Adsorption and advanced oxidation/reduction process for elimination of per- and polyfluoroalkyl substances and pharmaceutical pollutants in water
Ren, Zhongfei (2024-08-30)
© 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-202406124440
Kuvaus
Tiivistelmä
Emerging contaminants, such as pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), have attracted increasing concern due to their widespread contamination and harmful effect on the ecosystem. Furthermore, some PFAS are recognized as persistent organic pollutants and their production is regulated. Nevertheless, various PPCPs and PFAS have been globally detected in surface water, groundwater, and wastewater in recent decades. Moreover, conventional water and wastewater treatment plants have shown limited efficiencies in removing these contaminants. Therefore, it is necessary to develop cost-effective methods to achieve the elimination of PPCPs and PFAS from water.
This thesis work developed a cobalt-doped, carbon-based catalyst for PPCP degradation by an advanced oxidation process. Ibuprofen (IBU) was chosen as the target PPCP. The catalyst prepared at the highest temperature (850 °C) efficiently degraded 100% IBU (C0 = 10 mg/L) within 60 min. Co-existing ions such as PO43- (10 mM), NO3- (10 mM), and HCO3- (2 mM) showed little impact on IBU degradation, whereas Cl- (2–10 mM) significantly inhibited it. SO4·-, ·OH, and O2·− radicals contributed to the efficient degradation of IBU.
A combined sorption/desorption approach coupled with the UV/sulfite degradation method proved to be successful in the elimination of five PFAS. Twelve degradation intermediates of perfluorooctanoic acid (PFOA) were confirmed. A novel biosorbent (PG-PB) was developed with excellent adsorption capacity for PFOA, namely 456.0 mg/g at pH 3.3 and 258.0 mg/g at pH 7 (C0 = 200 mg/L). The spent PG-PB was efficiently regenerated by 0.05% NaOH + 20% methanol, and the final PFOA degradation and defluorination efficiency in the desorption effluents reached 100% and 83.1% in 24 h. In addition, a commercial anion exchange resin, Purolite A860, was highly efficient for the sorption of five individual PFAS from water. The 0.025% NaOH, 5% NaCl, and 5% NH4Cl solution were effective desorption solutions for most PFAS. Although desorption of perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) was challenging, the desorption of PFOS in 5% NaCl solution in a high-speed stirring system was attained. Direct treatment of the desorption effluents by UV/sulfite achieved 97.6–100% degradation and 46.6–86.1% defluorination in 24 h.
Lääkeaineet ja henkilökohtaisen hygienian tuotteet (PPCPs) sekä per- ja polyfluoratut alkyyliyhdisteet (PFAS) ovat herättäneet kasvavaa huolta niiden laajan leviämisen ja haitallisten vaikutustensa vuoksi. Lisäksi muutamat PFAS-yhdisteet ovat erittäin pysyviä orgaanisia yhdisteitä ja niiden tuotantoa rajoitetaan. Kuitenkin erilaisia PPCP- ja PFAS-yhdisteitä on havaittu maailmanlaajuisesti pintavesissä, pohjavesissä ja jätevesissä viime vuosikymmeninä. Lisäksi perinteiset vesien- ja jätevesien käsittelylaitokset ovat osoittaneet rajallisen tehokkuutensa näiden yhdisteiden poistamisessa. Siksi on välttämätöntä kehittää kustannustehokkaita menetelmiä PPCP- ja PFAS- yhdisteiden poistamiseksi vedestä.
Tässä opinnäytetyössä kehitettiin kobolttiseostettu, hiilipohjainen katalyytti lääkeaineiden hajottamiseksi hapetusprosessilla. Ibuprofeeni (IBU) valittiin malliyhdisteeksi. Korkeimmassa lämpötilassa (850 °C) valmistettu katalyytti hajotti IBU:n (C0 = 10 mg/L) tehokkaasti 60 minuutissa. Muut ionit, kuten PO43- (10 mM), NO3- (10 mM) ja HCO3- (2 mM), eivät juurikaan vaikuttaneet IBU:n hajoamiseen, kun taas Cl- (2–10 mM) esti sitä merkittävästi. SO4·-, ·OH- ja O2·− -radikaalit edistivät IBU:n tehokasta hajoamista.
Sorptio/desorptio-menetelmä yhdistettynä UV/sulfiittihajotusmenetelmään osoittautui tehokkaaksi viiden PFAS-yhdisteen poistossa. Perfluoro-oktaanihapolle (PFOA) tunnistettiin kaksitoista hajoamisvälituotetta. Tutkimuksessa kehitettiin myös uusi biosorbentti (PG-PB) ja sillä saavutettiin erinomainen adsorptiokyky PFOA:lle: 456,0 mg/g pH:ssa 3,3 ja 258,0 mg/g pH:ssa 7 (C0 = 200 mg/L). Adsorptioon käytetty PG-PB regeneroitiin tehokkaasti 0,05 % NaOH:n + 20 % metanolin seoksella, ja PFOA:n hajoamis- ja fluorinpoistotehokkuuksiksi desorptioliuoksissa saavutettiin 100 % ja 83,1 % 24 tunnissa. Lisäksi kaupallinen anioninvaihtohartsi, Purolite A860, oli erittäin tehokas poistamaan viittä tutkittua PFAS-yhdistettä vedestä. Desorptiossa 0,025 % NaOH-, 5 % NaCl- ja 5 % NH4Cl-liuokset olivat tehokkaita useimmille PFAS:lle. Vaikka perfluoro-oktaanisulfonihapon (PFOS) desorptio oli haastavaa, PFOS:n desorptio 5-prosenttisessa NaCl-liuoksessa saavutettiin tehokkaammissa sekoitusolosuhteissa. Desorptioliuosten suora käsittely UV/sulfiittiprosessilla saavutti 97,6–100 %:n hajoamisen ja 46,6–86,1 %:n fluorinpoiston 24 tunnissa.
Original papers
-
Ren, Z., Romar, H., Varila, T., Xu, X., Wang, Z., Sillanpää, M., & Leiviskä, T. (2021). Ibuprofen degradation using a Co-doped carbon matrix derived from peat as a peroxymonosulphate activator. Environmental Research, 193, 110564. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110564 https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110564
-
Ren, Z., Bergmann, U., & Leiviskä, T. (2021). Reductive degradation of perfluorooctanoic acid in complex water matrices by using the UV/sulfite process. Water Research, 205, 117676. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117676 https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117676
-
Ren, Z., Bergmann, U., Uwayezu, J. N., Carabante, I., Kumpiene, J., Lejon, T., & Leiviskä, T. (2023). Combination of adsorption/desorption and photocatalytic reduction processes for PFOA removal from water by using an aminated biosorbent and a UV/sulfite system. Environmental Research, 228, 115930. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115930 https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115930
-
Ren, Z., Zhang, R., Xu, X., Li, Y., Wang, N., & Leiviskä, T. (2024) Sorption/desorption and degradation of long- and short-chain PFAS by anion exchange resin and UV/sulfite system. Manuscript submitted for publication.
Osajulkaisut
-
Ren, Z., Romar, H., Varila, T., Xu, X., Wang, Z., Sillanpää, M., & Leiviskä, T. (2021). Ibuprofen degradation using a Co-doped carbon matrix derived from peat as a peroxymonosulphate activator. Environmental Research, 193, 110564. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110564 https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110564
-
Ren, Z., Bergmann, U., & Leiviskä, T. (2021). Reductive degradation of perfluorooctanoic acid in complex water matrices by using the UV/sulfite process. Water Research, 205, 117676. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117676 https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117676
-
Ren, Z., Bergmann, U., Uwayezu, J. N., Carabante, I., Kumpiene, J., Lejon, T., & Leiviskä, T. (2023). Combination of adsorption/desorption and photocatalytic reduction processes for PFOA removal from water by using an aminated biosorbent and a UV/sulfite system. Environmental Research, 228, 115930. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115930 https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115930
-
Ren, Z., Zhang, R., Xu, X., Li, Y., Wang, N., & Leiviskä, T. (2024) Sorption/desorption and degradation of long- and short-chain PFAS by anion exchange resin and UV/sulfite system. Manuscript submitted for publication.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [34566]