Porous alkali-activated manganese and copper composites for wastewater treatment : catalytic wet air oxidation of bisphenol A and pharmaceutical residues
Christophliemk, Mika (2024-04-12)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202403132213
Kuvaus
Tiivistelmä
Wastewater-induced contamination and water shortages are a global challenge. For this reason, contaminated water must be treated in wastewater treatment plants with various purification techniques. Decomposing these toxic organic species into less harmful compounds requires tailored techniques, such as catalytic water treatment. For this purpose, noble metals such as Pt, Au, and Ag are commonly used catalysts, but they are expensive and can increase the overall costs of wastewater treatment processes.
In this research work, new porous metal composites, such as alkali-activated materials with metal catalysts, were produced. An inexpensive and natural raw material, kaolin-based metakaolin, was used as a precursor. The transition metals Mn and Cu performed as catalysts in the composites. The activity of the metal composites was evaluated in the catalytic wet air oxidation (CWAO) of a model solution of bisphenol A (BPA) and pharmaceutical wastewater.
In the CWAO of BPA model solution, the Cu composite achieved BPA and total organic carbon (TOC) conversions of 98% and 53%, respectively. In turn, the highest chemical oxygen demand (COD) and TOC conversion, of 54% and 46% of pharmaceutical wastewater, were achieved with Mn composite, respectively. Moreover, the biodegradability of organic species of pharmaceutical wastewater increased by 65% and 75% with catalyzed reactions of Mn and Cu composites, respectively. Although minor amounts of erosion and leaching were observed, the metal composites were stable even after several CWAO cycles. The results obtained in this work demonstrate that the metal composites were catalytically active and stable. The increased biodegradability of organic compounds in pharmaceutical wastewater is a very encouraging result for further research and the development of new and even better metal composites, so that wastewater thus pretreated can be safely directed to a sensitive biological process.
Jätevesien aiheuttama saastuminen ja maailmanlaajuinen kasvava vesipula ovat vakavasti otettavia haasteita, sillä käsittelemätön jätevesi on myrkyllistä niin ihmisille kuin eläimille. Jotta puhtaan veden jakelu ja käyttö voidaan turvata, tarvitaan uusia entistä tehokkaampia jätevedenkäsittelymenetelmiä. Jätevesien myrkyllisiä orgaanisia yhdisteitä voidaan hajottaa vähemmän haitalliseen muotoon erilaisissa hapetusprosessissa, joissa käytetään aktiivisia metallikatalyyttejä. Nykyisin yleisesti käytössä olevat jalometallikatalyytit, kuten Pt, Au ja Ag, ovat tehokkaita, mutta toisaalta kalliita, millä voi olla vaikutusta jätevedenkäsittelyprosessien kokonaiskustannuksiin.
Tässä työssä pyrittiin vastaamaan edellä mainittuihin haasteisiin valmistamalla edullisista raaka-aineista ekologisia alkaliaktivoituja metallikomposiitteja, missä mangaani (Mn) ja kupari (Cu) toimivat aktiivisina katalyytteinä. Metallikomposiitit valmistettiin savipohjaisesta raaka-aineesta, metakaoliinista (MK), teknisesti yksinkertaisella prosessilla. Metallikomposiittien toimivuutta testattiin bisfenoli A (BPA) malliliuoksen sekä lääkeainejäteveden katalyyttisessä märkähapetuksessa.
BPA malliliuoksen hapetuksessa Cu-komposiitilla saatiin 98 %:n BPA ja 53 %:n orgaanisen kokonaishiilen (TOC) konversiot. Vastaavasti parhaat lääkeainejäteveden kemiallisen hapenkulutuksen (COD) ja orgaanisen kokonaishiilen konversiot saatiin Mn-komposiitilla, 46 % ja 54 %. Lisäksi Mn- ja Cu-komposiittien katalysoimissa reaktioissa lääkejäteveden orgaanisten yhdisteiden biohajoavuus parani 65 % ja 75 %.
Tässä työssä saadut tulokset osoittivat, että yksinkertaisella valmistusmenetelmällä voitiin tuottaa ekologisia ja edullisia metallikomposiitteja, jotka olivat katalyyttisesti erittäin aktiivisia ja kemiallisesti sekä mekaanisesti stabiileja. Lääkeainejäteveden hapetuksessa metallikomposiiteilla saavutettu orgaanisten yhdisteiden merkittävästi kohonnut biohajoavuus oli erittäin lupaava ja rohkaiseva tulos siirtymämetallikomposiittien jatkotutkimukselle ja kehitystyölle.
Original papers
-
Christophliemk, M. P., Pikkarainen, A. T., Heponiemi, A., Tuomikoski, S., Runtti, H., Hu, T., Kantola, A. M., & Lassi, U. (2022). Preparation and characterization of porous and stable sodium- and potassium-based alkali activated material (AAM). Applied Clay Science, 230, 106697. https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106697 https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106697
-
Christophliemk, M. P., Heponiemi, A., Hu, T., & Lassi, U. (2024). Preparation of porous metakaolin-based alkali-activated materials by microwave curing as supports for non-noble metal catalysts. Next Materials, 3, 100039. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100039 https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100039
-
Christophliemk, M. P., Heponiemi, A., Hu, T., & Lassi, U. (2023). Preparation of porous and durable metakaolin-based alkali-activated materials with active metal as composites for catalytic wet air oxidation. Topics in Catalysis, 66, 1427–1439. https://doi.org/10.1007/s11244-022-01775-3 https://doi.org/10.1007/s11244-022-01775-3
-
Christophliemk, M. P., Heponiemi, A., Kangas, T., Hu, T., Prokkola, H., & Lassi, U. (2023). The Catalytic wet air oxidation of pharmaceutical wastewater with alkali-activated Mn and Cu composites: Preparation of precursors by calcination of kaolin with Mn and Cu. Manuscript in preparation.
Osajulkaisut
-
Christophliemk, M. P., Pikkarainen, A. T., Heponiemi, A., Tuomikoski, S., Runtti, H., Hu, T., Kantola, A. M., & Lassi, U. (2022). Preparation and characterization of porous and stable sodium- and potassium-based alkali activated material (AAM). Applied Clay Science, 230, 106697. https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106697 https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106697
-
Christophliemk, M. P., Heponiemi, A., Hu, T., & Lassi, U. (2024). Preparation of porous metakaolin-based alkali-activated materials by microwave curing as supports for non-noble metal catalysts. Next Materials, 3, 100039. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100039 https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100039
-
Christophliemk, M. P., Heponiemi, A., Hu, T., & Lassi, U. (2023). Preparation of porous and durable metakaolin-based alkali-activated materials with active metal as composites for catalytic wet air oxidation. Topics in Catalysis, 66, 1427–1439. https://doi.org/10.1007/s11244-022-01775-3 https://doi.org/10.1007/s11244-022-01775-3
-
Christophliemk, M. P., Heponiemi, A., Kangas, T., Hu, T., Prokkola, H., & Lassi, U. (2023). The Catalytic wet air oxidation of pharmaceutical wastewater with alkali-activated Mn and Cu composites: Preparation of precursors by calcination of kaolin with Mn and Cu. Manuscript in preparation.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [37575]