(Acs Symposium Series 1123) Satinda Ahuja, Kiril Hristovski-Novel Solutions to Water Pollution-American Chemical Society (2013).pdf

7/25/2019 (Acs Symposium Series 1123) Satinda Ahuja, Kiril Hristovski-Novel Solutions to Water Pollution-American Chemical

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N o v e l S o l u t i o n s t o

W a t e r P o l l u t i o n

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2013|http://pubs.ac

s.org

PublicationDate(Web):March18,

2013|doi:10.1

021/bk-2013-1123.fw

001

In Novel Solutions to Water Pollution; Ahuja, S., et al.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2013.


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A C S S Y M P O S I U M S E R I E S 1 1 2 3

N o v e l S o l u t i o n s t o W a t e r P o l l u t i o n

S a t i n d e r A h u j a , E d i t o r A h u j a C o n s u l t i n g

C a l a b a s h , N o r t h C a r o l i n a

K i r i l H r i s t o v s k i , E d i t o r A r i z o n a S t a t e U n i v e r s i t y

T e m p e , A r i z o n a

S p o n s o r e d b y t h e

A C S D i v i s i o n o f E n v i r o n m e n t a l C h e m i s t r y , I n c .

A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y , W a s h i n g t o n , D C

D i s t r i b u t e d i n p r i n t b y O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s


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L i b r a r y o f C o n g r e s s C a t a l o g i n g - i n - P u b l i c a t i o n D a t a

N o v e l s o l u t i o n s t o w a t e r p o l l u t i o n / S a t i n d e r A h u j a , e d i t o r , A h u j a C o n s u l t i n g , C a l a b a s h ,N o r t h C a r o l i n a , K i r i l H r i s t o v s k i , e d i t o r , A r i z o n a S t a t e U n i v e r s i t y , T e m p e , A r i z o n a ;s p o n s o r e d b y t h e A C S D i v i s i o n o f E n v i r o n m e n t a l C h e m i s t r y , I n c .

p a g e s c m . - - ( A C S s y m p o s i u m s e r i e s ; 1 1 2 3 )I n c l u d e s b i b l i o g r a p h i c a l r e f e r e n c e s a n d i n d e x . I S B N 9 7 8 - 0 - 8 4 1 2 - 2 7 5 4 - 5 ( a l k . p a p e r )

1 . W a t e r - - P o l l u t i o n - - C o n g r e s s e s . I . A h u j a , S a t i n d e r , 1 9 3 3 , e d i t o r o f c o m p i l a t i o n . I I . H r i s t o v s k i , K i r i l , e d i t o r o f c o m p i l a t i o n . I I I . A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y . D i v i s i o n o f E n v i r o n m e n t a l C h e m i s t r y .

T D 4 1 9 . 5 . N 6 8 2 0 1 3 6 2 8 . 1 6 8 - - d c 2 3

2 0 1 2 0 4 9 6 4 3

T h e p a p e r u s e d i n t h i s p u b l i c a t i o n m e e t s t h e m i n i m u m r e q u i r e m e n t s o f A m e r i c a n N a t i o n a l S t a n d a r d f o r I n f o r m a t i o n S c i e n c e s P e r m a n e n c e o f P a p e r f o r P r i n t e d L i b r a r y M a t e r i a l s , A N S I Z 3 9 . 4 8 n 1 9 8 4 .

C o p y r i g h t 2 0 1 3 A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y

D i s t r i b u t e d i n p r i n t b y O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s

A l l R i g h t s R e s e r v e d . R e p r o g r a p h i c c o p y i n g b e y o n d t h a t p e r m i t t e d b y S e c t i o n s 1 0 7 o r 1 0 8 o f t h e U . S . C o p y r i g h t A c t i s a l l o w e d f o r i n t e r n a l u s e o n l y , p r o v i d e d t h a t a p e r - c h a p t e r f e e o f $ 4 0 . 2 5 p l u s $ 0 . 7 5 p e r p a g e i s p a i d t o t h e C o p y r i g h t C l e a r a n c e C e n t e r , I n c . , 2 2 2 R o s e w o o d D r i v e , D a n v e r s , M A 0 1 9 2 3 , U S A . R e p u b l i c a t i o n o r r e p r o d u c t i o n f o r s a l e o f p a g e s i n t h i s

b o o k i s p e r m i t t e d o n l y u n d e r l i c e n s e f r o m A C S . D i r e c t t h e s e a n d o t h e r p e r m i s s i o n r e q u e s t st o A C S C o p y r i g h t O f c e , P u b l i c a t i o n s D i v i s i o n , 1 1 5 5 1 6 t h S t r e e t , N . W . , W a s h i n g t o n , D C 2 0 0 3 6 .

T h e c i t a t i o n o f t r a d e n a m e s a n d / o r n a m e s o f m a n u f a c t u r e r s i n t h i s p u b l i c a t i o n i s n o t t o b e c o n s t r u e d a s a n e n d o r s e m e n t o r a s a p p r o v a l b y A C S o f t h e c o m m e r c i a l p r o d u c t s o r s e r v i c e s r e f e r e n c e d h e r e i n ; n o r s h o u l d t h e m e r e r e f e r e n c e h e r e i n t o a n y d r a w i n g , s p e c i c a t i o n ,

c h e m i c a l p r o c e s s , o r o t h e r d a t a b e r e g a r d e d a s a l i c e n s e o r a s a c o n v e y a n c e o f a n y r i g h t o r p e r m i s s i o n t o t h e h o l d e r , r e a d e r , o r a n y o t h e r p e r s o n o r c o r p o r a t i o n , t o m a n u f a c t u r e , r e p r o d u c e , u s e , o r s e l l a n y p a t e n t e d i n v e n t i o n o r c o p y r i g h t e d w o r k t h a t m a y i n a n y w a y b e r e l a t e d t h e r e t o . R e g i s t e r e d n a m e s , t r a d e m a r k s , e t c . , u s e d i n t h i s p u b l i c a t i o n , e v e n w i t h o u t s p e c i c i n d i c a t i o n t h e r e o f , a r e n o t t o b e c o n s i d e r e d u n p r o t e c t e d b y l a w .

P R I N T E D I N T H E U N I T E D S T A T E S O F A M E R I C A


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F o r e w o r d

T h e A C S S y m p o s i u m S e r i e s w a s r s t p u b l i s h e d i n 1 9 7 4 t o p r o v i d e a

m e c h a n i s m f o r p u b l i s h i n g s y m p o s i a q u i c k l y i n b o o k f o r m . T h e p u r p o s e o f

t h e s e r i e s i s t o p u b l i s h t i m e l y , c o m p r e h e n s i v e b o o k s d e v e l o p e d f r o m t h e A C S

s p o n s o r e d s y m p o s i a b a s e d o n c u r r e n t s c i e n t i c r e s e a r c h . O c c a s i o n a l l y , b o o k s a r e

d e v e l o p e d f r o m s y m p o s i a s p o n s o r e d b y o t h e r o r g a n i z a t i o n s w h e n t h e t o p i c i s o f

k e e n i n t e r e s t t o t h e c h e m i s t r y a u d i e n c e .

B e f o r e a g r e e i n g t o p u b l i s h a b o o k , t h e p r o p o s e d t a b l e o f c o n t e n t s i s r e v i e w e d

f o r a p p r o p r i a t e a n d c o m p r e h e n s i v e c o v e r a g e a n d f o r i n t e r e s t t o t h e a u d i e n c e . S o m e

p a p e r s m a y b e e x c l u d e d t o b e t t e r f o c u s t h e b o o k ; o t h e r s m a y b e a d d e d t o p r o v i d e

c o m p r e h e n s i v e n e s s . W h e n a p p r o p r i a t e , o v e r v i e w o r i n t r o d u c t o r y c h a p t e r s a r e

a d d e d . D r a f t s o f c h a p t e r s a r e p e e r - r e v i e w e d p r i o r t o n a l a c c e p t a n c e o r r e j e c t i o n ,

a n d m a n u s c r i p t s a r e p r e p a r e d i n c a m e r a - r e a d y f o r m a t .

A s a r u l e , o n l y o r i g i n a l r e s e a r c h p a p e r s a n d o r i g i n a l r e v i e w p a p e r s a r e

i n c l u d e d i n t h e v o l u m e s . V e r b a t i m r e p r o d u c t i o n s o f p r e v i o u s p u b l i s h e d p a p e r s

a r e n o t a c c e p t e d .

A C S B o o k s D e p a r t m e n t


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P r e f a c e

W e a r e b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y a w a r e o f t h e o v e r w h e l m i n g p o l l u t i o n o f o u r

l i m i t e d w a t e r r e s o u r c e s o n t h i s p l a n e t . A n d w h i l e m a n y c o n t a m i n a n t s o r i g i n a t e

f r o m M o t h e r E a r t h , m o s t w a t e r p o l l u t i o n c o m e s a s a d i r e c t r e s u l t o f a n t h r o p o g e n i c

a c t i v i t i e s . T h i s p r o b l e m h a s b e c o m e s o i m m e n s e t h a t i t t h r e a t e n s t h e f u t u r e o f a l l

h u m a n i t y . I f e f f e c t i v e m e a s u r e s t o r e d u c e a n d / o r r e m e d i a t e w a t e r p o l l u t i o n a n d

i t s s o u r c e s a r e n o t f o u n d , i t i s e s t i m a t e d b y U N t h a t 2 . 7 b i l l i o n p e o p l e w i l l f a c e w a t e r s h o r t a g e b y 2 0 2 5 a s o p p o s e d t o 1 . 2 b i l l i o n p e o p l e w h o d o n o t h a v e a c c e s s

t o c l e a n d r i n k i n g w a t e r n o w . T h e r e f o r e , d e v e l o p m e n t o f n o v e l g r e e n t e c h n o l o g i e s

t o a d d r e s s t h i s m a j o r p r o b l e m r e p r e s e n t s a p r i o r i t y o f t h e h i g h e s t i m p o r t a n c e . T h i s

b o o k d i s c u s s e s g r e e n c h e m i s t r y a n d o t h e r n o v e l s o l u t i o n s t o th e w a t e r p o l l u t i o n

p r o b l e m s w h i c h i n c l u d e s s o m e i n t e r e s t i n g a p p l i c a t i o n s o f n a n o p a r t i c l e s .

D i s c u s s i o n i n C h a p t e r 1 i s f o c u s e d o n a n i m p o r t a n t p r o b l e m r e l a t i n g t o

a r s e n i c c o n t a m i n a t i o n o f g r o u n d w a t e r , w h i c h a f f e c t s n e a r l y 2 0 0 m i l l i o n p e o p l e i n

v a r i o u s c o u n t r i e s , i n c l u d i n g a d v a n c e d c o u n t r i e s l i k e t h e U n i t e d S t a t e s . T w o g r e e n

c h e m i s t r y s o l u t i o n s a r e o f f e r e d t o r e m e d i a t e t h i s h o r r e n d o u s p r o b l e m . C h a p t e r s 1 2 a n d 1 3 d i s c u s s s o m e o t h e r n o v e l s o l u t i o n s t o t h e p r o b l e m .

A d v a n c e d o x i d a t i o n a n d r e d u c t i o n p r o c e s s e s , w h i c h c a n b e u s e d s u c c e s s f u l l y

t o r e m e d i a t e w a t e r c o n t a m i n a n t s t h r o u g h t h e c r e a t i o n o f h i g h l y r e a c t i v e r a d i c a l

s p e c i e s a r e d i s c u s s e d i n C h a p t e r 2 . S i m i l a r l y , C h a p t e r 3 i l l u s t r a t e s t h e c a p a c i t y

o f f e r r a t e ( V I ) i o n t o t r e a t a n t i b i o t i c s i n w a t e r t h r o u g h a n e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y

p r o c e s s t h a t c o u l d p e r f o r m a d u a l f u n c t i o n o f o x i d a t i o n a n d d i s i n f e c t i o n , f o r m i n g

a n o n t o x i c b y - p r o d u c t , i r o n ( I I I ) .

A c o s t - e f f e c t i v e a n d r e a d i l y a c c e s s i b l e w o o d c h i p b i o r e a c t o r f o r t r e a t m e n t o f

n i t r a t e - c o n t a m i n a t e d g r o u n d w a t e r b e l o w t h e U S E P A m a x i m u m c o n t a m i n a n t l e v e l o f 1 0 m g / L N O 3 - N i s d e s c r i b e d i n C h a p t e r 4 . T w o d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s o f a n o t h e r

n o v e l t e c h n o l o g y a r e i l l u s t r a t e d i n C h a p t e r s 5 a n d 6 . T h e s e c h a p t e r s d e m o n s t r a t e

t h e u s e o f z e r o - v a l e n t i r o n n a n o p a r t i c l e s f o r p r e v e n t i o n o f m e r c u r y m e t h y l a t i o n

a n d e f c i e n t i n s i t u d e c h l o r i n a t i o n o f c h l o r i n a t e d s o l v e n t s i n g r o u n d w a t e r .

U t i l i z a t i o n o f i n e x p e n s i v e p o l y c a t i o n s , a s n o n c o v a l e n t b r i d g e s t h a t t e t h e r

a n i o n i c s u r f a c t a n t m i c e l l e s t o p o r o u s m e d i a s u c h a s s i l i c a o r s a n d , t o t r e a t t o l u e n e

a n d d i c h l o r o e t h a n e c o n t a m i n a t i o n i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r 7 . O l i g o m e r i z a t i o n

i s a c o s t - e f f e c t i v e w a y t o i m p r o v e p e r f o r m a n c e o f a c t i v a t e d c a r b o n f o r w a t e r

t r e a t m e n t a p p l i c a t i o n s ( s e e C h a p t e r 8 ) . A n i n n o v a t i v e c o n c e p t f o r r e m o v a l o f h e a v y m e t a l s f r o m a c i d i c s o l u t i o n s

u t i l i z e s c y c l i c e l e c t r o w i n n i n g / p r e c i p i t a t i o n i s d e s c r i b e d i n C h a p t e r 9 . T h i s

u n i q u e p r o c e s s a l l o w s r a p i d r e d u c t i o n o f c o n t a m i n a n t s a n d e f c i e n t p r o c e s s i n g

o f l a r g e v o l u m e s o f c o n t a m i n a t e d s o l u t i o n s . R e m o v a l o f t w o o f t h e m o s t

i x

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IVTENNESSEEKNOXVILLE

CAMPUSonMarch20,

2013|http://pubs.acs.org

PublicationDate(Web):March18,20

13|doi:10.1

021/bk-2013-1123.pr001

http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch008http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch007http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch005http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch006http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch004http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch002http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch003http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch012http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch013http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch009http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch008http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch007http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch006http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch005http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch004http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch003http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch002http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch013http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch012http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch001


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i m p o r t a n t m i c r o n u t r i e n t s , n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s f r o m w a s t e r w a t e r t o p r e v e n t

e u t r o p h i c a t i o n a n d p r o d u c e f e r t i l i z e r s , i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r 1 0 .

F e a s i b i l i t y o f u s i n g a c o a t i n g o f o n e o r t w o l a y e r s t h a t s e r v e s a s a

b a r r i e r b e t w e e n t h e m e m b r a n e a n d f o u l a n t t o r e d u c e m e m b r a n e f o u l i n g

i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r 1 1 . C h a p t e r s 1 2 a n d 1 3 d e s c r i b e d e v e l o p m e n t o f h y b r i d n a n o p a r t i c l e - c o n t a i n i n g m e d i a f o r s i m u l t a n e o u s t r e a t m e n t o f m u l t i p l e

c o n t a m i n a n t s f r o m w a t e r . C h a p t e r 1 2 f o c u s e s o n s y n t h e s i s o f a h e m a t i t e

n a n o p a r t i c l e g r a n u l a r a c t i v a t e d c a r b o n f o r r e m o v a l o f a r s e n i c a n d o r g a n i c

c o - c o n t a m i n a n t s . S i m i l a r l y , C h a p t e r 1 3 d e s c r i b e s t h e d e v e l o p m e n t o f a n

i n e x p e n s i v e a n d e a s y - t o - f a b r i c a t e t i t a n i u m d i o x i d e b a s e d h y b r i d i o n - e x c h a n g e

m e d i a a n d a s s e s s e s i t s p o t e n t i a l t o r e m o v e a r s e n i c a n d n i t r a t e f r o m w a t e r .

A n o v e r v i e w o f a p p l i c a t i o n s o f z e r o - v a l e n t i r o n f o r r e m o v i n g a w i d e a r r a y o f

c o n t a m i n a n t s r a n g i n g f r o m m i c r o o r g a n i s m s a n d c h l o r i n a t e d o r g a n i c c o m p o u n d s

t o d i s i n f e c t i o n b y - p r o d u c t s a n d t h e i r p r e c u r s o r s i s p r o v i d e d i n C h a p t e r 1 4 .

C h a p t e r 1 5 d e m o n s t r a t e s a n a p p l i c a t i o n o f a f u l l - s c a l e h y b r i d s e q u e n c i n g b a t c h

m e m b r a n e b i o r e a c t o r s e r v i n g 4 0 0 r e s i d e n t i a l u n i t s a n d d i s c u s s e s t h e f a c t o r s

i m p a c t i n g t h e o p t i m u m p e r f o r m a n c e o f t h i s s y s t e m .

W e b e l i e v e t h a t N o v e l S o l u t i o n s t o W a t e r P o l l u t i o n i s a u s e f u l a n d i n f o r m a t i v e

t e x t f o r t h o s e e n g a g e d i n i s s u e s o f w a t e r q u a l i t y a n d w a t e r p o l l u t i o n r e m e d i a t i o n

a t o p e r a t i o n a l , a d m i n i s t r a t i v e , a c a d e m i c , o r r e g u l a t o r y l e v e l s .

S a t i n d e r A h u j a

K i r i l H r i s t o v s k i

x

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IVTENNESSEEKNOXVILLE

CAMPUSonMarch20,


PublicationDate(Web):March18,20

13|doi:10.1

021/bk-2013-1123.pr001

http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch015http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch014http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch013http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch012http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch013http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch012http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch011http://dx.doi.org/10.1021/bk-2013-1123.ch010


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C h a p t e r 1

G r e e n C h e m i s t r y a n d O t h e r N o v e l S o l u t i o n s t o

W a t e r P o l l u t i o n : O v e r v i e w

S a t i n d e r ( S u t ) A h u j a *

A h u j a C o n s u l t i n g , 1 0 6 1 R u t l e d g e C o u r t , C a l a b a s h , N o r t h C a r o l i n a 2 8 4 6 7 *E - m a i l : s u t a h u j a @ a t m c . n e t

T o p r e v e n t w a t e r p o l l u t i o n , e f f e c t i v e s a f e t y m e a s u r e s s h o u l d

b e e m p l o y e d t h a t p r e v e n t p o i n t - s o u r c e a n d n o n p o i n t - s o u r c e

p o l l u t i o n . G r e e n c h e m i s t r y s o l u t i o n s s h o u l d b e e m p l o y e d ,

w h e r e p o s s i b l e . A n e f f e c t i v e w a y t o d e a l w i t h t h e w a t e r

p o l l u t i o n p r o b l e m i s t o u s e t h e l e a s t h a r m f u l w a y s t o e l i m i n a t e

c o n t a m i n a n t s . C h r o m a t o g r a p h y a n d s e p a r a t i o n c h e m i s t r y o f f e r

a v a r i e t y o f i n t e r e s t i n g a p p r o a c h e s t o a c h i e v e t h e s e g o a l s .

I n t e r e s t i n g e x a m p l e s o f r e m e d i a t i o n h a v e b e e n p r o v i d e d t o h e l p

c o r r e c t a r s e n i c c o n t a m i n a t i o n o f g r o u n d w a t e r , w h i c h a f f e c t s

n e a r l y 2 0 0 m i l l i o n p e o p l e w o r l d w i d e . A v a r i e t y o f n o v e l

m e t h o d s h a v e b e e n i n c l u d e d f o r p r e v e n t i o n a n d r e m e d i a t i o n

o f w a t e r p o l l u t i o n t h a t e n t a i l r a d i c a l r e a c t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f

n a n o p a r t i c l e s .

I n t r o d u c t i o n

O u r d r i n k i n g w a t e r c o m e s f r o m v a r i o u s s o u r c e s s u c h a s r i v e r s , l a k e s , w e l l s ,

a n d n a t u r a l s p r i n g s . U n f o r t u n a t e l y , t h e s e s o u r c e s c a n b e e a s i l y p o l l u t e d b y p o i n t

a n d n o n p o i n t s o u r c e p o l l u t a n t s . S o m e o f t h e p o i n t s o u r c e p r o b l e m s c a n b e t r a c e d

t o i n a d e q u a t e s a f e t y m e a s u r e s r e l a t i n g t o p r o d u c t i o n , u t i l i z a t i o n , a n d d i s p o s a l o f

m a n y i n o r g a n i c a n d o r g a n i c c o m p o u n d s . A n u m b e r o f c o n t a m i n a n t s a l s o a r i s e

f r o m f r e q u e n t l y u s e d m a t e r i a l s a n d r e a c t i o n s : c o a l a n d o i l c o m b u s t i o n , g a s o l i n e

c o m b u s t i o n , d e t e r g e n t s , d i s i n f e c t a n t s , d r u g s ( i n c l u d i n g e n d o c r i n e d i s r u p t o r s ) ,

f e r t i l i z e r s , h e r b i c i d e s , a n d p e s t i c i d e s . M a n y c o n t a m i n a n t s c a n a r i s e f r o m M o t h e r

E a r t h , e . g . , m a n g a n e s e , r a d i o n u c l i d e s , a n d a r s e n i c . A n o v e r w h e l m i n g m a j o r i t y

o f w a t e r - q u a l i t y p r o b l e m s a r e c a u s e d b y d i f f u s e n o n p o i n t s o u r c e s o f p o l l u t i o n t h a t

a r e m o r e d i f c u l t t o m o n i t o r e f f e c t i v e l y . F o r e x a m p l e , m i c r o b i a l c o n t a m i n a t i o n

2 0 1 3 A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y

MASON

UNIVonMarch20,


Publi

cationDate(Web):March18,

2013|doi:10.1

021/bk-2013-1123.ch

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o f t e n r e s u l t s f r o m c o n t a m i n a t i o n b y a n i m a l a n d h u m a n w a s t e t h a t i s d u e t o p o o r

s a n i t a r y p r a c t i c e s . B e c a u s e o f t h e s e p r o b l e m s , a n e s t i m a t e d 1 . 2 b i l l i o n p e o p l e

i n t h e w o r l d d r i n k u n c l e a n w a t e r d a i l y . T h i s c h a p t e r w i l l r s t d i s c u s s g r e e n

c h e m i s t r y s o l u t i o n s p r e s e n t e d b y t h e a u t h o r a t a s y m p o s i u m a n d t h e n h i g h l i g h t

t h e o t h e r p r e s e n t a t i o n s f r o m t h e s y m p o s i u m i n t h e f o r m o f a n o v e r v i e w .

1 . G r e e n C h e m i s t r y S o l u t i o n s

G r e e n c h e m i s t r y s o l u t i o n s n e e d t o b e f o u n d t o r e s o l v e w a t e r p o l l u t i o n

p r o b l e m s . P r i m a r i l y , t h e s e s o l u t i o n s s h o u l d e m p h a s i z e e f f e c t i v e s a f e t y m e a s u r e s

t h a t p r e v e n t p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n . I n a d d i t i o n , o u r v i g i l a n c e t o a v o i d n o n p o i n t

s o u r c e p o l l u t i o n h a s t o b e s i g n i c a n t l y i m p r o v e d . R e a l i s t i c a l l y , w a t e r p o l l u t i o n i n m o d e r n s o c i e t y s e e m s i n e v i t a b l e . A n e f f e c t i v e w a y t o d e a l w i t h p o l l u t i o n

p r o b l e m s i s t o u s e t h e l e a s t h a r m f u l w a y s t o e l i m i n a t e c o n t a m i n a n t s ( 1 , 2 ) .

T h e m a i n o b j e c t i v e o f g r e e n c h e m i s t r y i s t o p r o m o t e r e s e a r c h , d e v e l o p m e n t ,

a n d i m p l e m e n t a t i o n o f i n n o v a t i v e c h e m i c a l t e c h n o l o g i e s t h a t a c c o m p l i s h

p o l l u t i o n p r e v e n t i o n i n a s c i e n t i c a l l y s o u n d a n d c o s t - e f f e c t i v e m a n n e r . G r e e n

c h e m i s t r y s o l u t i o n s s h o u l d e m p h a s i z e e f f e c t i v e s a f e t y m e a s u r e s t h a t p r e v e n t p o i n t

a n d n o n p o i n t - s o u r c e p o l l u t i o n . L i s t e d b e l o w a r e s o m e o f t h e p r i n c i p l e s o f g r e e n

c h e m i s t r y t h a t c a n b e a p p l i e d t o s o l v i n g w a t e r p o l l u t i o n p r o b l e m s .

M i n i m i z e w a s t e : I d e a l l y , n o w a s t e s h o u l d r e m a i n t h a t r e q u i r e s t r e a t m e n t

o r c l e a n u p .

U s e c a t a l y s t s : U s e c a t a l y t i c r a t h e r t h a n s t o i c h i o m e t r i c r e a c t i o n s t h a t u s e

e x c e s s r e a g e n t s , a n d w o r k o n l y o n c e .

U s e s a f e s o l v e n t s : A v o i d u s i n g u n s a f e s o l v e n t s , s e p a r a t i o n a g e n t s , o r

o t h e r a u x i l i a r y c h e m i c a l s . U s e i n n o c u o u s c h e m i c a l s i f i t i s n e c e s s a r y .

I n c r e a s e e n e r g y e f c i e n c y : R u n c h e m i c a l r e a c t i o n s a t a m b i e n t

t e m p e r a t u r e s a n d p r e s s u r e s , w h e n p o s s i b l e .

D e s i g n c h e m i c a l s a n d p r o d u c t s t h a t d e g r a d e a f t e r u s e : T o p r e v e n t

a c c u m u l a t i o n i n t h e e n v i r o n m e n t , d e s i g n c h e m i c a l p r o d u c t s t o b r e a k

d o w n t o i n n o c u o u s s u b s t a n c e s a f t e r u s e .

A n a l y z e i n r e a l t i m e : I n c l u d e i n - p r o c e s s , r e a l - t i m e m o n i t o r i n g a n d

c o n t r o l d u r i n g s y n t h e s e s t o m i n i m i z e o r e l i m i n a t e t h e f o r m a t i o n o f

b y - p r o d u c t s .

S e p a r a t i o n c h e m i s t r y a n d c h r o m a t o g r a p h y o f f e r a v a r i e t y o f i n t e r e s t i n g

a p p r o a c h e s t o e l i m i n a t i o n o f c o n t a m i n a n t s t h a t m e e t g r e e n c h e m i s t r y

r e q u i r e m e n t s . I n a d d i t i o n , c h e m i c a l r e a c t i o n s t h a t m e e t t h e s e r e q u i r e m e n t s c a n b e

c o n d u c t e d , w h e n n e c e s s a r y , t o m i n i m i z e t h e t o x i c i t y o f a g i v e n p o l l u t a n t . W h e n

w e c o n d u c t c h e m i c a l r e a c t i o n s t o r e m e d i a t e p o l l u t i o n , i t i s i m p o r t a n t t o a s s u r e

t h a t t h e o v e r a l l i m p a c t i s m i n i m i z a t i o n o f t o x i c i t y o f t h e r e s u l t a n t p r o d u c t s . A n

e f f e c t i v e w a y t o d e a l w i t h w a t e r p o l l u t i o n p r o b l e m s i s t o u s e t h e l e a s t h a r m f u l

w a y s t o e l i m i n a t e c o n t a m i n a n t s .

2

MASON

UNIVonMarch20,


Publi


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D i s c u s s i o n b e l o w f o c u s e s o n a n i m p o r t a n t p r o b l e m r e l a t i n g t o a r s e n i c

c o n t a m i n a t i o n o f g r o u n d w a t e r , w h i c h a f f e c t s n e a r l y 2 0 0 m i l l i o n p e o p l e i n v a r i o u s

c o u n t r i e s . E v e n a d v a n c e d c o u n t r i e s l i k e t h e U n i t e d S t a t e s a r e a f f e c t e d b y i t .

H i g h l i g h t e d b e l o w a r e g r e e n c h e m i s t r y s o l u t i o n s t o t h i s h o r r e n d o u s p r o b l e m .

1 . 1 . R e m e d i a t i o n o f A r s e n i c - C o n t a m i n a t e d W a t e r

A l a r g e n u m b e r o f a p p r o a c h e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d f o r r e m o v i n g a r s e n i c

f r o m d r i n k i n g w a t e r . S e v e r a l u s e f u l p a p e r s r e l a t i n g t o t h e p r o b l e m a n d i t s

r e m e d i a t i o n h a v e b e e n p u b l i s h e d ( 3 1 9 ) . V a r i o u s e x i s t i n g a n d e m e r g i n g

a r s e n i c - r e m o v a l t e c h n o l o g i e s a r e l i s t e d h e r e .

C o a g u l a t i o n w i t h f e r r i c c h l o r i d e , a l u m , o r n a t u r a l p r o d u c t s

S o r p t i o n o n t o a c t i v a t e d a l u m i n a S o r p t i o n o n t o i r o n o x i d e c o a t e d s a n d p a r t i c l e s

G r a n u l a t e d i r o n o x i d e p a r t i c l e s

P o l y m e r i c l i g a n d e x c h a n g e

N a n o m a g n e t i t e p a r t i c l e s

S a n d w i t h z e r o - v a l e n t i r o n

H y b r i d c a t i o n - e x c h a n g e r e s i n s

H y b r i d a n i o n - e x c h a n g e r e s i n s

P o l y m e r i c a n i o n e x c h a n g e

R e v e r s e o s m o s i s

T w o e f f e c t i v e s o l u t i o n s , b a s e d o n c h r o m a t o g r a p h y a n d s e p a r a t i o n c h e m i s t r y ,

a r e h i g h l i g h t e d b e l o w :

1 . 1 . 1 . C o m p o s i t e I r o n M a t r i x F i l t e r

T h e d e v e l o p m e n t a n d d e p l o y m e n t o f a w a t e r l t e r b a s e d o n e s p e c i a l l y

m a d e c o m p o s i t e i r o n m a t r i x ( S O N O l t e r F i g u r e 1 ) f o r t h e p u r i c a t i o n o f

g r o u n d w a t e r t o s a f e p o t a b l e w a t e r . D e t a i l e d d e s c r i p t i o n m a y b e f o u n d i n C h a p t e r

1 2 i n r e f e r e n c e ( 9 ) . I t w a s a p p r o v e d f o r p u b l i c u s e b y t h e B a n g l a d e s h g o v e r n m e n t .

T h e m a n u f a c t u r e r c l a i m s t h a t t h e l t e r e d w a t e r m e e t s B a n g l a d e s h s t a n d a r d s

( 5 0 p p b o f a r s e n i c ; t h e r e q i r e m e n t s i n t h e U n i t e d S t a t e s a r e 1 0 p p b ) , h a s n o

b r e a k t h r o u g h , w o r k s w i t h o u t a n y c h e m i c a l t r e a t m e n t ( p r e o r p o s t ) , w i t h o u t

r e g e n e r a t i o n o r p r o d u c i n g t o x i c w a s t e , b a s e d o n E P A g u i d e l i n e s . I t c o s t s a b o u t

$ 4 0 , l a s t s f o r v e y e a r s , a n d p r o d u c e s 2 0 3 0 L / h o u r f o r d a i l y d r i n k i n g a n d

c o o k i n g n e e d s o f o n e o r t w o f a m i l i e s . O v e r 3 5 , 0 0 0 S O N O l t e r s h a v e b e e n

d e p l o y e d a l l o v e r B a n g l a d e s h a n d c o n t i n u e t o p r o v i d e m o r e t h a n a b i l l i o n l i t e r s o f

s a f e d r i n k i n g w a t e r . T h i s i n n o v a t i o n w a s r e c o g n i z e d b y t h e N a t i o n a l A c a d e m y o f

E n g i n e e r i n g G r a i n g e r C h a l l e n g e P r i z e f o r S u s t a i n a b i l i t y w i t h t h e h i g h e s t a w a r d

f o r i t s a f f o r d a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , e a s e o f m a i n t e n a n c e , s o c i a l a c c e p t a b i l i t y , a n d

e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l i n e s s . T h e l t e r r e q u i r e s t h e r e p l a c e m e n t o f t h e u p p e r s a n d

l a y e r s w h e n t h e a p p a r e n t o w r a t e d e c r e a s e s . E x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e o w r a t e

m a y d e c r e a s e 2 0 3 0 % p e r y e a r i f t h e g r o u n d w a t e r h a s h i g h i r o n l e v e l s ( > 5 m g / L ) ,

3

MASON

UNIVonMarch20,


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http://-/?-http://-/?-


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b e c a u s e o f 1 f o r m a t i o n a n d d e p o s i t i o n o f n a t u r a l H F O i n s a n d l a y e r s . T h e s a n d

l a y e r s ( a b o u t o n e - i n c h t h i c k ) c a n b e r e m o v e d , w a s h e d a n d r e u s e d , o r r e p l a c e d

w i t h n e w s a n d .

F i g u r e 1 . S O N O l t e r .

P a t h o g e n i c b a c t e r i a c a n s t i l l b e f o u n d i n d r i n k i n g w a t e r b e c a u s e o f u n h y g i e n i c

h a n d l i n g p r a c t i c e s o r u t i l i z a t i o n o f w a t e r f r o m m a n y s h a l l o w t u b e w e l l s l o c a t e d

n e a r u n s a n i t a r y l a t r i n e s a n d p o n d s . A p r o t o c o l f o r t h e i r e l i m i n a t i o n m u s t b e u s e d

o n c e a w e e k i n a r e a s w h e r e c o l i f o r m c o u n t s a r e h i g h . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t ,

a s w i t h a l l c o m m e r c i a l l t e r s , t h e c o n s u m e r n e e d s t o b e a l e r t t o m a n u f a c t u r i n g

d e f e c t s , q u a l i t y o f w a t e r r e l a t e d t o n a t u r a l d i s a s t e r s s u c h a s o o d i n g , a n d

m e c h a n i c a l d a m a g e b e c a u s e o f m i s h a n d l i n g a n d t r a n s p o r t a t i o n .

1 . 1 . 2 . W e l l h e a d A r s e n i c - R e m o v a l U n i t s

I n m a n y r e m o t e v i l l a g e s i n W e s t B e n g a l ( I n d i a ) , a r s e n i c - c o n t a m i n a t e d

g r o u n d w a t e r r e m a i n s t h e o n l y v i a b l e s o u r c e o f d r i n k i n g w a t e r . C o s t - e f f e c t i v e

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a r s e n i c - r e m o v a l t e c h n o l o g y i s a n u r g e n t n e c e s s i t y t o p r o v i d e s a f e d r i n k i n g

w a t e r . T h e g r o u n d w a t e r t h e r e i s f r e e o f o t h e r c o n t a m i n a n t s a n d i s c o n s i d e r e d

s a f e f o r d r i n k i n g . O v e r 1 5 0 w e l l h e a d a r s e n i c - r e m o v a l u n i t s c o n t a i n i n g a c t i v a t e d

a l u m i n a a s t h e a d s o r b e n t a r e c u r r e n t l y b e i n g o p e r a t e d b y l o c a l v i l l a g e r s i n

t h i s I n d i a n s t a t e t h a t b o r d e r s B a n g l a d e s h ( s e e C h a p t e r 1 3 i n r e f e r e n c e ( 9 ) ) .T h e u n i t s a r e m a i n t a i n e d a n d r u n b y t h e b e n e c i a r i e s a n d d o n o t r e q u i r e a n y

c h e m i c a l a d d i t i o n , p H a d j u s t m e n t , o r e l e c t r i c i t y f o r t h e i r r e g u l a r o p e r a t i o n .

E a c h o f t h e u n i t s s e r v e s a p p r o x i m a t e l y 2 5 0 3 5 0 f a m i l i e s l i v i n g w i t h i n a s h o r t

d i s t a n c e o f t h e u n i t ; t h e o w r a t e i s m o d e s t a t a p p r o x i m a t e l y 1 0 L / m i n u t e .

A r s e n i t e a s w e l l a s a r s e n a t e f r o m g r o u n d w a t e r a r e e f f e c t i v e l y r e m o v e d t o r e n d e r

t h e w a t e r s a f e f o r d r i n k i n g a n d c o o k i n g . R e g e n e r a t i o n a n d d u r a b i l i t y o f t h e

a d s o r b e n t a l l o w f o r a l o w - c o s t , s u s t a i n a b l e s o l u t i o n t o t h e w i d e s p r e a d a r s e n i c

p o i s o n i n g i n t h i s a r e a . A f t e r r e g e n e r a t i o n , t h e s p e n t r e g e n e r a n t s c o n t a i n i n g a h i g h

c o n c e n t r a t i o n o f a r s e n i c a r e c o n v e r t e d t o a s m a l l - v o l u m e s l u d g e t h a t i s s t o r e d

u n d e r o x i d i z i n g c o n d i t i o n s , t o p r e v e n t f u t u r e a r s e n i c l e a c h i n g . I t h a s b e e n c l a i m e d

t h a t t h i s p r o c e s s o f f e r s s u p e r i o r e c o n o m i c a d v a n t a g e s i n r e g a r d t o t r e a t m e n t

a n d m a n a g e m e n t o f d a n g e r o u s t r e a t m e n t r e s i d u a l s , c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l

a d s o r b e n t - b a s e d p r o c e s s e s w h e r e r e g e n e r a t i o n a n d r e u s e a r e n o t p r a c t i c e d . W i t h

c o n v e n t i o n a l p r o c e s s e s w h e r e t h e a d s o r b e n t s a r e t r e a t e d a s g a r b a g e , h u g e a m o u n t s

o f m e d i a i n l a n d l l s l e a c h o u t d a n g e r o u s c o n c e n t r a t i o n s o f a r s e n i c . I n p u t t o t h e

p r o c e s s i s g r o u n d w a t e r c o n t a m i n a t e d w i t h a r s e n i c , a n d c a u s t i c s o d a a n d a c i d f o r

r e g e n e r a t i o n , w h e r e a s t h e o u t p u t i s t r e a t e d d r i n k i n g w a t e r a n d n e u t r a l i z e d b r i n e

s o l u t i o n . T h u s , t h e t e c h n o l o g y , b e s i d e s b e i n g a p p r o p r i a t e f o r t h e r u r a l s e t t i n g o f

t h e a f f e c t e d a r e a i n t e r m s o f e a s e o f u s e a n d e c o n o m i c s , a l s o o f f e r s c o n s i d e r a b l e

e c o l o g i c a l s u s t a i n a b i l i t y .

I t h a s b e e n e s t i m a t e d f r o m t h e d a t a o f 1 5 0 r u n n i n g u n i t s t h a t , o n a v e r a g e , t h e

t o t a l v o l u m e o f w a t e r t r e a t e d b y a u n i t i n o n e y e a r i s a b o u t 8 , 0 0 0 b e d v o l u m e s , i . e . ,

8 0 0 , 0 0 0 l i t e r s . T h e c a l c u l a t e d c o s t o f t h e w a t e r / 1 0 0 0 L i s 8 5 U . S . T h e e s t i m a t e d

a m o u n t o f a r s e n i c - s a f e w a t e r u s e d f o r a f a m i l y o f s i x f o r d r i n k i n g a n d c o o k i n g

p u r p o s e s i n a m o n t h a t t h e r a t e o f 5 L p e r c a p i t a p e r d a y i s 9 0 0 L . T h e w a t e r t a r i f f f o r

a f a m i l y o f s i x f o r o n e m o n t h i s a r o u n d 7 5 U . S . , o r 3 0 I n d i a n r u p e e s . R e g e n e r a t i o n

h e l p s r e d u c e t h e v o l u m e o f t h e s l u d g e b y a b o u t 1 5 0 t i m e s , a n d r e u s a b i l i t y o f t h e

a d s o r b e n t m e d i a s i g n i c a n t l y h e l p s d e c r e a s e t h e c o s t o f t h e t r e a t e d w a t e r .

2 . I o n i z i n g R a d i a t i o n T e c h n i q u e s T o D e t e r m i n e

H y d r o x y l R a d i c a l E f c i e n c i e s o f O r g a n i c P o l l u t a n t M i x t u r e s

i n T r e a t e d W a s t e w a t e r s

M a j o r c h a l l e n g e s i n e n s u r i n g h e a l t h f u l f r e s h w a t e r w o r l d w i d e a r e l i n k e d t o

t h e i n c r e a s i n g p o p u l a t i o n , m o r e c o m p l e x a n t h r o p o g e n i c c h e m i c a l s , n u m e r o u s

o u t d a t e d w a t e r a n d w a s t e w a t e r t r e a t m e n t f a c i l i t i e s , a n d o t h e r c o n d i t i o n s . W a t e r

r e u s e p r a c t i c e s c o n s t i t u t e o n e o f t h e s o l u t i o n s t o t h e s e d e c r e a s e d f r e s h w a t e r

s o u r c e s o f w a t e r , b u t r e q u i r e a d d i t i o n a l a d v a n c e d t r e a t m e n t s o f w a s t e w a t e r

( C h a p t e r 2 ) . A d v a n c e d o x i d a t i o n a n d r e d u c t i o n p r o c e s s e s ( A O / R P ) c a n

s u c c e s s f u l l y r e m e d i a t e w a t e r c o n t a m i n a n t s t h r o u g h t h e c r e a t i o n o f h i g h l y r e a c t i v e

r a d i c a l s p e c i e s . G a m m a i r r a d i a t i o n s o f a q u e o u s s o l u t i o n s a r e u n i q u e l y u s e f u l f o r

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t h e c r e a t i o n o f r a d i c a l s o f i n t e r e s t a n d t o q u a n t i t a t i v e l y e s t a b l i s h t h i s c h e m i s t r y

o n a l a b o r a t o r y s c a l e . H y d r o x y l r a d i c a l s a r e f o r m e d i n n i t r o u s o x i d e s a t u r a t e d

a q u e o u s s o l u t i o n s a l l o w i n g k i n e t i c s a n d r a d i c a l r e a c t i o n e f c i e n c i e s t o b e

c o m p u t e d . S e v e r a l o r g a n i c c o m p o u n d s h a v e b e e n s t u d i e d i n p u r e w a t e r s o l u t i o n s

t o d e t e r m i n e t h e n u m b e r o f c o n t a m i n a n t m o l e c u l e s o x i d a t i v e l y t r a n s f o r m e d f o r e a c h g e n e r a t e d h y d r o x y l r a d i c a l . C e r t a i n c o m p o u n d s , s u c h a s c a f f e i n e a n d

N ,N - d i e t h y l - 3 - m e t h y l b e n z a m i d e ( D E E T ) r e a c t w i t h 1 0 0 % e f c i e n c y , w h i l e

t h e e x p e r i m e n t a l l y t e s t e d s u l f a d r u g s r e a c t w i t h a b o u t 5 0 % e f c i e n c y w i t h t h e

g e n e r a t e d h y d r o x y l r a d i c a l s , p o s s i b l y i n d i c a t i v e o f r e p a i r - t y p e r e a c t i o n s i n p l a c e .

S i n c e c o n t a m i n a n t s a r e f o u n d i n c o m p l e x m i x t u r e s i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ,

m i x t u r e s o f p r o t o t y p i c a l m o d e l c o n t a m i n a n t s w e r e t e s t e d i n b o t h p u r e w a t e r a n d

i n w a s t e w a t e r . I n p u r e w a t e r , a l l t h e i n d i v i d u a l e f c i e n c i e s w e r e v e r y s i m i l a r a t

v a l u e s o f a p p r o x i m a t e l y 8 5 % . T o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e d i f f e r e n c e s i n h y d r o x y l

r a d i c a l e f c i e n c i e s i n t h e p r e s e n c e o f a d d i t i o n a l r e a c t i v e s p e c i e s , k i n e t i c m o d e l i n g

h a s b e e n i m p l e m e n t e d u s i n g t h e r a t e c o n s t a n t s , e f c i e n c i e s , a n d p o s t u l a t e d r e p a i r

m e c h a n i s m s o f t h e m o d e l c o m p o u n d s . A m o d e l t h a t u t i l i z e d t h e p r o d u c t o f t h e

r a t e c o n s t a n t a n d r e a c t i o n e f c i e n c y w i t h t h e h y d r o x y l r a d i c a l s h o w e d a l e v e l o f

a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a .

3 . F e r r a t e ( V I ) : A G r e e n C h e m i s t r y O x i d a n t f o r R e m o v a l o f

A n t i b i o t i c s i n W a t e r

F e r r a t e ( V I ) i o n i s a n e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y f o r w a t e r t r e a t m e n t w h i c h c a n p e r f o r m a d u a l f u n c t i o n o f o x i d a t i o n a n d d i s i n f e c t i o n a n d f o r m s a n o n t o x i c

b y - p r o d u c t , i r o n ( I I I ) . C h a p t e r 3 p r e s e n t s a n a s s e s s m e n t o f t h e p o t e n t i a l o f

f e r r a t e ( V I ) t o o x i d i z e a n t i b i o t i c s ( A ) . T h e k i n e t i c s , s t o i c h i o m e t r y , a n d p r o d u c t s

a n d t h e i r a n t i b a c t e r i a l p r o p e r t i e s a r e p r e s e n t e d . T h e s e c o n d - o r d e r r a t e c o n s t a n t s ,

k , o f t h e o x i d a t i o n r e a c t i o n s a t n e u t r a l p H w e r e i n t h e r a n g e o f 5 . 0 1 0 - 1 1 . 5

1 0 3 M - 1 s - 1 . A t a 1 0 m g L - 1 K 2 F e O 4 d o s e , h a l f - l i v e s o f t h e o x i d a t i o n r e a c t i o n

w o u l d b e i n s e c o n d s t o m i n u t e s a t a n e u t r a l p H . T h e v a l u e s o f k , a n d t h e r e a c t i o n

h a l f - l i v e s , v a r i e d w i t h p H . T h e s t o i c h i o m e t r y o f t h e r e a c t i o n s o f F e ( V I ) w i t h

s u l f a m e t h o x a z o l e a n d t r i m e t h o p r i m w e r e 4 : 1 a n d 5 : 1 ( [ F e ( V I ) : [ A ] ) , r e s p e c t i v e l y . O x i d a t i o n p r o d u c t s o f t h e r e a c t i o n s w e r e f o u n d t o b e r e l a t i v e l y l e s s t o x i c t h a n

p a r e n t m o l e c u l e s . T h e o x i d i z e d p r o d u c t s o f t r i m e t h o p r i m s h o w e d n o s i g n i c a n t

a n t i b a c t e r i a l a c t i v i t y . E x a m p l e s o f e f c i e n t r e m o v a l o f a n t i b i o t i c s f r o m t h e

w a s t e w a t e r b y F e ( V I ) a r e p r e s e n t e d . O v e r a l l , f e r r a t e ( V I ) o x i d a t i o n c o u l d b e a n

e f f e c t i v e t r e a t m e n t m e t h o d f o r t h e p u r i c a t i o n o f w a t e r s c o n t a i n i n g a n t i b i o t i c s .

4 . N a t u r a l T r e a t m e n t o f S u r f a c e W a t e r a n d G r o u n d w a t e r

w i t h W o o d c h i p R e a c t o r s N i t r a t e c o n t a m i n a t i o n i s c o n s i d e r e d o n e o f t h e m o s t s e r i o u s w a t e r q u a l i t y

c h a l l e n g e s i n C a l i f o r n i a s g r o u n d w a t e r b a s i n s ( C h a p t e r 4 ) . O v e r - a p p l i c a t i o n

o f n i t r o g e n - c o n t a i n i n g f e r t i l i z e r s i n c r e a s e s n i t r a t e l e v e l s i n r u n o f f , w h i c h i n

t u r n i n c r e a s e s t h e n i t r a t e l e v e l i n s h a l l o w a q u i f e r s , r i v e r s a n d l a k e s . H u m a n

c o n s u m p t i o n o f h i g h l e v e l s o f n i t r a t e i n w a t e r r e s u l t s i n h e a l t h p r o b l e m s s u c h

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a s t h e b l u e b a b y s y n d r o m e , w h i c h c a n r e s u l t i n s u f f o c a t i o n o f a c h i l d f r o m t h e

b i n d i n g o f n i t r i t e t o h e m o g l o b i n . C o s t - e f f e c t i v e a n d r e a d i l y a c c e s s i b l e w o o d c h i p

b i o r e a c t o r s h a v e b e e n u t i l i z e d i n t h e M i d w e s t t o r e d u c e n i t r a t e l e v e l s i n s u r f a c e

a n d d r a i n a g e w a t e r s . A s i m i l a r l a b o r a t o r y s y s t e m a s t h a t u s e d b y I o w a S t a t e

U n i v e r s i t y r e s e a r c h e r s f o r n i t r o g e n - l a d e n t i l e w a t e r w a s i m p l e m e n t e d t o t r e a t C a l P o l y P o m o n a g r o u n d w a t e r t h a t i s c o n t a m i n a t e d w i t h n i t r a t e . W h e n t r e a t e d i n

w o o d c h i p b i o r e a c t o r s , b o t h t i l e w a t e r a n d g r o u n d w a t e r n i t r a t e c o n c e n t r a t i o n s w e r e

r e d u c e d b e l o w t h e d r i n k i n g w a t e r s t a n d a r d ( 1 0 m g / L N O 3 - N ) . T h e r e t e n t i o n t i m e

a n d o w r a t e w e r e o b s e r v e d t o b e i m p o r t a n t f a c t o r s t o i n c r e a s e t h e e f f e c t i v e n e s s

o f t h e b i o l o g i c a l t r e a t m e n t . B i o r e a c t o r s w e r e r u n f o r a t l e a s t 6 d a y s t o e n s u r e

a s t a b l e m i c r o b i a l c o m m u n i t y w h i l e t h e d e g r a d a t i o n o f n i t r a t e w a s m o n i t o r e d .

N i t r a t e p e r c e n t r e m o v a l w a s h i g h e r f o r t i l e w a t e r t h a n f o r g r o u n d w a t e r , p o s s i b l y

b e c a u s e o f a l i m i t e d s o u r c e o f c a r b o n i n t h e g r o u n d w a t e r . F o r t h e I o w a t i l e w a t e r ,

8 - h r r e t e n t i o n t i m e w a s e n o u g h t o h a v e 9 6 % n i t r a t e r e m o v a l , w h i l e l e s s t h a t 4 0 %

w a s a c h i e v e d f o r g r o u n d w a t e r a t t h e s a m e r e t e n t i o n t i m e . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d

a r a n g e o f 1 5 % t o 4 0 % r e m o v a l r a t e o f n i t r a t e i n g r o u n d w a t e r . W o o d c h i p

b i o r e a c t o r s w e r e a m e n d e d v i a a d d i t i o n o f s o i l a n d s u c c i n a t e t o i n c r e a s e m i c r o b i a l

p o p u l a t i o n a n d t o s t i m u l a t e d e n i t r i c a t i o n t h r o u g h a n e x t e r n a l s o u r c e o f c a r b o n .

T h e g r o u n d w a t e r t r e a t i n g s y s t e m w a s f o u n d t o b e c a r b o n - l i m i t e d s i n c e a d d i t i o n

o f s u c c i n a t e i n c r e a s e d n i t r a t e r e m o v a l t o 7 3 % . R e s u l t s f r o m t h i s w o r k s h o w

t h a t l o w - c o s t s y s t e m s , l i k e t h e w o o d c h i p r e a c t o r s , c o u l d b e u s e d t o r e m e d i a t e

C a l i f o r n i a s s h a l l o w g r o u n d w a t e r s y s t e m s . I n a c a r b o n - l i m i t e d s y s t e m s u c h a s

g r o u n d w a t e r , d e n i t r i c a t i o n c a n s t i l l b e e n h a n c e d b y a d d i t i o n o f a h a r m l e s s a n d

e a s i l y d e g r a d a b l e c a r b o n s o u r c e .

5 . I n S i t u I m m o b i l i z a t i o n o f M e r c u r y i n W a t e r , S o i l ,

a n d S e d i m e n t U s i n g C a r b o x y m e t h y l C e l l u l o s e S t a b i l i z e d

I r o n S u l d e N a n o p a r t i c l e s

M e r c u r y ( H g ) i s c o n s i d e r e d o n e o f t h e m o s t p e r v a s i v e a n d t o x i c m e t a l s

i n t h e e n v i r o n m e n t . A s m e t h y l m e r c u r y h a s b e e n k n o w n t o b e t h e p r i m a r y

H g s p e c i e s t h a t a c c u m u l a t e s i n t h e f o o d c h a i n , e n g i n e e r e d p r e v e n t i o n o f H g

m e t h y l a t i o n i s c o n s i d e r e d a k e y s t e p i n r e m e d i a t i o n o f H g - c o n t a m i n a t e d w a t e r ,

s o i l a n d s e d i m e n t ( C h a p t e r 5 ) . T o t h i s e n d , e f f e c t i v e i n s i t u H g r e m e d i a t i o n

t e c h n o l o g i e s h a v e b e e n c o n s i s t e n t l y s o u g h t . I n r e c e n t y e a r s , r e s e a r c h e r s h a v e

b e e n e x p l o r i n g t h e f e a s i b i l i t y o f i n s i t u i m m o b i l i z a t i o n o f H g t h r o u g h o n - s i t e

d e l i v e r y o f n a n o p a r t i c l e s i n t o H g - c o n t a m i n a t e d s o i l / s e d i m e n t . T h i s c h a p t e r

i l l u s t r a t e s t h e c o n c e p t a n d p r o m i s e o f t h e i n s i t u H g i m m o b i l i z a t i o n u s i n g a

c l a s s o f n e w l y d e v e l o p e d F e S n a n o p a r t i c l e s . T h e n a n o p a r t i c l e s w e r e p r e p a r e d

u s i n g l o w - c o s t , w a t e r - s o l u b l e c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e ( C M C ) a s a s t a b i l i z e r

t h a t c a n f a c i l i t a t e t h e d e l i v e r a b i l i t y o f t h e n a n o p a r t i c l e s i n t o s o i l / s e d i m e n t . T h e

n a n o a p r t i c l e s w e r e c h a r a c t e r i z e d a n d i n v e s t i g a t e d w i t h r e s p e c t t o H g s o r p t i o n

b e h a v i o r a n d e f f e c t i v e n e s s i n s i t u i m m o b i l i z a t i o n o f H g i n s o i l / s e d i m e n t . T h e

s t a b i l i z e d n a n o p a r t i c l e s o f f e r s o m e u n i q u e a d v a n t a g e s : h i g h s t a b i l i t y i n w a t e r ,

h i g h s o r p t i o n c a p a c i t y a n d a f n i t y f o r H g , g o o d m o b i l i t y a n d d e l i v e r a b i l i t y i n

s o i l / s e d i m e n t , a n d c o n t r o l l a b l e p a r t i c l e s i z e a n d t r a n s p o r t b e h a v i o r i n p o r o u s

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m e d i a . T h e n a n o p a r t i c l e s w e r e a b l e t o e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e w a t e r - l e a c h a b l e

H g a n d t h e t o x i c i t y c h a r a c t e r i s t i c l e a c h i n g p r o c e d u r e ( T C L P ) - b a s e d l e a c h a b i l i t y .

C o l u m n b r e a k t h r o u g h t e s t s d e m o n s t r a t e d t h e d e l i v e r a b i l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s

o f t h e n a n o p a r t i c l e s f o r H g i m m o b i l i z a t i o n . O n c e d e l i v e r e d , t h e n a n o p a r t i c l e s

r e m a i n v i r t u a l l y i m m o b i l e u n d e r t y p i c a l g r o u n d w a t e r c o n d i t i o n s , s e r v i n g a s a l o n g - t e r m s i n k f o r H g . C o l u m n H g e l u t i o n t e s t s i n d i c a t e d t h a t a p p l i c a t i o n o f t h e

n a n o p a r t i c l e s t r a n s f e r r e d n e a r l y a l l w a t e r - l e a c h a b l e H g o n t o t h e n a n o p a r t i c l e s .

A s t h e n a n o p a r t i c e l s a r e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e g e o - m e d i a , t h e H g a d s o r b e d

t h e r e o n i s i m m o b i l i z e d . T h e n a n o p a r t i c l e - b a s e d t e c h n o l o g y p r o v i d e s a p r o m i s i n g

a l t e r n a t i v e f o r i n s i t u r e m e d i a t i o n o f H g - c o n t a m i n a t e d s i t e s .

6 . I n S i t u D e c h l o r i n a t i o n i n S o i l a n d G r o u n d w a t e r U s i n g

S t a b i l i z e d Z e r o - V a l e n t I r o n N a n o p a r t i c l e s : S o m e F i e l d E x p e r i e n c e o n E f f e c t i v e n e s s a n d L i m i t a t i o n s

T o f a c i l i t a t e i n s i t u d e g r a d a t i o n o f c h l o r i n a t e d s o l v e n t s i n t h e s u b s u r f a c e ,

A u b u r n U n i v e r s i t y d e v e l o p e d a n d p a t e n t e d ( U S 7 , 8 8 7 , 8 8 0 B 2 ) a n e w c l a s s o f

s t a b i l i z e d Z V I n a n o p a r t i c l e s u s i n g c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e ( C M C ) a s a s t a b i l i z e r

( C h a p t e r 6 ) . L a b o r a t o r y e x p e r i m e n t a l r e s u l t s r e v e a l e d s o m e u n i q u e a t t r i b u t e s o f

C M C - s t a b i l i z e d Z V I n a n o p a r t i c l e s :

1 . d e l i v e r a b l e i n s o i l ;

2 . o f f e r m u c h g r e a t e r d e c h l o r i n a t i o n r e a c t i v i t y t h a n n o n - s t a b i l i z e d

c o u n t e r p a r t s ; a n d

3 . c a n e f f e c t i v e l y d e g r a d e s o i l - s o r b e d c o n t a m i n a n t s s u c h a s

t r i c h l o r o e t h y l e n e ( T C E ) .

T h e s e n o v e l f e a t u r e s a l l o w t h e n a n o p a r t i c l e s t o b e d e l i v e r e d i n t o c o n t a m i n a t e d

s o u r c e z o n e s a n d f a c i l i t a t e i n s i t u d e c h l o r i n a t i o n i n s o i l a n d g r o u n d w a t e r .

C h a p t e r 6 r e p o r t s p r e l i m i n a r y r e s u l t s f r o m t w o e l d t e s t s f o r i n s i t u r e m e d i a t i o n

t e c h n o l o g y . T h e s e e l d t e s t s c o n r m e d t h e s o i l d e l i v e r a b i l i t y a n d r e a c t i v i t y o f t h e

n a n o p a r t i c l e s f o r i n s i t u d e g r a d a t i o n o f c h l o r i n a t e d s o l v e n t s . I n a s a n d y a q u i f e r a t

A l a b a m a a t a n i n j e c t i o n p r e s s u r e o f < 5 p s i , t h e i r o n n a n o p a r t i c l e s w e r e o b s e r v e d

t o m i g r a t e i n a r a n g e o f 1 0 f t d o w n g r a d i e n t f r o m t h e i n j e c t i o n w e l l . F o l l o w i n g

F e P d n a n o p a r t i c l e i n j e c t i o n s , c h l o r i n a t e d c o n t a m i n a n t r e d u c t i o n e f c i e n c i e s o f

u p t o 9 4 % w e r e o b s e r v e d i n m o n i t o r i n g w e l l s w i t h i n t h e r s t w e e k . T h e r a p i d

d e g r a d a t i o n o f c h l o r i n a t e d s o l v e n t s w a s e v i d e n c e d a t a C a l i f o r n i a s i t e a l o n g w i t h

t h e p r o d u c t i o n o f e t h a n e , w h i c h i s t h e m a i n a b i o t i c r e d u c t i v e d e c h l o r i n a t i o n

p r o d u c t . T h e c o n c e n t r a t i o n o f e t h a n e r a p i d l y i n c r e a s e d f r o m b e i n g n o t d e t e c t e d

t o 6 5 m i c r o g r a m s / L i n t h e g r o u n d w a t e r w i t h i n 2 h o u r s a f t e r F e - P d n a n o p a r t i c l e s

w e r e i n j e c t e d . T h e p i l o t t e s t a t t h e A l a b a m a s i t e i n d i c a t e d t h a t i n j e c t i o n o f t h e

n a n o p a r t i c l e s b o o s t e d a l o c a l b i o l o g i c a l p r o c e s s l e a d i n g t o a l o n g - t e r m r e d u c t i o n

o f c h l o r i n a t e d c o n t a m i n a n t s i n t h e s u b s u r f a c e . S o m e s c i e n t i c c o n s t r a i n t s o f t h e

t e c h n o l o g y w e r e a l s o r e v e a l e d . F o r i n s t a n c e s , w h i l e t h e C M C - s t a b i l i z e d F e P d

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n a n o p a r t i c l e s c a n d e g r a d e s o i l - s o r b e d T C E , s o i l s o r p t i o n c a n l i m i t t h e r a t e a n d

e x t e n t o f d e c h l o r i n a t i o n , e s p e c i a l l y f o r s o i l s o f h i g h o r g a n i c c o n t e n t . D i s s o l v e d

o r g a n i c m a t t e r w a s f o u n d t o i n h i b i t t h e d e g r a d a t i o n r a t e a s w e l l .

7 . P o l y c a t i o n - T e t h e r e d M i c e l l e s a s I m m o b i l i z e d D e t e r g e n t s

f o r N A P L R e m e d i a t i o n

A p p l i c a t i o n s o f p e r m e a b l e r e a c t i v e b a r r i e r s t o l t e r c o n t a m i n a n t s o u t o f

g r o u n d w a t e r h a v e n o t t a k e n a d v a n t a g e o f s u r f a c t a n t m i c e l l e s t o r e m o v e o r g a n i c

c o n t a m i n a n t s . S u c h b a r r i e r s n e e d t o h a v e l o w c o s t , h i g h c a p a c i t y , g o o d o w

p r o p e r t i e s a n d r e c y c l a b i l i t y , r e q u i r e m e n t s n o t m e t b y o r g a n o c l a y s o r m i c e l l a r

u l t r a l t r a t i o n . C h a p t e r 7 d e s c r i b e s t h e u s e o f i n e x p e n s i v e p o l y c a t i o n s a s n o n c o v a l e n t b r i d g e s t h a t t e t h e r a n i o n i c s u r f a c t a n t m i c e l l e s t o p o r o u s m e d i a s u c h

a s s i l i c a o r s a n d . T h e s o l u b i l i z i n g p o w e r o f t h e m i c e l l e s i s f u l l y r e t a i n e d . O n e - s t e p

c o a t i n g p r o c e s s e s c a n b e u s e d t o o p t i m i z e t h e s i l i c a p o l y c a t i o n - c o m p o s i t e f o r

m a x i m u m u p t a k e o f p o l l u t a n t s s u c h a s t o l u e n e a n d d i c h l o r o e t h a n e . S i n c e t h e

i n t e r a c t i o n s a r e e l e c t r o s t a t i c a n d n o n c o v a l e n t , v a r i a b l e s s u c h a s p H a n d s a l t

c a n a l s o b e u s e d t o t u n e r e l e a s e o f n o n a q u e o u s p h a s e r i c h l i q u i d m i c e l l e s . T h e

e f f e c t s o f s u c h p a r a m e t e r s a r e d i s c u s s e d a n d t h e r o l e o f t h e s u r f a c e c h a r g e a n d

p o r o s i t y o f s i l i c e o u s s u b s t r a t e s i s d e s c r i b e d . T h e t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t y o f

m i c e l l e - p o l y c a t i o n s y s t e m s s u g g e s t s a d d i t i o n a l w a y s t o t u n e u p t a k e a n d r e l e a s e .

8 . N o v e l P r o d u c t i o n o f A c t i v a t e d C a r b o n f o r H a m p e r i n g

O l i g o m e r i z a t i o n o f P h e n o l i c C o m p o u n d s

A c t i v a t e d c a r b o n a d s o r p t i o n i s w i d e l y u s e d i n w a t e r t r e a t m e n t f o r r e m o v a l

o f v a r i o u s o r g a n i c m i c r o p o l l u t a n t s ; n o n e t h e l e s s t h e p r e s e n c e o f o l i g o m e r i z a t i o n

p h e n o m e n o n d u r i n g a n a d s o r p t i o n p r o c e s s c a n r e d u c e i t s g e n e r a t i o n e f c i e n c y( C h a p t e r 8 ) . T o m a k e a c t i v a t e d c a r b o n m o r e c o s t - e f f e c t i v e b y c o n t r o l l i n g

o l i g o m e r i z a t i o n o f c o n t a m i n a n t s d u r i n g t h e a d s o r p t i o n p r o c e s s , n o v e l w a y s

n e e d t o b e b e u s e d t o p r o d u c e c a r b o n w i t h o p t i m a l p o r e - s i z e d i s t r i b u t i o n ( P S D ) .

B a s e d o n t h e u s a g e o f p r o p e r r a w m a t e r i a l s a n d c h e m i c a l r e a g e n t s , c o m b i n e d

w i t h o p t i m a l a c t i v a t i o n c o n d i t i o n s , i t i s p o s s i b l e t o d e v e l o p a c t i v a t e d c a r b o n

w h i c h h a s i d e a l p o r o u s s t r u c t u r e f o r h a m p e r i n g o l i g o m e r i z a t i o n . T h i s t y p e

o f a c t i v a t e d c a r b o n c a n b e a p p l i e d t o c o n t r o l o l i g o m e r i z a t i o n i n b o t h s i n g l e

a n d m u l t i - c o m p o n e n t a d s o r p t i o n w h i c h i s t h e c o m m o n s i t u a t i o n i n r e a l w a t e r

t r e a t m e n t . O n c e t h e o l i g o m e r i z a t i o n p h e n o m e n o n h a s b e e n w e l l c o n t r o l l e d , i t i s t h e n p o s s i b l e t o s i g n i c a n t l y i m p r o v e t h e r e g e n e r a t i o n e f c i e n c y o f a c t i v a t e d

c a r b o n . T h e e x t e n t o f t h e o l i g o m e r i z a t i o n c a n b e d e n e d t h r o u g h t h e d i f f e r e n c e

b e t w e e n a d s o r p t i v e c a p a c i t y u n d e r a n o x i c ( a b s e n c e o f m o l e c u l a r o x y g e n ) a n d

o x i c ( p r e s e n c e o f m o l e c u l a r o x y g e n ) c o n d i t i o n s , r e s p e c t i v e l y . S e v e r a l s u c c e s s f u l

a p p l i c a t i o n s o f t h e n o v e l t a i l o r e d a c t i v a t e d c a r b o n a r e p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r .

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(Acs Symposium Series 1123) Satinda Ahuja, Kiril Hristovski-Novel Solutions to Water Pollution-American Chemical Society (2013).pdf