Photocatalytic degradation of pharmaceutically active compounds (PhACs) in urban wastewater treatment plants effluents under controlled and natural solar irradiation using immobilized TiO2

Abstract

Se estudia la degradación de productos farmacéuticos bajo irradiación solar natural y controlada utilizando TiO2 inmovilizado en una solución modelo y en efluentes de aguas residuales urbanas reales. Los recubrimientos de TiO2 se prepararon mediante el método sol-gel con dos configuraciones diferentes, películas delgadas simples y "sándwich". Los recubrimientos preparados fueron caracterizados previamente mediante distintas técnicas (XRD, SEM, espectroscopía uv_vis). La descomposición de productos farmacéuticos detectados en efluentes de aguas residuales urbanas se controló mediante cromatografía líquida de ultra rendimiento-espectrometría de masas de triple cuadrupolo. Entre los productos farmacéuticos detectados, tres están incluidos en la Lista de Vigilancia (Decisión UE 2018/840). Se estudió el efecto del espesor de la película fina y el tipo de sustrato (sustratos lisos y esmerilados) sobre la actividad fotocatalítica utilizando una solución modelo de paracetamol bajo irradiación controlada. A medida que aumentaba el espesor de las películas delgadas, también aumentaban las tasas de degradación inicial del paracetamol. Los recubrimientos depositados sobre sustratos esmerilados condujeron a una mayor actividad fotocatalítica. Los recubrimientos "sándwich" (depositados sobre un soporte esmerilado) con la siguiente estructura: capa de anatasa, nanopartículas de TiO2 P25 y capa de anatasa (película selladora) demostraron la mayor actividad fotocatalítica entre todos los recubrimientos de TiO2 probados y se utilizaron para la eliminación de productos farmacéuticos de aguas residuales urbanas reales. El tratamiento fotocatalítico de efluentes de aguas residuales urbanas bajo irradiación solar natural y controlada condujo a una eliminación moderada y alta (>40%) de todos los productos farmacéuticos detectados, excepto carbamazepina y atenolol, para los cuales se observó una eficiencia de eliminación deficiente (~20%). Algunos de los compuestos farmacéuticos presentes en los efluentes de aguas residuales, como diclofenaco, ofloxacino, ciprofloxacino, hidroclorotiazida y furosemida, fueron sensibles a la fotólisis solar. La eficiencia de la inactivación fotocatalítica solar de Escherichia coli presente en efluentes de aguas residuales urbanas fue similar a la de la desinfección solar (SODIS).

In this article degradation of pharmaceuticals under controlled and natural solar irradiation using immobilized TiO2 was studied in model solution and real urban wastewater effluents. The TiO2 coatings were prepared via the sol-gel method with two different configurations, using simple (thin films) and the "sandwich" approach. Prepared coatings were characterized employing X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), ellipsometry and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy. Decomposition of pharmaceuticals detected in urban wastewater effluents (diclofenac, carbamazepine, atenolol, propranolol, albuterol, ofloxacin, ciprofloxacin, azithromycin, erythromycin, hydrochlorothiazide, and furosemide) was monitored using Ultra Performance Liquid Chromatography-Triple Quadrupole Mass Spectrometry (UPLC-QqQ-MS/MS). Among detected pharmaceuticals three are included in the Watch List (EU Decision 2018/840). Effect of thin film thickness and type of substrate (smooth and frosted substrates) on photocatalytic activity was studied using a model solution of acetaminophen under controlled irradiation. As the thickness of thin films increased so did the initial degradation rates of acetaminophen. Coatings deposited on frosted substrates led to higher photocatalytic activity. The "sandwich" coatings (deposited on frosted support) with the following structure: anatase layer, TiO2 P25 nanoparticles and anatase layer (sealing film) demonstrated the highest photocatalytic activity among all tested TiO2 coatings and were used for elimination of pharmaceuticals from real urban wastewater effluents. Photocatalytic treatment of urban wastewater effluents under controlled and natural solar irradiation led to moderate and high removal (>40%) of all detected pharmaceuticals except carbamazepine and atenolol, for which poor removal efficiency was observed (~20%). Some of the pharmaceutical compounds present in wastewater effluents, such as diclofenac, ofloxacin, ciprofloxacin, hydrochlorothiazide and furosemide were sensitive to solar photolysis. The efficiency of solar photocatalytic inactivation of Escherichia coli present in urban wastewater effluent was similar to that of solar disinfection (SODIS).