Hydroxamate Mediated Heterogeneous Fenton-like Catalyst for the Efficient Removal of Organic Pollutants

Abstract

Heterogeneous Fenton-like catalyst and its industrial application are increasingly given importance for its non-selective mineralization of organic pollutants in broader pH range. Current study utilized 2-Hydroxypyridine-N-oxide (Hpo), an aromatic hydroxamic acid derivative with high affinity for ferric ion, for the construction of iron-Hpo ligand catalyst supported on granular activated carbon (GAC). 8-Hydroxyquinoline and citric acid were exploited as non-hydroxamic aromatic and aliphatic Fenton-like catalysts; respectively, and used for comparative experiments to evaluate the efficiency of targeted catalyst (HpoFe@GAC). Central Composite Design model under Response Surface Methodology was utilized to analyze and derive appropriate values for four experimental parameters: pH, temperature, catalyst dosage and initial Acid red 88 (AR 88) dye concentration. From the ANOVA analysis of the models, optimum values that yield considerably efficient results in all three catalytic systems were decided as pH 7, 50 μM dye concentration, 5 g/L catalyst dosage and 50°C. This Hpo mediated novel catalyst exhibits excellent efficiency in Acid Red 88 dye removal in the presence of hydrogen peroxide oxidant at acidic, basic or neutral conditions. Higher level of recyclability and stability with less iron leaching were also observed. 8-Hydroxyquinoline and citric acid showed very good removal rate (more than 80%), but, failed in exhibiting superior stability and regenerative capacity. Operational conditions for the catalytic oxidation including temperature, dye concentration, pH and catalyst dosage were systematically investigated and analyzed through kinetic studies. Oxidation of AR88 by HpoFe@GAC catalyst followed pseudo-second-order kinetics. Thermodynamic analysis of the catalytic dye removal reveals that the system could oxidize pollutants faster with less activation energy requirement. GAC, as the support and adsorbent, creates proximity for the catalytic interaction with dye and enhances the pollutant removal. Finally, the real time application of the catalyst for pollutant removal was investigated through successful repeated treatment of industrial wastewater. This study emphasizes the viability of hydroxamate mediated efficient Fenton-like oxidation as a novel approach in designing economically viable removal technologies.;다양한 Fenton 산화 촉매와 이들의 산업적 이용은 광범위한 pH 범위에서 일어나는 유기물의 비선택적 무기화 작용으로 점점 그 중요성을 더해가고 있다. 본 연구에서는 과립형활성탄(GAC; granular activated carbon)에 의해 지지되는 iron-Hpo 리간드 촉매 합성을 위해, 제2철이온(Fe3+)에 대해 높은 친화성을 갖는 방향족 히드록삼산 유도체인 2-Hydroxypyridine-N-oxide (Hpo)를 이용하였다. 히드록삼산이 아닌 방향족과 지방족의 Fenton 산화 촉매로는 각각 8-Hydroxyquinoline과 구연산을 사용하였으며, 이들은 대상 촉매(HpoFe@GAC)의 효율성을 평가하기 위한 대조 실험에 활용되었다. 이 새로운 촉매는 산성, 염기성 및 중성 조건에서 과산화수소 산화제의 존재 하에 Acid Red 88 (AR 88)염료물질의 제거에 있어 우수한 효율을 나타냈다. 더불어 높은 재생력과, 철의 침출이 비교적 적게 관찰되는 안정성도 나타냈다. 반면 8-Hydroxyquinoline과 구연산은 80 % 이상의 매우 높은 제거 효율을 보였으나, 안정성과 재생성 면에서는 우수하지 못한 것으로 나타났다. 촉매의 산화 작용을 위한 적용 조건은 온도, 염료물질의 농도, pH, 촉매 사용량을 포함하여 체계적으로 조사되었고, 반응 속도론적 연구를 통해 분석되었다. HpoFe@GAC 촉매에 의한 AR88의 산화는 유사 2차 반응속도식을 따르며, 촉매작용에 의한 염료물질 제거의 열역학적 분석은 보다 낮은 활성화에너지 요구조건일 때 산화작용이 더 빨리 일어난다는 사실을 나타낸다. GAC는 지지제와 흡착제의 역할을 함으로서 촉매가 염료물질과 상호작용을 잘 하도록 도와주며, 염료물질의 제거를 촉진시킨다. 마지막으로, 촉매의 실제 염료물질 제거에의 적용은 산업폐수를 이용한 반복적인 실험을 통해 이루어졌고, 성공적이었다. 이에 본 연구에서는 경제적으로 실행 가능한 오염물질 제거 기술을 디자인하는 새로운 접근법으로 하이드록사아마이트를 매개로 한 효율적인 펜톤 산화의 효용성을 강조하는 바이다.