Effect of Current Density per Electrode Area to Dye Wastewater Treatment Efficiency by Electrocoagulation process

Abstract

The main objective of this research was to study the effect of electrode surface area on wastewater treatment by electrocoagulation. In the case of aluminum electrodes at a constant current of 0.05 A and the electrodes surface area of 4, 10, 20, 40, 60, 80, and 100 cm2. The results revealed that the removal efficiency at 25 minutes increase in range 31-76.1%, the maximum efficacy occurred at 60 minutes was 77%, 87.2%, 89.8%, 90.5%, 84%, 93.1% and 89.6%, respectively. For the case of iron electrodes at a constant current of 0.1 A; It was found that the removal efficiency at 60 minutes increase in the range 17.6-24.8%, the maximum efficacy occurred at 140 minutes was 93.9%, 91.7%, 92.5%, 91.3%, 93.7%, 93.6%, and 93.4%, respectively. It seems by increasing the electrode surface area can treat wastewater faster that indicates the electrode area affects the dissociation of metals, with more surface areas the metal more hydrolyzed. Furthermore, for aluminum and iron electrodes; increasing the electrode surface area due to constant current can decrease the voltage from 17.1 to 5.2 volt and decrease from 18.2 to 4.4 volt, resulting in a cost reduction of 427.5-130 KW.hr/m3 and 455-110 KW.hr/m3 respectively. The studies effect of current at fixed electrode surface is 40 cm2 and the different current is 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 A.; the results for aluminum electrode revealed that the removal efficiency at 22 minutes increase in range 31.6-96.5% the maximum efficacy occurred at 60 minutes was 54.7%, 84.4%, 90%, 98.6%, 100%, and 99.7%, respectively. For the case of iron electrodes, it was found that the removal efficiency at 60 minutes increase in the range 19.6-95.4%, the maximum efficacy occurred at 140 minutes was 91.3%, 95.5%, 96.2%, 96.2%, and 96.6%, respectively. Because the higher current caused the redox reaction to increasing, and the metal dissociation has an increasing rate according to Faraday's law. The part of studies effect of current density at a fixed current density at 5 mA/cm2, which corresponded as currents and electrode surface area value 50 mA (10 cm2), 200 mA (40 cm2), and 500 mA (100 cm2). For the case of aluminum electrodes, it was found that the removal efficiency at 10 minutes increase in the range of 12.5-90.9%, the maximum efficacy occurred at 60 minutes was 87.2%, 90%, and 94.9%, respectively. The results for the iron electrode revealed that the removal efficiency at 30 minutes increase in range 10.6-93.8% the maximum efficacy that occurred at 140 minutes was 92.5%, 95.5%, and 96%, respectively. The results of this study provided that although the current to electrode surface area ratio was constant, the current and electrode area increased. The highest removal efficiency occurred faster than the less ratio of current and electrode area, which is consistent with the study results. Moreover, the study also found that the proportion of the experimental dissolved metal and the metal according to Faraday's law equation. As the current and electrode area ratio increases; for the aluminum electrode, it was found that the electrode was smaller in the range of 20-4 cm2 with a constant current of 0.05 A, the proportion of the experimental dissolved metal and the metal according to Faraday's law equation tended to decrease from 0.09 to 0.043 mg/mg. when the electrode area was larger from 40-100 cm2, the proportion of the metal was similar. The results for the iron electrode revealed that the electrode was smaller in the range of 60-20 cm2 with a constant current of 0.5 A, the proportion to decrease from 0.029 to 0.024 mg/mg. when the electrode area was larger from 80-100 cm2, the proportion of the metal was similar. Consequently, the electrode surface area has limitations to the current in an electrochemical reaction which was shown that the limited electrode surface area influences the electrochemical reaction and Faraday's law.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการศึกษาผลของขนาดพื้นที่อิเล็กโทรดต่ออิทธิพลการบำบัดน้ำเสียโดยขบวนการตกตะกอนไฟฟ้าเคมี ผลการศึกษาพบว่า ในกรณีอิเล็กโทรดเป็นอลูมิเนียมที่กระแสไฟฟ้าคงที่ 0.05 A และอิเล็กโทรดมีขนาดพื้นที่ 4, 10, 20, 40, 60, 80 และ 100 cm2 พบว่ามีประสิทธิภาพเมื่อเวลา 25 นาที อยู่ในช่วง 31-76.1% แต่ประสิทธิภาพบำบัดสูงสุดเกิดขึ้นที่เวลา 60 นาที คือ 77%, 87.2%, 89.8%, 90.5%, 84%, 93.1% และ 89.6% ตามลำดับ ในกรณีอิเล็กโทรดเป็นเหล็กที่กระแสไฟฟ้าคงที่ 0.1 A พบประสิทธิภาพเมื่อเวลา 60 นาที อยู่ในช่วง 17.6-24.8% และมีประสิทธิภาพบำบัดสูงสุดที่เวลา 140 นาที คือ 93.9%, 91.7%, 92.5%, 91.3%, 93.7%, 93.6% และ 93.4% ตามลำดับ แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มขนาดอิเล็กโทรดสามารถบำบัดน้ำเสียได้เร็วขึ้น แสดงให้เห็นพื้นที่ผิวมีผลต่อการแตกตัวของโลหะโดยพื้นที่ผิวมากกว่าโลหะสามารถแตกตัวได้มากกว่า กล่าวคือสำหรับอิเล็กโทรดอลูมิเนียมและเหล็กพบว่า เมื่อเพิ่มขนาดอิเล็กโทรดที่กระแสไฟฟ้าเท่าเดิมทำให้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าลดลง จาก 17.1 เหลือ 5.2 volt และลดลงจาก 18.2 เหลือ 4.4 volt มีผลทำให้ค่าใช้จ่ายลดลง 427.5-130 KW.hr/m3 และ 455-110 KW.hr/m3 ตามลำดับ กรณีศึกษาปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ขนาดอิเล็กโทรดคงที่คือ 40 cm2 และให้กระแสไฟฟ้าที่มากขึ้นคือ 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 และ 0.5 A ในกรณีอิเล็กโทรดเป็นอลูมิเนียม พบว่ามีประสิทธิภาพเมื่อเวลา 22 นาที อยู่ในช่วง 31.6-96.5% และมีประสิทธิภาพการบำบัดสูงสุดที่เวลา 60 นาทีคือ 54.7%, 84.4%, 90%, 98.6%, 100% และ 99.7% ตามลำดับ ในกรณีอิเล็กโทรดเป็นเหล็ก พบว่ามีประสิทธิภาพเมื่อเวลา 60 นาที อยู่ในช่วง 19.6-95.4% และมีประสิทธิภาพการบำบัดสูงสุดที่เวลา 140 นาทีคือ 91.3%, 95.5%, 96.2%, 96.2% และ 96.6% ตามลำดับ เนื่องจากว่าการให้กระแสไฟสูงขึ้น ทำให้ปฏิกิริยา Redox เพิ่มมากขึ้น การแตกตัวของโลหะมีอัตราการเพิ่มมากขึ้น ซึ่งเป็นไปตามกฎของฟาราเดย์ (Faraday’s law) สำหรับกรณีที่สัดส่วนกระแสไฟฟ้าต่อขนาดอิเล็กโทรดคงที่ที่ 5 mA/cm2 คิดเป็นกระแสไฟฟ้าต่อขนาดอิเล็กโทรดได้แก่ 50 mA (10 cm2), 200 mA (40 cm2) และ 500 mA (100 cm2) ในกรณีอิเล็กโทรดเป็นอลูมิเนียม พบว่าประสิทธิภาพการบำบัดที่เวลา 10 นาที อยู่ในช่วง 12.5-90.9% และมีประสิทธิภาพการบำบัดสูงสุดที่เวลา 60 นาทีคือ 87.2%, 90% และ 94.9% ตามลำดับ กรณีอิเล็กโทรดเป็นเหล็ก พบว่าประสิทธิภาพการบำบัดที่เวลา 30 นาที อยู่ในช่วง 10.6-93.8% และมีประสิทธิภาพการบำบัดสูงสุดที่เวลา 140 นาทีคือ 92.5%, 95.5% และ 96% ตามลำดับ แสดงให้เห็นว่าแม้ว่าสัดส่วนกระแสไฟฟ้าต่อขนาดอิเล็กโทรดคงที่ แต่ปริมาณกระแสไฟฟ้าและขนาดอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพการบำบัดสูงสุดเกิดเร็วกว่ากระแสไฟฟ้าและพื้นที่อิเล็กโทรดน้อยซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลองข้างต้นว่าประสิทธิภาพการบำบัดขึ้นกับปริมาณกระแสไฟฟ้าและขนาดอิเล็กโทรด ในการศึกษายังพบว่าสัดส่วนระหว่างปริมาณโลหะละลายจากการทดลองกับปริมาณโลหะจากสมการกฎของฟาราเดย์ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าต่อขนาดอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น กรณีอิเล็กโทรดเป็นอลูมิเนียม พบว่าอิเล็กโทรดขนาดเล็กลงในช่วง 20-4 cm2 ต่อกระแสไฟคงที่ 0.05 A สัดส่วนปริมาณโลหะจากการทดลองต่อโลหะจากสมการฟาราเดย์มีแนวโน้มลดลงจาก 0.09 เป็น 0.043 mg/mg แต่เมื่ออิเล็กโทรดมีขนาดใหญ่ขึ้นตั้งแต่ 40-100 cm2 สัดส่วนปริมาณโลหะมีค่าไม่แตกต่างกัน และกรณีอิเล็กโทรดเป็นเหล็ก ที่อิเล็กโทรดขนาดเล็กลงในช่วง 60-20 cm2 ต่อกระแสไฟคงที่ 0.5 A พบว่าสัดส่วนปริมาณโลหะมีแนวโน้มลดลงจาก 0.029 เป็น 0.024 mg/mg เมื่ออิเล็กโทรดมีขนาดใหญ่ขึ้นเป็น 80-100 cm2 สัดส่วนปริมาณโลหะมีค่าไม่แตกต่างกัน แสดงให้เห็นว่าขนาดอิเล็กโทรดมีข้อจำกัดในรองรับปริมาณกระแสไฟฟ้าในปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี และแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวอิเล็กโทรดที่จำกัดมีอิทธิผลต่อขบวนการไฟฟ้าเคมีและกฎของฟาราเดย์