Enhanced Degradation and Mineralization of Bisphenol A by Hybrid Process Using Hydrodynamic-Acoustic Cavitation

Abstract

The present study is the first report on applying combination of low-pressure hydrodynamic cavitation and high-frequency ultrasound in the megahertz range (1.7 MHz) in a single reactor system (hydrodynamic-acoustic cavitation – HAC) in sulfate radical-based advanced oxidation processes (SR- AOPs) for degrading bisphenol A (BPA). A comparative evaluation of individual, combined and hybrid oxidation systems has been provided. The degradation efficiency of the target compound increases in the following order: AC < HC < HAC < HC/PS ≈ AC/PS < HAC/PS<< HAC/PS/Fe2+. The combination of two types of persulfate (PS) activation (cavitation and Fe2+ ions) in the hybrid oxidation system HAC/PS/ Fe2+ shows significant synergistic effects due to faster and more efficient generation of reactive oxygen species (ROS) from PS. Only in hybrid HAC/PS/Fe2+ system, along with the almost complete oxidation of BPA (97 %), a quite high mineralization (up to 60 %) in terms of total organic carbon (TOC) decay has been achieved without accumulation of toxic intermediates. Radical quenching tests showed that both SO4• – and HO• radicals are involved in the hybrid HAC/PS/Fe2+ system, with HO• being more dominant. The effects of pH, inlet pressure, Fe2+ and PS concentrations were studied and discussed. The influence of natural organic matter (NOM) and coexisting inorganic anions (SO42-, Cl- and HCO3-) were also examined, but only Cl- (10 mM) had a promoting effect on BPA degradation. This study demonstrates the great potential of hybrid HAC/PS/Fe2+ process for effective degradation of emerging organic contaminants with good scale-up capabilities

Впервые исследованы основные закономерности процессов деструкции Бисфенола А (БФА) персульфатом (ПС) при одновременном воздействии низконапорной гидродинамической кавитации (ГК) и высокочастотного ультразвука (АК) мегагерцового диапазона (1,7 МГц) в совмещенной реакционной системе ГАК (гидродинамическая-акустическая кавитация). Дана сравнительная оценка индивидуальных, комбинированных и гибридных окислительных систем. Эффективность деструкции целевого соединения возрастает в ряду: AК < ГК < ГАК < ГК/ ПС ≈ AК/ПС < ГАК/ПС<< ГАК/ПС/Fe2+. При сочетании двух видов активации персульфата – кавитационной и ионами Fe2+, в гибридной окислительной системе ГАК/ПС/Fe2+ наблюдается значительный синергический эффект, обусловленный более быстрым и эффективным образованием активных форм кислорода из персульфата. Только в гибридной системе ГАК/ ПС/Fe2+ наряду с практически полным окислением БФА (97 %) достигается достаточно высокая минерализация целевого соединения (до 60 %) без накопления токсичных промежуточных продуктов. С использованием ингибиторов радикальных реакций показано, что в гибридной системе ГАК/ПС/Fe2+ участвуют радикалы SO4•- и HO•, причем вклад гидроксильных радикалов является доминирующим. Изучено влияние pH, давления на входе, концентраций Fe2+ и ПС. Кроме того, исследовано влияние природного органического вещества и сопутствующих неорганических анионов (SO42-, Cl- и HCO3-), установлено промотирующее влияние Cl- (10 mM) на процесс дегратации БФА. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования гибридной системы ГАК/ПС/Fe2+ для эффективного разложения биорезистентных органических загрязнителей