Heterogeneous photocatalysis, sonolysis and sonophotocatalysis for the removal of selected pharmaceutical compounds from aqueous matrices

Abstract

H έρευνα αυτή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη τεχνολογιών προχωρημένης χημικής οξείδωσης (ετερογενούς φωτοκατάλυσης, εφαρμογή υπερήχων και σονοφωτοκατάλυσης) για την διερεύνηση της ικανότητας διάσπασης / οξείδωσης / απομάκρυνσης της δικλοφαινάκης (DCF), ιβουπροφαίνης (IBP) και καρβαμαζεπίνης (CBZ) σε εμβολιασμένα υδατικά δείγματα αλλά και πραγματικά λύματα. Κατά την ετερογενή φωτοκατάλυση εφαρμόστηκε τόσο τεχνητό φως UV-A όσο και ηλιακό μέσω ηλιακού προσομοιωτή. Μέθοδοι εκτίμησης της τοξικότητας, εφαρμόσθηκαν τόσο για να εξετασθεί η τοξικότητα των επιλεγμένων φαρμακευτικών ουσιών (DCF, IBP και CBZ) όσο και για να εκτιμηθεί η τοξικότητα των ενδιάμεσων ενώσεων που δημιουργούνται κατά την εφαρμογή των διαφόρων τεχνολογιών οξείδωσης έτσι ώστε να διαφανεί εάν η προχωρημένη χημική οξείδωση μέσω κατάλυσης, υπερηχοβόλησης και σονοφωτοκατάλυσης μπορεί να απομακρύνει τόσο τις ίδιες τις ενώσεις όσο και την πιθανή τοξικότητα τους. Έγινε ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση οξειδωμένων παραπροϊόντων μέσω UPLC/ESI-QqToF-MS και για τις τρεις μεθόδους επεξεργασίας. Τα αποτελέσματα από τη φωτόλυση με UV-A ακτινοβολία δεν έδειξαν σημαντική μετατροπή στο DCF, IBP και CBZ μετά από 120 min. Η ετερογενής φωτοκατάλυση με UV-A και ηλιακή ακτινοβολία επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως ο τύπος και η συγκέντρωση του καταλύτη, αρχική συγκέντρωση φαρμακευτικής ουσίας, προσθήκη οξειδωτικού και η μήτρα του δείγματος. Ο Degussa P25 έχει ψηλότερη φωτοενεργότητα από άλλους καταλύτες. Χαμηλής συχνότητας υπερήχων δεν είναι ικανό να διασπάσει τις DCF, IBP and CBZ σε υδατικά διαλύματα. Με τη σονοφωτοκατάλυση το υψηλότερο DOC ήταν (63%) για DCF 10 mg/L παρουσία καταλύτη 500 mg/L. Τα τεστ τοξικότητας ήταν ένα χρήσιμο εργαλείο για τον γρήγορο έλεγχο της τοξικότητας χημικών ουσιών σαν σύστημα έγκυρης προειδοποίησης για τον έλεγχο των σταθμών επεξεργασίας λυμάτων.

The aim of this thesis was to study the conversion/mineralization of DCF, IBP and CBZ, in ultrapure water, urban wastewater and groundwater by means of photocatalysis using UV-A and simulated solar irradiation, sonolysis and sonophotocatalysis, in respect to the operating conditions at bench scale, the toxicity potency developed during and after treatment and the elucidation of the transformation products. Results of photolysis experiments under UV-A irradiation did not show any significant conversion for DCF, IBP and CBZ after 120 min. Heterogeneous photocatalysis under UV-A and solar irradiation process performance is affected by several factors such as the type and concentration of catalyst, initial pharmaceutical concentration, addition of oxidant and the water matrix (i.e. addition of extra oxidants, presence of other organics etc). Degussa P25 shows higher photoactivity than the other catalysts employed in this study. Low frequency ultrasound is not capable of sufficiently degrading DCF, IBP and CBZ in aqueous solutions. With sonophotocatalysis the highest DOC removal (63%) and conversion (80.4%) was achieved for DCF 10 mg/L with catalyst loading 500 mg/L. The phototransformation of pharmaceuticals proceeds usually through the formation of long-lived intermediate species. The toxicity tests are useful analytical tools for the toxicity screening of chemical compounds and as an early warning system to monitor the performance of wastewater treatment plants.