Tehnologija elektrokemijske oksidacije za zmanjševanje odpadnih onesnažil v sledovih iz vode

Similar documents
Acta Chim. Slov. 2002, 49, THERMOPHILIC AEROBIC DIGESTION OF WASTE ACTIVATED SLUDGE. Milenko Roš, Gregor Drago Zupančič

Jamova cesta Ljubljana, Slovenija Jamova cesta 2 SI 1000 Ljubljana, Slovenia

ENERGIJSKO POZITIVNO ČIŠČENJE ODPADNIH VODA

establishment of of a a rational rational relationship between between

Passivation of welded AISI 316L stainless steel. Pasivacija varjenega nerjavnega jekla AISI 316L

Chapter 1 INTRODUCTION

ANDREA CESAR, univ.dipl.biol. Postopki cišcenja podtalnice onesnažene z atrazinom in njegovimi metaboliti

Removal of Organic Pollutants from Reverse Osmosis Concentrate by Electro-Fenton Process

THE EFFECT OF A SUPERPLASTICIZER ADMIXTURE ON THE MECHANICAL FRACTURE PARAMETERS OF CONCRETE

THERMOPHYSICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF MAGNESIUM ALLOYS OF THE Mg-Al TYPE

Electrochemical behavior of nanodiamond electrode deposited on porous activated carbon pellet

Variability of chemical composition of metallurgical slags after steel production

The folowing four Rules-Of-Thumb summarize the more important aspects of electronic absorption:

Supporting Information for: Toxic Byproduct Formation during Electrochemical Treatment. of Latrine Wastewater

RMZ MATERIALI IN GEOOKOLJE

BIOMETANSKI POTENCIAL TRDNEGA ODPADKA IZ EKSTRAKCIJE PLODOV ŠIPKA (Rosa canina L.) S SOČASNO RAZGRADNJO DODATNEGA VIRA DUŠIKA

TRIBOCORROSION DEGRADATION OF PROTECTIVE COATINGS ON STAINLESS STEEL

MATHEMATICAL MODELLING AND PHYSICAL SIMULATION OF THE HOT PLASTIC DEFORMATION AND RECRYSTALLIZATION OF STEEL WITH MICRO-ADDITIVES

ADAPTING THE HDDR PROCESS AND NdFeB-BASED PERMANENT-MAGNET ALLOYS FOR FACTORY PRODUCTION

VPLIV BOGATITVE Z LIGNINOM NA SESTAVO BAKTERIJSKIH LAKAZNIH GENOV V TALNIH MIKROKOZMIH

Helena BAŠA ČESNIK, Ana GREGORČIČ, Špela VELIKONJA BOLTA. Kmetijski Inštitut Slovenije, Hacquetova 17, SI-1000 Ljubljana, Slovenija

DAIRY TECHNOLOGY ON THE TURN OF THE MILLENNIUM * Zdenko PUHAN a) ABSTRACT

THE INFLUENCE OF THE EXTRUSION PROCESS AND HEAT TREATMENT ON THE PROPERTIES OF SOME AA6XXX EXTRUDED PROFILES

Poročilo o dimenzioniranju toplotne črpalke Stane Preveč - Ogrevanje Rešitev 1 - Atec 11

Vitor J. P. Vilar Principal Researcher Associate Laboratory LSRE/LCM Faculty of Engineering University of Porto

WATER-SOLUBLE CORES VERIFYING DEVELOPMENT TRENDS

THE IMPACT OF STAGNANT WATER ON THE CORROSION PROCESSES IN A PIPELINE

APPLICATION OF ELECTROCHEMICAL OXIDATION AS ALTERNATIVE FOR REMOVING METHYL GREEN DYE FROM AQUEOUS SOLUTIONS

Health Effects of Pharmaceuticals in the Water Supply: A Knowledge Synthesis

ARTIFICIAL AGGREGATE FROM SINTERED COAL ASH

Journal of Engineering Science and Technology Review 9 (1) (2016) Research Article

EXAMINATION OF AI-2 QUORUM SENSING SYSTEM IN Prevotella bryantii AND Prevotella ruminicola-like STRAINS BY USING BIOLUMINISCENCE ASSAY

Dissolution of iron in aluminium alloys. Raztapljanje železa v aluminijevih zlitinah

CHARACTERISTICS OF ORGANIC FOOD CONSUMERS IN URBAN REGIONS OF LJUBLJANA AND OSTRAVA

Potential of Advanced Oxidation Processes (AOP) for Simultaneous Disinfection and Polishing of Drinking Water

DESULPHURIZATION OF THE HIGH-ALLOY AND MIDDLE-ALLOY STEELS UNDER THE CONDITIONS OF AN EAF BY MEANS OF SYNTHETIC SLAG BASED ON CaO-Al 2 O 3

THE PREPARATION OF MAGNETIC NANOPARTICLES BASED ON COBALT FERRITE OR MAGNETITE

Oxidation of dissolved iron in platinum. Oksidacija železa, raztopljenega v platini

Degradation of a Textile Dye C. I. Direct Red 80 by Electrochemical Processes

Hardenability prediction based on chemical composition of steel. Napovedovanje prekaljivosti na osnovi kemične sestave jekla

Špela Baebler, Kristina Gruden Nacionalni inštitut za biologijo, Večna pot 111, 1000 Ljubljana,

Flow stresses and activation energy of BRCMO tool steel. Krivulje tečenja in aktivacijska energija za orodno jeklo BRCMO

THERMOMECHANICAL PROCESSING OF MICRO-ALLOYED STEEL

Optimization of COD and Colour Removal From Landfill Leachate by Electro-Fenton Method

PROPERTIES AND STRUCTURES OF BULK METALLIC GLASSES BASED ON MAGNESIUM

Electrochemistry Written Response

Electrochemical oxidation of chemi-thermo-mechanical pulping wastewater

Challenges in Urban Hydrogeology Examples from Berlin

Informacijska podpora pri obvladovanju tehničnih sprememb Information system support at Engineering Change Management

Available online at Scholars Research Library. Archives of Applied Science Research, 2011, 3 (2):

TADEJA ŠVAJGER MAGISTRSKA NALOGA

The Challenges of International Assignments

Presence of nanotechnology in agriculture: bibliometric approach

Unit 5 Review Electrolytic, Electrochemical Cells, Corrosion, & Cathodic Protection

COMBITECH. A. Forslund P. Fogh, E.J. Jurgensen, A. Dalsgaard, H.C. Bruun Hansen

Arheološki les - njegove lastnosti in raziskovalni potencial

Proceedings of the 14 th International Conference on Environmental Science and Technology Rhodes, Greece, 3-5 September 2015

Influence of process parameters on hydrogen content in steel melt

ROLE OF RESIDUAL STRESSES ON FRACTURE PROPERTIES OF UNDER-MATCHED BUTT WELD

Multi-objective power-generation scheduling: Slovenian power system case study

Study on the Treatment of Effluents from Paint Industry by Modified Electro-Fenton Process

MODELING THE DEEP DRAWING OF AN AISI 304 STAINLESS-STEEL RECTANGULAR CUP USING THE FINITE-ELEMENT METHOD AND AN EXPERIMENTAL VALIDATION

Wastewater Treatment Processes

TENSILE BEHAVIOUR AND FRACTOGRAPHY ANALYSES OF LM6/ZrO 2 COMPOSITES

INFLUENCE OF CHEMICAL ADDITIVES AND CURING CONDITIONS ON THE MECHANICAL PROPERTIES AND CARBONATION RESISTANCE OF ALKALI-ACTIVATED SLAG COMPOSITES

WATER REUSE MANAGEMENT

Zbornik gozdarstva in lesarstva 90 (2009), s

The hierarchy of leadership - chain of leadership

INTERNATIONAL JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES Volume 6, No 6, Copyright by the authors - Licensee IPA- Under Creative Commons license 3.

COMPARISON OF ENERGY REQUIREMENTS OF CONVENTIONAL OZONATION AND THE AOP O3/H2O2 FOR TRANSFORMATION OF TARGET MICROPOLLUTANTS IN DIVERSE WATER MATRICES

SALES-MARKETING INTERFACE, ITS CONFIGURATIONS AND EFFECTS: THE CASE OF US, DUTCH AND SLOVENIAN B2B FIRMS

Robust CTAB-activated charcoal protocol for plant DNA extraction

EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF Cr-V LEDEBURITIC STEEL

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA NINA BRUDAR. VPLIV KOBALT FERITNIH NANODELCEV NA RAST SONČNICE (Helianthus annuus L.

Applications of DIACHEM Electrodes in Electrolytic Water Treatment

Lower Cost Higher Performance Graphite for LIBs. Prepared by: Dr. Edward R. Buiel President and CEO Coulometrics, LLC. Date: March 23, 2017

Supporting Information. Electrochemical Formation of a p-n Junction on Thin Film Silicon Deposited in Molten Salt

Biodegradation of persistent polar pollutants in wastewater: comparison of an optimised lab-scale membrane bioreactor and activated sludge treatment

MODIFICATION OF THE INCLUSIONS IN AUSTENITIC STAINLESS STEEL BY ADDING TELLURIUM AND ZIRCONIUM

LIFE-Okolje demonstracijski projekt LIFE-Environment Demonstration Project LAYMAN REPORT LIFE 03 ENV/SL/ LIMNOTOP

doi: /v COBISS: 1.01 Agris category code: P30, P34

Process Analytical Technology How much oxygen is inside?

Application of a hybrid Electrocoagulation-Fenton process in yarn dye wastewater: Kinetic study

Material Evaporation Application Comment MP P / Optical films, Oxide films, Electrical contacts. Doping, Electrical contacts.

University of Zagreb, Faculty of Textile Technology, Prilaz baruna Filipovića 28a, Zagreb, Croatia 2

Sustainable Chemistry

Large-scale integration of distributed energy resources in power networks

Lecture 3 CE 433. Excerpts from Lecture notes of Professor M. Ashraf Ali, BUET.

Removal of Dye from Textile Wastewater by Electrolytic Treatment

Electrochemical Oxidation of Textile Industry Wastewater Using DSA In Tubular Reactor

Development of a Grey Water Treatment System

Synthesis and Evaluation of Electrocatalysts for Fuel Cells

Trivalent chromium plating, anode and cathode

1interakCije Med proteini ZAVIRALCI IN STABILIZATORJI INTERAKCIJ MED PROTEINI. INhIBITORS AND STABILIZATORS OF PROTEIN-PROTEIN INTERACTIONS

ELECTRODEPOSITION AND CHARACTERIZATION OF Cu-Zn ALLOY FILMS OBTAINED FROM A SULFATE BATH

Differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimetry (DSC) as a method of material investigation

DECISION SUPPORT SYSTEMS FOR THE CONTROL OF LATE BLIGHT (Phytophthora infestans) OF POTATO

Chemical degradation is not coupled with toxicity reduction in gamma-ray treatment of phenol

Evidence of Performance regarding the requirements for float glass according to EN 572

Acta Chim. Slov. 2005, 52, Scientific Paper. Received

Transcription:

4. konferenca z mednarodno udeležbo Konferenca VIVUS s področja kmetijstva, naravovarstva, hortikulture in floristike ter živilstva in prehrane»z znanjem in izkušnjami v nove podjetniške priložnosti«20. in 21. april 2016, Biotehniški center Naklo, Strahinj 99, Naklo, Slovenija 4th Conference with International Participation Conference VIVUS on Agriculture, Environmentalism, Horticulture and Floristics, Food Production and Processing and Nutrition»With Knowledge and Experience to New Entrepreneurial Opportunities«20th and 21th April 2016, Biotechnical Centre Naklo, Strahinj 99, Naklo, Slovenia Tehnologija elektrokemijske oksidacije za zmanjševanje odpadnih onesnažil v sledovih iz vode Tinkara Rozina Envit d.o.o., Slovenija, tinkara.rozina@envit.si Anita Klančar Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, Slovenija, anita.klancar@ffa.uni-lj.si Jurij Trontelj Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, Slovenija, jurij.trontelj@ffa.uni-lj.si Robert Roškar Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, Slovenija, robert.roskar@ffa.uni-lj.si Albin Kristl Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, Slovenija, albin.kristl@ffa.uni-lj.si Andrej Meglič Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Slovenija, Andrej.Meglič@bf.uni-lj.si Maša Čater Arhel d.o.o., Slovenija, masa.cater@arhel.si Neža Finžgar Envit d.o.o., Slovenija, neza.finzgar@envit.si Maja Zupančič Justin Arhel d.o.o., Slovenija, maja.justin@arhel.si Izvleček Nekateri ostanki zdravil in fitofarmacevtskih sredstev so zaradi svoje strukture v okolju biološko težko razgradljivi. Razlogi za pojavljanje izvornih učinkovin in njihovih bioaktivnih metabolitov so nenadzorovani izpusti iz industrije, ekskrecija, nepravilno odlaganje zdravil iz gospodinjstev in njihovo neučinkovito odstranjevanje v čistilnih napravah. V komunalnih čistilnih napravah se večkrat poleg primarne in sekundarne stopnje čiščenja izvaja tudi dezinfekcija vode s kloriranjem in UVsevanjem, ki sta v primeru zdravil in fitofarmacevtskih sredstev neučinkovita. Namen naše raziskave je bil testirati razgradljivost osmih zdravil in dveh fitofarmacevtikov v postopku elektrokemijske oksidacije z uporabo z borom dopirane diamantne elektrode (BDD). Preizkus smo opravili pri dveh pretokih in dveh koncentracijah mešanice učinkovin (10 in 100 µg/l vsake učinkovine). Vsebnost amoksicilina, ciprofloksacina, metoprolola, imatiniba, bisoprolola, fluoksetina, karbamazepina in diklofenaka pri koncentraciji 10 µg/l posamezne snovi koncentraciji, ki jo lahko pričakujemo v komunalnih odpadnih vodah, je po enournem tretiranju in gostoti toka 37,5 ma/cm 2 padla za več kot 80 %. Stopnja razgradnje pri višji koncentraciji je bila nižja, okrog 40 %. Primerjava pretokov je pokazala večjo razgradnjo pri hitrejšem pretoku (3,2 ml/s) kot pri počasnejšem (0,8 ml/s), kar je posledica boljšega odzračevanja in kontakta molekul onesnažil s hidroksilnimi radikali. Metoda 361

elektrokemijske oksidacije je pokazala obetavne rezultate in potencial za uporabo v končnih stopnjah čiščenja odpadnih voda. Ključne besede: čiščenje odpadne vode, elektrolitska celica, zdravilne učinkovine, fitofarmacevtiki, hidroksilni radikali, mikroonesnažila, z borom dopirana diamantna anoda Electrochemical oxidation technology for the reduction of refractory trace pollutants from water Abstract Some pharmaceuticals (P) and phytopharmaceuticals (PP) are due to their chemical structure slowly biodegradable pollutants in the environment. The reasons for occurrence of original molecules and their bioactive metabolites in waters include uncontrolled discharges from industry, excretion, improper disposal of medicines from households and ineffectiveness of wastewater treatment plants. Specifically disinfection of water with chlorination and UV radiation, which is carried out in sewage treatment plants in addition to primary and secondary wastewater treatment, is often ineffective for degradation of P and PP and their metabolites. The aim of our study was to examine the removal of eight P and two PP by using anode electrochemical oxidation with boron-doped diamond anode (BDD). Tests were carried out at two flows and two mixtures with different concentrations of active ingredients (10 in 100 µg/l of each ingredient). The concentration of 10 µg/l of amoxicillin, ciprofloxacin, metoprolol, imatinib, bisoprolol, fluoxetine, carbamazepine and diclofenac, which is typically expected in sewage, decreased by more than 80% after one-hour treatment using 37.5 ma/cm 2 current density. The removal efficiency at higher concentration was lower, around 40%. Higher degradation rate was observed in faster (3.2 ml/s) compared to slower flow rate (0.8 ml/s). This can be contributed to better de-aeration and contact of molecules with hydroxyl radicals. Electrochemical oxidation showed promising results and potential for application in the final steps of wastewater treatment. Key words: boron doped diamond anode, electrolytic cell, hydroxyl radicals, micropollutants, pharmaceuticals, phytopharmaceuticals, wastewater treatment 1 Uvod O odpornih (refraktornih) oziroma nerazgradljivih onesnažilih govorimo takrat, ko so le-ta biološko nerazgradljiva ali celo toksična za mikroorganizme. Po navadi gre za organske molekule z močnimi vezmi in aromatskimi obroči, kot so fitofarmacevtska sredstva (pesticidi, herbicidi), različne industrijske kemikalije, fenolne spojine in druge spojine ogljikovodikov s klorom. V uporabi je tudi vse več zdravil v humani medicini in veterini. Vse več poročil govori o pojavljanju ostankov zdravil (izvornih učinkovin in njihovih bioaktivnih metabolitov) v okolju. Do izpustov v okolje prihaja zaradi nepravilnega odlaganja viškov zdravil v gospodinjstvih in bolnišnicah, nenadzorovanih izpustov iz proizvodnje, ekskrecije z urinom in blatom po zaužitju pri ljudeh in živalih, uporabe zdravil v ribogojnicah in navsezadnje zaradi njihovega neučinkovitega odstranjevanja v čistilnih napravah. Danes govorimo o novo pojavljajočih se onesnažilih v okolju, saj so se mnoga pojavila v okolju šele nedavno, z začetkom njihove rabe v medicini. Eden od razlogov za njihovo pozno prepoznavo so omejitve analitskih metod, saj se le-ti pogosto pojavljajo v ekstremno nizkih koncentracijah. Zato jih imenujemo tudi mikroonesnažila. Obstaja veliko poročil o prisotnosti zdravilnih učinkovin v iztokih komunalnih čistilnih naprav (Huerta-Fontela et. al., 2011; Richardson et al., 2014; Zuccato et al., 2011), kjer prihaja do njihove nepopolne odstranitve po procesih sorbcije, biorazgradnje, fotorazgradnje in ostalih procesih, ki se 362

izvajajo v fazah primarne in sekundarne stopnje čiščenja odpadnih voda (npr. koagulacija, izhlapevanje, adsorpcija, sedimentacija, filtracija). Danes je že splošno sprejeto, da lahko stalna povišana prisotnost antibiotikov v okolju povečuje rezistenco mikroorganizmov nanje (Lindberg et al., 2004). Nekatera zdravilne učinkovine delujejo kot endokrini motilci na ljudi in živali (Westerhoff et al., 2005). Poleg tega je zelo težko predvideti njihovo učinkovanje in strupenost ob njihovem pojavljanju v okolju v kompleksnih mešanicah. Navedena dejstva kažejo potrebo po celoviti odstranitvi zdravil in njihovih metabolitov iz vode, da bi se izognili njihovim negativnim učinkom na zdravje. V komunalnih čistilnih napravah velikokrat izvajajo poleg primarne in sekundarne stopnje čiščenja tudi dezinfekcijo vode pred njenim izpustom v okolje. V ta namen se uporabljata kloriranje in UVsevanje, ki pa nista učinkovita pri razgradnji obstojnih organskih onesnažil, kot so ostanki zdravilnih učinkovin v vodah (Khetan in Collins, 2007; Suárez et al., 2008; Sires in Brillas, 2012). Za učinkovitejša sta se izkazala ozoniranje in uporaba naprednih oksidacijskih postopkov (AOP, ang. advanced oxidation processes). V okviru AOP govorimo o kemijskih, fotokemijskih in elektrokemijskih metodah, ki temeljijo na tvorbi pretežno hidroksilnih radikalov, ki nastajajo neposredno iz vode. Delujejo kot ključni oksidacijski agensi v razgradnji onesnažil. Hidroksilni radikali so zelo močni oksidanti, sposobni neselektivne reakcije z večino organskih spojin, ki lahko vodi preko hidroksilacije ali dehidrogenacije do njihove končne mineralizacije. V prispevku smo predstavili rezultate laboratorijskih preiskav preizkusa razgradljivosti zdravilnih učinkovin in fitofarmacevtskih sredstev z elektrokemijsko oksidacijo. Testiranje je potekalo pri dveh različnih pretokih in dveh različnih koncentracijah mešanice izbranih spojin. Namen laboratorijskih testiranj je bil ovrednotiti potencial elektrolitske celice za njeno uporabo v zadnji stopnji čiščenja odpadne vode, v kateri so še vedno pričakovane povišane vrednosti zdravil. Predstavili smo osnovni potek reakcij v procesu elektrokemijske anodne oksidacije. Rezultati analiz predstavljajo pripravljalni del aktivnosti v okviru projekta LIFE PharmDegrade Razgradnja zdravilnih učinkovin iz odpadnih voda domov za ostarele in bolnišnic. 2 Materiali in metode Laboratorijske poskuse smo izvajali z uporabo embalirane vode Dana, ki smo ji dodali izbrane koncentracije snovi, ki so jih v zadnjem času pogosto zaznali v vodnih telesih in odpadnih vodah. Uporabili smo standarde osmih aktivnih zdravilnih učinkovin: amoksicilin, ciprofloksacin (antibiotika), metoprolol, bisoprolol (beta-blokatorja), fluoksetin (antidepresiv), karbamazepin (antileptik), klofibrinska kislina (fibrat) in diklofenak (antirevmatik) dobaviteljev Sigma-Aldrich in AppliChem GmbH (oboje Nemčija) in Sequoia Researcher products (Velika Britanija) in dveh fitofarmacevtikov, atrazina in simazina (Sigma-Aldrich, Nemčija). Pripravili smo čiste raztopine analitov, pri čemer smo s precizno tehtnico (Mettler Toledo, ZDA) natehtali 5,0 mg posameznega analita in ga raztopili v 5,0 ml metanola do koncentracije 1 mg/ml. Z nadaljnjim redčenjem z vodo Dana smo dosegli končne želene koncentracije analitov: 10 in 100 µg/l. Analiza vzorcev je potekala na tekočinskem kromatografu ultravisoke zmogljivosti (UHPLC) Agilent Infinity 1290, sklopljenim z masnim detektorjem vrste trojni kvadrupol Agilent 6460 (Agilent Technologies, ZDA). Kromatografski pogoji so bili enotni za vse analite, nastavitve masnega analizatorja pa so se razlikovali glede na posamezni analit. Preostale osnovne fizikalno-kemijske parametre (ph, temperaturo) smo spremljali z Multi 3430 set F (WTW, Nemčija). Kemijsko potrebo po kisiku smo izmerili s pomočjo testa Nanocolor (Machery-Nagel, Nemčija). Tretiranje vode je potekalo v enokomorni elektrolitski celici z ohišjem iz pleksi stekla (Arhel d.o.o., Slovenija). Elektrolitsko celico sta sestavljali dve elektrodi površine 8 cm 2, postavljeni 2 mm narazen (slika 1). Anodo je predstavljala z borom dopirana diamantna (BDD) elektroda (Diachem, Condias, Nemčija), katodo pa elektroda iz nerjavnega jekla. Delovni volumen elektrolitske celice je znašal 1,6 363

ml. Vsakokrat smo tretirali 0,5 L vzorca. Pretok (0,8 ml/s in 3,2 ml/s) smo uravnavali s pomočjo peristaltične črpalke Masterflex EW-07553-75 (Cole-Parmer, ZDA). Vir enosmernega električnega toka je bil napajalnik GPS-4303 (Gwinstek, Kitajska). Gostota toka je znašala 37,5 ma/cm 2. Poskusi so bili izvedeni pri sobni temperaturi. V prispevku so prikazani rezultati zmanjšanja koncentracije posamezne učinkovine v vzorcih vode, odvzetih po 10, 30 in 60 minutah tretiranja. Mešanico z nizko koncentracijo (10 g/l) posamezne učinkovine smo tretirali pri pretoku 0,8 ml/s, mešanico z 10-krat višjo koncentracijo učinkovin pa pri pretoku 0,8 in 3,2 ml/s. Vsak poskus smo izvedli v dveh ponovitvah. Slika 1: Na levi strani je prikazana skica razstavljene elektrolitske celice z vidnim vtočnim (6) ter iztočnim cevnim priključkom (7), BDD (4) in nerjavno elektrodo (2) ter vmesnim distančnikom iz pleksi stekla (3), ki zagotavlja 2 mm razmik med elektrodama. Prednja (1) in hrbtna nosilna plošča (5) iz pleksi stekla predstavljata ohišje celice; na desni strani slike je prikazana elektrolitska celica v operativnem stanju. 3 Rezultati in razprava 3.1 Osnovni procesi elektrokemijske anodne oksidacije pri odstranjevanju kompleksnih organskih onesnažil V zadnjem času je bilo opravljenih veliko raziskav, ki se nanašajo na ozonacijo vode in različne AOP pri obdelavi vode, obremenjene z obstojnimi organskimi onesnažili, kot so ostanki zdravil. AOP nastopajo v različnih kombinacijah, od kemijskih AOP (s kombinacijo uporabe O 3 /H 2 0 2 in Fentonovega reagenta (Fe 2+ /H 2 0 2 ), ultrazvoka) in fotokemijskih AOP (z uporabo O 3 /UV, H 2 0 2 /UV, foto-fentonove reakcije (Fe 2+ / H 2 0 2 /UV) in UV/TiO 2 katalize), izvajanih samostojno ali v kombinaciji s fizikalno-kemijskimi in biološkimi metodami čiščenja vode. V prispevku predstavljamo rezultate elektrokemijskega AOP anodne oksidacije z uporabo BDD anode. Med preostala dva elektrokemijska AOP štejemo še elektro-fentonov proces (EF) in foto-elektro-fentonov proces (FEF) kot možna načina za odstranjevanje zdravilnih učinkovin. V zadnjih treh primerih gre za uporabo električne energije za razgradnjo oziroma oksidacijo onesnažil v vodi. Za razliko od slednjih poznamo tudi tehnologije elektroseparacije, ki omogočajo odstranitev molekul onesnažil iz vodnega medija brez spremembe njihove kemijske strukture, kot so npr. elektrodializa, elektrokoagulacija in interna mikroelektroliza (Sires in Brillas, 2012). Najpogosteje uporabljeni elektrokemijski pristop v remediaciji odpadne vode je elektrokemijska oksidacija, poimenovana tudi anodna oksidacija, katere rezultate predstavljamo v nadaljevanju. V procesu prihaja do oksidacije onesnažila v elektrolitski celici z (i) neposrednim prehajanjem elektronov na anodo in (ii) s posredno povzročeno oksidacijo preko heterogene skupine reaktivnih oksidativnih spojin (ROS), ki nastajajo ob razpadu vode na anodi, kot so fizisorbirani hidroksilni radikali ( OH) (fizikalna vezava OH na elektrodo) ali kemisorbiran (kemijsko vezan)»aktivni kisik«(sires in Brillas, 2012). Tvorba ROS tako omogoča delno pretvorbo obstojnih organskih molekul v 364

lažje razgradljive oblike kot tudi njihovo popolno mineralizacijo. Razlike v nastajanju fizisorbiranih in kemisorbiranih oblik si razlagamo z modelom»aktivnih«in»neaktivnih«anod (Comninellis, 1994; Sires in Brillas, 2012). Tako so Pt, IrO 2, in RuO 2 predstavnice aktivnih, PbO 2, SnO 2 in BDD pa»neaktivnih«anod. V obeh primerih elektrod (označeno z M v formulah) prihaja z oksidacijo vode do tvorbe fizisorbiranih hidroksilnih radikaov (M( OH)) v reakciji (1). Pri»aktivnih«anodah prihaja nadalje do močne interakcije OH s površino elektrode in do njegove pretvorbe v»aktivni kisik«oziroma superoksid (označen MO v reakciji (2)). Organska molekula (R) tako reagira s kemisorbiranim aktivnim kisikom na aktivni elektrodi, kot je označeno v formuli (3). M + H 2 O M( OH) + H + + e - (1) M( OH) MO + H + + e - (2) MO + R M + RO (3) Pri»neaktivnih«anodah, kot je BDDA, je interakcija OH s površino anode zelo šibka, zaradi česar lahko adsorbirani OH neposredno reagirajo z organskimi molekulami do njihove končne mineralizacije. V anodni oksidaciji nastajajo tudi druge ROS, kot sta H 2 O 2 in O 3 (formuli 4 in 5), peroksodisulfat, peroksodikarbonat in peroksodifosfat ob prisotnosti sulfatov, karbonatov in fosfatov v vodi, pri čemer je fizisorbiran OH najmočnejši oksidant. BDD anoda je poznana kot najmočnejša»neaktivna«elektroda z najvišjim potencialom tvorbe OH. 2M( OH) 2MO + H 2 O 2 (4) 3H 2 O O 3 + 6H + + 6e - (5) Če odpadna voda vsebuje kloridne ione, prihaja v procesu anodne oksidacije tudi do tvorbe aktivnih klorovih spojin, kot so Cl 2, HClO, ClO - in ClO 2 -, ki lahko razgrajujejo organske spojine skupaj s preostalimi ROS (Panizza in Cerisola, 2009; Sires in Brillas, 2012). Proces se v tem primeru imenuje elektrooksidacija z aktivnim klorom. Ravnovesje med hipoklorovo kislino (HClO) in hipokloritnim ionom (ClO - ) je ph odvisno. Možnost nastanka in akumulacije derivatov klora, trihalometanov in kloroaminov predstavlja eno od omejitev uporabe elektrooksidacijske metode ob prisotnosti aktivnega klora, oziroma potrebo po njihovi odstranitvi pred izpustom v okolje oziroma nadaljnjo rabo vode. Nastajanje ROS v procesu anodne oksidacije je tako še posebej pri odpadni vodi z vsebnostjo različnih snovi zelo kompleksno. Stopnja razgradnje posamezne organske molekule je tako odvisna od ph vode, temperature, mešanja, koncentracije prisotnega onesnažila in navsezadnje gostote dovedenega električnega toka in časa izpostavitve elektrokemijski oksidaciji. 3.2 Rezultati tretiranja mešanice zdravilnih učinkovin v postopku elektrokemijske anodne oksidacije Temperatura vzorcev se je med 60-minutnim tretiranjem v povprečju povišala za 5 C, ph pa se je znižal za 0,5 (s 7,6 na 7,1). Z naraščanjem časa izpostavitve elektrokemijski oksidaciji se je zmanjševala koncentracija vseh opazovanih onesnažil pri obeh pretokih in koncentracijah. V primeru ciprofloksacina, diklofenaka in amoksicilina smo izmerili stoodstotni upad koncentracije. Po desetih minutah tretiranja v koncentracijskem območju 10 g/l so bile njihove koncentracije skoraj nezaznavne, medtem ko je bil potreben daljši čas tretiranja za zmanjšanje koncentracij preostalih snovi. Pri fitofarmacevtskih sredstvih, atrazinu in simazinu je bila razgradnja pri pretoku 0,8 ml/s in koncentracijah učinkovin 10 g/l tudi po 60 minutah le okoli 50 %, pri višjih koncentracijah (100 g/l) pa je razgradnja še nižja. Podobno velja tudi za klofibrinsko kislino, kar potrjuje povezavo med strukturo in odpornostjo snovi proti razgradnji oziroma njihovem potencialu oksidacije. Iz dobljenih rezultatov je razvidno, da se delež zmanjšanja koncentracije posamezne snovi oziroma učinkovitost 365

% zmanjšanja koncentracije Konferenca VIVUS, 20. in 21. april 2016, Biotehniški center Naklo, Strahinj 99, Naklo, Slovenija razgradnje razlikuje za vsako izbrano snov. Nekatere spojine so zelo reaktivne, medtem ko so druge zelo odporne proti oksidativni razgradnji. Za višji odstotek odstranitve bi potrebovali daljši čas tretiranja in/ali višjo gostoto toka, da bi proizvedli zadostno količino OH oziroma ROS za razgradnjo molekul z močnimi vezmi. Mešanica s 100 g/l posamezne snovi je predstavljala zelo visoko kemijsko obremenitev vode, in sicer 1890 mg O 2 /L, za oksidacijo katere dana količina nastalih OH v okviru 60-minutnega poskusa ni zadostovala. Pri mešanici z 10 g/l posamezne snovi je bila kemijska obremenitev 200 mg O 2 /L. Sposobnost doseganja zadovoljive razgradnje težko razgradljivih molekul z višjo gostoto toka in daljšim časom tretiranja so potrdili v študiji Sires et al. (2006), kjer so dosegli skoraj 100-odstotno razgradnjo klofibrinske kisline po 260 minutah in gostoti toka 100 ma/cm 2. Učinkovitost razgradnje so povečali tudi z dodatkom H 2 SO 4 kot elektrolita (Polcaro et al., 2005). Ob tem nastajajo persulfatni ioni, ki so sicer šibkejši, vendar dolgoživ oksidant. V sintetični mešanici s 100 g/l posamezne snovi smo zasledili v splošnem večji delež razgradnje pri hitrejšem pretoku (3,2 ml/s, slika 2 C) kot pri počasnejšem pretoku vode (0,8 ml/s, slika 2 B). Razlog lahko pripišemo večji turbulenci vodnega toka ob večjem pretoku in s tem večji možnosti stika raztopljenih molekul s OH, ki so v le rahli interakciji z BDD anodo (Sires in Brillas, 2012). Poleg tega se ob večjem pretoku bolje odstranjujejo plini, ki nastajajo v procesu elektrolize, ki sicer negativno vplivajo na učinkovitost razgradnje, ker zmanjšujejo delovno površino elektrod. 4 Zaključki Laboratorijska testiranja učinkovitosti elektrolitske celice, opremljene z BDD anodo in katodo iz nerjavnega jekla, so pokazala obetavne rezultate za razgradnjo zdravilnih in fitofarmacevtskih učinkovin. Po 60 minutah tretiranja, gostoti toka 37,5 ma/cm 2 in koncentraciji posamezne snovi 10 g/l, ki jo lahko pričakujemo tudi v odpadnih vodah, je koncentracija amoksicilina, ciprofloksacina, metoprolola, imatiniba, bisoprolola, fluoksetina, karbamazepina in diklofenaka padla za več kot 80 %. V nadaljnjih testiranjih elektrodnih materialov, pretokov, jakosti napajanja z električno energijo kot tudi stopnje in načina predčiščenja odpadne vode bomo optimizirali elektrolitsko razgradnjo tudi pri visoki kemijski obremenitvi vode. A: 0,8mL/s; 10 g/l 100 80 60 40 20 0 366

% zmanjšanja koncentracije % zmanjšanja koncentracije Konferenca VIVUS, 20. in 21. april 2016, Biotehniški center Naklo, Strahinj 99, Naklo, Slovenija B: 0,8 ml/s; 100 µg/l 100 80 60 40 20 0 C: 3,2 ml/s; 100 g/l 100 80 60 40 20 0 Slika 2: Učinkovitost zmanjšanja koncentracije desetih zdravilnih učinkovin (FA) po 10, 30 in 60 minutah pretoka 0,5 L raztopine skozi elektrolitsko celico z delovnim volumnom 1,6 ml, opremljeno z borom dopirano diamantno anodo in katodo iz nerjavnega jekla, v treh eksperimentalnih pogojih: (A) pretok 0,8 ml/s; koncentracija FA 10 g/l, (B) pretok 0,8 ml/s; koncentracija FA 100 g/l in (C) pretok 3,2 ml/s; koncentracija FA 100 g/l ZAHVALA Raziskave smo opravili v okviru projekta LIFE+: LIFE13 ENV/SI/000466 PharmDegrade: Degradation of pharmaceuticals in wastewaters from nursing homes and hospitals, http://lifepharmdegrade.arhel.si/. Tehničnemu delu ekipe Arhela se zahvaljujemo za pomoč pri izdelavi laboratorijske postavitve elektrolitske celice z napajalnikom. Literatura in viri Comninellis, C.H. Electrocatalysis in the electrochemical conversion/combustion of organic pollutants for waste water treatment. Electrochimica Acta, 1994, 39, 1857 1862. Zuccato, E., Castiglioni, S., Fanelli R. Identification of the pharmaceuticals for human use contaminating the Italian aquatic environment. Journal of Hazardous Materials, 2005, 122, 205 209. 367

Khetan, S. K., Collins. T.J. Human pharmaceuticals in the aquatic environment: a challenge to green chemistry. Chem. Rev., 2007. 107, 2319 2364. Huerta-Fontela, M., Galceran M.T., Ventura, F. Occurrence and removal of pharmaceuticals and hormones through drinking water treatment. Water Research, 2011, 45, 1432 1442. Panizza, M., Cerisola, G. Direct and mediated anodic oxidation of organic pollutants. Chem. Rev., 2009, 109, 6541 6569. Polcaro, A.M., Vacca, A., Mascia M., Palmas, S. Oxidation at boron doped diamond electrodes: an effective method to mineralise triazines. Electrochimica Acta, 2005, 50, 1841 1847. Westerhoff, P., Yeomin, Y., Snyder, S., Wert, E. Fate of enocrine-distruptor, pharmaceutical, and personal care product chemicals during simulated drinking water treatment processes. Environ. Sci. Technol, 2005, 39, 6649 6663. Lindberg, R., Jarnheimer, P., Olsen, B. Johansson, M. Tysklind, M. Determination of antibiotic substances in hospital sewage water using solid phase extraction and liquid chromatography/mass spectrometry and group analogue internal standards. Chemosphere, 2004, 57, 1479 1488. Richardson, S. D., Ternes, T. A. Water Analysis: Emerging Contaminants and Current Issues. Anal. Chem., 2014, 86, 2813 2848. Sirés, I., Brillas, E. Remediation of water pollution caused by pharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradation technologies: A review. Environment International, 2012 40, 212 229. Sirés, I., Cabot, P.L., Centellas, F., Garrido, J.A., Rodríguez, R. M., Arias, C., Brillas, E. Electrochemical degradation of clofibric acid in water by anodic oxidation: Comparative study with platinum and boron-doped diamond electrodes. Electrochimica Acta, 2006, 52, 75-85. Suárez, S., Carballa, M., Omil, F., Lema, J.M. How are pharmaceutical and personal care products (PPCPs) removed from urban wastewaters? Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 2008, 7, 125 138. 368