Oxidation of aqueous bisphenol a with the fenton's reagent: The effects of operating parameters on process performance and toxicity evaluations
Sulu bisfenol a çözeltisinin fenton reaktifiyle oksidasyonu: İşletme parametrelerinin proses performansı üzerindeki etkileri ve toksisite değerlendirmeleri
- Tez No: 335885
- Danışmanlar: PROF. DR. İDİL ARSLAN ALATON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 161
Özet
İki fenol ve polikarbonat moleküllerinin birleşmesiyle oluşan bisfenol A (BFA), günümüzde genellikle plastik, naylon, polyester, epoksi reçine gibi maddelerin üretilmesinde ara ürün olarak kullanılmaktadır. Fenolik kokulu, krem-beyaz renkte ve kristal yapıda olan bir tür organik bileşiktir. Sudaki çözünürlüğü düşük olmakla birlikte (120 mg/L) etanol ve aseton gibi çözücülerde iyi çözünmektedir. BFA?nın çevreye salınımının BFA içeren zararlı atık depolama sahaları; BFA üretimi sonucu oluşan partiküller; depolama, proses ve üretim faatliyetleri sonucu oluşan atıksu deşarjları ve bu süreçlerde oluşan kazalar gibi çeşitli yollarla olduğu tespit edilmiştir. Yapılan toksisite çalışmalarıyla, BFA?nın özellikle hamile kadınlarda ve çocuklarda üreme, büyüme ve gelişme üzerinde toksik etki yarattığı; dişi cinsiyet hormonu olan östrojeni taklit ettiği; meme, prostat ve testis kanserini tetiklediği; teratojenik etkileri olabildiği bulunmuş ve endokrin bozucu bileşik olarak nitelendirilmiştir. Biyolojik olarak ayrışabilirliğinin zor olması, mikrobiyolojik proseslerde toksik etkisi yaratması ve ayrıştığında ara ürünlerin kendisinden daha toksik etkide olabilmesinden dolayı BFAnın çeşitli arıtım yöntemleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. Adsropsiyon, membran bazlı filtrasyon ve ozonlama gibi proseslerle istenilen verim elde edilememiştir. BFA?nın etkin giderimi için alternatif arıtım yöntemleri araştırılmıştır. Çeşitli çalışmalar, ileri oksidasyon proseslerinin endokrin bozucu bileşiklerin arıtılmasında, konvansiyonel proseslerden daha etkili olduğunu göstermiştir. Dirençli ve toksik organik/inorganik maddelerin arıtımında yaygın olarak kullanılan ileri oksidasyon teknikleri çok güçlü bir oksitleyici olan hidroksil radikalinin (HO?) oluşmasına ve bunun reaksiyonlarına dayanmaktadır. HO oluşumuna dayanan prosesler arasında ozonlama, Fenton, perokson (O3/H2O2) ya da TiO2 ve ZnO gibi katalizlerle UVnin kombinasyonu sayılabilmektedir. Uygulama kolaylığı, maliyet ve başarılı olarak uygulanabilirliği açısından daha çok Fenton ve UV/H2O2 prosesleri dikkat çekmektedir. Bu çalışmada da yürütülen Fenton prosesi, Fe+2 ve Fe+3nin H2O2 ile birlikte asidik şartlarda katalitik olarak reaksiyonuna dayanmaktadır. Günümüzde, BFA?nın atıksular, sedimentler ve kontamine olmuş sular için ekotoksikolojik durumu çevre kirliliğinin önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. BFA?nın toksik etkilerinin incelenmesi için hızlı, kolay, hassas ve maliyet açısından da uygun olan çeşitli toksisite testleri yapılmıştır. Bu testler için ise mikroorganizmalar, bitki ve algler, omurgasızlar, kemirgenler ve balık türleri kullanılmıştır. Bu çalışmada; BFA, H2O2 ve Fe2+ konsantrasyonları, pH ve sıcaklık gibi işletme parametrelerinin Fenton prosesi üzerindeki etkileri, Fenton prosesi boyunca BFAnın toksisitesinin saf suda, gerçek sularda ve çeşitli organik ve inorganik maddeler içeren farklı test ortamlarında gösterdiği değişikliklerin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, çalışmanın birinci kısmı, İstanbul Teknik Üniversitesi?nde (İTÜ) yürütülmüş, Fenton prosesinin, BFA ve TOK giderimleri üzerinde H2O2 (0.50-5.00 mM) ve Fe2+ (0.05-1.0 mM) konsantrasyonları, pH (3-6), sıcaklık (20?C-70C), saf ve gerçek ham su üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Akut toksisite çalışmaları fotobakteri Vibrio fischeri (çürütücü) kullanılmıştır. Bu çalışmalar, 20 mg/L BFA için, 120 dakikalık Fenton prosesi boyunca, pH 5?te, H2O2:Fe2+= 10:1 (H2O2=4.0 mM; Fe2+=0.4 mM) oranında ve 50?C?de saf ve gerçek ham su ortamlarında yürütülmüştür. Aynı zamanda, H2O2 miktarı iki katına çıkarıldığında (4 mM) ve sıcaklık 50?C iken, BFA ve TOK giderim verimlerinin gösterdiği değişimler de incelenmiştir. Danimarka Teknik Üniversitesi?nde (DTÜ) yürütülen çalışmanın ikinci kısmında ise, fotobakteri Vibrio fischeri, tatlı su piresi Daphnia magna (tüketici) ve mikroalg Pseudokirchneriella subcapitata (üretici) kullanılarak BFAnın farklı test ortamlarında ve göl suyundaki toksisitesi araştırılmıştır. Toksisite deneyleri, 20 mg/L BFA için, 90 dakikalık Fenton prosesi boyunca, pH 5?te, H2O2:Fe2+= 5:1 (H2O2=2.0 mM; Fe2+=0.4 mM) oranında ve oda sıcaklığında yürütülmüştür. Yapılan deneyler, 20 mg/L BFAnın, 90 dakikalık Fenton prosesi süresince en uygun arıtım veriminin H2O2=2 mM, Fe2+=0.4 mM, pH 5 ve oda sıcaklığı (20?C) şartlarında elde edildiğini göstermiştir. Bu şartlarda %100 BPA giderimi 1-2 dakike içinde sağlanırken, 90 dakikalık arıtım sonunda ise %50 civarında TOK giderimi elde edilmiştir. Sıcaklık 20?C?nin üzerine çıkarıldığında ise, birinci dakika TOK giderim hızının arttığı gözlenmiş, bununla birlikte 90 dakika sonunda toplam TOK giderimi %34-41 arasında kalmıştır. Sıcaklık artışının proses verimini arttırmadığı, en uygun sıcaklık değerinin oda sıcaklığı (20C) olduğu görülmüştür. 4.0 mM of H2O2 ve 0.4 mM of Fe2+ kullanılarak pH 5?te ve 50Cde yürütülen çalışmalarda, 120 dakikalık arıtım sonunda, saf su için %60 ve gerçek ham su için 75% TOK giderimleri elde edilmiştir. Saf su yerine kullanılan test ortamlarına bağlı olarak, sırasıyla, M2 ortamı, göl suyu, M1 ortamı ve %2 NaCl ortamı için %22, %45, %58 and %62 TOK giderimleri elde edilmiştir. Tuzlu suyun (%2 NaCl), TOK giderimini inhibe ettiği sonucuna varılmıştır. Akut toksisite testlerinden elde edilen sonuçlar, orijinal BFA?nın (20 mg/L) Vibrio fischeri?ye karşı %70 inhibisyon etkisi gösterdiğini, 1 dakikalık Fenton prosesi sonunda bu değerin saf su için %12?ye, gerçek su için ise %23e düştüğünü göstermiştir. 40-50 dakika sonunda ise saf suyun, 90 dakika sonunda ise gerçek ham sudaki toksisitenin tamamen giderildiği gözlenmiştir. DTÜ?de Vibrio fischeri ile yürütülen inhibisyon testinde farklı olarak saf su yerine, test organizmasının yaşama ortamı olan %2lik NaCl çözeltisi kullanılmıştır. Bu şartlarda, orijinal BFA (20 mg/L) %50 inhibisyon etkisi gösterirken, 1 dakikalık Fenton prosesi sonunda bu değer %11?e düşmüştür. 90 dakika sonunda ise toksisitenin tam giderilemediği, hala %8 inhibisyon olduğu gözlemlenmiştir. Daphnia magna ile akut toksisite çalışamaları için Fenton prosesi test organizmasının yaşama ortamında (M1 ortamı) gerçekleştirilmiştir. Test organizamasının 24 saatlik inkübasyonu için, 30 dakikalık Fenton prosesi sonunda, immobilizasyon %70ten %10?a düşerken; 48 saatlik inkübasyon süresi için, 60 dakikalık Fenton prosesi sonunda, immobilizasyon %100?den %20?ye düşmüştür. Her iki inkübasyon süresi için, 90 dakikalık arıtım sonunda toksisitenin tamamen giderildiği gözlemlenmiştir. Pseudokirchneriella subcapitata ile inhibisyon testleri için Fenton prosesi test organizmasının yaşama ortamında (M2 ortamı) ve göl suyunda yürütülmüştür. Orijinal BFA çözeltisi her iki ortam için %100 inhibisyon gösterirken, 90 dakikalık arıtım sonunda bu değerin %40 civarında kaldığı gözlemlenmiştir. Toksisite deney sonuçları, BFA?ya karşı olan hassasiyet sıralamasının; Pseudokirchneriella subcapitata > Daphnia magna > Vibrio fischeri şeklinde olduğunu göstermiştir. Toksisite sonuçları aynı zamanda BFA?nın tek başına toksik etkiye neden olmadığını, arıtım ve reaksiyonlar boyunca farklı ve daha toksik ara ürünlerin oluşabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Bisphenol A (2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane; BPA), is a chemical being widely used as a monomer for the production of epoxy resins and polycarbonate, unsaturated polyester-styrene resins and flame retardants. The final industrial products are used as coating materials on cans, as powder paints, additives in thermal paper, in dental fillings and as antioxidants in plastics. It has been postulated that BPA has estrogenic activity and is classified as an endocrine disrupting compound (EDC). Due to its high consumption rate and adverse health effects on wildlife, BPA is known as one of the industrial pollutants that have generated significant academic as well as public interest recently. BPA is being released into the natural environment as well as surface water during its manufacturing and by leaching from final products If not treated properly, effluent containing BPA is a potential source of contamination in the aquatic environment. Due to the fact that biotreatment requires long retention times and cannot degrade BPA completely. rapid and efficient treatment processes including advanced oxidation processes (AOPs) have successfully been developed for the efficient treatment of BPA. Among the studied AOPs, the Fenton?s reagent is kinetically attractive, less expensive in terms of operating costs, well-known and established. However, as for all AOPs, more toxic/mutagenic oxidation products than the original pollutant could potentially form during the application of Fenton?s treatment to oxidize BPA and its organic carbon content. Consequently, it is of major importance to follow changes in toxicity during the application of AOPs, preferrably by conducting battery tests to examine potential toxic effects on tests organisms belonging to different trophic levels. Considering the above mentioned issues, the present study aimed at investigating the effect of Fenton?s treatment of aqueous BPA solution under varying reaction conditions on its toxicity using three different test organisms, namely the photobacterium Vibrio fischeri (decomposer level), the freshwater cladoceran Daphnia magna (consumer level) and the microalgae Pseudokirchnerialle subcapitata (prodcuer level). Fenton experiments were conducted in pure water, real freshwater samples, real lakewater samples as well as the growth medium of the test organisms. In the first part of the study which was conducted at Istanbul Technical University, the effect of different process variables of the Fenton?s reagent including the initial BPA, H2O2 and Fe2+ concentrations, pH, temperature and water matrix (pure and real freshwater) on the treatment performance (BPA and TOC removal rates) being observed during the application of the Fenton?s reagent to degrade BPA as well as its TOC content, was investigated. Acute toxicity changes in pure and real freshwater samples spiked with BPA indicated that in the presence of 0.4 mM Fe2+ and 2.0 mM H2O2 at room temperature (20 oC) and pH=5, complete BPA removals could be achieved within 1-2 min. The corresponding TOC removal efficiencies ranged between 34-41% at at room temperature after 90 min treatment and could not be enhanced significantly by increasing the reaction temperature. However, in the presence of 0.4 mM of Fe2+ and 4.0 (higher initial concentration) mM of H2O2 at pH=5 and elevated temperatures (T=50 oC), the overall TOC removal could be increased to 60% in pure water and 75% in real freshwater after 120 min treatment, whereas BPA degradation occurred promptly within the first min of the reaction.The enhancement was mainly due to reagent concentrations and not temperature. Toxicity test results obtained at Istanbul Technical University indicated that the luminescence inhibition rate of Vibrio fischeri could be reduced from 70% (original BPA solution) to 12% in pure water and 23% in real freshwater after only 1 min Fenton?s treatment. Complete detoxification was achieved after 40-50 min and 90 min treatmentin the pure and real freshwater samples, respectively. Detoxification patterns generally paralleled BPA degradation profiles. A similar toxicity pattern was ovserved for V. fischeri responses at the Technical University of Denmark, although the Fenton process was significantly inhibited in the saltwater medium. Acute toxicity test results obtained with Daphnia magna at at the Technical University of Denmark demonstrated that percent immobilization dropped from 70% to around 10% (24 h) and from 100% to around 20% (48 h) after 30 min and 60 min Fenton?s reaction, respectively and complete detoxification could be achieved after 90 treatment. The growth inhibition test conducted with the microalgae Pseudokirchneriella subcapitata in its growth mdium and real lakewater revealed that the relative inhibition value was 100% in the original BPA solution and did not drop below 40% during 90 min Fenton?s treatment. Removal rates and toxicity were significantly affected by the water matrix and decreased appreciably in real lakewater samples. Considering the toxicity test results obtained during Fenton?s treatment of BPA in pure water, different water matrices, and growth media it could be concluded that the relative sensitivity of the test species used in the present work was Pseudokirchneriella subcapitata > Daphnia magna > Vibrio fischeri. The battery test results demonstrated not only BPA, but also the oxidation products of the Fenton?s reagent caused inhibitory effects.
Benzer Tezler
- Atık sulardaki endokrin yıkıcı maddelerin ileri oksidasyon yöntemleriyle parçalanmalarının incelenmesi
Degradation of endocrine disrupters in waste water discharges by using advanced oxidation techniques
SİBEL IRMAK
- Bisfenol A'nın fotokimyasal ileri oksidasyon prosesleri ile arıtımında toksisite ve östrojenik aktivite değişimleri
Toxicity and estrogenic activity changes during treatment of bisphenol A by photochemical advanced oxidation processes
DUYGU DURSUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI
- Bisfenol A'nın katalitik, fotokatalitik ve ozonlama yöntemleri ile arıtılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of Bisphenol A's improvement by catalytic, photocatalytic and ozonation methods
HALİL AKSU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Çevre MühendisliğiSakarya ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL AYHAN ŞENGİL
- Application of carbocatalysts in water/wastewaterpractices: removal of endocrine disrupting compound bisphenol a
Karbokatalizörlerin su/atıksu uygulamalarında kullanımı: endokrin bozucu bisfenol a kirleticisinin giderimi
ILAHA GAFARLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI
- Sıfır değerlikli alüminyum nanopartikülleri kullanılarak endokrin bozucu bisfenol A kirleticisinin giderimi ve toksisite değişiminin izlenmesi
Removal and toxicity change of endocrine disrupting bisphenol A by using zero valent aluminum nanoparticle
MERVE DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI