Document Type : Original Article
Authors
Abstract
Background & Objectives: Antibiotics can cause negative impacts on animals and bacterial resistance by entering to the environment. Catalytic ozonation process is a method for increasing the efficiency of the simple ozonation. This study evaluated the efficiency of catalytic ozonation process with activated carbon modified with MgO to remove metronidazole from aqueous solutions in a fluidized bed reactor.
Materials & Methods: Catalytic ozonation experiments were performed in a fluidized bed reactor. Impact of pH, reaction time, catalyst dosage, initial concentration, radical scavengers and hydroxyl radicals was found. The degradation kinetic of metronidazole was determined as well as FTIR spectra of the catalysts. The concentration change of metronidazole was determined by HPLC.
Results: The results showed that the catalyst prepared increases metronidazole decomposition rate as high as 7.32 times, compared to conventional ozonation. The optimum pH of 10, the optimal dose of 1.5 g/L of catalyst and the optimum time of 30 min were determined. The results of radical scavengers’ effect showed the main reactions of metronidazole decomposition are on the catalyst surface.
Conclusions: The results showed that, due to the high performance activated carbon coated with MgO in catalytic ozonation process, increased removal of metronidazole, compared with simple ozonation, and easy access to raw materials, the use of these catalysts in ozonation process are recommended to increase efficiency and accelerate the metronidazole decomposition reaction and similar compounds.
Keywords
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
چکیده
زمینه و هدف:آنتیبیوتیکها با وارد شدن به محیط زیست میتوانند موجب مقاومت باکتریایی و تاثیر منفی بر موجودات مختلف شوند. ازنزنی کاتالیزوری یک روش برای افزایش راندمان فرایند ازنزنی تنها میباشد. این مطالعه با هدف بررسی کارایی فرایند ازنزنی کاتالیزوری با کربن فعال اصلاح شده با MgO در حذف مترونیدازول از محلولهای آبی در راکتور بستر سیال انجام گرفته است.
مواد و روشها: این مطالعه تجربی در آزمایشگاه شیمی دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی همدان انجام گرفته است. آزمایشات ازنزنی کاتالیزوری در راکتور با بستر سیال صورت گرفت. تاثیر فاکتورهای pH، زمان واکنش، دوز کاتالیزور، غلظت اولیه مترونیدازول، عوامل تخریب کننده ازن و رادیکالهای هیدروکسیل مشخص شد. همچنین کینتیک تجزیه مترونیدازول و طیف FTIR کاتالیزور نیز تعیین شد. تغییرات غلظت مترونیدازول توسط دستگاه HPLC تعیین شد.
یافته ها: نتایج نشان داد که استفاده از کاتالیزور تهیه شده سرعت تجزیه مترونیدازول را حدود 32/7 برابر نسبت به ازنزنی متداول افزایش میدهد. در این مطالعه pH بهینه برابر با 10، دوز کاتالیزور بهینه برابر با 5/1 گرم بر لیتر و زمان بهینه برابر با 30 دقیقه تعیین شد. نتایج حاصل از تاثیر عوامل مداخلهگر نشان داد که عمده واکنشهای تجزیۀ مترونیدازول در مطالعۀ حاضر در سطح کاتالیزور اتفاق میافتند.
نتیجهگیری: نتایج حاصل نشان دادند که با توجه به عملکرد بالای کربن فعال پوشش داده شده با MgOدر فرایند ازنزنی کاتالیزوری و افزایش راندمان حذف مترونیدازول در مقایسه با ازنزنی تنها و دسترسی آسان به مواد اولیه، کاربرد این کاتالیزور در فرایند ازنزنی به منظور افزایش راندمان و تسریع واکنش تجزیه مترونیدازول و ترکیبات مشابه توصیه میشود.
واژه های کلیدی: ازنزنی کاتالیزوری، مترونیدازول، پوشش دهی عمقی، MgO، راکتوربا بستر سیال
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) |
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 pHzpcبرابر 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
|
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) = Koverall . 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 pHzpcنسبت 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
|
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
- 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]
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Shemer H, Kunukcu YK, Linden KG. Degradation ofthe pharmaceutical metronidazole via UV, Fenton and photo-Fenton processes. Chemosphere. 2006;63(2):269-76.
- 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.
- 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.
- Metcalf I, Eddy H. Wastewater engineering; treatment and reuse. 2003.
- 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.
- 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.
- 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.
- Nawrocki J, Kasprzyk-Hordern B. The efficiency and mechanisms of catalytic ozonation. Appl Catal B-Environ. 2010;99(1-2):27-42.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Socrates G. Infrared and Raman characteristic group frequencies: tables and charts: John Wiley & Sons; 2004.
- 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.
- 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]
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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]
- 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.
- 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.
- Faria P, Órfão J, Pereira M. Activated carbon catalytic ozonation of oxamic and oxalic acids. Applied Catalysis B-Environ. 2008;79(3):237-43.
- 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.
- Valdés H, Zaror CA.Heterogeneous and homogeneous catalytic ozonation ofbenzothiazole promoted by activated carbon: Kinetic approach. Chemosphere. 2006;65(7):1131-6.
Original Article |
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
Received:29/09/2015, Revised:02/11/2015, Accepted:15/01/2016
Abstract
Background & Objectives: Antibiotics can cause negative impacts on animals and bacterial resistance by entering to the environment. Catalytic ozonation process is a method for increasing the efficiency of the simple ozonation. This study evaluated the efficiency of catalytic ozonation process with activated carbon modified with MgO to remove metronidazole from aqueous solutions in a fluidized bed reactor.
Materials & Methods: Catalytic ozonation experiments were performed in a fluidized bed reactor. Impact of pH, reaction time, catalyst dosage, initial concentration, radical scavengers and hydroxyl radicals was found. The degradation kinetic of metronidazole was determined as well as FTIR spectra of the catalysts. The concentration change of metronidazole was determined by HPLC.
Results: The results showed that the catalyst prepared increases metronidazole decomposition rate as high as 7.32 times, compared to conventional ozonation. The optimum pH of 10, the optimal dose of 1.5 g/L of catalyst and the optimum time of 30 min were determined. The results of radical scavengers’ effect showed the main reactions of metronidazole decomposition are on the catalyst surface.
Conclusions: The results showed that, due to the high performance activated carbon coated with MgO in catalytic ozonation process, increased removal of metronidazole, compared with simple ozonation, and easy access to raw materials, the use of these catalysts in ozonation process are recommended to increase efficiency and accelerate the metronidazole decomposition reaction and similar compounds.
Keywords: Catalytic ozonation, Metronidazole, Deep coating, MgO, Fluidized bed reactor
GAC/MgO + O3 GAC/MgO-O3 GAC/MgO-O°+ O2 GAC/MgO-O°+H2O GAC/MgO-(OH)2 |
Corresponding author:
Ghorban Asgari,
Department of Environmental Health Engineering, Faculty of Public Health, Hamadan University of Medical Sciences, Hamadan, Iran
E-mail: asgari@umsha.ac.ir
- 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]
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Shemer H, Kunukcu YK, Linden KG. Degradation ofthe pharmaceutical metronidazole via UV, Fenton and photo-Fenton processes. Chemosphere. 2006;63(2):269-76.
- 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.
- 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.
- Metcalf I, Eddy H. Wastewater engineering; treatment and reuse. 2003.
- 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.
- 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.
- 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.
- Nawrocki J, Kasprzyk-Hordern B. The efficiency and mechanisms of catalytic ozonation. Appl Catal B-Environ. 2010;99(1-2):27-42.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Socrates G. Infrared and Raman characteristic group frequencies: tables and charts: John Wiley & Sons; 2004.
- 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.
- 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]
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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]
- 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.
- 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.
- Faria P, Órfão J, Pereira M. Activated carbon catalytic ozonation of oxamic and oxalic acids. Applied Catalysis B-Environ. 2008;79(3):237-43.
- 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.
- Valdés H, Zaror CA.Heterogeneous and homogeneous catalytic ozonation ofbenzothiazole promoted by activated carbon: Kinetic approach. Chemosphere. 2006;65(7):1131-6.