Comparative study of advanced oxidation processes for the treatment of pharmaceutical wastewater

Abstract

Bu çalışmada İstanbul'da bulunan bir ilaç fabrikasından temin edilen atık suyun arıtılması, ileri oksidasyon yöntemlerinden foto-Fenton benzeri ve katalitik ıslak hava oksdasyonu yöntemleri ile karşılaştırılmalı olarak incelenmiş ve optimum reaksiyon koşulları belirlenmiştir. Her oksidasyon yönteminde de kütlece 1:10 oranında hazırlanan aktif karbon (AK) destekli Fe/AK ve LaFeO3/AK katalizörleri test edilmiş ve uygun olduğu belirlenen katalizör ile optimizasyon deneyleri yapılmıştır. Hazırlanan katalizörler Taramalı Elektron Miroskopu, Brauner Emmett Teller yöntemleri ile karakterize edilmiştir.İlk olarak katalizör seçimi deneyleri yapılmış ve Fe/AK katalizörünün her iki yöntemde de de daha uygun olduğu belirlenmiştir. Katalizör seçimi deneylerinin ardından her bir ileri oksidasyon yönteminde en yüksek performansı gösteren katalizör varlığında (Fe/AK), optimum reaksiyon koşullarının belirlendiği parametrik çalışmalar yürütülmüştür. Yapılan parametrik çalışma sonuçlarının ışığında Minitab Deneysel Dizayn programı kullanılarak yapılması gereken deneyler için deney planı oluşturulmuştur. Bu deneylerin verileri de göz önüne alınarak, foto-Fenton benzeri yöntemi için optimum koşullar; 2.0 g/L katalizör yüklemesi, pH=4.5 değeri ve hidrojen peroksit konsantrasyonu 0.32mM olarak belirlenmiştir. Optimum koşullar altında foto-Fenton benzeri yöntemiyle yapılan çalışmalar sonucunda kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi yaklaşık % 72.7 olarak gözlemlenmiştir. Islak hava oksidasyonu yöntemi için optimum koşullar; 3.0 g/L katalizör yüklemesinde, 50 ℃ ve pH 3.0 olarak belirlenmiş olup; KOİ giderimi yaklaşık % 85 olarak bulunmuştur.En yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı değerlerinin sağlandığı Islak Hava Oksidasyonu için toksisite analizi ve kinetik çalışma yapılmıştır. Lepidium sativum tohumları ile gerçekleştirilen toksisite analizinde kök uzamasındaki inhibisyon % 4.2 olarak hesaplanmıştır. Islak hava oksidasyonunda prosesin KOİ giderimi verilerinin iki adımdan oluşan birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uyduğu ve aktivasyon enerjilerinin ilk adım ve ikinci adım için sırasıyla 25.7 kJ/mol ve 28.3 kJ/mol olduğu belirlenmiştir.

In this study, the treatment of pharmaceutical wastewater supplied from a pharmaceutical company in İstanbul has been investigated. The advanced oxidation methods comprising photo-Fenton like oxidation and catalytic wet air oxidation (CWAO) were applied to specify the optimum conditions. Both oxidation methods were performed in the presence of two different catalysts that were supported by Activated Carbon (AC) Fe/AC and LaFeO3/AC, catalyst:1/10 by wt and with selection of the most effective catalyst type the optimization experiments were performed. The catalysts were characterized by Scanning electron Microscopy, and Brauner Emmett Teller methods.Firstly, the catalyst screening experiments were applied, and Fe/AC catalyst was selected as most efficient catalyst for both methods. Then, the parametric studies were carried out in the presence Fe/AC to specify the optimum reaction conditions. Box Behnken statistical experiment design and the response surface methodology was used to investigate the effects of the independent variables on the response function and to determine the optimum conditions maximizing the percent removal of COD.Accordance of the experiments data, the optimum conditions were determined as for catalyst loading 2.0 g/L, at pH 4.5 and hydrogen peroxide concentration was 0.32 mM. Under the optimum conditions, the degradation of the wastewater was observed as 72.7% for Photo-Fenton like oxidation study.For the catalytic wet air oxidation method, the optimum conditions were determined as 3.0 g/L for catalyst loading at pH =3 and temperature of 50℃ and the degradation efficiency was found as around 85%.Toxicity tests and kinetic study were performed for catalytic wet air oxidation which was determined to be the most efficient one among the advanced oxidation methods tested in this study. The toxicity tests with Lepidium sativum showed that the growth inhibition was 4.2.% after the treatment. The COD degradation during the CWAO process followed two step first-order reaction kinetics. According to calculated parameters from linearized form of Arrhenius equation activation energies for first and second steps were approximately 25.7 kJ/mole and for slow step 28.3 kJ/mole, respectively.