Oxidation of aqueous humic substances by ozonation

Abstract

vu KISA ÖZET sudaki humik maddelerin ozonlama ile oksidasyonu Kimyasal oksidasyon teknikleri, klorlama sonucunda çıkış sularında halojenli organik bileşikler meydana getirdiği bilinen Doğal Organik Maddelerin (DOM) giderimi için su arıtımında kullanılmaktadır. Ozonlama, dezenfeksiyon gücünün yanısıra özellikle doğal organik maddeleri parçalama potansiyeli için kullanılmaktadır. Literatürdeki çeşitli çalışmalar göstermiştir ki güçlü bir yükseltgen olmasına rağmen ozon, karboksilik asit gibi dirençli organiklerin oksidasyonunda etkisizdir. Ozonlama sonucunda çözeltide karboksilik asit birikimi tam mineralizasyonu imkansız ya da uygulanamaz kılmaktadır. Bu sebeple, bu çalışmada doğal organik maddeler içerisinde önemli bir kısım teşkil eden hümik asitlerin giderimi için ozonlama, fotokatalitik oksidasyon ile birleştirilmiştir. Bu çalışmanın ilk kısmı, sıvı çözeltiler içine ozonun kütle transferinin, hümik asit çözeltileri içinde ozon ihtiyacı, ozon birikimi ve ozon bozunması safhalarının incelendiği ozonlama kinetiğini kapsamaktadır. Ozonlama ile hümik asitlerin parçalanmasını tanımlamak için ampirik bir model önerilmiştir. Sonraki bölümler, ozonlamanın fotokatalitik oksidasyon ile birleştirilmesini içermektedir. Bu iki oksidasyon prosesi, ozonlamanın TİO2 kullanılan fotokatalitik oksidasyon öncesinde hümik asitlerin kısmen oksidasyonu için ön arıtma olarak kullanıldığı ardışık bir sistemde uygulanmıştır. Hümik asitlerin fotokatalitik oksidasyonunun tanımlanması için kinetik çalışmalar yapılmış, birinci derece bozunma kinetik modelinin yanısıra Langmuir-Hinshelwood modeli kullanılmıştır. Ozonlama ile ön arıtım, fotokatalitik oksidasyon aşamasında birinci derece bozunma hızlarının artmasını sağlamıştır. Giderim proseslerinin daha iyi anlaşılabilmesi için hümik asit çözeltilerinin kataliz (TİO2) yüzeyine adsorplanma özellikleri de incelenmiştir. Adsorpsiyon çalışmalarının sonuçlan, Freundlich adsorpsiyon modeli kullanılarak analiz edilmiştir.Vtü UV absorbansı ve renk, oksidasyon esnasında hümik asit bozunmasını izlemek için kullanılmış olan parametrelerdir. Oksidasyon proseslerinin hümik asit molekülleri üzerindeki etkileri, oksitlenmiş hümik asit numunelerinin ultrafiltrasyonu ile elde edilen molekül büyüklüğü dağılımı ile incelenmiştir. Trihalometan formasyon potansiyeli (THMFP) de elde edilen oksidasyon verimlerinin gösterilmesi için kullanılan diğer bir parametredir. Birleştirilmiş oksidasyon sonucunda organiklerin tamamen mineralizasyonu (yüzde ~99) sağlanmıştır. Sadece ozonlama ile elde edilen organik madde oksidasyonu verimi ise yüzde 80'dir; bu durum hümik asit çözeltilerindeki ozona dayanıldı organiklerin birikimini göstermektedir.

ABSTRACT OXIDATION OF AQUEOUS HUMIC SUBSTANCES BY OZONATION Chemical oxidation techniques have been used in water treatment for the removal of Natural Organic Matter (NOM), which are known to produce halogenated organic compounds in the finished waters upon chlorination. Besides its disinfection power, ozonation have been employed especially for its oxidation potential for the degradation of natural organics. Several studies in the literature have shown that although being a powerful oxidant, ozone is ineffective for the oxidation of recalcitrant organics like carboxylic acids. The accumulation of carboxylic acids in the solution upon ozonation makes the complete mineralization impossible or unfeasible. Therefore, in this study ozonation was combined with photocatalytic oxidation for the removal of humic acids, which comprise an important portion of natural organic compounds. The first part of this study covers the ozonation kinetics, in which ozone mass transfer into aqueous solutions and ozone demand, accumulation and decomposition phases in humic acid solutions were evaluated. An empirical model was proposed for defining the humic acid degradation with ozonation. The proceeding sections cover the combination of ozonation with photocatalytic oxidation. These two oxidation processes were applied in a sequential system in which ozonation was applied as a pretreatment stage for partial oxidation of humic acids prior to photocatalytic oxidation using TİO2. Langmuir-Hinshelwood kinetics as well as the first order degradation kinetics was studied for defining the photocatalytic oxidation of humic acids. Pretreatment by ozonation resulted in increased first order degradation rates during the photocatalytic oxidation stage. Adsorption characteristics of the humic acids solutions on the catalyst (TİO2) surface were also evaluated for better understanding of the removal processes. The results of the adsorption studies were analyzed using the Freundlich adsorption model.VI UV absorbance and color were the parameters used to monitor the humic acid degradation during oxidation. The effects of oxidation processes on the humic acid molecules were assessed using molecular size distribution obtained by ultrafiltration of the oxidized humic acid samples. Trihalomethane formation potential (THMFP) was also another parameter measured to demonstrate the oxidation efficiencies achieved. The combined oxidation resulted in complete mineralization of organics (~99 per cent), whereas organic matter oxidation efficiency achieved by only ozonation was 80 per cent, pointing out the accumulation of ozone resistant organics in humic acid solutions.