Includes references (94-97 p.)

'Abstract Advanced oxidation processes (AOPs) create radical species which can react with organic contaminants and cause their degradation into simpler products. Recalcitrant organic compounds which cannot be destroyed by conventional treatment techniques can be successfully eliminated by AOPs. Most of these compounds are highly toxic to microorganisms and physicochemical processes may not be adaptive to eliminate these trace contaminants. In this study ultrasonic irradiation, ozone process, TiO2 nanoparticle addition and combination of these techniques were applied to remove four banned pesticides namely alachlor, diuron, isoproturon and pentachlorophenol from water samples. Ultrasonic irradiation process in aquatic solutions depends on creating cavitation bubbles in liquid. Selecting optimum frequency is crucial to allow optimum growth and collapse of these bubbles. Collapsing bubbles create extreme conditions in liquids so leading the radicals to be formed. In this study, ultrasonic irradiation has been operated at medium frequency range which was 575, 861, and 1141 kHz. Also, the power is applied between 45 and 60 W. The highest degradation efficiency was achieved at 575 kHz frequency and 60 W power conditions during sonolysis of all pesticide solutions. Degradation efficiencies were found to be inversely proportional to initial concentration. After 90 minutes sonolysis except isoproturon (93% removal after 90 minutes sonolysis) was observed. The highest reaction rate was achieved with pentachlorophenol solution (0.3883 min-1) and the lowest one was isoproturon solution with a reaction rate of 0.0374 min-1. Ozone molecules were produced from air by an ozone generator which has maximum capacity of 400 mg/hour. The applied ozone dosage varied from 2.7 to 240 mg/L. Ozone process was so effective that after 30minutes ozonation alachor, diuron and isoproturon solution were 100% decomposed with much higher reaction rates than ultrasonic irradiation (between 0.1766 min-1 to 0.1813 min-1). For pentachlorophenol solution only 100 ppb solution's degradation kinetics could be monitored (1.5429 s-1) and the lower concentrations were treated so fast that the rates could not be observed. First combination of techniques was the addition of 100 mg/L TiO2 nanoparticles into the pesticide solution during ultrasonic process to enhance radical production. After 90 minutes operation a small increase (between +0.02 and +0.003) was observed in reaction rates. Higher degradation efficiencies and reaction rates were monitored after US/O3 combination because ultrasound enhanced ozone molecules dissolution in water samples. For all pesticide solution, 100% decomposition has been reached at shorter time by the combination of US/O3 and reaction rates were estimated as; for alachlor 0.2298 min-1,for diuron 0.3292 min-1, for isoproturon 0.1866 min-1. Total mineralization measurements were performed with Total Organic Carbon Analyzer (TOC). TOC removal rate followed the following order by processes: US/O3>O3>US. TiO2 effect on degradation was so small that its addition didn't affect the mineralization of pesticides. As a result % 100 degradation of pesticide solutions has been achieved at low concentration levels (2.5-100 ppb) by selected combined AOPs successfully. These techniques can be further used as pre-treatment options for pesticide contaminated waste waters in treatment plants or drinking water treatments to decompose pesticides. Keywords: Pesticides; Degradation; Advanced Oxidation Processes; US; Ozonation Özet İleri oksidasyon teknikleri yüzey, yeraltı ve atıksularda bulunan iz miktarlardaki kirleticilerin giderimi için en uygun teknikler olarak nitelendirilmektedirler. Bu prosesler ile üretilen yüksek enerjili radikaller kirleticilere etki ederek kirleticilerin daha küçük ve daha zararsız bileşenlere dönüşmelerini sağlamaktadırlar. Mikroorganizmalara zehirli etki yaratmaları ve adsorpsiyon teknikleri sonrası oluşan atık materyalin imhası gibi sorunlar pestisitlerin gelenksel atıksu arıtma teknikleri ile giderimini çoğu zaman mümkün kılamamaktadır. Çevrede düşük konsantrasyonlarda bulunmaları dahi insan sağlığına ve ekosisteme önemli ölçüde tehdit oluşturmaktayken, bu kirleticilerin giderimi için geleneksel yöntemlerden daha güçlü etkiye sahip proseslere ihtiyaç duyulmakta ve bunlar ileri oksidasyon teknikleri olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada kullanımları yasaklanmış olan dört pestisitin (alaklor, diuron, isoproturon ve penetaklorofeno) ultrasonik arıtım, ozon prosesi, nanopartikül kullanımı ve tüm bu proseslerin birleştirilmesinden oluşan tekniker ile giderimi incelenmektedir. Atıksulara yüksek frekanslı ses dalgalarınnın verilmesi ile sular içerisinde yüksek sıcaklık ve basına sahip kavitasyon baloncukları oluşmaktadır. Bu baloncukların bir eşik değer sonrasında patmamaları sonucu oluşan yüksek sıcaklık ve basınç koşulları kirleticilerin parçalanmasını sağlayan radikallerin oluşumuna zemin yaratmaktadır. Bu tez çalışması orta frekanslı ultrason aralığında yapılmış olup ve kullanılan frekans aralığı 575, 861 ve 1141 kHz; güç değerleri ise 45 ve 60 W'dır. Ultrasonik koşullar altında yapılan deneyler sonucunda tüm pestisitlerin en iyi gideriminin sağlandığı frekans ve güç aralığı 575 kHz ve 60 W olarak bulunmuştur. Ultrasonik arıtımda konsantrasyon değerleriyle giderim verimi arasında ters bir ilişki olduğu açığa çıkmıştır. Optimum ultrasonik koşullarda 90 dakika sonunda isoproturon hariç (% 93) tüm pestisitlerin % 100 giderimi gözlenmiştir. Buna göre, en yüksek reaksiyon hızı pentaklorofenol çözeltisinde (0.3883 dk-1); en düşük reaksiyon hızı ise isoproturon çözeltisinde (0.0374 dk-1) gerçekleşmiştir. Ozon prosesi ozon jeneratörü aracılığıyla havadaki oksijenin ozon moleküllerine dönüştürülmesiyle gerçekleştirilmiştir. Pestisit çözeltilarine uygulanan ozon gazı dozajı 2.7 ile 240 mg/L aralığında olmuştur. Ozon prosesi ile pestisit giderimi ultrason prosesine göre çok daha hızlı gerçekleşmiş olup, 30 dakikada tüm pestisitlerin 100% giderimi sağlanmıştır. Ozon prosesi sonunda elde edilen reaksiyon hızları 0.1766 dk-1 ile 0.1813 dk-1 arasında bulunmuştur. Ozon dozajı pentaklorofenol giderimi için çok yüksek olduğundan dolayı ancak 100 ppb çözeltisinin giderimi incelenebilmiş ve reaksiyon hızı 1.5429 sn-1 olarak hesaplanabilmiştir. Optimum ultrason koşullarına 100 mg/L TiO2 katalizörlerinin eklenmesi ile 90 dakika sonunda reaksiyon hızlarında ufak da olsa bir artış gözlenmiştir (+0.02 ve +0.003). Ozon prosesinin ultrason ile birleşimi sonucunda hem ozon moleküllerinin ultrasonun gaz moleküllerini çözmeyi kolaylaştırıcı etkisiyle çözelti içerisindeki çözünmüş konsantrasyonunun artması hem de ozon meleküllerinin ultrason prosesinin yaratacağı kimyasal koşullardan uyarılarak yüksek enerjili radikallerin miktarını artırması planlanmıştır. Buna göre pestisit çözeltilerine US/O3 prosesi uygulanması sonucu elde edilen reaksiyon hızları; alaklor için 0.2298 dk-1, diuron için 0.2187 dk-1 ve isoproturon için 0.181 dk-1 dir. Pentaklorofenolün bu ozon dozajı aralığında gideriminim çok hızlı gerçekleşmesi dolayısıyla konsantrasyon ölçümleri alınamamış ve birleştirilmiş proseslerle giderimi izlenememiştir. Son olarak pestisit çözeltileri uygulanan tüm proseslerin optimum koşullarının birleştirilmesiyle (US/O3/TiO2) giderilmeye çalışılmış ve reaksiyon hızları; alaklor için 0.3752 dk-1, diuron için 0.3292 dk-1 ve isoproturon için 0.1866 dk-1 olarak bulunmuştur. Ayrıca mineralizasyon takibi toplam organik karbon (TOK) cihazı ile yapılarak proseslere göre elde edilen toplam TOK giderimi şu sırayı izlemiştir: US/O3>O3>US.

Bu çalışma pestisitlerin atıksu ve/veya içme sularında düşük konsantrasyonlarda (2.5-100 ppb) bulunmaları durunda ön-arıtımının ultrason, ozon ve nanopartikül katalizörlerinin kullanılması proseslerinin birleştirilmesi ile kısa sürelerde ve yüksek verim sağlayarak arıtımının gerçekleşebileceğini ortaya koymaktadır. Anahtar Kelimeler: Pertisit giderimi; İleri oksidasyon teknikleri; Ultrason; Ozonlama. '

1 INTRODUCTION

1 Purpose of Thesis

3 Hypothesis

4 Literature Review

7 ADVANCED OXIDATION PROCESSESS(AOPs)

7 Definition

9 Ultrasound

9 Definition of Sound

10 Utrasound in Water Remediation

11 Acoustics Cavitation

13 Mechanisms of Acoustics Cavitation

16 Reaction Sites of Cavitational Collapse

17 Sonochemistry in Aqueous Medium

17 Sonolysis of Water

18 Pyrolysis of Volatile Organic Compounds

19 Radical Reactions

21 Bubble Dynamics

23 Parameters Influencing Ultrasound

23 Source of Ultrasound

24 Frequency

25 Power

25 Temperature

26 Properties of Solutes

28 Catalysts

29 Ozonation

29 Mechanisms and Kinetics

29 Combination of Advanced Oxidation Processes

33 PESTICIDES

33 Definition of Pesticides

35 Risks to Human Health

36 Risks to Environment

36 Physiochemical Properties of Target Pesticides

39 MATERIALS AND METHODS

39 Materials

39 Chemicals

39 Ultrasonic Generator and Reactor

40 Ozone Generator

40 Methods

40 Experimenmtal Procedure

40 Preparation of Test Solutions

40 Ultrasonic Process

41 Ultrasonic Power Measurement

43 Ozonation Process

43 Combination of Processes

43 Analytical Measurement

43 Concentration Measurement

52 Mineralization Measurements

54 RESULTS AND DISCUSSION

54 Degradation of Model Pesticides by Ultrasonic Irradiation

54 Optimization of Ultrasonic Frequency and Power

54 Optimization of Ultrasonic Frequency and Power for Alachlor

59 Optimization of Ultrasonic Frequency and Power for Diuron

64 Optimization of Ultrasonic Frequency and Powerr for Isoproturon

69 Optimation of Ultrasonic Frequency and Power for Pentachlorophenol

69 Mineralization(TOC) Analysis of Ultrasonic Treatment

74 Degradation of Model Pesticides by Ozonation

74 Optimization Ozonation Process for Model Pesticides

74 Optimization of Ozonation Process for Alachlor

76 Optimization of Ozonation Process for Diuron

77 Optimization of Ozonation Process for Isoproturon

79 Optimization of Ozonation Process for Pentachlorophenol

79 Mineralization (TOC) Measurements of Ozonation Process

80 Combination of US/O3 Processes on Pesticides Removal

80 Degradation of Model Compounds by Combined US/O3 Process

81 Decomposition of Alachlor by US/O3

81 Decomposition of Diuron by US/O3

82 Decomposition of Isoproturon by US/O3

83 Decomposition of Pentachlorophenol by US/O3

83 Mineralization of Model Pesticides under US/O3 Process

84 Catalysts Effects on Ultrsonic Degradation of Model Pesticides

84 Degradationof Model Peticides by US/TiO2 Combined Process

84 Catalyst Effect on Sonolytic Degradation of Alachlor

85 Catalyst Effect on Sonolytic Degradation of Diuron

86 Catalysts Effect on Sonolytic Degradation of Isoproturon

86 Catalysts Effect on Sonolytic Degradation of Pentachlorophenol

87 Mineralization of Model Pesticides by US/O3/TİO2 Combined Process

87 Degradation of Model Pesticides by US/O3/TiO2 Combined Process

87 Reaction Kinetics of Model Pesticides under US/O3/TiO2 Process

87 Degradation of Alanchlor by Combination of US/O3/TiO2 Process

88 Degradation of Diuron by Combination of US/O3/TiO2 Process

88 Degradation of Isoproturon by Combination of US/O3/TiO2 Process

89 Degradation of Pentachlorophenol by Combination of US/O3/TiO2 Process

89 Mineralization of Model Pesticides by Combination of US/O3/TiO2 Process

90 Summary of Reaction Rates Observed by Advanced Rate Observed by Advanced Oxidation Process

91 CONCLUSION

94 REFERENCES