مطالعه عددی آلودگی‌زدایی وابسته به ایزوترم جذبی در فیلترهای شنی

در این پژوهش، عملکرد عددی یک ستون فیلتر شنی برای حذف آلاینده‌های محلول با تمرکز بر مکانیسم جذب سطحی و اثر ایزوترم‌های جذب بررسی شد. ستون مورد مطالعه از چهار نوع بستر متعارف شن درشت، شن ریز، ماسه ریز و ماسه رس دار تشکیل شده و در شرایط مرزی و اولیه‌ی معین مورد ارزیابی قرار گرفته، معادله جریان، پخش در محیط متخلخل همراه با عبارت جذب موضعی به‌عنوان معادله حاکم در نظر گرفته شد و با استفاده از روش حجم محدود به‌صورت گسسته و با حل ضمنی زمانی حل شد تا دقت و پایداری عددی حفظ شود. برای توصیف فرایند جذب، ایزوترم های متداول لانگ‌میور و تمکین و... به‌کار گرفته و پارامترهای مربوط به هر ایزوترم برای هر نوع بستر از طریق برازش غیرخطی تعیین شد. خروجی‌ها به‌صورت منحنی‌های شکست در دو موقعیت از ستون (میانه و خروجی) و پارامترهای عملکردی مانند زمان نفوذ موثر تحلیل شدند. یافته‌ها نشان دادند که ایزوترم لانگمیور بهترین انطباق را با رفتار عددی ستون ارائه می‌دهد و جذب غالب از نوع تک‌لایه‌ای با ظرفیت محدود است. همچنین مشاهده شد که در نقطه‌ی میانی ستون زمان شکست زودتر رخ داده و در خروجی با تاخیر همراه است که این امر به جذب تدریجی و اشباع موضعی خاک مرتبط می‌باشد. نتایج این تحقیق یک چارچوب عددی کارآمد برای تحلیل رفتار انتقال و جذب در محیط‌های متخلخل فراهم می‌آورد که می‌تواند در طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های تصفیه مبتنی بر فیلترهای شنی مورد استفاده قرار گیرد.

a numerical investigation of isotherm-controlled contaminant removal in sand filter columns

in this study, the numerical performance of a homogeneous sand filter column was investigated for the removal of dissolved contaminants, focusing on the adsorption mechanism and the influence of different adsorption isotherms. the column consisted of a uniform soil medium and was evaluated under well-defined initial and boundary conditions. the governing advection–dispersion–adsorption equation was solved using the finite volume method with spatial discretization and an implicit time integration scheme to ensure numerical accuracy and stability. to describe the adsorption process, common isotherm models including langmuir, freundlich, temkin, bet, redlich–peterson, and sips were applied. the parameters of each isotherm were determined through nonlinear curve fitting to the numerical data. the model outputs were analyzed in terms of breakthrough curves at two locations within the column (midpoint and outlet) and performance indicators such as effective breakthrough time. the findings revealed that the langmuir isotherm provided the best agreement with the numerical results, indicating that the dominant adsorption mechanism was monolayer adsorption with limited surface capacity. moreover, it was observed that the breakthrough occurred earlier at the midpoint and was delayed at the outlet, which is attributed to progressive adsorption and local saturation along the column. overall, the developed numerical framework offers an efficient approach for evaluating contaminant transport and adsorption in porous media, which can be effectively utilized for the design and optimization of sand-based filtration systems.