Optimization strategies for efficient dosage of H2O2 in Fenton and photo-Fenton processes

Abstract

This Thesis work addresses the challenge of designing hydrogen peroxide (H2O2) dosage Strategies for improving Fenton and photo-Fenton applications. The determination of the H2O2 dosage scheme that minimizes hydrogen peroxide consumption while meeting the specified treatment outcome is crucial for the practicality of Fenton and photo-Fenton processes, as well as for further understanding the effect of the dosage. A first part of the research addresses this challenge by providing a problem formulation, identifying and discussing objectives and constraints, and the nature of the optimal solution. From this point, the Thesis presents a novel dosage model and a consequent methodology aimed at experimentally optimizing the dosage profile along a discretized time horizon following recipe optimization concepts. The approach is parallel to the numerical solution of the model-based optimization problem posed by H2O2. The methodology is validated in the remediation of a Paracetamol (PCT) solution, and the obtained results are assessed and discussed in regard of the evolution of the concentration of hydrogen peroxide, the contaminant (PCT), and Total Organic Carbon (TOC). The concentration of dissolved oxygen (DO), which is also monitored, allows providing a more comprehensive explanation of the nature of the process. A second part focuses on the practical limitations of this scheme by adopting a hybrid methodology between open and closed loop approaches and it is based on three different stages: (i) one-shot initial H2O2 addition (ii) continuous H2O2 dosage until reaching a specific dissolved oxygen (DO) level and (iii) on-off control of H2O2 dosage using DO slope as control variable. The proposed strategy is validated in the remediation of a Paracetamol solution (100 mg L-1) and the results are assessed using H2O2 consumption and mineralization rate and level as performance criteria. The final tuning of the proposed strategy consists of: (i) only 40% of the stoichiometric H2O2 concentration, (ii) continuous feeding of H2O2 until a 4 mg L-1 DO concentration is attained, and (iii) on-off control dosage selecting DO slope set-points in 0.1 and 0.2 mg L-1 1 min-1. The dosage scheme and settings developed in this second part show an improvement of the process performance by ~ 15% with respect to the same H2O2 amount in a single-addition. Finally, the third part generalizes this strategy by expanding its application and exploring and assessing its performance on different water matrix (natural water and distilled water), different contaminant concentrations, and different contaminants (paracetamol and sulfamethazine) and mixtures. Towards this end, a set of assays were planned and executed involving Paracetamol and Sulfamethazine. In particular, assays performed on sulfamethazine presented higher efficiency (mg of TOC removed per mg of H2O2 consumed), which increased 25-35% with respect to the results obtained with only one-shot initial addition. Furthermore, a deeper analysis of the results allowed detecting and assessing the option of a redesign of the dosage scheme by removing the idea of a specific DO set point and directly addressing the control of the DO slope. Hence, this thesis also opens new research lines in regard to increasing the simplicity and robustness of this efficient control strategy of the photo-Fenton process.

Aquest treball de tesi aborda el repte de dissenyar estratègies de dosificació de peròxid d'hidrogen (H2O2) per millorar les aplicacions dels processos Fenton i foto-Fenton. La determinació d'una estratègia de dosificació d'H2O2 que en minimitzi el consum mentre s'assoleixen els objectius del tractament especificat és crucial per a l'aplicació pràctica dels processos de Fenton i foto-Fenton, així com per a la millor comprensió de l'efecte de la dosificació. Una primera part de la investigació aborda aquest repte proporcionant una formulació del problema, identificant i discutint objectius i restriccions, i la naturalesa de la solució òptima. A partir d'aquest punt, la tesi presenta un nou model de dosificació i una metodologia derivada que pretén optimitzar experimentalment el perfil de dosificació al llarg d'un horitzó temporal convenientment discretitzat seguint conceptes d'optimització de receptes. L'enfocament és paral·lel a la solució numèrica del problema d'optimització basat en models i la metodologia que se'n deriva es valida en el tractament d'una solució de paracetamol (PCT). Els resultats obtinguts s'avaluen i es discuteixen en relació amb l'evolució de la concentració de peròxid d'hidrogen, el contaminant (PCT) i el carboni orgànic total (TOC). La concentració d'oxigen dissolt (DO), que també es controla, permet donar una explicació més completa de la naturalesa del procés . Una segona part se centra en les limitacions pràctiques d'aquest esquema mitjançant l'adopció d'una metodologia híbrida entre el control en llaç obert i el control en llaç tancat. La metodologia es basa en tres etapes diferents: (i) addició inicial H2O2 inicial (ii) dosificació contínua d'H2O2 fins a arribar a un determinat nivell d'oxigen dissolt (DO) i (iii) control on-off de la dosi d'H2O2 utilitzant el pendent de DO com a variable de control. L'estratègia proposada es valida en el tractament d'una solució de paracetamol (100 mg L-1) i els resultats s'avaluen utilitzant el consum de H2O2 i la taxa i el nivell de mineralització com a criteris de rendiment. L'ajust final de l'estratègia proposada es concreta de la següent manera: (i) només el 40% de la concentració estequiomètrica de H2O2, (ii) alimentació contínua de H2O2 fins a l'assoliment d'una concentració de 4 mg de L-1 DO i (iii) dosificació sota un control on-off seleccionant els valors de pendent de DO entre 0,1 i 0,2 mg L-1 1 min-1. L'esquema de dosificació i la configuració desenvolupats en aquesta segona part mostren una millora del rendiment del procés d'un 15% respecte al que s'obté amb mateixa quantitat de H2O2 en una única addició. Finalment, la tercera part generalitza aquesta estratègia ampliant la seva aplicació, explorant i avaluant el seu rendiment en diferents matrius d'aigua (aigua natural i aigua destil·lada), diferents concentracions de contaminants, diferents contaminants (paracetamol i sulfametazina) i mescles. Amb aquesta finalitat, es van planificar i executar un conjunt d'assajos que van incloure paracetamol i sulfametazina. En particular, els assajos realitzats amb sulfametazina van presentar una eficiència més elevada (mg de TOC eliminats per mg d'H2O2 consumit), que va augmentar entre un 25 i un 35% respecte als resultats obtinguts amb només una única incorporació inicial. A més, una anàlisi més profunda dels resultats va permetre detectar i avaluar l'opció d'un redisseny de l'esquema de dosificació eliminant la idea d'un punt de referència específic de DO i abordant directament el control del pendent de DO. Per tant, aquesta tesi també obre noves línies de recerca per augmentar la simplicitat i robustesa d'aquesta estratègia de control eficient del procés de foto-Fenton.