تعهد نامه
مجله پژوهش در بهداشت محیط

مجله پژوهش در بهداشت محیط

امکان‌سنجی استفاده از روغن برش به‌عنوان فاز آلی در بیواسکرابر به‌منظور افزایش جذب ترکیبات آلی فرار از هوای آلوده

نوع مقاله : مقالات پژوهشی

نویسندگان
علی جلالیان مقدم 1
محمد نورمحمدی 2
رمضان میرزایی 3
جمشید جمالی 4
1 کمیته تحقیقات دانشجویی، گروه مهندسی بهداشت حرفه ای و ایمنی کار، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران.
2 استادیار، گروه مهندسی بهداشت حرفه‌ای، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران
3 استاد,گروه مهندسی بهداشت حرفه‌ای، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران
4 دانشیار، گروه آمار زیستی، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، مشهد، ایران.
10.22038/jreh.2025.26562
چکیده
زمینه و هدف: ترکیبات آلی فرار (VOCs) مانند تولوئن به‌دلیل پایداری، آب‌گریزی و اثرات زیانبار بر سلامت انسان و محیط زیست، از مهم‌ترین آلاینده‌های هوا محسوب می‌شوند. این مطالعه با هدف ارزیابی امکان‌سنجی استفاده از روغن برش به عنوان فاز آلی در بیواسکرابرهای دو فازی برای افزایش حذف بیولوژیکی تولوئن انجام شد. 

مواد و روش‌ها: در این مطالعه، با هدف بهبود حذف زیستی تولوئن، امکان‌سنجی استفاده از روغن برش به‌عنوان فاز آلی در بیواسکرابرهای دو فازی بررسی شد. ابتدا زیست‌سازگاری روغن برش در غلظت‌های 10، 20 و 30 درصد با استفاده از کشت لجن فعال در محیط حاوی روغن ارزیابی شد. سپس عملکرد جذب تولوئن در مجاورت فاز آلی و میزان انتقال آن به فاز مایع در شرایط مختلف آزمایشگاهی و دبی‌های متفاوت سنجیده شد. هم‌چنین، تراکم بیوآئروسل‌ها در خروجی دستگاه با روش NIOSH 0800  اندازه‌گیری شد.
 
یافته‌ها: نتایج نشان داد در غلظت 10 درصد، روغن برش تأثیر منفی بر رشد میکروارگانیسم‌ها نداشته و باعث افزایش 5/7 برابری جذب تولوئن نسبت به آب خالص شده است.  همچنین با افزایش غلظت فاز آلی به دلیلی افزایش ویسکوزیته فاز مایع، رشد میکروبی کاهش یافته و ضریب انتقال جرم نیز کمتر شد. کمترین میزان بیوآئروسل در خروجی نیز در غلظت 10 درصد مشاهده شد. 

نتیجه‌گیری: در نتیجه، افزودن روغن برش به عنوان یک فاز آلی در بیواسکرابرها، به ویژه در غلظت‌های پایین‌تر، می‌تواند ظرفیت جذب تولوئن را افزایش دهد، زمان اقامت آن را در فاز مایع افزایش دهد و شرایط مطلوب‌تری را برای تجزیه بیولوژیکی فراهم کند. با توجه به هزینه کم، در دسترس بودن و خواص فیزیکی مطلوب، به نظر می‌رسد روغن برش یک جایگزین امیدوارکننده و کارآمد برای کاربرد در سیستم‌های بیواسکرابر دو فازی برای حذف VOC باشد.
کلیدواژه‌ها
ترکیبات آلی فرار
بیواسکرابر
روغن برش
کنترل آلودگی هوا

عنوان مقاله English

Feasibility Study of Using Cutting Oil as an Organic Phase in a Bioscrubber for Enhanced Absorption of Volatile Organic Compounds from Polluted Air

نویسندگان English

Ali Jalalian Moghadam 1
Mohammad Nourmohammadi 2
Ramezan Mirzaei 3
Jamshid Jamali 4
1 Student Research Committee, Department of Occupational Health Engineering, School of Health, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran
2 Assistant Professor, Department of Occupational Health Engineering, School of Public Health, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran
3 Professor, Department of Occupational Health Engineering, School of Public Health, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran
4 Associate Professor, Department of Biostatistics, School of Public Health, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran.
چکیده English

Background and purpose: Volatile organic compounds (VOCs), such as toluene, are among the major air pollutants due to their persistence, hydrophobicity, and adverse effects on human health and the environment. This study aimed to evaluate the feasibility of using cutting oil as an organic phase in two-phase bioscrubbers to enhance the biological removal of toluene.

Materials and Methods: First, the biocompatibility of cutting oil at concentrations of 10%, 20%, and 30% was assessed using activated sludge cultures in media containing the oil. Subsequently, the toluene absorption performance in the presence of the organic phase was evaluated under various flow rates by measuring the mass transfer to the liquid phase. Bioaerosol concentrations at the scrubber outlet were also determined using NIOSH method 0800.

Results: Results indicated that at a 10% concentration, cutting oil had no adverse effects on microbial growth and led to a 5.7-fold increase in toluene absorption compared to pure water. At higher concentrations, microbial growth declined significantly, and the overall mass transfer coefficient (KLa) decreased. The lowest bioaerosol emission was also observed at the 10% oil concentration.

Conclusion: In conclusion, adding cutting oil as an organic phase in bioscrubbers, particularly at lower concentrations, can enhance the absorption capacity of toluene, extend its residence time in the liquid phase, and provide more favorable conditions for biodegradation. Given its low cost, availability, and favorable physical properties, cutting oil appears to be a promising and efficient alternative for application in two-phase bioscrubber systems for VOC removal.
 
Open Access Policy: This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. To view a copy of this licence, visit https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

کلیدواژه‌ها English

Volatile Organic Compounds
Bioscrubber
Cutting Oil
Air Pollution Control
  1. Zhou X, Zhou X, Wang C, Zhou H. Environmental and human health impacts of volatile organic compounds: A perspective review. Chemosphere. 2023 Feb 1;313:137489. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137489 PMid:36513206
  2. David E, Niculescu VC. Volatile organic compounds (VOCs) as environmental pollutants: occurrence and mitigation using nanomaterials. International journal of environmental research and public health. 2021 Dec 13;18(24):13147. https://doi.org/10.3390/ijerph182413147 PMid:34948756 PMCid:PMC8700805
  3. Dumont E, Andrès Y, Cloirec P Le. Mass transfer coefficients of styrene into water/silicone oil mixtures: New interpretation using the "equivalent absorption capacity" concept. Chem Eng J. 2014;237(March 2016):236-41. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.10.021
  4. Mukherjee AK, Bordoloi NK. Biodegradation of benzene, toluene, and xylene (BTX) in liquid culture and in soil by Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa strains and a formulated bacterial consortium. Environ Sci Pollut Res. 2012;19(8):3380-8. https://doi.org/10.1007/s11356-012-0862-8 PMid:22528987
  5. Madronich S, Sulzberger B, Longstreth JD, Schikowski T, Andersen MS, Solomon KR, Wilson SR. Changes in tropospheric air quality related to the protection of stratospheric ozone in a changing climate. Photochemical & Photobiological Sciences. 2023 May;22(5):1129-76. 1 https://doi.org/10.1007/s43630-023-00369-6 PMid:37310641 PMCid:PMC10262938
  6. Liang WJ, Ma L, Liu H, Li J. Toluene degradation by non-thermal plasma combined with a ferroelectric catalyst. Chemosphere. 2013;92(10):1390-5. Available from: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.05.042 PMid:23773445
  7. Guieysse B, Hort C, Platel V, Munoz R, Ondarts M, Revah S. Biological treatment of indoor air for VOC removal: Potential and challenges. Biotechnol Adv. 2008;26(5):398-410. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.03.005 PMid:18547770
  8. Berenjian A, Chan N, Malmiri HJ. Volatile Organic Compounds removal methods: A review. Am J Biochem Biotechnol. 2012;8(4):220-9. https://doi.org/10.3844/ajbbsp.2012.220.229
  9. Muñoz R, Daugulis AJ, Hernández M, Quijano G. Recent advances in two-phase partitioning bioreactors for the treatment of volatile organic compounds. Biotechnol Adv. 2012;30(6):1707-20. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.biotechadv.2012.08.009 PMid:22960620
  10. Kraakman NJR, Rocha-Rios J, Van Loosdrecht MCM. Review of mass transfer aspects for biological gas treatment. Appl Microbiol Biotechnol. 2011;91(4):873-86. https://doi.org/10.1007/s00253-011-3365-5 PMid:21701986 PMCid:PMC3145080
  11. Nourmohammadi M, Karimi A, Golbabaei F, Pourmand MR, Rahimi Foroushanid A, Nourmohammadi E. Biodegradation of toluene in a two-phase low-pressure bioscrubber with using silicon oil as organic phase. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2023 Dec 18;103(16):4098-110. https://doi.org/10.1080/03067319.2021.1921763
  12. Nourmohammadi M, Golbabaei F, Karimi A, Pourmand MR, Noor Poor A, Rahimi Foroushani A, Nourmohammadi E. Absorption and biodegradation of toluene in a two-phase low-pressure bioscrubber using cutting oil as the organic phase. Health Scope. 2019 Jan 1;8(1):1-8. https://doi.org/10.5812/jhealthscope.65219
  13. Lalanne F, Malhautier L, Roux JC, Fanlo JL. Absorption of a mixture of volatile organic compounds (VOCs) in aqueous solutions of soluble cutting oil. Bioresour Technol. 2008;99(6):1699-707. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.04.006 PMid:17513105
  14. Karimi A, Golbabaei F, Neghab M, Pourmand MR, Nikpey A, Mohammad K, Mehrnia MR. Biodegradation of high concentrations of benzene vapors in a two phase partition stirred tank bioreactor. Iranian Journal of Environmental Health Science & Engineering. 2013 Jan 15;10(1):10. https://doi.org/10.1186/1735-2746-10-10 PMid:23369269 PMCid:PMC3570442
  15. Jasińska M, Bałdyga J, Cooke M, Kowalski A. Investigations of mass transfer with chemical reactions in two-phase liquid-liquid systems. Chemical Engineering Research and Design. 2013 Nov 1;91(11):2169-78. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2013.05.010
  16. Zhong Q, Jiao Z, Nie W, Li Y, Gu N. Numerical investigation of mass transfer behavior of a gas-liquid two‐phase Taylor flow in a microchannel by a volume‐of‐fluid multiphase flow system. International Journal of Mechanical System Dynamics. 2022 Sep;2(3):253-64. https://doi.org/10.1002/msd2.12049
  17. Ashley K. NIOSH manual of analytical methods 5th edition and harmonization of occupational exposure monitoring. Gefahrstoffe, Reinhaltung der Luft= Air quality control/Herausgeber, BIA und KRdL im VDI und DIN. 2015;2015(1-2):7.
  18. Fabian FW, Pivnick H. Growth of bacteria in soluble oil emulsions. Appl Microbiol. 1953;1(4):199 https://doi.org/10.1128/am.1.4.199-203.1953 PMid:13066033 PMCid:PMC1056903
  19. Bennett SJ, Alonso CV, Prasad SN, Römkens MJ. Experiments on headcut growth and migration in concentrated flows typical of upland areas. Water Resources Research. 2000 Jul;36(7):1911-22. https://doi.org/10.1029/2000WR900067
  20. Bhattacharyya A, Liu L, Lee K, Miao J. Review of biological processes in a membrane bioreactor (MBR): effects of wastewater characteristics and operational parameters on biodegradation efficiency when treating industrial oily wastewater. Journal of Marine Science and Engineering. 2022 Sep 2;10(9):1229 https://doi.org/10.3390/jmse10091229
  21. Nielsen DR, Sask KN, McLellan PJ, Daugulis AJ. Benzene vapor treatment using a two-phase partitioning bioscrubber: An improved steady-state protocol to enhance long-term operation. Bioprocess Biosyst Eng. 2006;29(4):229-40. https://doi.org/10.1007/s00449-006-0071-2 PMid:16941180
  22. Rivas-Interián RM, Guillén-Francisco JA, Sacramento-Rivero JC, Zitlalpopoca-Soriano ÁG, Baz-Rodríguez SA. Concentration effects of main components of synthetic culture media on oxygen transfer in bubble column bioreactors. Biochemical Engineering Journal. 2019 Mar 15;143:131-40. https://doi.org/10.1016/j.bej.2018.12.008
  23. Koutinas M, Baptista IIR, Meniconi A, Peeva LG, Mantalaris A, Castro PML, et al. The use of an oil-absorber-bioscrubber system during biodegradation of sequentially alternating loadings of 1,2-dichloroethane and fluorobenzene in a waste gas. Chem Eng Sci. 2007;62(21):5989-6001. https://doi.org/10.1016/j.ces.2007.06.040
  24. He Y, Sang W, Lu W, Zhang W, Zhan C, Jia D. Recent advances of emerging organic pollutants degradation in environment by non-thermal plasma technology: A Review. Water. 2022 Apr 21;14(9):1351. https://doi.org/10.3390/w14091351
  25. Lhuissier M, Couvert A, Dabert P, Amrane A, Kane A, Audic JL, Dumont E. Removal of a mixture of seven volatile organic compounds (VOCs) using an industrial pilot-scale process combining absorption in silicone oil and biological regeneration in a two-phase partitioning bioreactor (TPPB). Energies. 2022 Jun 23;15(13):4576. https://doi.org/10.3390/en15134576
  26. Nourmohammadi M, Golbabaei FG, Karimi A, Taban E. Removal of toluene from air-scream using semi industrial two-phase bioscrubber with cutting oil: An intervention study.
  27. Lalanne F, Malhautier L, Roux JC, Fanlo JL. Absorption of a mixture of volatile organic compounds (VOCs) in aqueous solutions of soluble cutting oil. Bioresour Technol. 2008;99(6):1699-707. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.04.006 PMid:17513105