگی‌های آرایه‌های متعامد………………………………………………………………….. 32
 
عنوان                                                                                                                      صفحه
 
3-4-1-7- مشخص كردن ستون اثرات متقابل…………………………………………………………….. 35
3-4-1-7-1- استفاده ازجداول مثلثی……………………………………………………………….. 35
3-4-1-7-2- استفاده از گراف‌های خطی…………………………………………………………. 35
3-4-2- فاز اجرایی………………………………………………………………………………………………………….. 35
3-4-3- فاز تجزیه و تحلیل…………………………………………………………………………………………….. 35
 
فصل چهارم:ابزار، مواد و روش‌ها
4-1- ابزار……………………………………………………………………………………………………………………………….. 37
4-2- مواد………………………………………………………………………………………………………………………………. 37
4-3- روش‌ها…………………………………………………………………………………………………………………………. 38
 
فصل پنجم:نتایج و تجزیه و تحلیل
5-1- فاز تجزیه و تحلیل………………………………………………………………………………………………………. 44
5-1-1- تجریه و تحلیل مقدماتی…………………………………………………………………………………… 44
5-1-1-1- محاسبه اثر اصلی فاكتورها…………………………………………………………………….. 44
5-1-1-2- تخمین جواب درشرایط بهینه………………………………………………………………. 45
5-1-1-3- بررسی شاخص دقت………………………………………………………………………………. 46
5-1-2- آنالیز واریانس (ANOVA)………………………………………………………………………………. 46
5-1-2-1- تعریف مفاهیم مهم در آنالیز واریانس…………………………………………………… 47
5-1-2-2- روش آنالیز استاندارد……………………………………………………………………………… 49
5-1-2-3- روش آنالیز  …………………………………………………………………………………………. 49
5-1-2-3-1- کاربرد نسبت   …………………………………………………………………………… 49
5-1-3- انواع مختلف تابع زیان………………………………………………………………………………………. 50
5-1-3-1- مشخصه نوع هرچه به ‌مقدار اسمی نزدیك‌تر، بهتر…………………………….. 50
5-1-3-2- مشخصه نوع هر چه كوچك‌تر، بهتر……………………………………………………… 50
5-1-3-3- مشخصه نوع هرچه بزرگ‌تر، بهتر…………………………………………………………. 50
 
 
 
 
عنوان                                                                                                                      صفحه
 
فصل ششم: جمع‌بندی و پیشنهادات
6-1- جمع‌بندی…………………………………………………………………………………………………………………….. 58
6-2- پیشنهادات ………………………………………………………………………………………………………………….. 59
 
فهرست منابع و مأخذ……………………………………………………………………………………………………………… 60
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول ها
 
 
عنوان                                                                                                                      صفحه
 
جدول (1-1): میزان تولید جهانی فرمالدئید………………………………………………………………………………. 5
جدول (2-1): خواص فیزیکی و شیمیائی فرمالدئید…………………………………………………………………. 8
جدول (3-1): آرایه متعامد ……………………………………………………………………………………………. 33
جدول (3-2): آرایه‌های متعامد در روش تاگوچی……………………………………………………………………. 34
جدول (4-1): معرفی فاکتورهای انتخابی………………………………………………………………………………….. 39
جدول (4-2): پارامترها و سطوح انتخاب شده در طراحی آزمایش………………………………………… 39
جدول (4-3): درجه آزادی فاکتورهای انتخابی………………………………………………………………………… 39
جدول (4-4): نتایج حاصل از طراحی آزمایش به روش تاگوچی……………………………………………. 40
جدول (5-1): نتایج آزمایشات و میانگین آن‌ها………………………………………………………………………… 43
جدول (5-2): میانگین آثار اصلی فاکتورها……………………………………………………………………………….. 44
جدول (5-3): تداخل بین فاکتورها……………………………………………………………………………………………. 46
جدول (5-4): تحلیل واریانس نتایج…………………………………………………………………………………………… 51
جدول (5-5): برآورد شرایط بهینه آزمایش………………………………………………………………………………. 51
جدول (5-6): هدایت اکی‌والان حد تعدادی از یون‌ها در C°20……………………………………………. 55
جدول (5-7): تحرک یونی حد یون‌ها در دمای در C°25………………………………………………………. 55
جدول (5-8): هدایت اکی‌والان چند الکترولیت در C°25 در محیط‌های آبی……………………… 56

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل ها
 
 
عنوان                                                                                                                      صفحه
 
شکل (5-1): اثر pH بر جداسازی فرمالدئید…………………………………………………………………………….. 52
شکل (5-2): اثر جریان (A) بر جداسازی فرمالدئید………………………………………………………………… 53
شکل (5-3): اثر زمان بر جداسازی فرمالدئید…………………………………………………………………………… 54
شکل (5-4): اثر الکترولیت بر جداسازی فرمالدئید………………………………………………………………….. 54
شکل (5-5): اثر الکترولیت بر انرژی مصرفی…………………………………………………………………………….. 56
مقدمه
 
 
یکی از پیامدهای دنیای صنعتی و مدرنیزه شدن زندگی کنونی آلودگی محیط زیست می‌باشد که در کلیه ابعاد زیستی انسان اعم از آب، خاک و هوا آثار مخرب خویش را نشان می‌دهد. فاضلابهای صنعتی که محصول پیشرفت تکنولوژی در صنعت می‌باشد روز به روز آثار زیان‌بار خود را بر محیط آبی و خاکی تحمیل می‌کند. بدیهی است که با وجود صنایع گوناگون و اشاعه وسیع آلودگیهای زیست محیطی، گام‌های علمی و پژوهشی به منظور کنترل آلودگی‌ها باید با برنامه‌ریزی صحیح و اقدامات عملی همراه گردد. در کشور ما فاضلابها بدون هیچگونه محدودیتی وارد منابع آبهای سطحی و زیرزمینی می‌شوند و فاضلاب‌های صنعتی نیز همین مسیر را طی می‌کنند. ضرورت شناخت فاضلاب‌ها و آلودگی آنها و روش‌های تصفیه آنها مسأله‌ای است که همت بلند محققان و مهندسین بهداشت محیط و محیط زیست این دیار را به یاری می‌طلبد. بدیهی است فاضلاب‌های صنعتی با توجه به تنوع فرآیندها و تنوع در مواد شیمیایی که بعضاً خطرناک و آلوده کننده محیط زیست نیز می‌باشند هر یک مشکلات خاصی برای محیط زیست می‌آفرینند و به همین خاطر هر فاضلابی مربوط به یک صنعت خاص نیاز به مطالعه جداگانه و بررسی و تحقیق ویژه در مورد نوع آلودگی و روش‌های کنترل آن را به همراه دارد. صنایعی که فرمالدئید تولید می‌کنند یا به نوعی با این ماده سروکار دارند از جمله صنایعی هستند که در آلوده‌کردن آب‌ها و ایجاد مشکلات زیست محیطی نقش مهمی دارند و با فشارهای سازمان حفاظت محیط زیست موظف شده‌اند مشکل فاضلاب صنعتی خود را حل کنند. آنچه این کارتحقیقی را پراهمیت می‌سازد این است که بدون حذف جداگانه فرمالدئید، تصفیه کلی فاضلاب این‌گونه صنایع مختل خواهد شد و اگر هم به‌دلیل مسائل اقتصادی، امکان ایجاد تصفیه‌خانه برای کل فاضلاب مقدور نباشد بدون پیش تصفیه فرمالدئید، تصفیه‌خانه فاضلاب شهری با مشکل مواجه خواهد شد.
 
 
 
 
 
1-1-فرمالدئید و کاربردهای آن
 
نام‌های معمول و مترادف فرمالدئید: فرمالدئید، متانال ، متیلن‌اکسید، اکسی متیلن، متیلالدئید، اکسومتان نام‌های متداول برای محلول‌های فرمالدئید: فرمالین و فرمل.
فرمالدئید در فشار و دمای معمولی یک گاز بی‌رنگ با جرم مولکولی نسبی 03/30 است. متداولترین شکل تجاری موجود آن محلول آبی 50-30% است. معمولاً برای کاهش پلیمریزایسیون ذاتی فرمالدئید به محلول آن متانول یا مواد دیگر به‌عنوان پایدار‌کننده اضافه می‌شود. غلظت متانول در محلول فرمالدئید می‌تواند تا حدود 15% باشد. غلظت سایر پایدار‌کننده‌ها می‌تواند تا چند صد میلی‌گرم در لیتر باشد. اخیراً سیستم‌های فرمالدئید مایع غلیظ که تا 95% فرمالدئید دارند قابل دستیابی هستند، اما دمای لازم برای پایداری محلول و جلوگیری از جدایی پلیمر از حدود دمای اتاق تا C°120 با افزایش غلظت محلول افزایش می‌یابد. فرمالدئید به‌سرعت در آب، الکل‌ها و سایر حلال‌های قطبی حل می‌شود ولی در سیالات غیر‌قطبی درجه انحلال پائینی دارد. فرمالدئید در C°150 به متانول و کربن منوکسید تجزیه می‌شود. به‌طور کلی فرمالدئید قدرت واکنش پذیری زیادی با سایر مواد شیمیایی دارد. در نور آفتاب فوراً به دی‌اکسید‌کربن اکسید می‌شود.
 
1-1-1- کاربردهای فرمالدئید
فرمالدئید به‌عنوان یک پایه واحد ساختمانی مواد شیمیایی، یک واسطه در ترکیبات آلی گوناگون از رزین‌های آمینو و فنلیک گرفته تا کودهای شیمیایی می‌باشد. بیشترین مصرف فرمالدئید در تولید رزین‌های آمینو و فنلیک می‌باشد. که دلیل موجهی را برای 55% ظرفیت کل تقاضاها ارائه می‌دهد. دیگر مصارف مهم شامل محصولات صنعت چوب، ترکیبات قالبگیری، رزین‌های ریخته‌گری و چسب‌ها برای روپوش‌کشی می‌باشد. محصولات چوبی حدود 36% از کل تقاضای فرمالدئید رابرای کاربردهای تخته چندلایی به خود اختصاص می‌دهد. تحت بعضی شرایط رزین‌های اوره- فرمالدئید، فرمالدئید را آزاد می‌کنند که مسائل محیط زیستی و بهداشتی را ایجاد می‌کنند. رزین‌های آمینو و فنلیک هر دو به‌عنوان ترکیبات قالبگیری به‌کار برده می‌شوند. انبوهی از رزین‌های آمینو، رزین ملامین به‌کار برده شده در ظروف‌سازی هستند. رزین‌های قالبگیری فنلیکی در وسایل کنترل الکتریکی، تلفن‌ها به‌کار برده می‌شوند. فرمالدئید برای تولید پرداخت ثابت پارچه‌های سلولزی به‌کار برده می‌شود. پرداخت پارچه‌ها بر اساس فرمالدئید شامل ملامین، اوره، فرمالدئید، glyoxal, Triazim, Triazones می‌باشد. آلدئیدها در ساخت و سنتز الکل‌ها، اسیدها و سایر مواد شیمیایی به‌کار می‌روند. همچنین در صنعت لاستیک‌سازی، صنایع کاغذ، دباغی وکشاورزی مصرف می‌شوند. از جمله مصارف عمومی فرمالدئید، استفاده از آن برای نگهداری قطعات تشریحی در دانشکده‌های پزشکی و موسسات طبی، عامل از بین برنده بو و عامل باکتری‌کشی و همچنین عامل سخت‌کننده پروتئین‌ها می‌باشد. علاوه بر آن محصولات بدست آمده از فرمالدئید در طیف گسترده‌ای از صنایع نظیر اتومبیل‌سازی و ساختمان، کاغذسازی و پارچه‌بافی کاربرد فراوان دارد. فرمالدئید در سوخت و ساز طبیعی بدن نیز وجود دارد لیکن مقدار آن ناچیز است[5-1].
 
 
1-2- سرچشمه‌های آزاد سازی فرمالدئید در محیط زیست
 
فرمالدئید در محیط زیست به‌عنوان نتیجه‌ای از فرآیندهای طبیعی و از منابع ساخت بشر موجود می‌باشد. فرمالدئید به‌طور صنعتی در مقادیر زیاد تولید می‌شود و کاربردهای زیادی دارد. دو منبع دیگر ساخت بشر عبارتند از: خروج اتوماتیک از موتورهای بدون مبدلهای کاتالیستی. بقایا، انتشارات و یا ضایعات حاصل در هنگام ساخت فرمالدئید به‌وسیله موادی مشتق شده از آن یا واکنش داده شده با آن. فرمالدئید در صنایع گوناگون کاربردهای داروئی به‌عنوان یک استریل‌کننده دارد. همچنین به‌عنوان یک نگهدارنده در کالاهای مصرفی، مانند غذا، مواد بهداشتی و آرایشی و پاک کننده‌های خانگی به‌کار می‌رود. یکی از کاربردهای عمده آن در ساخت رزین‌های اوره – فرمالدئید و ملامین- فرمالدئید می‌باشد. رزین اوره- فرمالدئید برای عایق‌سازی ساختمان‌ها ([1]UFFI) به‌کار می‌رود، این رزین می‌تواند پس از نصب به نشر فرمالدئید ادامه دهد یا یک منبع انتشار دائمی فرمالدئید را تشکیل دهد. منابع محیطی داخلی زیادی که می‌تواند انسان را در معرض فرمالدئید قرار دهد شامل سیگارها و محصولات تنباکو، مبلمان یا اثاثه‌ای که حاوی رزین‌های پایه فرمالدئید هستند، مواد ساختمانی حاوی رزین‌های اوره-‌فرمالدئید، چسب‌های حاوی فرمالدئید که برای سطوح پلاستیکی و پارکت‌ها، فرش‌ها، ضد‌عفونی‌کننده‌ها‌ (گندزداها)، پخت‌کننده‌های‌گازی و شومینه‌های باز استفاده می‌شود، می‌باشند. فرمالدئید در حین اکسیداسیون هیدروکربن‌ها به‌طور طبیعی تشکیل می‌شود. این هیدروکربن‌ها با رادیکال‌های OH و ازن واکنش می‌دهند و فرمالدئید وسایر آلدئیدها را به‌عنوان مواد واسطه‌ای در یک سری واکنش‌هایی که نهایتاً منجر به تشکیل مونواکسید‌کربن، دی‌اکسید‌کربن، هیدروژن و آب می‌شوند، تشکیل می‌دهند. کارخانه‌های تولید فرمالدئید و صنایعی که به نحوی با فرمالدئید سروکار دارند از جمله مهمترین منبع فرمالدئید و آلاینده‌های عمده محیط زیست می‌باشند. در کشور خودمان نیز کارخانه‌های همچون شرکت صنایع شیمیائی سینا و قدس در شیراز که به تولید فرمالدئید اشتغال دارند در فاضلاب خروجی خود غلظت‌های بالایی از فرمالدئید را دارند. همچنین کارخانه‌هایی که به تولید رزین‌های فنل – فرمالدئید و … مشغولند مانند کارخانه تولید رزین فنل- فرمالدئید در اصفهان باعث ایجاد آلودگی محیط زیست می‌گردند. همچنین صنایع پتروشیمی که به تولید فرمالدئید و رزین‌های فرمالدئید مشغولند مانند پتروشیمی جم و همچنین پتروشیمی اراک در قسمت آلاکلر و بوتاکلر خود غلظت بالای ppm700 فرمالدئید را وارد محیط زیست می‌کنند[1].