مقاله اصیل

 

 

 

بررسی فرایند ازن­زنی کاتالیزوری با کربن فعال اصلاح شده با MgOدر حذف مترونیدازول از محلول­های آبی درراکتوربسترسیال

 

اشکان عبدلی¹ ، رضا شکوهی²، عبدالمطلب صید محمدی³، قربان عسگری^*3

¹دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی همدان

² دانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط،دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی همدان

³ استادیار گروه مهندسی بهداشت محیط،دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی همدان

 

*نشانی نویسنده مسئول: همدان، بلوار شهید فهمیده، دانشگاه علوم پزشکی همدان، دانشکده بهداشت، گروه مهندسی بهداشت محیط، دکتر قربان عسگری

E-mail: asgari@umsha.ac.ir

 

وصول:7/7/94، اصلاح:11/8/94، پذیرش:25/10/94

 

مقدمه

آنتی بیوتیک­ها گروهی از داروهای قوی هستند که برای درمان بیماری­های عفونی انسان­­ها و حیوانات استفاده شده و حدود 15 درصد از کل داروهای مصرفی دنیا را به خود اختصاص می­دهند (1, 2). آنتی­بیوتیک­ها پس مصرف به مقدار اندکی در بدن متابولیزه شده و در نتیجه بخش عمده­ای از این ترکیبات از بدن دفع شده و وارد محیط زیست می­شوند (3). تاکنون مطالعات مختلفی نشان داده­اند که آنتی­بیوتیک­ها در محیط­های طبیعی از قبیل آب­های سطحی، آب­های زیرزمینی، خاک و همچینین فاضلاب­ها و آب آشامیدنی حضور دارند (2).

آنتی­بیوتیک­ها از 2 دو طریق کلی اثرات منفی بر محیط زیست می­گذارند؛ یکی تاثیر بر جانوران غیر هدف و دیگری ایجاد مقاومت در باکتری­ها (4). استاندارد سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا برای حضور این ترکیبات در پساب تصفیه شده 1 میلی­گرم در لیتر می­باشد (1). مترونیدازول یکی از انواع آنتی­بیوتیک­های نیترومیدازول بوده که به طور گسترده­ای برای عفونت­های ناشی از باکتری­های بی­هوازی و پروتوزوآهایی مانند ژیاردیا لامبلیا و تریکوموناس واژینالیس استفاده می­شود (5). مترونیدازول در مقادیر بالا به طور بالقوه سرطان­زا و جهش­زا می­باشد (6). مترونیدازول در آب خاصیت حلالیت بالا و قابلیت تجزیه­پذیری کمی دارد و توسط روش­های معمول تصفیه به خوبی حذف نمی­شود (7).

کاربرد روش­های مختلفی از قبیل جذب(8)، اکسیداسیون فتوشیمیایی(9)، الکتروفنتون(10) و روش­های بیولوژیکی (11) برای حذف مترونیدازول گزارش شده است. ازن اولین بار در قرن 19 میلادی در اروپا و پس از آن در آمریکا، کانادا و سایر نقاط دنیا نیز مورد استفاده قرار گرفت (12). فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته به منظور تصفیه آلاینده­های مقاوم به تجزیه بیولوژیکی مانند آنتی­بیوتیک­ها فرایندهای مناسبی هستند(1،13). یکی از فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته، فرایند ازن­زنی کاتالیزوری (Catalytic ozonation processes  :COPs) می­باشد که در آن یک ماده جامد که نقش کاتالیزور را دارد به فرایند ازناسیون افزوده شده و در نتیجۀ این عمل ازن تجزیه و رادیکال­های فعال ایجاد می­شود و در واقع استفاده از کاتالیزور، عمده­ترین مشکلات فرایند ازن­زنی تنها را که عبارتند از قابلیت انحلال پایین ازن در آب، پایداری کم آن در آب و واکنش آهسته با برخی از ترکیبات آلی را از بین می­برد (15,14). از دیگر عواملی که فرایند ازن­زنی کاتالیزوری را مورد توجه محققین قرار داده است می­توان به بهره­برداری ساده، هزینه پائین و زمان کوتاه اشاره کرد (16). همچنین در فرایند ازن زنی کاتالیزوری یکی از مهمترین مشکلات ازن زنی تنها و سایر روش های اکسیداسیون پیشرفته که عبارت است از کاهش شدید راندمان ناشی از عوامل مصرف کننده رادیکال هیدروکسیل، کاهش یافته و این فرایند کمتر تحت تاثیر این عوامل قرار می گیرد (17). اکسیدهای فلزی به علت سطح بالا و هزینه احیا و تولید پایین، پتانسیل بالایی برای کاربرد در تصفیه آب و فاضلاب دارند و در بین خانوادۀ بزرگ اکسیدهای فلزی اکسید منیزیم یک مادۀ با کاربرد گسترده می­باشد. علاوه بر ویژگی های گفته شده برای اکسیدهای فلزی، MgO دارای ویژگی هایی از قبیل از ضد باکتریایی و جذب و تخریب مواد سمی می باشد (18). تا بحال در مطالعات مختلفی کاربرد این اکسیدفلزی در فرایند ازن زنی کاتالیزوری ارائه شده است که می توان به استفاده از نانوذرات MgO به عنوان کاتالیزور در فرایند ازن زنی کاتالیزوری در حذف مترونیدازول (19)، استفاده از MgO همراه با آهن به عنوان کاتالیزور در فرایند ازن زنی کاتالیزوری در حذف اسیدهیومیک (20) و استفاده ازMgO همراه با کربن فعال به عنوان کاتالیزور در فرایند ازن زنی کاتالیزوری اشاره نمود (21).

تاکنون چندین مطالعه از کاربرد MgO به عنوان کاتالیزور در فرایند ازن زنی کاتالیزری به تنهایی و یا با آهن یا کربن فعال گزارش شده است . هدف از این مطالعه استفاده از کربن فعال پوشش داده شده با MgOبه روش پوشش دهی عمقی به عنوان کاتالیزور در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری به منظور حذف آنتی­بیوتیک مترونیدازول از محیط­های آبی می­باشد.

 

مواد و روش­ها

در این مطالعه از مترونیدازول محصول شرکت زیگما آلدریچ برای تهیه نمونه­ها استفاده شده است. سایر مواد استفاده شده از شرکت مرک آلمان تهیه شده است. از روش پوشش دهی عمقی به منظور اصلاح کربن فعال با MgO استفاده شد که بر طبق آن 55/52 گرم از نیترات منیزیم را در یک لیتر آب مقطر حل و 3 میلی لیتر سود (1 نرمال) به آن افزوده شد.

 

شکل 1: شماتیک راکتور مورد استفاده در فرآیند       شکل2: طیف FTIR برای کربن فعال(الف) و کربن فعال اصلاح شده با MgO(ب)

مخلوط حاضر به مدت 5 دقیقه هم زده شد و سپس 50 گرم کربن فعال گرانوله محصول شرکت مرک(با مش 20-40) را در محلول ریخته و به مدت یک ساعت هم­زده شد و یک ساعت دیگر به حالت سکون قرار گرفته و مایع رویی آن تخلیه شد. گرانول­های کربن فعال پوشیده شده با هیدروکسید منیزیم به مدت 3 ساعت در دمای 100 درجه سانتی­گراد قرار گرفت تا خشک شود. سپس به مدت 2 ساعت در دمای 500 درجه سانتی­گراد قرار گرفته تا کلسینه شوند (21). همچنین پس از تهیۀ کاتالیزور، pH_zpcآن به عنوان یکی از مهمترین خصوصیت کاتالیزورها تعیین شد (22).برای ازن­زنی نمونه­ها از دستگاه اکسیژن ساز شرکت پرسا مدل  7F-3و دستگاه مولد ازن محصول شرکت آردا فرانسه مدل COG-1A با ظرفیت 5 گرم ازن در ساعت و در یک راکتور با ظرفیت 250 میلی­لیتر استفاده شد. غلظت مترونیدازول با استفاده از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا مجهزبه (UV/VIS) و ستون C18 در طول موج 230 نانومتر قرائت شد. فاز متحرک ترکیبی با درصد حجمی 20 به 80 از استونیتریل و آب با دبی 1 میلی­لیتر در دقیقه و حجم تزریق 20 میکرولیتر می­باشد (19).­ در این مطالعه علاوه بر تعیین طیف FTIR به منظور تعیین گروه های عاملی سطحی کاتالیزور، تاثیر pH(3، 5، 7 و 12)، زمان واکنش(5 تا 60 دقیقه)، دوز کاتالیزور(25/0 تا 2 گرم برلیتر) و تاثیر ترت بوتانول(3/0گرم بر لیتر) و فسفات(5میلی مول) تحت تاثیر میزان ازن تولیدی 5 گرم بر ساعت بر راندمان حذف تعیین شد.

 

یافته­ها

تعیین طیف FTIR کربن فعال و کربن فعال اصلاح شده

طیف FTIRبرای کربن فعال (شکل 1-الف) و کربن اصلاح شده با MgO(شکل 1- ب) نشان داده شده است. این طیف­ها نشان می­دهند که مهمترین پیک­ها در فرکانس­های 3620cm^-1 و نشان دهندۀ باند O-Hو گروه عاملی فنلی، چندین پیک در محدودۀ 3000 تا 3500 cm^-1 که مربوط می­شوند به گروه­های هیدروکسیل آزاد و باند شده، چند پیک در محدودۀ 1600 تا 1800 cm^-1که مربوط می­شوند به گروه­های عاملی آروماتیکی، آلکنها و کربنیل­ها همچنین پیک­های قبل از 1000 cm^-1 مربوط به گروه­های عاملی آلکنها، آروماتیک­ها، اورگانوهالوژن­ها و آلکیل­ها می­شود (21, 23, 24). همچنین می­توان گفت که گروه­های عاملی فنلی و آروماتیک، اصلی­ترین گروه­های عاملی سطح کاتالیزور تهیه شده می­باشند.

تأثیر pH اولیه محلول بر حذف مترونیدازول:

مطابق با نمودار 1 مشاهده می­شود که pH تاثیر قابل ملاحظه­ای در راندمان حذف مترونیدازول دارد بطوریکه راندمان حذف برای ازن­زنی کاتالیزوری از 34 درصد در pH 3 تقریباٌ به طور خطی افزایش یافته و به میزان 51 درصد در pH 12 می­رسد. همچنین این نتایج نشان می­دهند که در تمامی pHها، ازن­زنی کاتالیزوری عملکرد بهتری را نسبت به ازن­زنی تنها از خود نشان می­دهد. با توجه به اینکه راندمان حذف در pH 12 نسبت به pH 10 افزایش چشمگیری نداشته است و همچنین با توجه به مسائل اقتصادی، pH بهینه را 10 در نظر گرفته و ادامه آزمایشات در این pH انجام گرفت. همچنین در این مطالعه مقدار pH_zpc­برابر با 12.1 بدست آمد.

تأثیر زمان واکنش بر حذف مترونیدازول

همانظور که مشاهده می­شود که راندمان حذف مترونیدازول مطابق انتظار با افزایش زمان زیاد می­شود به طوریکه راندمان از 9/30 درصد در زمان 5 دقیقه به 4/64 درصد در زمان 30 دقیقه رسیده و پس از آن با سرعت کمی افزایش می­یابد بطوریکه بعد از 60 دقیقه راندمان به 3/71 درصد می­رسد. باید توجه داشت که فرایند ازن­زنی تنها درمقایسه با فرایند ازن­زنی کاتالیزوری در مدت زمان بیشتری به مقدار بهینه حذف مترونیدازول رسید. با توجه به اینکه در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری با افزایش زمان از 30 به 60 دقیقه راندمان افزایش کمی داشته است (حدود 6 درصد) لذا زمان 30 دقیقه به عنوان زمان بهینه برای انجام آزمایش­ها در نظر گرفته ­شد.

تأثیر دوز کاتالیزور بر روی حذف مترونیدازول

 

نمودار 1: تاثیر pH اولیه محلول در حذف مترونیدازول در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری و ازن­زنی تنها(غلظت اولیه مترونیدازول 40 میلی­گرم برلیتر،دوز کاتالیزور 1 گرم بر لیتر و زمان تماس 20 دقیقه)   نمودار 2: تاثیر زمان واکنش در حذف مترونیدازول در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری و ازن زنی تنها(غلظت مترونیدازول 40 میلی­گرم بر لیتر، دوز کاتالیزور 1 گرم بر لیتر برای فرایند ازن­زنی کاتالیزوری و pH برابر با 10)   نمودار 3: تأثیر دوز کاتالیزور در حذف مترونیدازول در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری(غلظت مترونیدازول 40 میلی­گرم بر لیتر، زمان واکنش 30 دقیقه و pH برابر با 10)

به منظور بررسی تاثیر این عامل، دوز کاتالیزور از 25/0 تا 2 گرم بر لیتر تغییر داده و نتایج آن در نمودار 3 نشان داده شده است. مشاهده می­شود با افزایش دوز کاتالیزور، راندمان از 31.5 درصد در دوز کاتالیزور 25/0  گرم بر لیتر افزایش یافته و به 77.8 درصد در دوز کاتالیزور 2 گرم بر لیتر می­رسد. به دلیل مسائل اقتصادی و افزایش کم راندمان(حدود 5 درصد) در دوز 2 گرم بر لیتر نسبت به 5/1 گرم بر لیتر، دوز کاتالیزور 5/1 گرم بر لیتر به عنوان دوز کاتالیزور بهینه انتخاب شد.

تأثیر غلظت اولیه مترونیدازول

همان­طور که نتایج نشان می دهد با افزایش غلظت مترونیدازول از 10 به 40 میلی گرم بر لیتر راندمان حذف در هر دوفرایند کاهش یافت. به طور مثال در ازن زنی ساده و بعد از زمان 30 دقیقه راندمان از 3/50 درصد در غلظت 10 میلی گرم برلیتر به حدود 30 درصد در غلظت 40 میلی گرم برلیتر رسید. همچنین در ازن زنی کاتالیزوری و بعد از 30دقیقه راندمان از 100 درصد در غلظت 10 میلی گرم بر لیتر به 1/73 درصد در غلظت 40 میلی گرم بر لیتر کاهش یافت.

تأثیر ترت بوتانول و فسفات بر روی حذف مترونیدازول

جهت بررسی تاثیر این ترکیبات بر روی حذف مترونیدازول توسط فرایند ازن­زنی کاتالیزوری، 3/0 گرم ترت بوتانول و 5 میلی­مول فسفات به نمونه­های مورد آزمایش اضافه شد. نتایج حاصل در نمودار 5 ارائه شده است. نتایج نشان می­دهند که ترت بوتیل الکل بعد از زمان 30 دقیقه حدود 14 درصد و فسفات حدود 29 درصد راندمان حذف مترونیدازول را بعد از 30 دقیقه کاهش دادند.

کینتیک تجزیه مترونیدازول در فرایند ازن­زنی تنها و ازن­زنی کاتالیزوری با کربن فعال اصلاح شده با MgO

به­منظور بهتر نشان دادن تاثیر کاتالیزور تهیه شده در مقایسه با ازن­زنی تنها، مدل­های درجه صفر، یک و دو مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن نشان داد که هر دو فرایند ازن­زنی تنها و ازن­زنی کتالیزوری از مدل درجه یک پیروی کردند. مدل درجه یک تجزیه مترونیدازول را می­توان به صورت زیر بیان کرد (21).

-ln(C/C₀) = K_overall . t

که در این فرمول K _overall، عبارت است از ثابت سرعت واکنش درجه یک که واحد آن لیتر بر دقیقه می­باشد که بر اساس رسم شیب –ln (C/C₀)نسبت به زمان(t) بدست می­آید.

 

بحث

pH از جمله مهمترین پارامترهای شیمی ازن در محیط­های آبی بوده و در مسیری که باعث تجزیه آلاینده­های آلی می­شود تأثیر قابل توجهی دارد (26,25){Alvarez, 2006 #61;Leili, 2013 #60}. pH از دو طریق می­تواند تاثیرگذار باشد؛ یکی انتقال ازن از فاز گازی به فاز مایع (تاثیر مستقیم) و دیگری از طریق تجزیۀ ازن به رادیکال­های مختلف (تأثیر غیرمستقیم) (27,17). در pH های اسیدی راندمان پایین­تری مشاهده گردید که می­توان دلیل آن را این گونه بیان کرد که در pH اسیدی، ازن به صورت مستقیم ترکیبات آلی را اکسید کرده (23) و از آنجایی که مقدار ازن در محلول مورد آزمایش کم بوده است در نتیجه راندمان نیز پایین می­باشد. اما مشاهده شد که با افزایش pH راندمان نیز افزایش یافت که علت، این می­باشد که تحت شرایط قلیایی تجزیه ازن به رادیکا­ل­های هیدروکسیل افزایش یافته و چون آنها نسبت به ازن پتانسیل اکسیداسیون بیشتری دارند در نتیجه راندمان حذف مترونیدازول با افزایش pH بیشتر شد (17)البته علت تغییر بسیار کم راندمان از pH برابر با 10 به 12 را می­توان به pH_zpcنسبت داد که با توجه به اینکه مقدار آن 1/12 بدست آمد می­توان گفت که در حدود pH 12 بارسطحی کاتالیزور خنثی می­باشد، در نتیجه تمایل مترونیدازول و کاتالیزور کم بوده (19) و در نتیجه راندمان حذف مترونیدازول افزایش قابل توجهی نداشته است. ژائو و همکارانش در سال 2008 مطالعه­ای بر روی حذف نیتروبنزن با استفاده از فرایند ازن­زنی کاتالیزوری انجام و مشاهده کردند که با افزایش pH از 3 به 11 راندمان حذف افزایش می­یابد (28). در مطالعۀ دیگری که توسط موسوی و محمودی در سال 2009 انجام گرفت، مشاهده شد که در pH بهینه برابر با 8، راندمان حذف رنگ قرمز راکتیو198 در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری با استفاده از نانو ذرات MgO به عنوان کاتالیزور بیشترین مقدار می­باشد (29).

همانگونه که مشاهده شد با افزایش زمان واکنش، راندمان هر دو فرایند ازن­زنی کاتالیزوری و ازن­زنی تنها افزایش یافت. نکته دیگر اینکه فرایند ازن­زنی کاتالیزوری در مقایسه با ازن­زنی تنها با سرعت بیشتر و با راندمان بالاتری انجام گرفته است. همچنین مشاهده شد که در زمان­های کوتاه، راندمان حذف مترونیدازول در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری بسیار بیشتر از فرایند ازن­زنی تنها بود. این یافته­ها را می­توان به خاصیت سینرژیستی فرایند ازن­زنی کاتالیزوری نسبت داد (26). در مطالعات دیگر نیز این خاصیت سینرژیستی کاتالیزورها در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری مشاهده شده است (30, 31). واکنش هایی که در حضور کاتالیزور اتفاق افتاده و منجر به خاصیت سینرژیستی فرایند ازن زنی کاتالیزوری می شود را می توان به صورت زیر بیان کرد (21):

مشخص شده است که افزایش دوز کاتالیزور باعث افزایش سطح و سایت­های فعال شده و این افزایش منجر به افزایش جذب ازن می­شود و در نتیجۀ آن واکنش­­های سطحی و تولید رادیکال هم در سطح کاتالیزور و هم در حجم مایع افزایش می­یابد (31-33).دلیل احتمالی دیگری که می­تواند صورت بپذیرد این است که با افزایش دوزاژ کاتالیزور، سرعت تجزیه ازن به گونه­های رادیکال هیدروکسیل نیز افزایش می­یابد (26). مطالعۀ کرمانی و همکاران در سال 1392 با عنوان مطالعه و کارایی تجزیه مترونیدازول توسط فرایند ازن­زنی کاتالیزوری در حضور نانو ذرات اکسید منیزیم نشان می­دهد که با افزایش دوز کاتالیزور تا 25/0  گرم در لیتر راندمان حذف به سرعت افزایش یافته و پس از این مقدار، افزایش دوز کاتالیزور تاثیر چشمگیری در راندمان حذف مترونیدازول ندارد (19). در مطالعۀ دیگری که موسوی و همکاران در زمینۀ مقایسه ازن­زنی کاتالیزوی با استفاده از کربن فعال با ترکیب این فرایند با فرایند بیولوژیکی جهت حذف فنل از فاضلاب­های شور در سال 2009 انجام دادند، مشاهده کردند که در مدت زمان 5

الف     نمودار4: تاثیر غلظت اولیه مترونیدازول بر فرایند ازن زنی کاتالیزوری(الف) و ازن زنی تنها(ب)(pH برابر با 10، زمان واکنش 30 دقیقه و دوز کاتالیزور 5/1 گرم بر لیتر)     نمودار5: تاثیر ترت بوتیل الکلو فسفات بر حذف مترونیدازول در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری(غلظت مترونیدازول 40میلی­گرم بر لیتر،  pHبرابر با 10 و دوز کاتالیزور 5/1 گرم بر لیتر)

دقیقه و در حضور 5/2 تا 20 گرم در لیتر کربن فعال، راندمان حذف فنل از 50 درصد به 97 درصد افزایش یافته است (30).

مشاهده شد که مطابق انتظار، با افزایش غلظت مترونیدازول راندمان هر دو فرایند کاهش یافت که علت را می توان اینگونه بیان کرد که با افزایش غلظت آلاینده، آلاینده در محیط واکنش افزایش می یابد و از طرفی به علت ثابت بودن میزان رادیکال های هیدروکسیل و ازن تجزیه آلاینده در غلظت های بالاتر به کندی صورت می گیرد (29). این مشکل با افزایش دبی ازن ورودی و یا زمان ازن زنی جبران می گردد(19). در مطالعات دیگر نیز نتایج مشابهی مشاهده شده است (19).

ثابت شده است که یکی از مشکلات فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته، اثر منفی عوامل مداخله­گر از طریق مصرف رادیکال­ها و کاهش راندمان این فرایندها می­باشد (34-36). نتایج نشان داد در حالت استفاده از ترت بوتیل الکل، راندمان حذف مترونیدازول بعد از 30 دقیقه، حدود 14 درصد کم شده است در حالی که کاهش راندمان برای حالتی که از فسفات استفاده شده است حدود 30 درصد بود. علت تاثیر نسبتا پایین ترت ­بوتیل الکل در کاهش راندمان حذف مترونیدازول را می­توان اینگونه بیان کرد که این ترکیب در واکنش با رادیکال هیدروکسیل سرعت بالاتری نسبت به مولکول ازن داشته (21) و به طور غیر مستقیم(از بین بردن رادیکال­های هیدروکسیل) تاثیر خود را بر کاهش راندمان می­گذارد. همچنین تاثیر بالای ناشی از فسفات را می­توان به تمایل بسیار بالای این یون به ترکیب با گروه­های عاملی سطح کاتالیزور و در نتیجه غیرفعال و معیوب کردن این جایگاه­ها نسبت داد (15). لذا می­توان نتیجه گرفت که واکنش­های تجزیۀ مترونیدازول در مطالعۀ حاضر بیشتر در سطح کاتالیزور اتفاق افتاد. در مطالعه ای که موسوی و خسروی در سال 2012 در زمینه ازن­زنی کاتالیزوری ترکیبات مقاوم با بیوچار تهیه شده از پوست پسته انجام دادند مشاهده کردند که ترت بوتانول تاثیر کم و یون فسفات تاثیر زیادی در کاهش راندمان داشته است (23).

همانطوریکه نتایج حاصل از بررسی کینتیک واکنش­ها نشان داد، ثابت سرعت واکنش در فرایند ازن­زنی تنها از 0072/0 در دقیقه به 0527/0 در دقیقه در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری افزایش یافت که می­توان تنیجه گرفت که افزودن کاتالیزور تهیه شده سرعت تجزیه مترونیدازول را در فرایند ازن­زنی کاتالیزوری نسبت به فرایند ازن­زنی تنها، حدود 32/7 برابر کرد. چنین نتایجی توسط موسوی و همکاران در سال 2014 نیز تایید شده است (21).

 

نتیجه­گیری

در این مطالعه، MgO بر روی کربن فعال پوشش داده شد و از آن به عنوان یک کاتالیزور جدید جهت حذف مترونیدازول بوسیلۀ فرایند ازن­زنی کاتالیزوری استفاده شد. نتایج نشان داد که با افزایش pH، زمان تماس و دوز کاتالیزور راندمان حذف مترونیدازول افزایش می­یابد. همچنین مشخص شد که فرایند ازن­زنی کاتالیزوری نسبت به فرایند ازن­زنی تنها عملکرد بسیار بهتری در راندمان حذف مترونیدازول دارد. به طور خلاصه نتایج حاصل نشان می­دهند که فرایند ازن­زنی کاتالیزوری با استفاده از کاتالیزور به کاربرده شده در این مطالعه می­تواند به عنوان یک فناوری موثر برای حذف مترونیدازول از محیط­های آبی مورد استفاده قرار بگیرد.

 

تشکر و قدردانی

این مقاله بخشی از طرح تحقیقاتی با عنوان بررسی عملکرد فرایند ازن زنی کاتالیزری با استفاده از کربن اصلاح شده با MgO به روش پوشش دهی عمقی در حذف مترونیدازول از محیط­های آبی مصوب دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی استان همدان در سال 1393 به کد 411369 می­باشد که با حمایت دانشگاه علوم پزشکی همدان اجرا شده است.

 

References

1. Yazdanbakhsh A, Sheikhmohammadi A, Sardar M,Manshuri M. Investigation of combined coagulation and advanced oxidation process efficiency for the removal of Clarithromycin from wastewater. Yafteh. 2011; 13 (1) :7-16. [Persian]
2. ZhangH, Liu P, Feng Y, Yang F. Fate of antibiotics during wastewater treatment and antibiotic distribution in the effluent-receiving waters of the Yellow Sea, northern China. Mar Pollut Bull. 2013;73(1):282-90.
3. Nasuhoglu D, Rodayan A, Berk D, Yargeau V. Removal of the antibiotic levofloxacin (LEVO) in water by ozonation and TiO₂ photocatalysis. Chem Eng J. 2012;189-190:41-8.
4. Liu P, Zhang H, Feng Y, Yang F, Zhang J. Removal of trace antibiotics from wastewater: A systematic studyof nanofiltration combined with ozone-based advanced oxidation processes. Chem Eng J. 2014;240:211-20.
5. Ben W, Qiang Z, Pan X, Chen M. Removal of veterinary antibiotics from sequencing batch reactor (SBR) pretreated swine wastewaterby Fenton's reagent. Water Res. 2009;43(17):4392-402.
6. Fang Z, Chen J, Qiu X, Qiu X, Cheng W, Zhu L. Effective removal of antibiotic metronidazole from water by nanoscale zero-valent iron particles. Desalination. 2011;268(1–3):60-7.
7. Kümmerer K, Al-Ahmad A, Mersch-Sundermann V. Biodegradability of some antibiotics, elimination of the genotoxicity and affection of wastewater bacteria in a simple test. Chemosphere. 2000;40(7):701-10.
8. Méndez-Díaz J, Prados-Joya G, Rivera-Utrilla J, Leyva-Ramos R, Sánchez-Polo M, Ferro-García M, et al. Kinetic study of the adsorption of nitroimidazole antibiotics on activated carbons in aqueous phase. JColloid Interf Sci. 2010;345(2):481-90.
9. Shemer H, Kunukcu YK, Linden KG. Degradation ofthe pharmaceutical metronidazole via UV, Fenton and photo-Fenton processes. Chemosphere. 2006;63(2):269-76.
10. Cheng W, Yang M, Xie Y, Liang B, Fang Z, Tsang EP. Enhancement of mineralization of metronidazole by the electro-Fenton process with a Ce/SnO2–Sb coated titanium anode. Chem Eng J. 2013;220: 214-20.
11. Ingerslev F, Toräng L, Loke M-L, Halling-Sørensen B, Nyholm N. Primary biodegradation of veterinary antibiotics in aerobic and anaerobic surface water simulation systems. Chemosphere. 2001;44(4):865-72.
12. Metcalf I, Eddy H. Wastewater engineering; treatment and reuse. 2003.
13. Michael I, Hapeshi E, Michael C, Varela AR, Kyriakou S, Manaia CM, et al. Solar photo-Fenton process on the abatement of antibiotics at a pilot scale: Degradation kinetics, ecotoxicity and phytotoxicity assessment and removal of antibiotic resistant enterococci. Water Res. 2012;46(17):5621-34.
14. Lv A, Hu C, Nie Y, Qu J. Catalytic ozonation of toxic pollutants over magnetic cobalt and manganeseco-doped γ-Fe₂O₃. Applied Catalysis B: Environmental. 2010;100(1):62-7.
15. Moussavi G, Khosravi R, Omran NR. Development of an efficient catalyst from magnetite ore: Characterization and catalytic potential in the ozonation of water toxic contaminants. Appl Catal A- Gen. 2012;445-446:42-9.
16. Nawrocki J, Kasprzyk-Hordern B. The efficiency and mechanisms of catalytic ozonation. Appl Catal B-Environ. 2010;99(1-2):27-42.
17. Valdés H, Farfán VJ, Manoli JA, Zaror CA. Catalytic ozone aqueous decomposition promoted by natural zeolite and volcanic sand. J Hazard Mater. 2009;165(1-3):915-22.
18. Haldorai Y, Shim J-J. An efficient removal of methyl orange dye from aqueous solution by adsorption onto chitosan/MgO composite: A novel reusable adsorbent. Appl SurfSci. 2014; 292: 447-53.
19. Kermani M, Bahrami Asl F, Farzadkia M, Esrafili A, Salahshur Arian S, Arfaeinia H, et al. Degradation efficiency and kinetic study of metronidazole by catalytic ozonation process in presence of MgOnanoparticles. Urmia Med J. 2013;24(10):839-50.
20. Lee J-E, Jin B-S, Cho S-H, Han S-H, Joo O-S, Jung K-D. Catalytic ozonation of humic acids with Fe/MgO. Korean J Chem Eng. 2005;22(4):536-40.
21. Moussavi G, Aghapour AA, Yaghmaeian K. The degradation and mineralization of catechol using ozonation catalyzed with MgO/GAC composite in a fluidized bed reactor. Chem EngJ. 2014;249:302-10.
22. Dastgheib SA, Karanfil T, Chen W. Tailoring activated carbons for enhanced removal of natural organic matter from natural waters. Carbon. 2004;42(3):547-57.
23. Moussavi G, Khosravi R. Preparation and characterization of a biochar from pistachio hull biomass and its catalytic potential for ozonation of water recalcitrantcontaminants. Bioresour Technol. 2012;119:66-71.
24. Socrates G. Infrared and Raman characteristic group frequencies: tables and charts: John Wiley & Sons; 2004.
25. Alvarez P, Garcia-Araya J, Beltran F, Giráldez I, Jaramillo J, Gómez-Serrano V. Theinfluence of various factors on aqueous ozone decomposition by granular activated carbons and the development of a mechanistic approach. Carbon. 2006;44(14):3102-12.
26. Leili M, Moussavi G, Nadafi K, Ghaffari M. The investigation of single ozonation process, catalytic ozonation process and single adsorption on activated carbon efficienciesfor removal of furfural from aqueous solution. J Sabzevar Univ Med Sci. 2013;20(1):51-61.[Persian]
27. Leitner NKV, Fu H. pH effects on catalytic ozonation of carboxylic acids with metal on metal oxides catalysts. Topics in catalysis. 2005;33(1-4):249-56.
28. Zhao L, Ma J, Zhi S, Zhai X-d. Catalytic ozonation for the degradation of nitrobenzene in aqueous solution by ceramic honeycomb-supported manganese. Appl Catal B-Environ. 2008;83(3-4):256-64.
29. Moussavi G, Mahmoudi M. Degradation and biodegradability improvement of the reactive red 198 azo dye using catalytic ozonation with MgO nanocrystals. Chem Eng J. 2009;152(1):1-7.
30. Moussavi G, Khavanin A, Alizadeh R. The investigation of catalytic ozonation and integrated catalytic ozonation/biological processes for the removal of phenol from saline wastewaters. J Hazard Mater. 2009;171(1): 75-81.
31. Rahmani A, Asgari G, Samiee F. Evaluation of Performance Catalytic Ozonation with Activated Alumina in the Removal of Pentachlorophenol from Aqueous Solutions and Study of the Intermediates. Sci J Hamedan Univ Med Sci. 2013; 20(10: 77-85. [Persian]
32. Mortazavi S, Asgari G, Hashemian S, Moussavi G. Degradation of humic acids through heterogeneous catalytic ozonation with bone charcoal. React Kinet, Mechanisms Catal. 2010;100(2):471-85.
33. Valdes H, Murillo F, Manoli J, Zaror C. Heterogeneous catalytic ozonation of benzothiazole aqueous solution promoted by volcanic sand. J Hazard Mater. 2008;153(3):1036-42.
34. Faria P, Órfão J, Pereira M. Activated carbon catalytic ozonation of oxamic and oxalic acids. Applied Catalysis B-Environ. 2008;79(3):237-43.
35. Kasprzyk-Hordern B, Ziółek M, Nawrocki J. Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone reactions in water treatment. Applied Catalysis B-Environ. 2003;46(4):639-69.
36. Valdés H, Zaror CA.Heterogeneous and homogeneous catalytic ozonation ofbenzothiazole promoted by activated carbon: Kinetic approach. Chemosphere. 2006;65(7):1131-6.

 

 

Original Article

Survey of Catalytic O zonation Process with MgO-Modified Activated Carbon for the Removal of Metronidazole from Aqueous Solutions through a Fluidized Bed Reactor

 

Ashkan Abdoli

MSc Student of Environmental Health Engineering, Faculty of Public Health, Hamedan University of Medical Sciences, Hamedan, I.R.IRAN

 

Reza Shokuhi

Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Health and Research Center for Health sciences, Hamadan University of Medical Sciences, Hamadan, Iran

 

Abdol Motaleb Seid Mohammadi

Social Determinants of Health Research Center, Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Public Health, Hamadan University of Medical Sciences, Hamadan, Iran

 

*Ghorban Asgari

Social Determinants of Health Research Center, Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Public Health, Hamadan University of Medical Sciences, Hamadan, Iran