Ứng dụng phương pháp bề mặt phản ứng nhằm tối ưu hóa quá trình phân hủy chất hữu cơ tự nhiên bằng quy trình oxi hóa nâng cao UV/H2O2
Tóm tắt
Trong nghiên cứu này, việc loại bỏ chất hữu cơ tự nhiên từ dung dịch nước bằng cách sử dụng các quá trình oxi hóa nâng cao (UV/H2O2) đã được đánh giá. Do đó, phương pháp bề mặt phản ứng và ma trận thiết kế Box-Behnken đã được áp dụng để thiết kế thí nghiệm và xác định các điều kiện tối ưu. Các tác động của các tham số khác nhau như nồng độ H2O2 ban đầu (100–180 mg/L), pH (3–11), thời gian (10–30 phút) và nồng độ carbon hữu cơ tổng (TOC) ban đầu (4–10 mg/L) đã được nghiên cứu.
Phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy sự phù hợp tốt giữa dữ liệu thực nghiệm và mô hình đa thức bậc hai được đề xuất (R2 = 0.98). Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng nồng độ H2O2, thời gian và giảm nồng độ TOC ban đầu, hiệu suất loại bỏ TOC tăng lên. Giá trị pH trung tính và gần axit cũng cải thiện hiệu suất loại bỏ TOC. Do đó, hiệu suất loại bỏ TOC đạt 78.02% dựa trên các biến độc lập bao gồm nồng độ H2O2 (100 mg/L), pH (6.12), thời gian (22.42 phút) và nồng độ TOC ban đầu (4 mg/L) đã được tối ưu hóa. Các thử nghiệm xác nhận thêm dưới các điều kiện tối ưu cho thấy hiệu suất loại bỏ TOC đạt 76.50% và xác nhận rằng mô hình phù hợp với các thí nghiệm. Ngoài ra, hiệu suất loại bỏ TOC cho nước tự nhiên dựa trên các điều kiện tối ưu của phương pháp bề mặt phản ứng là 62.15%.
Nghiên cứu này cho thấy phương pháp bề mặt phản ứng dựa trên phương pháp Box-Behnken là một công cụ hữu ích để tối ưu hóa các tham số hoạt động cho việc loại bỏ TOC bằng quy trình UV/H2O2.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Lamsal R, Walsh ME, Gagnon GA: Comparison of advanced oxidation processes for the removal of natural organic matter. Water Res 2011, 45: 3263–3269. 10.1016/j.watres.2011.03.038
Zazouli M, Nasseri S, Mahvi A, Mesdaghinia A, Younecian M, Gholami M: Determination of hydrophobic and hydrophilic fractions of natural organic matter in raw water of Jalalieh and Tehranspars water treatment plants (Tehran). J Appl Sci 2007, 7: 2651–2655.
Matilainen A, Gjessing ET, Lahtinen T, Hed L, Bhatnagar A, Sillanpää M: An overview of the methods used in the characterisation of natural organic matter (NOM) in relation to drinking water treatment. Chemosphere 2011, 83: 1431–1442. 10.1016/j.chemosphere.2011.01.018
Metz DH, Meyer M, Dotson A, Beerendonk E, Dionysiou DD: The effect of UV/H 2 O 2 treatment on disinfection by-product formation potential under simulated distribution system conditions. Water Res 2011, 45: 3969–3980. 10.1016/j.watres.2011.05.001
Matilainen A, Sillanpää M: Removal of natural organic matter from drinking water by advanced oxidation processes. Chemosphere 2010, 80: 351–365. 10.1016/j.chemosphere.2010.04.067
Naghizadeh A, Nasseri S, Mahvi AH, Nabizadeh R, Kalantary RR, Rashidi A: Continuous adsorption of natural organic matters in a column packed with carbon nanotubes. J Environ Health Science Eng 2013, 11: 14. 10.1186/2052-336X-11-14
Lin H-C, Wang G-S: Effects of UV/H 2 O 2 on NOM fractionation and corresponding DBPs formation. Desalination 2011, 270: 221–226. 10.1016/j.desal.2010.11.049
Huang X, Leal M, Li Q: Degradation of natural organic matter by TiO 2 photocatalytic oxidation and its effect on fouling of low-pressure membranes. Water Res 2008, 42: 1142–1150. 10.1016/j.watres.2007.08.030
Ghoochani M, Rastkari N, Nodehi RN, Mahvi AH, Nasseri S, Nazmara S: Study on the TOC concentration in raw water and HAAs in Tehran’s water treatment plant outlet. J Environ Health Science Eng 2013, 11: 28. 10.1186/2052-336X-11-28
Imoberdorf G, Mohseni M: Degradation of natural organic matter in surface water using vacuum-UV irradiation. J Hazard Mater 2011, 186: 240–246. 10.1016/j.jhazmat.2010.10.118
Vilhunen S, Vilve M, Vepsäläinen M, Sillanpää M: Removal of organic matter from a variety of water matrices by UV photolysis and UV/H 2 O 2 method. J Hazard Mater 2010, 179: 776–782. 10.1016/j.jhazmat.2010.03.070
Javid A, Nasseri S, Mesdaghinia A, Hossein Mahvi A, Alimohammadi M, Aghdam RM, Rastkari N: Performance of photocatalytic oxidation of tetracycline in aqueous solution by TiO 2 nanofibers. J Environ Health Science Eng 2013, 11: 24. 10.1186/2052-336X-11-24
Oppenländer T: Photochemical Purification of Water and Air: Advanced Oxidation Processes (AOPs): principles, reaction mechanisms, reactor concepts. Weinheim: Wiley-VCH; 2007.
Sarathy S, Mohseni M: Effects of UV/H 2 O 2 advanced oxidation on chemical characteristics and chlorine reactivity of surface water natural organic matter. Water Res 2010, 44: 4087–4096. 10.1016/j.watres.2010.05.025
Khayet M, Zahrim A, Hilal N: Modelling and optimization of coagulation of highly concentrated industrial grade leather dye by response surface methodology. Chem Eng J 2011, 167: 77–83. 10.1016/j.cej.2010.11.108
Im J-K, Cho I-H, Kim S-K, Zoh K-D: Optimization of carbamazepine removal in O 3 /UV/H 2 O 2 system using a response surface methodology with central composite design. Desalination 2012, 285: 306–314.
Ferreira SL, Bruns R, Ferreira H, Matos G, David J, Brandão G, da Silva EP, Portugal L, Dos Reis P, Souza A: Box-Behnken design: an alternative for the optimization of analytical methods. Anal Chim Acta 2007, 597: 179–186. 10.1016/j.aca.2007.07.011
APHA, AWWA, WEF: Standard methods for the examination of water and wastewater. 21st edition. Washington DC: APHA, AWWA, WEF; 2005.
Li M, Feng C, Zhang Z, Chen R, Xue Q, Gao C, Sugiura N: Optimization of process parameters for electrochemical nitrate removal using Box–Behnken design. Electrochim Acta 2010, 56: 265–270. 10.1016/j.electacta.2010.08.085
Sharma P, Singh L, Dilbaghi N: Optimization of process variables for decolorization of Disperse Yellow 211 by Bacillus subtilis using Box-Behnken design. J Hazard Mater 2009, 164: 1024–1029. 10.1016/j.jhazmat.2008.08.104
Tripathi P, Srivastava VC, Kumar A: Optimization of an azo dye batch adsorption parameters using Box-Behnken design. Desalination 2009, 249: 1273–1279. 10.1016/j.desal.2009.03.010
Hasan D, Abdul Aziz A, Daud W: Application of response surface methodology in process parameters optimization for phenol mineralization using Fenton’s peroxidation. Afr J Biotechnol 2011, 10: 10218–10231.
Myers RH, Montgomery DC, Anderson-Cook CM: Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons; 2009.
Koocheki A, Taherian AR, Razavi S, Bostan A: Response surface methodology for optimization of extraction yield, viscosity, hue and emulsion stability of mucilage extracted from Lepidium perfoliatum seeds. Food Hydrocoll 2009, 23: 2369–2379. 10.1016/j.foodhyd.2009.06.014
Khataee AR, Zarei M, Moradkhannejhad L: Application of response surface methodology for optimization of azo dye removal by oxalate catalyzed photoelectro-Fenton process using carbon nanotube-PTFE cathode. Desalination 2010, 258: 112–119. 10.1016/j.desal.2010.03.028
Bazri MM, Barbeau B, Mohseni M: Impact of UV/H 2 O 2 advanced oxidation treatment on molecular weight distribution of NOM and biostability of water. Water Res 2012, 46: 5297–5304. 10.1016/j.watres.2012.07.017
Shu Z, Bolton JR, Belosevic M, Gamal El Din M: Photodegradation of emerging micropollutants using the medium-pressure UV/H 2 O 2 advanced oxidation process. Water Res 2013, 47: 2881–2889. 10.1016/j.watres.2013.02.045
Mahvi A, Maleki A, Rezaee R, Safari M: Reduction of humic substances in water by application of ultrasound waves and ultraviolet irradiation. Iranian J Environ Health Sci Eng 2009, 6(4):233–240.
Mahvi A: Application of ultrasonic technology for water and wastewater treatment. Iranian J Public Health 2009, 38: 1–17.
Mahvi AH, Maleki A: Photosonochemical degradation of phenol in water. Desalin Water Treat 2010, 20: 197–202. 10.5004/dwt.2010.1562
Mahvi AH, Maleki A, Alimohamadi M, Ghasri A: Photo-oxidation of phenol in aqueous solution: toxicity of intermediates. Korean J Chem Eng 2007, 24: 79–82. 10.1007/s11814-007-5013-4