Electrochemical Advanced Oxidation of Selected Pharmaceuticals and Disinfection by-products in Water Samples

Electrochemical Advanced Oxidation of Selected Pharmaceuticals and Disinfection by-products in Water Samples. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
FINAL_THESIS_COPY_30-03-2019.pdf - Published Version
Restricted to Repository staff only until 8 April 2020.

Download (3MB)

Arabic Abstract

هذه الدراسة تركز علي طرق الاكسدة الكهروكيميائية المتقدمة للتكسير الفعال والمتحكم للملوثات الناشئة المختارة في البيئات المائية المعقدة .تكمن هذه الطرق في قدرتها القوية علي استمرارية التوليد الكهربي لجسيمات الاكسجين النشطة والهيدروجين بيروكسيد وكذلك جسيم الهيدوكسيل النشط.بسبب قدرات المؤكسد القوي التي تتفاعل مع الملوثات العضوية حتي يكتمل التكسير. الجزء الاول من عمل هذه الرسالة يهدف الي تقييم التكون الجهدي للمستويات الضئيلة لبيتا الحاصرات في مياه الصرف الصحي للمستشفيات بإستخدام طريقة الاستخلاص الطور المصغر الصلبة الصديقة للبيئة التي تعتمد علي ماصة السليكا لقشر الارز و سائل التحليل الكروماتوجرافي – تحليل مطياف الكتلة . (LC-MS/MS) بعد متعدد المتغيرات الكيميائية المثالي ، تم العثور على طريقة مناسبة لتحديد المستويات الضئيلة لحاصرات بيتا في البيئات المائية المعقدة. ثم قمنا بتطوير وتصنيع مفاعل كهربائي فينتون بمساعدة تدفق القطيرات (DFEF) نظام للتكسير الفعال للحاصرات بيتا في HWW باستخدام تقنية الصل -جل لتوليف بيولوجي المنشأ مركبات الكربون النانوية كعوامل حفازة غير متجانسة فينتونية. لقد أظهرنا لأول مرة كيف يمكن استخدام الهواء الطبيعي كعامل للإرهاق من أجل تشبع هواء كاثودي سريع ومتزامن ومستمر ،نقل محفز الملوثات والفنتون إلى القطب الكهربائي خلال عمليات DFEF. تحت درجة الحموضة متعادلة الظروف ، كانت كفاءة تدهور حاصرات ß تصل إلى 99.9 ٪. في دراسة أخرى ، الجرافيت المعالجة تم عمل الأقطاب الكهربائية بواسطة مركبات نحاس والبورون والحديد (Cu-B-Fe) عن طريق السيليكا الموجودة في قشر الأرز لفكرة الصل -جل. ثم تم تقييم الأقطاب الكهربائية المتكاملة كأقطاب فعالة لسرعة التوليد الكهربائي لأنواع الأكسجين التفاعلية (H2O2 و • OH) عن طريق نظام مفاعل DFEF المستمر. باستخدام هذه الطريقة المقترحة وفي الظروف المثالية ، كفاءة أعلى وأسرع تكسير يصل إلى 100 ٪ لكلا البروبرانولول والأتينولول في HWW ظهر في أقل من 10 دقائق. الأظهر القطب الكاثود ملفقة الأنشطة الحفزية مستقرة حتى بعد 20 مكررات التجريبية. أخيرا تدفق قطرة بمساعدة نظام الضوئية-فنتون في تركيبة مع التحفيز الضوئي غير المتجانسة تم التحقيق في التدهور الفعال لاثنين من نيتروزامين N (نيتروسوديبوتيلاميلين و N- nitrosodipropylamine). شارك في هذا العمل وظائف الجرافيت الكهربائي والميكروويف بمساعدة تخليق وتجمد أكسيد التيتانيوم على كرات قشور الأرز نانوسيليكا عبر جل مائي الطرق. تم تقييم المحفز المانع والكاثود الوظيفي لفعالية وسرعة تدهور نيتروسامينيز في مياه حمام السباحة. كان تأثير المعايير التشغيلية الرئيسية التحقيق باستخدام التصميم المركب المركزي. في ظل الظروف المثلى ، وكفاءة تدهور N- وكان نيتروسامينيز في مياه حمام السباحة يصل إلى 100 ٪.

English Abstract

This study focusses on the electrochemical advanced oxidation methods (EAOPs) for effective degradation and monitoring of selected emerging contaminants (ECs) in complex aquatic environments. The beauty of these methods lies in their strong abilities to continuously electrogenerate reactive oxygen species (ROS) (hydrogen peroxide, H2O2 and hydroxyl radical (•OH)) in-situ. The high removal efficiencies exhibited by these methods are due to several mechanisms such as direct, indirect oxidation and adsorption/electro-sorption. As such, the efficiency and selectivity of EAOPs for enhanced and sustainable in-situ electrogeneration of ROS mainly depend on reactor design, nature and type of the electrode surfaces. Because of strong oxidizing abilities, ROS react with organic pollutants till complete degradation. The first part of this thesis work was aimed at assessing the potential formation of trace level β-blockers in hospital wastewater (HWW) using an ecofriendly micro-solid phase extraction (μ-SPE) method based on rice husk silica sorbent and Liquid chromatography–tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) analysis. After multivariate chemometric optimization, the method was found suitable for determining trace level β-blockers in complex aquatic environments. We then developed and fabricated a novel droplet-flow assisted electro-Fenton reactor (DFEF) system for effective degradation of beta-blockers in HWW using sol-gel synthesized biogenic iron–carbon nanocomposites as heterogeneous Fenton catalysts. We demonstrated for the first time how natural air could be used as nebulizing agent for fast, simultaneous and continuous catholyte air saturation, pollutant and Fenton catalyst transfer to the cathode electrode during DFEF operations. Under neutral pH conditions, a degradation efficiency of ß-blockers was up to 99.9%. In another study, treated graphite electrodes were functionalized by copper-boron-ferrite (Cu-B-Fe) composites via rice husk silica-based sol-gel approach. The integrated electrodes were then evaluated as efficient electrodes for fast in-situ electro-generation of reactive oxygen species (H2O2 and •OH) via a continuous DFEF reactor system. Using this proposed method and at optimized conditions, higher and faster degradation efficiencies of up to 100% for both propranolol and atenolol in HWW was demonstrated in less than 10 minutes. The fabricated cathode electrode showed stable catalytic activities even after 20 experimental replicates. Lastly a droplet flow assisted photoelectron-Fenton system in combination with heterogeneous photocatalysis was investigated for effective degradation of two N-nitrosamines (N-nitrosodibutylamine and N-nitrosodipropylamine). This work involved graphite electrode functionalization and microwave assisted synthesis and immobilization of titanium oxide on rice husk nanosilica spheres via hydrolytic sol-gel routes. The immobilized catalyst and functionalized cathode were evaluated for effective and fast degradation of N-nitrosamines in swimming pool water. The influence of key operational parameters was investigated using central composite design. Under optimum conditions, the degradation efficiency of N-nitrosamines in swimming pool water was up to 100%.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Chemistry
Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Research > Environment
Divisions: College Of Sciences > Chemistry Dept
Committee Advisor: Chanbasha, Basheer/CB
Committee Members: Kawde, Abdel-Nasser and Al-Arfaj, Abdul Rahman and Al-Muallem, A.S.Hasan
Depositing User: HAKIMU NSUBUGA (g201004280)
Date Deposited: 10 Apr 2019 07:57
Last Modified: 01 Nov 2019 20:44
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140922