Removal of organo-thiophosphate pesticides from water by adsorption on carbon cryogels and materials derived from biomass and graphene oxide

[В. Анићијевић]

XIV, 105 стр.

Физичка хемија – контролa и заштитa животне средине; хемијска термодинамика, материјали / Physical Chemistry - environmental control and protection; chemical thermodynamics, materials – environmental control and protection; chemical thermodynamics, materials

Како је вода је од виталног значаја, њен квалитет мора бити у оквиру строго задатих граница. Неопходно је континуирано пратити концентрације главних загађујућих супстанци воде и њихово присуство свести на најмању могућу меру. Органо-тиофосфатни (ОФ) пестициди, се често могу наћи у водама, зато је неопходно брзо и прецизно праћење њихове концентрације, као и ефикасно уклањање из воде у циљу контроле нивоа ових једињења у храни и животној средини. Постоји неколико начина уклањања ОФ пестицида (деградација путем хемијских, биолошких и физичко-хемијских метода), а један од главних фокуса истраживања је на адсорпцији. У оквиру ове докторске дисертације испитана је адсорпција ОФ петицида: диметоата, малатиона и хлорпирифоса из водених раствора на угљеничним материјалима: криогеловима допираним различитим садржајем азота, материјалима изведеним из биомасе и комерцијалним графен-оксидима различитих произвођача, да би се утврдила разлика у ефикасности наведених угљеничних материјала за примену у заштити животне средине и да би се идентификовао потенцијално најефикаснији адсорбенс. Коришћени материјали примењени као адсорбенси детаљно су окарактерисани применом SEM (Scanning Electron Microscope – скенирајући електронски микроскоп), Раманске спектроскопије, FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy – инфрацрвена спектроскопија са Фуријеовом трансформацијом), уз помоћ XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy – рендгенска фотоелектронска спектроскопија), као и BET (Brunauer–Emmett–Teller) анализе површине материјала. Адсорпција диметоата, малатиона и хлорпирифоса на одабраним адсорбенсима испитана је експериментално у стационарним и динамичким условима у инервалу температура 20 – 35 °C. Стабилност испитиваних ОФ пестицида проверена је у интервалу pH вредности 3 – 9, у опсегу температура од инереса. Концентрација испитиваних петицида током адсорпције праћена је методом течне хроматографије ултра ефикасних перформанси (UPLC – Ultra Performance Liquid Chromatography). Паралелно је праћено и смањење токсичности третираних узорака, мерењем активности ензима ацетилхолинестеразе (AChE). Добијени резултати обрађени су применом кинетичких модела (псеудо првог реда, псеудо другог реда, Еловичевог и међучестичне дифузије), као и модела изотерми (Лангмирове, Фројнлидхове, Дубинин-Радушкевичеве, Темкинове и Лиуове) из којих су одређени карактеристични параметри адсорпције. Дефинисани су оптимални услови за уклањање ОФ пестицида из воде за сваку групу испитиваних материјала. Параметри адсорпције ОФ пестицида повезани су структурним карактеристикама материјала који су употребљени као адсорбенси. Сви добијени подаци су упоређени и искоришћени за оптимизацију процеса пречишћавања воде загађене ОФ пестицидима. У даљем истраживању, материјали са оптималним учинком су тестирани на реалним узорцима. Ова докторска дисертација пружа корисне информације о могућностима примене угљеничних материјала за уклањање ОФ пестицида из водених раствора. Приказани резултати могу пружити добру основу за даље напоре у проналажењу једноставних доступних материјала одговарајуће ефикасности.

As water is of vital importance, its quality must be within strictly defined limits. Therefore, it is necessary to continuously monitor the concentrations of the main water polluting substances and reduce their presence to the minimum possible extent. Organo thiophos phate pesticides (OPs) can often be found in water, so it is necessary to quickly and accurately monitor their concentration and effectively remove them from water to control the level of these compounds in the food and the environment. There are several w ays to remove OPs (degradation through chemical, biological and physical chemical methods), and one of the primary research focuses is on adsorption. As part of this doctoral dissertation, the adsorption of OP: dimethoate, malathion, and chlorpyrifos from aqueous solutions on carbon materials: cryogels doped with different nitrogen contents, materials derived from biomass and commercial graphene oxides from different manufacturers was investigated to determine the difference in the efficiency of the aforementioned carbon materials for application in environmental protection and to identify the potentially most effective adsorbent. The materials used as a dsorbents were characterized in detail using SEM (Scanning Electron Microscope ), Raman spectroscopy, FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy ), with the help of XPS (X r ay Photoelectron Spectroscopy ), as well as BET (Brunauer Emmett Teller) analysis o f the material surface. Adsorption of dimethoate, malathion, and ḫ lorpyrifos on selected adsorbents was tested experimentally in stationary and dynamic conditions in the temperature interval 20 35 °C. In addition, the stability of the examined OP was che cked in the interval of pH values 3 9, in the range of temperatures from interest. The concentration of the tested pesticides during adsorption was monitored by ultra performance liquid chromatography (UPLC). At the same time, the reduction in toxicity o f the treated samples was observed by measuring the activity of the enzyme acetylcholinesterase (AChE). The obtained results were processed using kinetic models (pseudo first order, pseudo second order, Elovich's and interparticle diffusion), as well as i sotherm models (Langmir s, Freynlid s, Dubinin Radushkevich s, Temkin's and Liu s) from which characteristic adsorption parameters were determined. The optimal conditions for removing OPs from water were defined for each tested material group. The adsorption parameters of OPs are related to the structural characteristics of the materials used as adsorbents. All obtained data were compared and used to optimize the process of purifying water polluted by OPs. In further research, materials with optimal performance were tested on real samples. This doctoral dissertation provides useful information about the possibilities of using carbon materials to remov e OPs from aqueous solutions. Furthermore, the presented results can provide a good basis for further efforts in finding simple and available materials of suitable efficiency.

органофосфати, пестициди, адсорпција, угљенични материјали, карактеризација материјала.

organophosphates, pesticides, adsorption, carbon materials, materials characterization

544.723.21:66.017(043.3)

Tekst