Oxidation of a mixture of small aromatic compounds by UV/H2O2 in rainwater

Abstract

Rainwater contains a large variety of contaminants, namely aromatic compounds, that should be removed if its utilization is intended for domestic purposes. The present work evaluates the degradation of a mixture of three small aromatic compounds (benzoic, 3,5-dihydroxybenzoic and syringic acids), by UV/H2O2, in model solutions and in rainwater. The extent of oxidation was assessed by ultraviolet-visible and molecular fluorescence spectroscopies. It was verified that, during the oxidation of the mixture, new chromophoric compounds are formed, possibly with higher degree of unsaturation and hydroxylation, and these compounds are, then, degraded. It was also demonstrated that, the increase of H2O2 concentration, results in a higher extent of oxidation. On the other hand, it was verified that the pH does not influence the oxidation of the mixture, at least for pH values in rainwater (between 4.0 and 7.0). The optimization of the oxidation of the mixture of contaminants by the UV/H2O2 process was performed through the utilization of the uniform design as experimental design, with the following factors: H2O2 concentration, pH, and reaction time. The response surface model corresponds to a second order polynomial, where the extent of oxidation is a function of the following variables: H2O2 concentration, reaction time, interaction between these two factors and their respective quadratic forms. The optimum region, which corresponds to an extent of oxidation of approximately 100 %, can be observed for a combination of values for the variables, where the optimum chosen corresponds to a lower H2O2 concentration (3.1 mM) and a maximum reaction time (4 h). The application of the optimal conditions to rainwater samples, spiked with a mixture of contaminants, resulted in an extent of oxidation higher than 99.5 %, suggesting that the model is applicable to real samples. The results obtained in this work suggest that the UV/H2O2 process can be used as an alternative for the treatment of rainwater, namely in what concerns the degradation of small aromatic acids.

A água da chuva contém uma enorme variedade de contaminantes, nomeadamente compostos aromáticos, que devem ser removidos se se pretender a respetiva utilização para finalidades domésticas. O presente trabalho avalia a degradação de uma mistura de três pequenos compostos aromáticos (ácidos benzóico, 3,5-dihidroxibenzóico e siríngico), através do processo UV/H2O2, em soluções modelo e em água da chuva. A extensão da oxidação foi avaliada por espectroscopias de ultravioleta-visível e fluorescência molecular. Foi verificado que, no decorrer da oxidação da mistura, se formam novos compostos cromofóricos, possivelmente com maior grau de insaturação e hidroxilação, e que posteriormente são degradados. Foi também demonstrado que, o aumento da concentração de H2O2, resulta em taxas de oxidação mais elevadas. Por outro lado, foi verificado que o pH não influencia a oxidação da mistura, pelo menos para valores típicos de pH em águas da chuva (entre 4,0 e 7,0). A otimização da oxidação da mistura de contaminantes pelo processo de UV/H2O2 foi efetuada através da utilização do “uniform design” como planeamento experimental, com os seguintes fatores: concentração de H2O2, pH e tempo de reação. O modelo de superfície de resposta corresponde a um polinómio de segunda ordem, onde a extensão de oxidação é função das seguintes variáveis: concentração de H2O2, tempo de reação, interação entre estes dois fatores e as respetivas formas quadráticas. A região do ótimo, ou seja, uma extensão de oxidação de aproximadamente 100 %, pode ser observada para uma combinação de valores das variáveis, tendo sido escolhido o ótimo correspondente a uma concentração de H2O2 mais baixa (3,1 mM) e ao tempo de reação máximo (4 h). A aplicação das condições ótimas a amostras da água da chuva, às quais foi adicionada a mistura de contaminantes, resultou em extensões de oxidação superiores a 99,5 %, indicando que o modelo é aplicável a amostras reais. Desta forma, os resultados obtidos neste estudo, evidenciam que o processo UV/H2O2 pode ser usado como uma alternativa para tratamento de água da chuva, nomeadamente no que diz respeito à remoção de pequenos ácidos aromáticos.