Date of Award

11-2020

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Sulaiman Al Zuhair

Second Advisor

A.S. Mohammad Sayem Mozumder

Third Advisor

Ling Tau Chuan

Abstract

The treatment of industrial wastewater contaminated with phenols is among the main challenges in the chemical, and particularly the petrochemical industry. Phenols, which present in considerable amounts in industrial wastewater, are toxic even at low concentrations. Therefore, it is essential to reduce their concentrations in water to harmless levels before being discharged. On the other hand, the dependence on the conventional fossil sources of energy, which is non-renewable, is not sustainable and can cause harmful environmental impacts. Therefore, in this work, the dual utilization of microalgae as a cheap and efficient means to remove phenolic compounds commonly found in refinery wastewater and as a sustainable source for oils for biodiesel production has been proposed. Most conventional bacteria used in the treatment of phenolics are pathogenic and the collected biomass after treatment is considered a secondary waste that does not have an evident commercial value. Microalgae, however, are promising, sustainable and renewable sources of oils that can be used for biodiesel production. In addition, they contain important compounds, such as proteins and pigments, which have large applications in the food and pharmaceutical industries. Combining the production of these valuable products with wastewater treatment renders the cultivation of microalgae very attractive and economically feasible. In this work, two freshwater microalgae stains, namely Chorella sp. and Tetraselmis sp., were used to remove several phenolic compounds commonly found in refinery wastewater (phenol, 4-nitrophenol and 2,4- dinitrophenol). These compounds were selected since they are very toxic and may cause serious threats for the ecosystem. In addition, the removal of 4-nitrophenol and 2, 4-dinitrophenol is challenging, and there is no previous study conducted their removal using microalgae. The effect of initial concentrations of the phenols on the biomass growth and phenolic removal were evaluated and used to develop kinetics models to describe the system. The optimum removal results were obtained at concentration of 250 ppm of phenol, and 350 ppm for both 4-nitrophenol and 2, 4- nitrophenol. The microalgae were then grown in a pilot scale open pond, and the biomass was harvested, and oils was extracted from it. The extracted oils were then converted to biodiesel using homemade heterogeneous alkaline catalyst. A parametric study was carried out to determine the effects of main reaction parameters, namely catalyst amount, methanol: oil molar ratio and reaction temperature, on the conversion after 4 h. The results showed that increasing temperature at all methanol: oil molar ratios generally resulted in decrease the FAME conversion, except at catalyst load of 7%. The experimental results were used to determine a statistical second order interactive model that was used to determine the significance of all factors and to optimize the process. The optimum conditions were found to be a catalyst wt% of 7.7, methanol: oil molar ratio of 12 and temperature of 45oC, at which the conversion after 4 h was 30.4%. The results were also used to determine a kinetic model’s parameters. The significance of this work is to use a sustainable source to treat wastewater from phenols with cheap cost, and then to use the grown biomass to produce biodiesel. While kinetics studies of microalgae growth in water containing phenol are available in literature, as far as the investigators of this work know, this is the first work to present a kinetics study on the treatment of nitrophenols.

Comments

تعتبر معالجة المياه الناتجة عن الصناعة والملوثة بالفينولات من أهم الصعوبات في الصناعات الكيميائية وخصوصا في صناعات البتروكيمياويات. الفينولات، التي تظهر بشكل واضح في المياه الملوثة الناتجة عن الصناعة، سامة حتى في حال ظهورها بتراكيز قليلة. لذلك، من المهم تقليل تركيزها في المياه حتى تصبح بمستوى غير ضار قبل التخلص منها. في الجانب الآخر، يعتبر الاعتماد على مصادر الوقود الاحفوري التقليدية للطاقة، التي هي غير متجددة، غير مستدام ويمكن أن يسبب تأثيرات بيئية ضارة.لذلك، في هذا العمل، استخدام الطحالب الدقيقة كمصدر رخيص وفعال للتخلص من الفينولات التي تظهرغالبا في مياه مصافي البت رول وكمصدر متجدد للزيوت لإنتاج الديزل الحيوي. الكثير من البكتيريا المستخدمة في معالجة الفينولات مسببة للأمراض، والكتلة الحيوية المجمعة بعد المعالجة تعتبر مصدر نفايات ثانوي لا يملك قيمة اقتصادية. الطحالب الدقيقة، في المقابل، تعتبر مصدر واعد، متجدد ومستدام للزيوت التي يمكن استخدامها في انتاج الديزل الحيوي. بالإضافة إلى ذلك، تمتلك الطحالب الدقيقة مركبات مهمة مثل البروتين والأصباغ التي تستخدم في مجالات كبيرة مثل الصناعات الغذائية والدوائية. يعتبر الدمج بين انتاج منتجات ذات قيمة عالية مع استطاعة معالجة المياه الملوثة يجعل تنمية الطحالب الدقيقة جاذبا جداً وممكنا اقتصادياً في هذا العمل، تم استخدام نوعين من الطحالب الدقيقة وهما كلوريلا وتيترازيلميس لإزالة الفينولات الموجودة بشكل كبير في مياه مصافي البترول الملوثة )الفينول، 4- نيتروفينول و 4،2 - نيتروفينول( . تم اختيار هذه المركبات لأنها سامة وتشكل تهديداً للنظام الحيوي. بالإضافة إلى ذلك، تشكل إزالة 4 – نيتروفينول و4،2 - نيتروفينول تحديا،ً وكذلك لم تتم دراسة إزالتها باستخدام الطحالب الدقيقة. تمت دراسة وتقييم تأثير التركيز المبدئي للفينولات في نمو الكتلة الحيوية وفي إزالة الفينولات ومن ثم تم تطوير المعادلات التي يمكن استخدامها في وصف نظام النتائج. تم التوصل إلى أن أعلى معدل إزالة للفينول كان عند تركيز250 جزء في المليون، و 350 جزء في المليون ل 4 - نيتروفينول و 4،2 - نيتروفينول. ومن ثم تم تنمية الطحالب الدقيقة في نطاق تجريبي في بركة مفتوحة ومن ثم تم جمع الكتلة الحيوية، واستخراج الزيوت منها. تم تحويل الزيوت بعد ذلك إلى ديزل حيوي باستخدام محفز قلوي غير متجانسة مصنوع ذاتياً. تم عمل دراسة للعوامل المؤثرة في انتاج الديزل الحيوي بهدف تحديد تأثيرها، وهي كمية المحفز، نسبة المولية للميثانول إلى الزيت ودرجة حرارة التفاعل الذي استمر مدة 4 ساعات. تشير النتائج إلى أن زيادة درجة حرارة التفاعل في كل النسب المولية للميثانول إلى الزيت تسبب نقص في نسبة الناتج، ما عدا عند تركيز المحفز المساوي ل 7% . تم استخدام النتائج المخبرية في تحديد نموذج تفاعلي إحصائي من الدرجة الثانية لتحديد العوامل المهمة المؤثرة في العملية، وأفضل الحالات التي تعطي أفضل النتائج. تم تحديد أفضل الحالات عند تركيز المحفز المساوي ل 7.7 % ، النسبة المولية للميثانول إلى الزيت تساوي 12 وعند درجة حرارة 45 درجة سيليزية، وذلك بعد 4 ساعات من التفاعل الذي نتج منه 4 . 30 % تم استخدام النتائج أيضا في تحديد قيم الثوابت المستخدمة في المعادلات الواصفة للنتائج. تأتي أهمية هذا العمل في استخدام مصدر مستدام لمعالجة المياه الملوثة من الفينولات بتكلفة رخيصة ومن ثم استخدام الكتلة الحيوية التي تم تنميتها في انتاج الديزل الحيوي. كما أن المعادلات الواصفة لمعالجة المياه من النيتروفينول هي الأولى التي تم تطبيقات والتي لا توجد في أي عمل سابق. تضمن هذا العمل اندماجا بين عملية المعالجة وإنتاج الديزل الحيوي.

Download

Share

COinS