ارزیابی عملکرد فرآیند تلفیقی اولتراسونیک/ تابش فرابنفش در حذف آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین از محلول‌های آبی با استفاده از روش سطح پاسخ

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی بهداشت محیط، کمیته تحقیقات دانشجویی، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی بهداشت محیط، مرکز تحقیقات مدیریت و عوامل اجتماعی مؤثر بر سلامت، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران.

3 دانشجوی دکترای مهندسی بهداشت محیط، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایران.

4 کارشناس، گروه مهندسی بهداشت محیط، کمیته تحقیقات دانشجویی، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران.

چکیده

زمینه و هدف: از میان انواع مختلف آنتی‌بیوتیک‌ها، تتراسایکلین‌ها دومین گروه شایع آنتی‌بیوتیک­ها از نظر تولید و مصرف در سراسر جهان هستند که ورود آنها به فاضلاب خانگی می‌تواند منجر به آلودگی منابع آب شود. مطالعه حاضر با هدف تعیین کارایی فرآیند تلفیقی اولتراسونیک/ تابش فرابنفش در حذف آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین از محلول­های آبی انجام شد.
مواد و روش‌ها: این مطالعه تجربی با استفاده از حمام اولتراسونیک و در حضور اشعه ماوراء بنفش انجام گرفت. به منظور سنجش تأثیر متغیرهای زمان تماس (60-5 دقیقه)، غلظت اولیه آنتی‌بیوتیک ( mg/l5-25)،  pH(3-10)، و توان ورودی (300-100 وات) بر فرآیند، از راکتور در فواصل زمانی مشخص نمونه‌برداری و غلظت باقی‌مانده توسط دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 261 نانومتر قرائت گردید. تجزیه و تحلیل داده­ ها با استفاده از آزمون ANOVA انجام گرفت.
یافته‌ها: در این مطالعه تابش فرابنفش و اولتراسونیک در بهترین شرایط به ترتیب 16 و 32 درصد راندمان در حذف این آلاینده داشتند. با به‌کارگیری همزمانUS/UV ، کارایی حذف آنتی‌بیوتیک افزایش یافت و بهترین راندمان در 4/5=pH، غلظت اولیه آنتی‌بیوتیک mg/l 10 و توان ورودی 240W حاصل شد. در این شرایط بعد از زمان تماس 50 دقیقه، راندمان حذف 72 درصد برای آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین حاصل گردید.
نتیجه‌گیری: از فرآیند تلفیقی اولتراسونیک/ تابش فرابنفش می‌توان به عنوان یک فرآیند مؤثر برای حذف آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین از محلول­های آبی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance evaluation of combined Ultrasonic/UV process in Removal of Tetracycline Antibiotic from Aqueous Solutions using Response surface Methodology

نویسندگان [English]

  • Mohsen Yazdani 1
  • Ali Asghar Najafpoor 2
  • Ali Akbar Dehghan 3
  • Hossein Alidadi 2
  • mahmood dankoob 1
  • Reyhane Zangi 4
  • Sima Nourbakhsh 1
  • Reza Ataei 1
  • Ali Asghar Navaei fezabady 1
1 MS.c. Department of Environmental Health Engineering, Student Research Committee, School of Health, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran.
2 Associate Professor, Department of Environmental Health Engineering, Management & Social Determinants of Health Research Center, School of Health, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran.
3 PhD Student of Environmental Health Engineering. Department of Environmental Health Engineering, School of Health, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran.
4 B.S. Department of Environmental Health Engineering, Student Research Committee, School of Health, Mashhad University of Medical Science, Mashhad, Iran.
چکیده [English]

Background and objectives: Tetracycline is known as the second high consumed groups of antibiotics throughout the world, which their entrance into the domestic wastewater will lead to pollute the water resources. The aim of this study was to determine the performance of combined Ultrasonic/UVprocess in removal of tetracycline antibiotic from aqueous environments.
 
Material and methods: This experimental study was performed by the ultrasonic bath associated with ultraviolet radiation. To determine the effects of independent variables including contact time (5-60 min), initial antibiotic concentration (5-25 mg/l), pH (3-10) and the input power (100- 300 W) on response variable (tetracycline removal), the samples were taken from reactor in different time intervals and the residual concentrations of tetracycline were measured by spectrophotometer in 261 nm wavelength.
Results: The results of this study showed that the removal efficiency of UV and Ultrasonic processes was16% and 32% in optimum conditions, respectively. While in Ultrasonic /UV process, removal efficiency increased. The best removal efficiency (72%) was observed in  pHof 4.5, antibiotic concentrationof10 mg/I, input power of240 W and contact timeof50 min.
 Conclusion: According to the obtained results, Ultrasonic/UVprocess can be used as an effective process to remove the tetracycline antibiotic from aqueous solutions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antibiotic
  • ultraviolet waves
  • Ultrasound
  • aqueous solutions
  • Response Surface Method
1. Dirany A, Sirés I, Oturan N, Oturan MA. Electrochemical abatement of the antibiotic sulfamethoxazole from water. Chemosphere. 2010;81(5):594-602.

2. Gagnon C, Lajeunesse A, Cejka P, Gagne F, Hausler R. Degradation of selected acidic and neutral pharmaceutical products in a primary-treated wastewater by disinfection processes. Ozone: Science and Engineering. 2008;30(5):387-92.

3. Rahmani A, Mehralipour J, Shabamlo A, Majidi S. Efficiency of ciprofloxacin removal by ozonation process with calcium peroxide from aqueous solutions. J Qazvin Univ Med Sci. 2015; 19 (2): 55-64.(Persian) 

4.Sarmah AK, Meyer MT, Boxall AB. A global perspective on the use, sales, exposure pathways, occurrence, fate and effects of veterinary antibiotics (VAs) in the environment. Chemosphere. 2006;65(5):725-59.

5. Elmolla ES, Chaudhuri M. Comparison of different advanced oxidation processes for treatment of antibiotic aqueous solution. Desalination. 2010;256(1):43-7.

6. Kümmerer K. Antibiotics in the aquatic environment–a review–part I. Chemosphere. 2009;75(4):417-34.

7. Garoma T, Umamaheshwar SK, Mumper A. Removal of sulfadiazine, sulfamethizole, sulfamethoxazole, and sulfathiazole from aqueous solution by ozonation. Chemosphere. 2010;79(8):814-20.

8. Linares-Hernández I, Barrera-Díaz C, Bilyeu B, Juárez-GarcíaRojas P, Campos-Medina E. A combined electrocoagulation–electrooxidation treatment for industrial wastewater. Journal of hazardous materials. 2010;175(1):688-94.

9. Yuan F, Hu C, Hu X, Qu J, Yang M. Degradation of selected pharmaceuticals in aqueous solution with UV and UV/H 2 O 2. Water Research. 2009;43(6):1766-74.

10. Safari G, Hoseini M, Kamali H, Moradirad R, Mahvi A. Photocatalytic Degradation of Tetracycline Antibiotic from Aqueous Solutions Using UV/TiO2 and UV/H2O2/TiO2. Journal of Health. 2014;5(3):203-2013.(Persian) 

11. Michael I, Rizzo L, McArdell C, Manaia C, Merlin C, Schwartz T, et al. Urban wastewater treatment plants as hotspots for the release of antibiotics in the environment: a review. Water Research. 2013;47(3):957-95.

12. Davoudi M, Gholami M, Naseri S, Mahvi AH, Farzadkia M, Esrafili A, et al. Application of electrochemical reactor divided by cellulosic membrane for optimized simultaneous removal of phenols, chromium, and ammonia from tannery effluents. Toxicological & Environmental Chemistry. 2014;96(9):1310-32.

13. Doltabadi M, Alidadi H, Davoudi M. Comparative study of cationic and anionic dye removal from aqueous solutions using sawdust‐based adsorbent. Environmental Progress & Sustainable Energy. 2016.

14. Hou L, Zhang H, Xue X. Ultrasound enhanced heterogeneous activation of peroxydisulfate by magnetite catalyst for the degradation of tetracycline in water. Separation and Purification Technology. 2012;84:147-52.

15. Klavarioti M, Mantzavinos D, Kassinos D. Removal of residual pharmaceuticals from aqueous systems by advanced oxidation processes. Environment international. 2009;35(2):402-17.

16. Sanchez-Prado L, Barro R, Garcia-Jares C, Llompart M, Lores M, Petrakis C, et al. Sonochemical degradation of triclosan in water and wastewater. Ultrasonics Sonochemistry. 2008;15(5):689-94.

17. Hoseini M, Safari GH, Kamani H, Jaafari J, Mahvi A. Survey on Removal of Tetracycline Antibiotic from Aqueous Solutions by Nano-Sonochemical Process and Evaluation of the Influencing Parameters. Iranian Journal of Health and Environment. 2015;8(2):141-52.(Persian) 

18. Kim I, Yamashita N, Tanaka H. Performance of UV and UV/H 2 O 2 processes for the removal of pharmaceuticals detected in secondary effluent of a sewage treatment plant in Japan. Journal of hazardous materials. 2009;166(2):1134-40.

19. Roma M. Removal of Ciprofloxacin from Water using Adsorption, UV Photolysis and UV/H2O2 Degradation: Worcester Polytechnic Institute; 2011.

20. Homem V, Santos L. Degradation and removal methods of antibiotics from aqueous matrices–a review. Journal of environmental management. 2011;92(10):2304-47.

21. Vogna D, Marotta R, Napolitano A, Andreozzi R, d’Ischia M. Advanced oxidation of the pharmaceutical drug diclofenac with UV/H 2 O 2 and ozone. Water Research. 2004;38(2):414-22.

22. Pereira VJ, Weinberg HS, Linden KG, Singer PC. UV degradation kinetics and modeling of pharmaceutical compounds in laboratory grade and surface water via direct and indirect photolysis at 254 nm. Environmental science & technology. 2007;41(5):1682-8.

23. Yao H, Sun P, Minakata D, Crittenden JC, Huang C-H. Kinetics and modeling of degradation of ionophore antibiotics by UV and UV/H2O2. Environmental science & technology. 2013;47(9):4581-9.

24. Behrouzi-Navid M, Olya M, Monakchian K, editors. Removal of Metronidazole in pharmaceutical industrial effluents by UV/H2O2. The 5th National Conference and Exhibition on Environmental Engineering; 2011.

25. Shaojun J, ZHENG S, Daqiang Y, Lianhong W, Liangyan C. Aqueous oxytetracycline degradation and the toxicity change of degradation compounds in photoirradiation process. Journal of Environmental Sciences. 2008;20(7):806-13.

26. Naddeo V, Meriç S, Kassinos D, Belgiorno V, Guida M. Fate of pharmaceuticals in contaminated urban wastewater effluent under ultrasonic irradiation. Water Research. 2009;43(16):4019-27.

27. Elmolla E, Chaudhuri M. Optimization of Fenton process for treatment of amoxicillin, ampicillin and cloxacillin antibiotics in aqueous solution. Journal of hazardous materials. 2009;170(2):666-72.

28. Tyrovola K, Peroulaki E, Nikolaidis NP. Modeling of arsenic immobilization by zero valent iron. European Journal of Soil Biology. 2007;43(5):356-67.

29. Kord Mostafapour F, Bazrafshan E, Belarak D, Khoshnamvand N. Survey of Photo-catalytic Degradation of Ciprofloxacin Antibiotic Using Copper Oxide Nanoparticles (UV / CuO) in Aqueous Environment. Journal of Rafsanjan University of Medical Sciences. 2016;15(4):307-18.(Persian)