Разработка гибридного метода обезвреживания органических микрополлютантов, основанного на совместном воздействии акустической и низконапорной гидродинамической кавитации

Для решения основной задачи проекта - разработки нового энергоэффективного гибридного метода очистки природных и сточных вод, основанного на кавитационной генерации активных форм кислорода (АФК) и их способности окислять органические микрополлютанты в водных средах до глубокой минерализации, на первом этапе (2022 г.) выполнения работ, в рамках проекта был сконструирован и изготовлен лабораторный стенд для деструкции органических микрополлютантов и установлена принципиальная возможность реализации процесса эффективной деструкции Бисфенола А (БФА) и β-лактамных антибиотиков, на примере Цефтриаксона (ЦЕФ) и Амоксициллина (АМХ), персульфатом (ПС) при совместном воздействии низконапорной гидродинамической кавитации (ГК) и высокочастотного ультразвука мегагерцового диапазона (АК) - ГАК. Установлены кинетические закономерности и оптимальные условия окисления и минерализации органических микрополлютантов в модельных водных растворах. Показана высокая эффективность железо-персульфатной системы при воздействии ГАК для деструкции целевых соединений. На заключительном этапе реализации проекта (2023 г.) исследования продолжены: установлено влияние анионного состава и растворенного органического вещества на эффективность протекания процессов деструкции; идентифицированы основные продукты деструкции и дана оценка их токсичности методами биотестирования; с использованием метода введения «ловушек» - акцепторов кислородсодержащих радикалов выявлена роль генерируемых in situ АФК; предложены возможные механизмы деструкции микрополлютантов. На основании полученных в ходе реализации всего проекта разработан новый метод очистки сточных вод от трудноокисляемых микрополлютантов и предложено устройство для его реализации. Проведенные исследования показали, что присутствие анионов, таких как гидрокарбонаты, сульфаты, и хлориды, оказывает существенное влияние на эффективность деструкции целевых органических загрязнителей. Сульфаты и природные органически вещества (ПОВ) конкурируют с целевыми соединениями, замедляя процесс их окисления. При введении гидрокарбонатов рН раствора увеличивается, вызывая гидролиз железа, что приводит к удалению железа из реакционной среды и ингибированию окислительного процесса. Влияние хлоридов определяется природой целевого соединения. С использованием ингибиторов радикальных реакций экспериментально доказано, что при окислительной деструкции микрополлютантов в гибридной системе ГАК/ПС/Fe2+ участвуют генерируемые in situ гидроксильные радикалы и сульфатные анион-радикалы. Результаты анализа методом ГХ-МС указывают на образование низкомолекулярных ароматических соединений, содержащих бензольные кольца, в процессе окисления БФА в рассматриваемой системе. Для антибиотиков выделяются два возможных пути деструкции: гидроксилирование и раскрытие β-лактамного кольца. Методом биотестирования по ингибированию люминесценции рекомбинированного штамма E. coli K12 TG1, несущих lux-опероны морских люминесцентных бактерий Photobacterium leiogn в растворах таргетных соединений до и после обработки установлено, что при окислительной деструкции Бисфенола А, Цефтриаксона и Амоксициллина в гибридной системе ГАК/ПС/Fe2+ накопление токсичных продуктов не происходит. Разработан эффективный гибридный метод очистки природных и сточных вод и устройство для его реализации. Высокая эффективность окислительной деструкции трудноокисляемых органических соединений и минерализации общего органического углерода в гибридной системе ГАК/ПС/Fe2+ обусловлена реализацией сопряженного радикально-цепного механизма процесса в кавитационном поле, при одновременном воздействии низконапорной гидродинамической кавитации и высокочастотного ультразвука мегагерцового диапазона (1.7 МГц).