FINAL DEGREE PROJECT Chemical Engineering TREATMENT OF CONTAMINANTS OF EMERGING CONCERN WITH ADVANCED OXIDATION PROCESSES. Study on the state of art of dosage and modeling in the photo-Fenton process. Report and Annexes Autor: Nora Pujol Vidal Director: Montserrat Pérez-Moya Call: June 2020 Escola d’Enginyeria Barcelona Est (EEBE) Nora Pujol Vidal 2 Study on the state of art of dosage and modeling in the photo-Fenton process. RESUM Una de les preocupacions més generalitzades d’avui en dia recau sobre la situació ambiental del planeta, i concretament sobre la contaminació de l’aigua. La industrialització ha generat un augment en la quantitat de components residuals que son difícils d’eliminar per mitjà de mètodes convencionals en plantes de tractament d’aigua. El present treball es centra en els processos d’oxidació avançada, concretament en els processos Fenton i foto-Fenton. Estudia la seva posició actual en el sector de la recerca així com les temàtiques en els que manca recerca o no hi ha consens. Presenten punts pendents de resoldre. Un primer estudi bibliomètric s’ha dut a terme per tal de detectar, i posteriorment analitzar, aquests temes sense estudis concloents. Un cop decidit que el dosatge i el modelatge són temes sense conclusions fermes, s’ha realitzat una comparació bibliogràfica basada en aquests dos aspectes. El projecte es centra primerament en fer un estudi generalitzat del procés. Seguidament en una posada en marxa de la realització experimental i, finalment en un anàlisi més detallat dels temes escollits per aprofundir. Pel que fa el dosatge, gran part de les publicacions es centren en la proposició de diverses tècniques d’addició, tant de reactius com de catalitzadors, que poden optimitzar-ne el consum i, en ocasions, millorar l’efectivitat de les reaccions per a contaminants concrets. No obstant, en cap cas s’ha trobat una proposta general i extrapolable a diferents equips, contaminants, reactius, etc. D’altre banda, en un estudi fet referent a la modelització es pot observar que és possible fer una classificació dels models segons principis bàsics, models empírics i models semi-empírics. A més a més, s’hi menciona la inclusió del modelatge per l’automatització i control dels processos, un camp en el que clarament cal seguir fent recerca. i Nora Pujol Vidal RESUMEN Una de las preocupaciones más generalizadas de hoy en día recae sobre la situación ambiental del planeta, y concretamente sobre la contaminación del agua. La industrialización ha generado un aumento en la cantidad de componentes residuales que son difíciles de eliminar por los métodos convencionales en plantas de tratamiento de aguas. El presente trabajo se centra en los procesos de oxidación avanzada, concretamente en los procesos Fenton y foto-Fenton. Estudia su posición actual en el sector de la investigación, así como las temáticas en las que manca investigación o no existe un consenso, aquellas que presentan puntos pendientes de resolver. Un primer estudio bibliométrico se ha realizado por tal de detectar, y posteriormente analizar, dichos temas sin estudios concluyentes. Una vez decidido que el dosaje y el modelaje son términos sin conclusiones firmes, se ha llevado a cabo una comparación bibliográfica centrada en estos dos aspectos. El proyecto se centra primeramente en hacer un estudio generalizado del proceso. Seguidamente en una puesta en marcha de la realización experimental y, finalmente en un análisis más detallado de los temas elegidos para profundizar. Por lo que el dosaje respecta, una gran parte de las publicaciones se centran en la proposición de diversas técnicas de adición, tanto de reactivos como de catalizadores, que pueden optimizar su consumo y, en ocasiones, mejorar la efectividad de las reacciones para contaminantes concretos. No obstante, en ningún caso se ha encontrado una propuesta general y extrapolable a diferentes equipos, contaminantes, reactivos, etc. Por otro lado, en el estudio referente a la modelización se puede observar que es posible hacer una clasificación de los modelos según principios básicos, modelos empíricos y modelos semi empíricos. Además, en el estudio se menciona la inclusión del modelaje para la automatización y control de los procesos, campo en el que claramente es necesario seguir investigando. ii Study on the state of art of dosage and modeling in the photo-Fenton process. ABSTRACT The actual framework of water contamination in our planet is one of the major concerns nowadays. Industrialization has generated an increase in the amount of residual components which are difficult to remove with the methods applied in the conventional water treatment plants. The present work is focused on the advanced oxidation processes, concretely on the Fenton and photo-Fenton processes. It studies their actual situation in the research sector as well as the subjects lacking investigation or having no consensus, those presenting open issues. A bibliometric study has been done in order to detect, and furthermore analyze, the mentioned themes without conclusive studies. Once decided that dosage and modeling are terms with no solid conclusions, a bibliographic comparison centered on the above-mentioned aspects has been carried out. The project aims, first, at making a general study of the process. Successively, at developing the experimental set-up and, lastly at a detailed analysis on the subjects chosen to go in depth with. Regarding dosage, the majority of the publications found in literature are focused on the proposal of diverse adding techniques applied for both reactants and catalysts, which are able to optimize the consumption and, occasionally, improve the effectiveness of the reactions. Nonetheless, in no case a general and extensible suggestion has been offered for different equipment, contaminants, reactants, etc. On the other hand, in the study regarding modeling it can be observed that it is possible to classify the models in first principles, empirical, and semi-empirical models. In addition, the involvement of modeling into automatization and control of the processes is also reported, which is a field that clearly needs investigation in a greater extent. iii Nora Pujol Vidal AKNOWLEDGEMENTS In the first place, I would like to thank my parents and my brothers for their constant support, help and patience during this period of my life. For making me feel confident in my abilities not only during this project, but for the entire degree studies. It surely would not have been possible without them. Above all, special thanks to my friends for their persistent encouragement and faith in me. Thanks to my project tutor, Montserrat Pérez-Moya, for her guidance and dedication. I would like to express my gratitude to her for giving me the opportunity to be a part of this work and for her help and understanding given the exceptional circumstances. I must also acknowledge my project to Saidy Cristina Ayala, for teaching me with patience everything the experimental part of the project required. iv Study on the state of art of dosage and modeling in the photo-Fenton process. TABLE OF CONTENTS RESUM…………. ..................................................................................................................... i RESUMEN……....................................................................................................................... ii ABSTRACT……. .................................................................................................................... iii AKNOWLEDGEMENTS ......................................................................................................... iv CHAPTER 1 INTRODUCTION ............................................................................................. 1 1.1 Motivation .......................................................................................................................... 2 1.2 Objective ............................................................................................................................. 4 1.3 Scope of the project ........................................................................................................... 4 1.4 Sources of water pollution ................................................................................................. 6 1.4.1 Contaminants of emerging concern (CEC’s) .......................................................... 7 1.4.2 Pharmaceutical wastewater .................................................................................. 8 1.4.3 Agricultural wastewater ........................................................................................ 8 1.4.4 Textile industries wastewater ............................................................................... 9 1.4.5 Paper mill industry ............................................................................................... 10 1.5 Water-quality indicators ................................................................................................... 10 1.5.1 Chemical Oxygen Demand (COD) ........................................................................ 11 1.5.2 Biological Oxygen Demand (BOD) ....................................................................... 12 1.5.3 Biodegradability ................................................................................................... 12 1.5.4 Toxicity ................................................................................................................. 13 CHAPTER 2 TREATMENTS .............................................................................................