Advanced Electrochemical Degradation of Disinfection By Products Using Catalysts Modified Electrodes

Advanced Electrochemical Degradation of Disinfection By Products Using Catalysts Modified Electrodes. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
PhD_Dissertation_Dauda_g201403300.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 22 February 2023.

Download (8MB)

Arabic Abstract

كانت المعالجة الكهروكيميائية لـ DBPs والمواد العضوية المهلجنة في المياه الملوثة موضوع اهتمام بحثي متزايد بسبب الفوائد العديدة التي توفرها على طرق المعالجة التقليدية الأخرى.ومع ذلك ، غالبًا ما يتطلب نهج العلاج هذا قطبًا محفزًا من معدن نبيل باهظ التكلفة لتحقيق عملية معالجة فعالة ، والتي كانت عائقًا رئيسيًا أمام اعتمادها على نطاق واسع. في هذا العمل البحثي ، تم تطوير ثلاثة معادن انتقالية مختلفة غير مكلفة تدعم أقطاب تحفيزية Co-MoS2) و Co-Ag / MOF و (Bi-Cu وتم تطبيقها من أجل تحلل المركبات العضوية المهلجنة الأليفاتية والعطرية المختلفة. تم تصنيع المحفزات الكهربية بطريقة الحرارة المائية أو طريقة الترسيب الكهربائي وترسبت مباشرة على الدعامات الموصلة (لباد الجرافيت والرغوة النحاسية) دون الحاجة إلى مادة رابطة. أظهرت النتائج المختلفة من هذا العمل البحثي أن جميع الأقطاب الكهربائية المحضرة أظهرت أداء تحفيزيًا كهربيًا ممتازًا تجاه تحلل الهاليدات العضوية المختارة في وسط مائي. في الجزء الأول من هذه الأطروحة ، تم تحضير المحفز الكهربائي للصفائح النانوية Co-MoS2 المودعة على دعامة GF من خلال نهج التوليف الحراري المائي. تم العثور على المحفز الكهربائي المحضر لعرض نشاط تحفيزي ممتاز يمكن مقارنته بأقطاب كهربائية أخرى تم الإبلاغ عنها في الأدبيات لإزالة الكلور المختزل لخمسة DBPs أليفاتية مهلجنة والتي تشمل CHBr2Cl و C3H5Br2Cl و CHBr3 و CHCl3 و CCl4. يُعزى أداء التحلل المحسّن إلى الدور التآزري للجسيمات النانوية CoS / MoS2 ، حيث تسارعت خطوة فولمر لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) ، والتي ساعدت في إنتاج الهيدروجين الذري عالي الفعالية * اختزال H* تم تحقيق كفاءة تحلل تزيد عن 90 ٪ لكل من خمسة DBPs بعد 60 دقيقة من التحليل الكهربائي. تُعزى آلية إزالة الكلور من الهاليدات العضوية إلى آلية التحلل الهيدروجيني التدريجي التي تنطوي على انقسام روابط الكلوريد العضوي عن طريق إدخال .H * في الجزء الثاني من الدراسة ، تم تصنيع محفز كهربائي ثنائي المعدن ثنائي النحاس عن طريق الترسيب الكهربائي المشترك للمكونات الأيونية للمعادن في الطور المائي على دعامة GF. تم بعد ذلك استخدام المحفز الكهربائي Bi-Cu المحضر نحو الأكسدة الكهربائية لمركبات عضوية عطرية مهلجنة مختارة (2،4-ثنائي كلورو فينوكسي أسيتيك حمض ، 4-كلورو-3-ميثيل فينول ، 4-بروموفينول) حيث قدم أداء ضعيفًا تجاه تقليل المادة المختارة مجمعات سكنية. تم اكتشاف أن التركيب المعدني للإلكترود يمنح خاصية تآزرية مواتية. تم العثور على أكسدة أنوديك للمواد العضوية العطرية المهلجنة الثلاثة المختارة لتحقيق كفاءة تحلل تزيد عن 90٪ لكل مركب عضوي في الحالة المثلى. تم اقتراح آلية تحلل الهاليد العضوي لتشمل سلسلة من تفاعل إزالة الهالوجين ، تفاعل الهيدروكسيل ، وتحلل روابط C = C للحلقات الأروماتية بوساطة هجوم جذري OH* . في الجزء الأخير من الدراسة ، تم تصنيع محفز كهربائي جديد Co-Ag-MOF من خلال نهج التوليف الحراري المذيب. أظهر المحفز الكهربائي المحضر أداءً ممتازًا تجاه تقليل ثلاثة مواد عضوية مهلجنة (كلوروبنزين ، بروموبنزين ، أيودوبنزين). بناءً على الأداء المتفوق للإلكترود في تقليل الهاليدات العضوية ، تم توسيع نطاق الدراسة للتحقيق في تكوين مركبات biaryls عن طريق اقتران Suzuki المختزل الكهروكيميائي للهاليدات العضوية مع حمض البورونيك فينيل. كشفت نتائج الدراسة أن نهج الاقتران تأثر بشدة بحالة أساسية ، وأن كفاءة التحويل أكثر من 70٪ تم تحقيقها لكل من الهاليدات العضوية ، مع عائد أحيائي مقابل أكثر من 60٪. يساهم عمل الأطروحة هذا بشكل كبير في معالجة ملوثات DBPs وملوثات المياه العضوية المهلجنة من خلال استخدام معادن انتقالية غير مكلفة ومتاحة بسهولة كمحفزات كهربائية ، وقد يمهد الطريق نحو التطبيقات التجارية لهذه

English Abstract

Electrochemical treatment of DBPs and halogenated organics in contaminated water has been a subject of growing research interest due to the numerous benefits it provides over other conventional treatment methods. However, this treatment approach often requires expensive noble-metal catalytic electrode to achieve an efficient treatment process, which has been a major impediment to its wide adoption. In this research work, three different inexpensive transition metals supported catalytic electrodes (Co-MoS2, Co-Ag/MOF and Bi-Cu) were developed and applied towards the degradation of different aliphatic and aromatic halogenated organic compounds. The electrocatalysts were synthesized by hydrothermal or electrodeposition method and were deposited directly on conductive supports (graphite felt and copper foam) without the need for a binder. The findings from this research work proved that all the prepared electrodes exhibited excellent electrocatalytic performance towards the degradation of the selected organic halides in an aqueous medium. In the first part of this thesis work, Co-MoS2 nanosheet electrocatalyst deposited on GF support was prepared by hydrothermal synthesis approach. The prepared electrocatalyst was found to display an excellent catalytic activity comparable to other reported electrodes in literature for the reductive dechlorination of five aliphatic halogenated DBPs that include CHBr2Cl, C3H5Br2Cl, CHBr3, CHCl3, and CCl4. Its improved degradation performance was ascribed to the synergistic role of its CoS /MoS2 nanoparticles the accelerated the Volmer step of hydrogen evolution reaction (HER), which aided the production of highly active atomic hydrogen *H reductant. A degradation efficiency of more than 90 % was achieved for each of the five DBPs after 60 min of electrolysis. The mechanism of the organic halides dechlorination was attributed to a stepwise hydrogenolysis mechanism involving the cleavage of the organochloride’s bonds by H* insertion. In the second part of the study, a bimetallic Bi-Cu electrocatalyst was synthesized by co-electrodeposition of the ionic components of the metals in an aqueous phase onto a GF support. The prepared Bi-Cu electrocatalyst was then applied towards the electrooxidation of selected halogenated aromatic organic compounds (2,4-dichlorophenoxyacetic acid, 4-chloro-3-methyl phenol, 4-bromophenol) as it presented poor performance towards the reduction of the selected compounds. It was discovered that the electrode's bimetallic composition confers a favourable synergistic property. Anodic oxidation of the three selected halogenated aromatic organics was found to proceed efficiently attaining a degradation efficiency of more than 90 % for each organic compound at the optimum condition. The mechanism of organic halide degradation was proposed to involve a sequence of dehalogenation reaction, hydroxylation reaction, and the decomposition of the aromatic rings' C=C bonds mediated by *OH radical attack In the last part of the study, a novel Co-Ag-MOF electrocatalyst was synthesized by a solvothermal synthesis approach. The prepared electrocatalyst demonstrated excellent performance towards the reduction of three halogenated aromatic organics (chlorobenzene, bromobenzene, and iodobenzene). Based on the electrode's superior performance in reducing the organic halides, the scope of the study was expanded to investigate the formation of biaryls compounds via electrochemical reductive Suzuki coupling of the organic halides with phenyl boronic acid. The findings from the study revealed that the coupling approach was highly influenced by a basic condition, and conversion efficiency of more than 70% was achieved for each of the organic halides, with a corresponding biaryls yield of more than 60%. This dissertation work makes a significant contribution to the treatment of DBPs and halogenated organic water contaminants by employing inexpensive and readily available transition metals as electrocatalysts, and it may pave the way towards the commercial applications of these electrodes

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Department: College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor: Muhammad, H. Al-Malack
Committee Members: Vohra, M.S and Hossain, Mohammad Mozahar and Al-Suwaiyan, Mohammad Saleh
Depositing User: DAUDA MOHAMMED (g201403300)
Date Deposited: 27 Feb 2022 06:44
Last Modified: 27 Feb 2022 06:44
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142064