بررسی تجزیه تتراسایکلین با استفاده از سیستم الکتروفنتون با کاتالیست MIL-100(Fe) و پرسولفات: نقش رادیکال‌ها و عملکرد رباینده ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی محیط ‌زیست، دانشکده مهندسی عمران و محیط ‌زیست، دانشگاه تربیت مدرس. تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته به ‌عنوان راهکاری کارآمد برای حذف آلاینده‌های آلی پایدار از فاضلاب شناخته شده‌اند و به دلیل توانایی بالای خود در تخریب ترکیبات مقاوم، جایگاه ویژه‌ای در فناوری‌های تصفیه پیدا کرده‌اند. تتراسایکلین به دلیل پایداری شیمیایی و زیست‌محیطی بالا، یکی از آلاینده‌های دارویی چالش‌برانگیز در منابع آبی محسوب می‌شود که حضور آن می‌تواند منجر به افزایش مقاومت باکتریایی و تهدیدات زیست‌محیطی شود. در این مطالعه باهدف بررسی نقش گونه‌های رادیکالی و عملکرد رباینده­‌ها در تجزیه آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین، به ارزیابی قابلیت سیستم الکتروفنتون مبتنی بر کاتالیست MIL-100(Fe) و پرسولفات پرداخته شده است.
مواد و روش‌ها: آزمایش‌ها در یک راکتور استوانه‌ای شیشه‌ای به حجم 1 لیتر، مجهز به چهار الکترود گرافیتی با فاصله 5 سانتی‌متر، انجام شد. کاتالیست MIL-100(Fe) سنتز و برای فعال‌سازی پرسولفات مورد استفاده قرار گرفت. تأثیر پارامترهای عملیاتی شامل غلظت اولیه تتراسایکلین، pH، غلظت کاتالیست، غلظت پرسولفات و شدت جریان الکتریکی با روش تک‌فاکتوریل ارزیابی شد. عملکرد فرایند بر اساس راندمان حذف تتراسایکلین، کاهش COD و TOC، راندمان جریان معدنی‌سازی (MCE)، میانگین حالت اکسیداسیون (AOS) و مصرف انرژی بررسی گردید. همچنین از متانول، ترت‌بوتانول و کاتالاز به‌عنوان رباینده برای تعیین سهم رادیکال‌های سولفات، هیدروکسیل و پراکسید هیدروژن استفاده شد. مدل‌های مختلف سینتیکی نیز برای توصیف رفتار فرایند مورد ارزیابی قرار گرفتند.
نتایج و بحث: شرایط بهینه فرایند شامل غلظت تتراسایکلین 50 میلی‌گرم بر لیتر، pH  برابر 5، غلظت پرسولفات 200 میلی‌گرم بر لیتر، غلظت کاتالیست 400 میلی‌گرم بر لیتر و شدت جریان 400 میلی‌آمپر تعیین شد. در این شرایط، راندمان حذف تتراسایکلین به 83/8 درصد رسید. همچنین حذف COD و TOC به ترتیب 57/46 و 26/38 درصد به دست آمد. مقادیر MCE و AOS نیز به ترتیب برابر با 67 درصد و 538/0 محاسبه شد که بیانگر معدنی‌سازی مؤثر و پیشرفت واکنش‌های اکسیداسیونی است. نتایج آزمایش‌های رباینده نشان داد که رادیکال‌های سولفات، رادیکال‌های هیدروکسیل و پراکسید هیدروژن به ترتیب 80/36، 47/20 و 89/27 درصد در حذف تتراسایکلین سهم دارند و رادیکال‌های سولفات گونه غالب در فرایند اکسیداسیون محسوب می‌شوند. بررسی سینتیکی نیز نشان داد که تخریب تتراسایکلین از مدل شبه‌مرتبه دوم پیروی می‌کند و ثابت سرعت آن در شرایط بهینه برابر با 001/0 لیتر بر میلی‌گرم بر دقیقه است. حضور متانول، ترت‌بوتانول و کاتالاز باعث کاهش قابل‌توجه ثابت سرعت واکنش و تأیید نقش گونه‌های فعال اکسیدکننده در فرایند شد.
نتیجه‌گیری: سیستم الکتروفنتون مبتنی بر MIL-100(Fe) و پرسولفات با بهره‌گیری از تولید هم‌زمان رادیکال‌های سولفات و هیدروکسیل، کارایی بالایی در حذف تتراسایکلین از محیط‌های آبی نشان داد. نتایج بیانگر نقش غالب رادیکال‌های سولفات در فرایند تخریب و نقش مکمل رادیکال‌های هیدروکسیل و پراکسید هیدروژن در افزایش راندمان اکسیداسیون است. این فرایند می‌تواند به عنوان یک فناوری مؤثر و پایدار برای تصفیه فاضلاب‌های حاوی آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر آلاینده‌های مقاوم مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Tetracycline Degradation by Electro-Fenton Process with MIL-100(Fe) Catalyst and Persulfate: Role of Radicals and Performance of Scavengers

نویسندگان [English]

  • Soran Ezati
  • Hossein Ganjidoust
  • Bita Ayati
Department of Environmental Engineering, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University. Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Advanced oxidation processes (AOPs) have emerged as efficient strategies for eliminating persistent organic pollutants from wastewater due to their superior capability in degrading chemically persistent organic compounds. Tetracycline, owing to its high chemical and environmental stability, is recognized as one of the most challenging pharmaceutical contaminants in aquatic systems, with its presence contributing to the proliferation of antibiotic-resistant bacteria and posing substantial ecological risks. This study aimed to investigate the role of reactive species and the effect of various scavengers in the degradation of tetracycline, utilizing an Electro-Fenton system based on MIL-100(Fe) catalyst and persulfate as the oxidant.
Material and methods: Experiments were performed in a 1-L cylindrical glass reactor equipped with four graphite electrodes spaced 5 cm apart. MIL-100(Fe) was synthesized and employed as a heterogeneous catalyst for persulfate activation. The effects of operational parameters, including tetracycline concentration, pH, catalyst dosage, persulfate concentration, and electric current, were evaluated using the one-factor-at-a-time (OFAT) method. The degradation performance was assessed through tetracycline removal, COD and TOC reduction, mineralization current efficiency (MCE), average oxidation state (AOS), and energy consumption (EC). Methanol, tert-butanol, and catalase were applied as scavengers to determine the contribution of sulfate radicals, hydroxyl radicals, and hydrogen peroxide, respectively. Kinetic analyses were conducted using pseudo-zero-order, pseudo-first-order, and pseudo-second-order models.
Results and discussion: The optimum operating conditions were obtained at tetracycline concentration of 50 mg/L, pH 5, persulfate dosage of 200 mg/L, catalyst dosage of 400 mg/L, and current intensity of 400 mA. Under these conditions, tetracycline removal reached 83.8%, while COD and TOC removals were 46.57% and 38.26%, respectively. The MCE and AOS values were determined as 67% and 0.538, indicating effective mineralization and progressive oxidation of intermediates. Radical scavenging experiments revealed that sulfate radicals, hydroxyl radicals, and hydrogen peroxide contributed 36.80%, 20.47%, and 27.89% to tetracycline degradation, respectively, highlighting the dominant role of sulfate radicals generated through persulfate activation. Kinetic investigations demonstrated that the degradation process followed a pseudo-second-order model with a rate constant of 0.0010 L·mg⁻¹·min⁻¹. The presence of methanol, tert-butanol, and catalase significantly reduced the reaction rate constants to 0.00009, 0.00036, and 0.00028 L·mg⁻¹·min⁻¹, respectively.
Conclusion: The Electro-Fenton/persulfate system employing MIL-100(Fe) exhibited high efficiency for tetracycline degradation through the synergistic generation of sulfate and hydroxyl radicals. Sulfate radicals were identified as the predominant reactive species, while hydroxyl radicals and hydrogen peroxide played complementary roles in the oxidation process. The results demonstrate that the MIL-100(Fe)-assisted Electro-Fenton process is a promising and sustainable approach for the treatment of antibiotic-contaminated wastewater and has considerable potential for future large-scale applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metal–Organic Framework (MOF)
  • Radical Scavengers
  • Reaction Kinetics
  • Tetracycline