Sonolysis of pharmaceutical and personal care products as an advanced oxidation process for the remediation treatment of wastewater effluents

Abstract

Pharmaceutical and Personal Care Products (PPCPs) are a diverse group of chemicals, also known as xenobiotics, treated like potential environmental pollutants. Recently, PPCPs have been detected in trace amounts in surface and ground water resources especially those receiving wastewater effluents. Sonolytic irradiation, an Advanced Oxidation Process (AOP), had received increased attention lately as a possible remediation treatment for these pollutants. This research intends to study the sonolytic degradation of selected PPCPs model compounds, at an ultrasonic frequency of 20 kHz. At this frequency, water molecules generate OH·, whose formation was monitored by measuring the formation of H2O2 during the reaction. These radicals along with the cavitation phenomena are believed to be the main basis for the sonolytic degradation of these chemicals. For caffeine, up to 34% was degraded resulting in a pseudo first order degradation rate constant of 1.68 x 10-3 min-1 after 4 hours of irradiation at 35°C. Comparable results were obtained for acetaminophen under the same reactive conditions (23% and 1.09 x 10-3 min-1). Also, the addition of H2O2 into the reaction increased the degradation rate for both compounds resulting in higher decomposition percents. These results suggest combining sonochemistry with other existing AOP for larger scale applications. In addition, we captured water sonoluminescence and studied some particular higher frequencies, which increased acoustic pressures. This last finding could lead to an optimized frequency selection to achieve complete and more cost effective removal of these emerging and/or other existing pollutants.

Los Productos Farmacéuticos y de uso Personal (PPCPs*) son un grupo diverso de químicos que son tratados como potenciales contaminantes ambientales. Recientemente se han detectado pequeñas concentraciones de estos compuestos en fuentes de aguas superficiales y subterráneas, mayormente en aquellas áreas que reciben descargas de aguas residuales. La degradación sonolítica, un Proceso de Oxidación Avanzado (AOP*), ha recibido un interés actual como un posible tratamiento de remediación para estos contaminantes. Este trabajo pretende estudiar la degradación sonolítica de compuestos modelos de PPCPs a una frecuencia ultrasónica de 20 kHz. A esta frecuencia, las moléculas de agua generan OH·, cuya formación fue monitoreada mediante la determinación de H2O2 durante la reacción. Estos radicales junto con el fenómeno de la cavitación, parecen ser la razón principal de la degradación sonolítica de estos químicos. Para cafeína, hasta 34% fue degradado resultando en una constante de degradación de seudo primer orden de 1.68 x 10-3 min-1 luego de 4 horas de irradiación a 35°C. Utilizando las mismas condiciones de reacción, se obtuvieron resultados comparables para acetaminophen (23% y 1.09 x 10-3 min-1). También, la adición de H2O2 a la reacción aumentó la rapidez de degradación para ambos compuestos resultando en mayores por cientos de descomposición. Nuestros resultados sugieren la combinación de la sonoquímica con otros AOP existentes para aplicaciones a macro escala. En adición, la sonoluminescencia del agua fue evidenciada y el incremento en presión acústica a ciertas frecuencias mayores fue estudiado. Este último hallazgo pudiera ser utilizado para seleccionar una frecuencia de irradiación ultrasónica optimizada y remover estos contaminantes emergentes de una forma más costo efectiva.