Electrochemical Advanced Oxidation Processes for the Removal of the Drugs Paracetamol, Clofibric Acid and Chlorophene from Waters

• Main Author: Sirés Sadornil, Ignacio
• Other Authors: Garrido Ponce, José Antonio
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitat de Barcelona 2007
• Subjects: Ciències Experimentals i Matemàtiques; 544 - Química física
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/2750; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9788469038949

Paracetamol, clofibric acid and chlorophene are paradigms of NSAIDs, blood lipid regulators and antimicrobials, respectively, which are three of the top sales PPCPs therapeutical groups all throughout the world. During the last decades, the impact of chemical pollution has focused almost exclusively on the conventional 'priority' pollutants, mainly pesticides and industrial intermediates exhibiting persistence in the environment. Another group that has received comparatively little attention includes both human and veterinary pharmaceutical compounds and personal care products (PPCPs). Nowadays, these compounds are also considered as persistent pollutants because they are continually introduced in the environment at ng-µg L-1 level through several routes due to their high worldwide consumption. Aquatic pollution is particularly troublesome considering that survival of living organisms, including human beings, is based on the water-cycle. PPCPs can pose a huge risk, under assessment at present, because long exposure to trace levels leads to unpredicted and unknown subtle effects. The enormous diversity of chemical composition of pollutants in waters excludes the possibility of using an universal treatment method and suggests the requirement of special treatment technologies for water decontamination. Therefore, more effective processes must be developed as a plausible alternative. In this sense, electrochemical processes such as EAOPs and AO using effective anodes appear to be an appealing environmentally friendly choice, since the main oxidant species is thought to be hydroxyl radical. EF and PEF processes using an O2-diffusion or a carbon-felt cathode are able to electrogenerate hydroxyl radicals in the bulk solution through Fenton's reaction, whereas in AO using a Pt or a BDD anode the same oxidizing agent is chemisorbed or physisorbed, respectively, at the electrode surface. Several experimental systems have been studied by combining different cathodes and anodes and by using several catalysts. For each pharmaceutical, optimum conditions for the mineralization process at laboratory scale have been established from the analysis of the TOC abatement and the corresponding MCE values. Subsequently, the degradation kinetics for the reaction between each drug and hydroxyl radicals has been reported. Finally, the possible reaction pathways for the electrochemical degradation of paracetamol, clofibric acid and chlorophene have been proposed. In addition, some particularities of the EF process have been clarified. === El paracetamol, l'àcid clofíbric i el clorofè són exemples representatius de tres dels grups terapèutics més comercialitzats de "PPCPs" ("Pharmaceuticals and Personal Care Products") arreu del món: fàrmacs antiinflamatoris no esteroídics, fàrmacs reguladors de lípids en sang i fàrmacs antimicrobials, respectivament. Els PPCPs, que inclouen fàrmacs i productes d'higiene personal, constitueixen un grup de substàncies al qual s'ha dedicat poca atenció fins fa relativament poc temps. Actualment aquests compostos també es cataloguen com a contaminants persistents, ja que són introduïts en el medi de manera continua a nivell de ng-µg L-1 a escala mundial. La contaminació del medi aquàtic és especialment preocupant si es té en compte la importància del cicle de l'aigua en la conservació del planeta i dels éssers que l'habiten. L'avaluació del risc i dels posibles efectes que se'n deriven es troba actualment en fase d'estudi, i pel moment no es desposa de prou dades que permetin afirmar amb contundència quin és el perill real. Avui dia l'estratègia seguida en l'àmbit del tractament d'aigües residuals que contenen diversos contaminants és la de combinar procediments successius, tot introduint tecnologies especials que siguin efectives contra compostos molts particulars. Per tant, és necessari desenvolupar mètodes més potents i efectius. Amb aquesta intenció, diversos processos electroquímics que inclouen l'Oxidació Anòdica i els Processos Electroquímics d'Oxidació Avançada es presenten com una atractiva alternativa compatible amb el medi ambient, ja que la principal espècie oxidant que intervé és el radical hidroxil. D'aquesta manera, s'han realitzat diferents experiments combinant varis ànodes i càtodes, i utilitzant diferents catalitzadors. A través de la reacció de Fenton, els processos electro-Fenton (EF) i fotoelectro-Fenton (PEF) amb càtodes de difusió d'oxigen o de feltre de carbó permeten produir radicals hidroxil en el si de la dissolució tractada.En oxidació anòdica amb ànodes de platí (Pt) o diamant dopat amb bor (BDD) l'agent oxidant és el mateix, si bé es troba quimisorbit o fisisorbit, respectivament, en la superfície de l'elèctrode. Per al paracetamol s'ha fet un estudi dels processos EF i PEF amb un ànode de Pt i un càtode de difusió d'oxigen, i s'ha constatat el paper rellevant que tenen els diferents complexos formats entre els catalitzadors metàl·lics utilitzats i els àcids carboxílics generats al llarg de la degradació. També s'ha aplicat l'oxidació anòdica amb dos tipus d'ànodes, Pt i BDD, i un càtode de grafit. En el cas de l'àcid clofíbric s'ha introduït la combinació de l'ànode de BDD amb el càtode de difusió, fet que condueix a una millora significativa dels resultats. En aquest estudi s'ha posat de manifest la importància d'espècies oxidants diferents del radical hidroxil. Finalment, s'ha dut a terme un estudi profund de la degradació del clorofè mitjançant EF, utilitzant un càtode de difusió d'oxigen o un de feltre de carbó com a càtodes. Així, s'ha pogut explicar el sistema catalític Fe3+/Fe2+ sobre l'efectivitat de les cel·les amb ànodes de Pt i BDD. En definitiva, doncs, s'han proposat camins de reacció per a la degradació electroquímica del paracetamol i l'àcid clofíbric, i s'ha demostrat l'eliminació completa dels intermedis finals del clorofè.