Degradación de fenol mediante un tratamiento electroquímico combinado con ozono y electrodos de diamante dopado con boro (DDB)

TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRA EN CIENCIAS AMBIENTALES. La preocupación por la contaminación ambiental ha fomentado la investigación y el desarrollo de tecnologías sustentables, así como una normatividad cada vez más estricta para que los procesos industriales a través de tecnologías limpias logren disminuir los niveles de contaminantes en los efluentes. En la actualidad diversas industrias presentan elevado potencial contaminante debido a que sus procesos productivos generan grandes volúmenes de efluentes de naturaleza refractaria. Sin embargo, en la mayoría de las empresas todavía se generan aguas residuales con concentraciones de sustancias contaminantes de consideración, estos efluentes son problemáticos, principalmente, por la presencia de compuestos recalcitrantes que son perjudiciales en plantas de tratamiento de aguas residuales que solo utilizan sistemas biológicos. Los procesos biológicos, generalmente, no remueven compuestos refractarios, inclusive, en la mayoría de los casos, altas concentraciones de estos pueden inhibir el rendimiento o ser tóxicos para la biota que es responsable de la remoción de los contaminantes. Los Procesos de Oxidación Avanzada (POA´s) representan una alternativa tecnológica con un gran potencial para el tratamiento de efluentes de naturaleza recalcitrante. En el presente estudio se compararon y acoplaron dos métodos electroquímicos de oxidación avanzada: Ozono (O3) y electrooxidación con electrodos de diamante dopados con boro (DDB) para el tratamiento de efluentes industriales de naturaleza recalcitrante como lo son los compuestos fenólicos.La degradación de fenol se estudió en tres ambientes químicos, ozonización, electro-oxidación, y un proceso de ozono-electro-oxidación acoplada. La concentración de compuesto original se estableció por espectrofotometría UV-Vis mientras que los subproductos se identificaron por HPLC. Esto permitió proponer un mecanismo de la oxidación de fenol durante el proceso de acoplado. Se encontró que este proceso acoplado mineralizó prácticamente todo el fenol (eliminación de COT = 99.8%), bajo pH 7 y una densidad de corriente de 60 mA.cm-2. Además, se encontró que el proceso de acoplado es prácticamente dos veces más rápido que el proceso de electro-oxidación sólo para lograr un alto grado de mineralización. En este sentido, se concluyó que el ozono por sí sólo mineraliza sólo parcialmente la molécula de fenol y sobre todo conduce a la formación de compuestos alifáticos.PROYECTO CONACYT 16830

Degradación de fenol, Espectrofotometría UV-Vis, HPLC, Proceso de Acoplado, Ozono y compuestos Alifáticos

En este sentido, se concluyó que el ozono por sí sólo mineraliza sólo parcialmente la molécula de fenol y sobre todo conduce a la formación de compuestos alifáticos.La degradación de fenol se estudió en tres ambientes químicos, ozonización, electro-oxidación, y un proceso de ozono-electro-oxidación acoplada. La concentración de compuesto original se estableció por espectrofotometría UV-Vis mientras que los subproductos se identificaron por HOLC. Esto permitió proponer un mecanismo de la oxidación de fenol durante el proceso de acoplado

Degradación de contaminantes fenólicos en agua mediante el acoplamiento de procesos de oxidación avanzada (POA´s)

El tratamiento con E-peroxonación implica el burbujeo del efluente del generador de ozono (mezcla de gases O2 y O3) en un reactor de columna de burbuja de vidrio de flujo ascendente que está equipado con un cátodo de diamante dopado con boro para transformar el O2 en el gas burbujeado H2O2. El H2O2 generado in situ reacciona con el O3 burbujeado para producir el radical hidroxilo (HO•), que degrada de manera no selectiva los compuestos orgánicos rápidamente en la solución. Estos efectos se atribuyen principalmente a la producción intensiva de reactivos altamente oxidativos y no selectivos tales como radicales hidroxilo en el medio de oxidación de Eperoxonación. Las altas tasas de degradación y mineralización de casi todos los contaminantes del modelo en agua por el proceso de E-peroxonación y por la simplicidad del proceso lo convierten en una excelente alternativa a otros procesos de oxidación avanzada. Con la configuración simple del proceso mediante los sistemas existentes de ozonización y electrólisis se pueden adaptar fácilmente para que E-peroxonación aumente la eficiencia de degradación de compuestos no biodegradables. Así mismo, el alto costo asociado con la necesidad de consumo de ozono y electricidad puede reducirse considerablemente. En este trabajo, se evaluó la disminución de la concentración de compuestos fenólicos (fenol y 4-clorofenol) presentes en el agua mediante la combinación de procesos de oxidación avanzada (POA). Gracias a la significativa producción de HO •, el tratamiento con E-peroxona mejoró tanto la degradación de Phe y 4-CPh como la eliminación total de carbono orgánico (TOC) en comparación con la ozonización (O3) y la electro-oxidación (EO) sola. En condiciones de reacción óptimas, la degradación completa de 4-CPh y la eliminación de TOC se lograron en 45 y 120 min de proceso de E-peroxona, respectivamente, mientras que la degradación completa de Phe y la eliminación de TOC se lograron en 20 y 60 min, respectivamente. Las variables estudiadas fueron pH 7.0 ± 0.5 fue monitoreado pero no se controlado durante los experimentos, 0.05, 0.1 y 0.150 L min-1 de caudal de flujo del gas, concentración de ozono de 5 y 6 ± 0,5 mg L-1. Además, 1.0, 2.0 y 3.0 A que corresponden a densidades de corriente de 20, 40 y 60 mA cm-2. Basándose en sub-productos como compuestos aromáticos (4-clorocatecol, catecol, pbenzoquinona, hidroquinona) y ácidos carboxílicos (como ácido maleico, fórmico, fumárico, succínico, oxálico, malónico y acético) identificados por UHPLC-UV / DAD y en los cambios de la concentración de ion cloruro (Cl-) que se detectaron mediante cromatografía iónica (IC), se propuso una vía de reacción para la mineralización de Phe y 4-CPh. Esto mediante el proceso de E-peroxonación, cuyos resultados sugieren que el tratamiento con E-peroxonación puede proporcionar una forma prometedora de tratar el agua contaminada con Phe y 4-CPh. En este sentido, se concluye que el ozono solo mineraliza parcialmente la molécula de Phe y 4- CPh y conduce principalmente la formación de compuestos alifáticos. Finalmente, las toxicidades de Phe y 4-CP y sus productos de degradación se determinaron mediante el uso de un bioensayo con semillas de lechuga (Lactuca sativa) y se concluye que, a diferencia del proceso de E-peroxonación, no solo mineraliza la molécula orgánica, sino que también elimina la toxicidad de la solución fenólica tratada.CONACYT 168305 CONACYT 26909

Comparison of AOPs Efficiencies on Phenolic Compounds Degradation

In this work, a comparison of the performances of different AOPs in the phenol and 4-chlorophenol (4-CP) degradation at lab and pilot scale is presented. It was found that, in the degradation of phenol, the performance of a coupled electro-oxidation/ozonation process is superior to that observed by a photo-Fenton process. Phenol removal rate was determined to be 0.83mg L−1 min−1 for the coupled process while the removal rate for photo-Fenton process was only 0.52mg L−1 min−1. Regarding 4-CP degradation, the complete disappearance of the molecule was achieved and the efficiency decreasing order was as follows: coupled electrooxidation/ ozonation > electro-Fenton-like process > photo-Fenton process > heterogeneous photocatalysis. Total organic carbon was completely removed by the coupled electro-oxidation/ozonation process. Also, it was found that oxalic acid is the most recalcitrant by-product and limits the mineralization degree attained by the technologies not applying ozone. In addition, an analysis on the energy consumption per removed gram of TOC was conducted and it was concluded that the less energy consumption is achieved by the coupled electro-oxidation/ozonation process

Electro-oxidation of 2-chlorophenol with BDD electrodes in a continuous flow electrochemical reactor

Es un artículo científico publicado en una revista indizada en JCRSynthetic solutions of 2-chlorophenol (2-CP, 1 mM) were treated in an undivided continuous flow electrochemical reactor equipped with boron-doped diamond (BDD) electrodes. The process was conducted at different current densities (j = 0.10, 0.125, and 0.14 A cm−2), initial pH (4.0, 7.3, and 9.0), and volumetric flow rate (Q = 0.5, 1.0, and 1.5 L min−1). The results of this study showed that the best operational conditions were: j = 0.14 A cm−2, pH = 7.3, and y Q = 1 L min−1. Under these operational conditions the degradation and mineralization of 2-CP were, 100% and 96%, respectively, after 6 h of electrolysis time. The by-products were identified by UHPLC. Also, it was found that the electrochemical degradation of 2-chlorophenol follows a pseudo-first order kinetics. Furthermore, these results demonstrate that the electrolysis process employed in this work allows high percentages (96%) of mineralization of 2-CP, a relative low treatment cost ($ 3 MXN/ 2.5 L of synthetic solution), and that the process is applicable to remediate wastewater.CONACYT 269093 PRODEP 103/14/1135

Synergic effect of ozonation and electrochemical methods on oxidation and toxicity reduction: Phenol degradation

The degradation of phenol was studied under three chemical environments, ozonation (O3), electrooxidation (EO) and ozonation-electro-oxidation (O3-EO) coupled process. The parent compound concentration was established by UV–Vis spectrophotometry while the by-products were identified by HPLC. This allowed proposing a mechanism of phenol oxidation during the coupled process. This coupled process was found to practically mineralize all phenol (TOC removal = 99.8%) under pH 7.0 ± 0.5 and at a current density of 60 mA cm 2, 0.05 L min 1 flowrate, ozone concentration of 5 ± 0.5 mg L 1. Furthermore, it was found that the coupled process is practically twice faster than the EO process alone to achieve a high degree of mineralization. In this sense, it was concluded that ozone alone only partially mineralizes the phenol molecule and mainly leads to the formation of aliphatic compounds. In addition, the toxicities of phenol and its degradation products were established by using a bioassay with lettuce seeds. It was concluded that, unlike ozonation, the coupled oxidation process not only mineralizes the organic molecule but also completely eliminates the toxicity of the treated phenolic solution

Photo-Fenton Catalyzed by Cu₂O/Al₂O₃: Bisphenol (BPA) Mineralization Driven by UV and Visible Light

This work aimed to demonstrate Cu2O/Al2O3 as a catalyst of the photo-Fenton process in the UV and visible spectra. Cu2O nanoparticles were synthesized by laser ablation in liquid and supported on Al2O3. The catalytic activity of the resulting solid was assessed in the mineralization of bisphenol A (BPA). The studied variables were type of Al2O3α and γ, Cu content (0.5 and 1%), and H2O2 concentration (1, 5, and 10 times the stoichiometric amount). The response variables were BPA concentration and total organic carbon (TOC) removal percentage. The presence of Cu2O nanoparticles (11 nm) with an irregular sphere-like shape was confirmed by transmission electron microscopy (TEM) and their dispersion over the catalytic surface was verified by energy-dispersed spectroscopy (EDS). These particles improve ·OH radical production, and thus a 100% removal of BPA is achieved along with ca. 91% mineralization in 60 min. The BPA oxidation rate is increased one order of magnitude compared to photolysis and doubles that for H2O2 + UV. An increase of 40% in the initial oxidation rate of BPA was observed when switching from α-Al2O3 to γ-Al2O3. 4-hydroxybenzaldehyde, 4-hydroxybenzoic acid, acetaldehyde, and acetic acid are the BPA oxidation by-products identified using LC/MS and based on this a reaction pathway was proposed. Finally, it was also concluded that the synthesized catalyst exhibits catalytic activity not only in the UV spectrum but also in the visible one under circumneutral pH. Therefore, Cu2O/Al2O3 can be recommended to conduct a solar photo-Fenton reaction that can degrade other types of molecules