Кавитационная активация окислительной деструкции амоксициллина в водных растворах

Аннотация

Антибиотики являются экотоксикантами и несут потенциальный риск для водной среды. Поскольку они регулярно выявляются в сточных водах, необходимы эффективные методы их деструкции. Комбинированные окислительные методы активно исследуют и внедряют в качестве средства окислительной деструкции устойчивых органических загрязнителей, включая антибиотики в водной среде. Их эффективность достигается вследствие интенсивного образования активных форм кислорода. Сконструирован и изготовлен лабораторный стенд и установлена принципиальная возможность реализации процесса окислительной деструкции антибиотика амоксициллина персульфатом при совместном воздействии гидродинамической и акустической кавитаций. Определены кинетические закономерности и оптимальные условия окислительной деструкции и минерализации амоксициллина в модельных водных растворах. Приведена сравнительная оценка индивидуальных, комбинированных и гибридных окислительных систем. Максимальная степень деструкции (90 %) и минерализации амоксициллина (33 %) достигается только в гибридной системе ГАК/ПС/Fe²⁺. Экспериментально методом ингибирования радикальных реакций доказано, что в окислении амоксициллина в гибридной системе ГАК/ПС/Fe²⁺ принимают участие как SO₄^•-, так и HO^•-радикалы Проведены оценка токсичности продуктов окислительной деструкции амоксициллина методами биотестирования. Полученные данные, характеризующие гибридную систему ГАК/ПС/Fe²⁺, показывают большой потенциал для эффективной окислительной деструкции биорезистентных органических загрязняющих веществ и могут быть использованы при масштабировании процесса в пилотных испытаниях

Работа выполнена в рамках госзадания БИП СО РАН (проект FWSU-2021-0006) с использованием оборудования ЦКП БИП СО РАН (Улан-Удэ)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Асеев Д.Г. Кавитационная активация окислительной деструкции амоксициллина в водных растворах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 6 (117), с. 55--71. EDN: DGXJEJ

Литература

[1] Watkinson A.J., Murby E.J., Costanzo S.D. Removal of antibiotics in conventional and advanced wastewater treatment: implications for environmental discharge and wastewater recycling. Water Res., 2007, vol. 41, iss. 18, pp. 4164--4176. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.04.005

[2] Martinez J.L. Environmental pollution by antibiotics and by antibiotic resistance determinants. Environ. Pollut., 2009, vol. 157, iss. 11, pp. 2893--2902. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2009.05.051

[3] Bergamonti L., Bergonzi C., Graiff C., et al. 3D printed chitosan scaffolds: a new TiO₂ support for the photocatalytic degradation of amoxicillin in water. Water Res., 2019, vol. 163, art. 114841. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.07.008

[4] Kovalakova P., Cizmas L., McDonald T.J., et al. Occurrence and toxicity of antibiotics in the aquatic environment: a review. Chemosphere, 2020, vol. 251, art. 126351. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126351

[5] Miklos D.B., Remy C., Jekel M., et al. Evaluation of advanced oxidation processes for water and wastewater treatment --- a critical review. Water Res., 2018, vol. 139, pp. 118--131. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.03.042

[6] Yin R., Chen Y., He S., et al. In situ photoreduction of structural Fe(III) in a metal-organic framework for peroxydisulfate activation and efficient removal of antibiotics in real wastewater. J. Hazard. Mater., 2020, vol. 388, art. 121996. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121996

[7] Andreozzi R., Caprio V., Insola A., et al. Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery. Catal. Today, 1999, vol. 53, no. 1, pp. 51--59. DOI: https://doi.org/10.1016/S0920-5861(99)00102-9

[8] Brillas E., Sires I., Oturan M.A. Electro-Fenton process and related electrochemical technologies based on Fenton’s reaction chemistry. Chem. Rev., 2009, vol. 109, iss. 12, pp. 6570--6631. DOI: https://doi.org/10.1021/cr900136g

[9] Fang Y., Hariuv D., Yamamoto T., et al. Acoustic cavitation assisted plasma for wastewater treatment: degradation of Rhodamine B in aqueous solution. Ultrason. Sonochem., 2019, vol. 52, pp. 318--325. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.12.003

[10] Dewil R., Mantzavinos D., Poulios I., et al. New perspectives for advanced oxidation processes. J. Environ. Manag., 2017, vol. 195, part 2, pp. 93--99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.04.010

[11] Tufail A., Price W.E., Hai F.I. A critical review on advanced oxidation processes for the removal of trace organic contaminants: a voyage from individual to integrated processes. Chemosphere, 2020, vol. 260, art. 127460. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127460

[12] Cravotto G., Gaudino E.C., Cintas P. On the mechanochemical activation by ultrasound. Chem. Soc. Rev., 2013, vol. 42, iss. 18, pp. 7521--7534. DOI: https://doi.org/10.1039/C2CS35456J

[13] Adewuyi Y.G. Sonochemistry: environmental science and engineering applications. Ind. Eng. Chem. Res., 2001, vol. 40, iss. 22, pp. 4681--4715. DOI: https://doi.org/10.1021/ie010096l

[14] Panda D., Saharan V.K., Manickam S. Controlled hydrodynamic cavitation: a review of recent advances and perspectives for greener processing. Processes, 2020, vol. 8, iss. 2, art. 220. DOI: https://doi.org/10.3390/pr8020220

[15] Bethi B., Sonawane S., Bhanvase B. Role of process intensification by ultrasound. In: Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry. Singapore, Springer, 2016, pp. 841--866. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-287-278-4_59

[16] Calcio Gaudino E., Canova E., Liu P., et al. Degradation of antibiotics in wastewater: new advances in cavitational treatments. Molecules, 2021, vol. 26, iss. 3, art. 617. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26030617

[17] Wu Z., Yuste-Cordoba F.J., Cintas P., et al. Effects of ultrasonic and hydrodynamic cavitation on the treatment of cork wastewater by flocculation and Fenton processes. Ultrason. Sonochem., 2018, vol. 40, part B, pp. 3--8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.04.016

[18] Braeutigam P., Franke M., Schneider R.J., et al. Degradation of carbamazepine in environmentally relevant concentrations in water by Hydrodynamic-Acoustic-Cavitation (HAC). Water Res., 2012, vol. 46, iss. 7, pp. 2469--2477. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.02.013

[19] Hassani A., Scaria J., Ghanbari F., et al. Sulfate radicals-based advanced oxidation processes for the degradation of pharmaceuticals and personal care products: a review on relevant activation mechanisms, performance, and perspectives. Environ. Res., 2023, vol. 217, art. 114789. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.114789

[20] Matzek L.W., Carter K.E. Activated persulfate for organic chemical degradation: a review. Chemosphere, 2016, vol. 151, pp. 178--188. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.02.055

[21] Lakshmi N.J., Gogate P.R., Pandit A.B. Treatment of acid violet 7 dye containing effluent using the hybrid approach based on hydrodynamic cavitation. Process Saf. Environ. Prot., 2021, vol. 153, pp. 178--191. DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.07.023

[22] Данилов В.С., Зарубина А.П., Ерошников Г.Е. и др. Сенсорные биолюминесцентные системы на основе lux-оперонов разных видов люминесцентных бактерий. Вестник Московского Университета. Сер. 16. Биология, 2002, № 3, с. 20--24.

[23] Yuefei J., Ferronato C., Salvador A., et al. Degradation of ciprofloxacin and sulfamethoxazole by ferrous-activated persulfate: Implications for remediation of groundwater contaminated by antibiotics. Sci. Total Environ., 2014, vol. 472, pp. 800--808. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.11.008

[24] Wang J., Wang S. Activation of persulfate (PS) and peroxymonosulfate (PMS) and application for the degradation of emerging contaminants. Chem. Eng. J., 2018, vol. 334, pp. 1502--1517. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.11.059

[25] Xu X., Bao T. Research on the removal of near-well blockage caused by asphaltene deposition using sonochemical method. Ultrason. Sonochem., 2020, vol. 64, art. 104918. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104918

[26] Xu X., Karami B., Shahsavari D. Time-dependent behavior of porous curved nanobeam. Int. J. Eng. Sci., 2021, vol. 160, art. 103455. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2021.103455

[27] Binota T., Aniruddha B.P., Qiu P. A review on sonoelectrochemical technology as an upcoming alternative for pollutant degradation. Ultrason. Sonochem., 2015, vol. 27, pp. 210--234. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.05.015

[28] Bu L., Shi Z., Zhou S. Modeling of Fe(II)-activated persulfate oxidation using atrazine as a target contaminant. Sep. Purif. Technol., 2016, vol. 169, pp. 59--65. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.05.037

[29] Zhang, Y., Xiao, Y., Zhong Y., et al. Comparison of amoxicillin photodegradation in the UV/H₂O₂ and UV/persulfate systems: reaction kinetics, degradation path-ways, and antibacterial activity. Chem. Eng. J., 2019, vol. 372, pp. 420--428. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.160

[30] Wojnarovits L., Toth T., Takacs E. Critical evaluation of rate coefficients for hydroxyl radical reactions with antibiotics: a review. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol., 2018, vol. 48, iss. 6, pp. 575--613. DOI: https://doi.org/10.1080/10643389.2018.1463066

[31] Chang K., Lim T.M., Tsen L., et al. Photocatalytic degradation and mineralization of bisphenol A by TiO₂ and platinized TiO₂. Appl. Catal. A Gen., 2004, vol. 261, iss. 4, pp. 225--237. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcata.2003.11.004