Innovative Materials for Water Purification

Abstract

The insecure future of freshwater resources is undoubtedly a serious challenge for all living beings. Human activities generate harmful compounds or pollutants that should be treated before they are released into the aquatic ecosystems. The chaotic discharge of organic and inorganic compounds is considered a long-standing and aggravated global problem. Particularly, emerging contaminants, such as pharmaceutically active compounds (PhACs), personal care products, surfactants, various industrial additives, and endocrine-disrupting chemicals have proven to harm human health and ecological systems. Most of the current physical, chemical, and biological technologies used in wastewater treatment are prohibitively expensive they and face many operational challenges. Therefore, the development of economic, viable, and scalable techniques can profoundly secure access to safe and good drinking water quality. The advancement in the last two decades of wastewater purification methods including adsorption on non-conventional solids, advanced oxidation, and photodegradation is gaining massive attention. These technologies have many advantages, once compared to other treatment techniques, such as simplicity, cost feasibility, and the ease of operation including applying moderate operating conditions. The main aim of this doctoral thesis is to investigate the efficiency of novel in-house prepared materials to remove emerging contaminants from wastewaters such as ibuprofen, bromocresol green, alizarin red s, and methylene blue, and to compare them with classical commercial materials through adsorption and photodegradation. Both batch and semibatch operating modes were studied considering different operational parameters to investigate the kinetics. This work also includes experimental data validation through simulations for batch and semibatch systems. Advanced reactor modelling was carried out, describing the collected data in both scales with a rigorous approach, considering both physical and chemical phenomena appearing in the reaction network, i.e. discriminating between the mass transfer and reaction limiting steps.

Den osäkra framtiden för sötvattenresurserna är utan tvekan en allvarlig utmaning för levande organismer. Människans aktiviteter genererar skadliga kemiska föreningar och föroreningar som borde destrueras innan de släpps ut i ekosystemet. Det kaotiska utsläppet av organiska och oorganiska föreningar är ett långvarit och förvärrat globalt problem. Speciellt nya föroreningar, såsom farmaceutiskt aktiva föreningar (PhAC), produkter för personligt vård, ytaktiva ämnen, diverse industriella komponenter och hormonstörande kemikalier har visat sig vara skadliga för människans hälsa och ekosystemet i helhet. De flesta av nuvarande kemiska, fysikaliska och biologiska teknologierna som används för att rena avloppsvatten är orimligt dyra och de är förknippade med många praktiska problem. Därför ska utvecklingen av ekonomiskt lönsamma och skalbara förfaranden garantera tillgången till säker och god dricksvattenkvalitet. Framsteg har tagits under de senaste två decennierna i metoder för rening av avloppsvatten, bl.a. adsorption av föroreningar på icke-konventionella fasta ämnen, avancerade oxidationsprocesser och fotokatalytisk nedbrytning har fått stor uppmärksamhet. Dessa teknologier har många fördelar jämfört med konventionella metoder, såsom enkelhet, rimliga kostnader och relativt enkla driftsbetingelser. Det huvudsakliga syftet med detta doktorsarbete var att undersöka effektiviteten av nya material som vi har preparerat i laboratorieskala för borttagning av föoreningar från avloppsvatten, bl.a. ibuprofen, grön bromkresol, alizarin och metylenblått samt att jämföra dem med klassiska kommersiella material för adsorption och fotokatalytisk nedbrytning. Både satsvisa och halvkontinuerlierliga reaktionsförfaranden studerades genom att variera experimentella parametrar för att kartlägga reaktionskinetiken. Experimentella resultat validerades med hjälp av simulering av satsvisa och halvkontinuerliga reaktorsystem. Avancerad reaktormodellering tillämpades för att beskriva experimentella data på ett rigoröst sätt, genom att beakta kemiska och fysikaliska fenomen som förekom i reaktionssystemen. På detta sätt kunde massöverföringseffekter och kinetiska effekter kartläggas i detalj.

Il futuro insicuro delle risorse di acqua dolce rappresenta senza dubbio una sfida seria per gli esseri viventi. Le attività umane generano composti nocivi o inquinanti che dovrebbero essere trattati prima di essere rilasciati nell’ecosistema. Lo scarico non regolamentato di composti organici e inorganici è considerato un problema globale di lunga data e aggravato. In particolare, i contaminanti emergenti, come i composti farmaceuticamente attivi (PhAC), i prodotti per la cura personale, i tensioattivi, vari additivi industriali e le sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino hanno dimostrato di danneggiare la salute umana e i sistemi ecologici. La maggior parte delle attuali tecnologie fisiche, chimiche e biologiche utilizzate nel trattamento delle acque reflue sono proibitivamente costose e devono affrontare molte sfide operative. Pertanto, lo sviluppo di tecniche economiche, fattibili e scalabili può garantire profondamente l’accesso ad acqua potabile sicura e di buona qualità. Il progresso negli ultimi due decenni dei metodi di purificazione delle acque reflue, compreso l’adsorbimento su solidi non convenzionali, l’ossidazione avanzata e la fotodegradazione, sta guadagnando enorme attenzione. Queste tecnologie presentano molti vantaggi, rispetto ad altre tecniche di trattamento, come semplicità, fattibilità dei costi e facilità di funzionamento, inclusa l'applicazione di condizioni operative moderate. Lo scopo principale di questa tesi di dottorato è studiare l'efficienza di nuovi materiali preparati internamente per rimuovere contaminanti emergenti dalle acque reflue come ibuprofene, verde bromocresolo, rosso alizarina e blu di metilene, e confrontarli con i classici materiali commerciali attraverso un maggiore adsorbimento. e fotodegradazione. Entrambe le modalità batch e semibatch sono state studiate considerando diversi parametri operativi per studiare la cinetica della reazione chimica. Questo lavoro include anche la validazione dei dati sperimentali attraverso simulazioni per sistemi batch e semibatch. È stata effettuata una modellazione avanzata di reattori chimici, descrivendo i dati raccolti in entrambe le scale con un approccio rigoroso, considerando sia i fenomeni fisici che chimici che si verificano nella rete di reazione, ovvero distinguendo il trasferimento di massa e le fasi limitanti della reazione.