Electrochemical Oxidation of Bentazon at Boron-doped Diamond Anodes: Implications of Operating Conditions in Energy Usage and Process Greenness

Authors

  • Noe Valladares Universidad Iberoamericana
  • Rubén Vázquez Medrano Universidad Iberoamericana
  • Dorian Prato-Garcia Universidad Nacional de Colombia-Sede Palmira
  • Jorge G. Ibanez Universidad Iberoamericana

DOI:

https://doi.org/10.29356/jmcs.v67i4.1997

Keywords:

Bentazon; boron-doped diamond, electrochemical oxidation, process greenness, sustainable energy mix

Abstract

Abstract. We studied the mineralization of the herbicide bentazon (Bn) through advanced electro-oxidation using a non-divided modified Diachem® cell. The treatment system consisted of an array of three boron-doped diamond (BDD) electrodes: cathode-anode-cathode. The chosen variables of interest were current density (j = 0.5, 1.0, and 1.5 mA cm-2), the initial Bn concentration (10, 50, and 100 mg L-1), and the volumetric flow (v = 280, 500, and 750 mL min-1). In all cases, a 0.04 M Na2SO4 and 0.05 M NaHSO4 (pH ~ 2) solution was used as the supporting electrolyte. Results indicate that, at low current densities, up to 86 % of the Bn present in the solution can be removed (j = 1.0 mA cm-2 and v = 500 mL min-1); however, additional increases in j (from 1.0 to 1.5 mA cm-2) slightly increase (2-3 %) the removal efficiency but increase 55 % the carbon footprint and the treatment cost. Likewise, increases in the volumetric flow from 500 to 750 mL min-1 marginally affect the elimination of Bn and the removal of total organic carbon (TOC) in 1% and 4 %, respectively. The highest efficiencies for TOC (68 %) and COD (82 %) removals were obtained with the following operational conditions: j = 1.0 mA cm-2 and v = 750 mL min-1.  Values obtained for the instantaneous current efficiency (ICE) showed an exponential reduction, suggesting that mass transfer influences importantly the efficiency of the process.

 

Resumen. En este trabajo se estudió la mineralización del herbicida bentazón (Bn) por medio de electroooxidación avanzada utilizando una celda no dividida Diachem® modificada. El sistema de tratamiento consta de un arreglo de tres electrodos de diamante dopado con boro (BDD): cátodo-ánodo-cátodo. Las variables de interés seleccionadas fueron: la densidad de corriente (j = 0.5, 1.0 y 1.5 mA cm-2), la concentración inicial de Bn (10, 50 y 100 mg L-1) y el flujo volumétrico (v = 280, 500 y 750 mL min-1). En todos los casos se usó como electrolito soporte   una solución de 0.04 M Na2SO4 y 0.05 M de NaHSO4 (pH ~ 2). Los resultados obtenidos indican que, a bajas densidades de corriente, se puede remover hasta el 86 % del Bn presente en solución (j = 1.0 mA cm-2 y v = 500 mL min-1); sin embargo, aumentos adicionales en j (de 1.0 a 1.5 mA cm-2) elevan ligeramente la eficiencia de remoción (2-3 %) pero incrementan hasta en un 55% la huella de carbono y el costo de tratamiento. De igual forma, incrementos en el flujo volumétrico de 500 a 750 mL min-1 afectan de forma marginal la eliminación del Bn y la remoción del carbono orgánico total (TOC) en un 1 % y 4 %, respectivamente. Las mayores eficiencias de remoción de TOC (68 %) y COD (82 %) se obtuvieron con las siguientes condiciones operativas: j = 1.0 mA cm-2 y v = 750 mL min-1.  Los valores obtenidos de la eficiencia de corriente instantánea (ICE) presentaron una reducción exponencial, lo cual sugiere que la transferencia de masa tiene una influencia importante en la eficiencia del proceso.

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Author Biographies

Noe Valladares , Universidad Iberoamericana

Departamento de Ingeniería Química, Industrial y de Alimentos

Rubén Vázquez Medrano, Universidad Iberoamericana

Departamento de Ingeniería Química, Industrial y de Alimentos

Dorian Prato-Garcia , Universidad Nacional de Colombia-Sede Palmira

Facultad de Ingeniería y Administración

Jorge G. Ibanez , Universidad Iberoamericana

Departamento de Ingeniería Química, Industrial y de Alimentos

References

Kaur, G. Int. J. Environ., Agr. Biotechnol. 2019, 4, 995–1004. DOI: http://dx.doi.org/10.22161/ijeab.4416.

Qu, R. Y.; He, B.; Yang, J. F.; Lin, H. Y.; Yang, W. C.; Wu, Q. Y.; Li, Q. X.; Yang, G. F. Pestic. Sci. 2021, 77, 2620–2625 DOI: https://doi.org/10.1002/ps.6285.

United Nations. Department of Economic and Social Affairs. 2022.

Centanni, M.; Ricci, G. F.; de Girolamo, A. M.; Romano, G.; Gentile, F. Environ. Pollut. 2023, 316, 120553. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120553.

Li, Z.; Wu, Y.; Wang, C. Environmental Management. 2022 DOI: https://doi.org/10.1007/s00267-022-01717-5.

Singh, S.; Tiwari, S. Responses of plants to herbicides: Recent advances and future prospectives. in Plant Life under Changing Environment: Responses and Management. Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2020, 237–250. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818204-8.00011-4.

Ania, C. O.; Béguin, F. Water Res. 2007, 41, 3372–3380. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.03.031.

Ponce-Vejar, G.; Ramos de Robles, S. L.; Macias-Macias, J. O.; Petukhova, T.; Guzman-Novoa, E. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022, 19, 8199. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph19138199.

Liu, Y.; Sun, T.; Su, Q.; Tang, Y.; Xu, X.; Akram, M.; Jiang, B. J. Colloid Sci. 2020, 575, 254–264. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.04.092.

Fernández-Marchante, C. M.; Souza, F. L.; Millán, M.; Lobato, J.; Rodrigo, M. A. Sci. Total Environ. 2021, 754, 142230. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142230.

Carrera-Cevallos, J. V.; Prato-Garcia, D.; Espinoza-Montero, P. J.; Vasquez-Medrano, R. Water Air Soil Pollut. 2021, 232, 1-15. DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-020-04941-z.

Brienza, M.; Garcia-Segura, S. Chemosphere. 2022, 307, 135974.DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.135974.

Becerra, D.; Arteaga, B. L.; Ochoa, Y. E.; Barajas-Solano, A. F.; García-Martínez, J. B..; Ramírez, L. F. Ing. Compet. 2020, 22, 1-12. DOI: https://doi.org/10.25100/iyc.v22i1.8135.

Inticher, J.J.; Cabrera, L.C.; Guimarães, R.E.; Zorzo, C.F.; Pellenz, L.; Seibert, D.; Borba, F.H.; J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 105883. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105883.

Ganiyu, S. O.; Martinez-Huitle, C. A.; Rodrigo, M. A. Appl. Catal. B Environ. 2020, 270, 118857. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118857.

Pang, K.; Cheng, C.; Zhao, H.; Ma, Y.; Dong, B.; Hu. J. Microchem. J. 2021, 164, 105994. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microc.2021.105994.

Cabrera, A.; Cox, L.; Spokas, K.; Hermosin, M.C.; Cornejo, J.; Koskinen, W.C. Sci. Total Environ. 2014, 470–471, 438–443. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.09.080.

Tolgyesi, A.; Korozs, G.; Toth, E.; Balint, M.; Ma, X.; Sharma, V.K. Chemosphere. 2022, 286, 131927. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131927.

Gholami, M.; Jonidi-Jafari, A.; Farzadkia, M.; Esrafili, A.; Godini, K.; Shirzad-Siboni, M. J. Environ. Manage. 2021, 294, 112962. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112962.

Davezza, M.; Fabbri, D.; Pramauro, E.; Prevot, A. B. Chemosphere. 2012, 86, 335–340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2011.09.011.

Narayanan, V. S.; Prasath, P. V.; Ravichandran, K.; Easwaramoorthy, D.; Shahnavaz, Z.; Mohammad, F.; Lohedan, H. A. A.; Paiman, S.; Oh, W. C.; Sagadevan, S. Mater. Sci. Semicond. Process. 2020, 119, 105238. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2020.105238.

Li. N.; Li, R.; Yu, Y.; Zhao, J.; Yan, B. Chen, G. Sci. Total Environ. 2020, 741, 140492. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140492.

García-Vara, M.; Hu, K.; Postigo, C.; Olmo, L.; Caminal, G.; Sarrà, M.; López de Alda, M. J. Hazard. Mater. 2021, 409, 124476. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124476.

Avila, R.; García-Vara, M.; López-García, E.; Postigo, C.; de Alda, M.L.; Vicent, T.; Blánquez, P. Sci. Total Environ. 2022, 804, 150040. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150040.

Spaltro, A.; Simonetti, S.; Alvarez Torrellas, S.; Garcia Rodriguez, J.; Ruiz, D.; Juan, A.; Allegretti, P. Appl. Surf. Sci. 2018, 433, 487–501. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.011.

Moreira, F. C.; Boaventura, R. A. R.; Brillas, E.; Vilar, V. J. P. Appl. Catal. B Environ. 2017, 202, 217–261 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.08.037.

Campos-González, E.; Frontana-Uribe, B. A.; Vasquez-Medrano, R.; Macías-Bravo, S.; Ibanez, J. G. J. Mex. Chem. Soc. 2014, 58, 315-321.

Valenzuela, A. L.; Vasquez-Medrano, R.; Ibanez, J. G.; Frontana-Uribe, B. A.; Prato-Garcia, D. Water Air Soil Pollut. 2017, 228. DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-017-3244-5.

He, Y.; Lin, H.; Guo, Z.; Zhang, W.; Li, H.; Huang, W. Sep. Purif. Technol. 2019, 212, 802–821. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.11.056.

Kapalka, A.; Fóti, G.; Comninellis, C. in: Basic principles of the electrochemical mineralization of organic pollutants for wastewater treatment. C. Comninellis & G. Chen, Eds., Springer, New York, 2010, 1–23.

Malakootian, M.; Shahesmaeili, A.; Faraji, M.; Amiri, H.; Silva Martinez, S. Process Saf. Environ. Protect. 2020, 134, 292–307 DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.12.004.

Malato, S.; Blanco, J.; Maldonado, M. I.; Fernández-Ibáñez, P.; Campos, A. Appl. Catal. B. 2000, 28, 163–174. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-3373(00)00175-2.

EPA, 2022. https://www.epa.gov/safepestcontrol/safe-disposal-pesticides Accessed 13/07/2023.

Brillas, E. Chem. Soc. 2020, 250, 126198 DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126198.

Garrido, E. M.; Lima, J. L. C.; Delerue-Matos, C. M.; Oliveira Brett, A. M. Talanta. 1998, 46, 1131-1135. DOI: https://doi.org/10.1016/S0039-9140(97)00380-9.

Compton, R. G.; Laborda, E.; Ward, K. R. in: Understanding voltammetry: simulation of electrode processes, Compton, R. G., Ed., Imperial College Press, London, 2014, 30. DOI: https://doi.org/10.1142/p910.

Sandoval, M. A.; Calzadilla, W.; Salazar, R. Curr. Opin. Electroche. 2022, 33, 100939 DOI: https://doi.org/10.1016/j.coelec.2022.100939.

Newman, J.; Balsara, Nitash P. in: Electrochemical Systems. The Ecs Texts and Monographs, Newman, J., Ed., Hoboken, John Wiley and Sons Ltd, 2021, 283-297.

Panizza, M.; Michaud, P.A.; Cerisola, G.; Comninellis, C. J. Electroanal. Chem. 2001, 507, 206–214 DOI: https://doi.org/10.1016/S0022-0728(01)00398-9.

Rodrigo, M. A.; Michaud, P. A.; Duo, I.; Panizza, M.; Cerisola, G.; Comninellis, Ch. J. Electrochem. Soc. 2001, 148, D60-D64. DOI: http://dx.doi.org/10.1149/1.1362545.

Espinoza-Montero, P. J.; Vasquez-Medrano, R.; Ibanez, J. G.; Frontana-Uribe, B. A. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, G3171–G3177 DOI: http://dx.doi.org/10.1149/2.027307jes.

dos Santos, A. J.; Martínez-Huitle, C. A.; Sirés, I.; Brillas, E. ChemElectroChem, 2018, 5, 685–693. DOI: https://doi.org/10.1002/celc.201701238.

Silva Barni, M. F.; Doumic, L. I.; Procaccini, R. A.; Ayude, M. A.; Romeo, H. E. J. Environ. Manage. 2020, 263, 110403. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110403.

Ganiyu, S. O.; Martínez-Huitle, C. A. Curr. Opin. Electrochem. 2021, 27,100678. DOI: https://doi.org/10.1016/j.coelec.2020.100678.

Valero, D.; García-García, V.; Expósito, E.; Aldaz, A.; Montiel, V. Sep. Purif. Technol. 2014, 123, 15–22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.12.023.

Souza, F. L.; Lanza, M. R. V.; Llanos, J.; Saez, C.; Rodrigo, M. A.; Canizares, P. A. J. Environ. Manage. 2015, 158, 36–39. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2015.04.040.

Millán, M.; Rodrigo, M. A.; Fernández-Marchante, C. M.; Canizares, P.; Lobato, J. ACS Sustain Chem. Eng. 2019, 7, 8303–8309. DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b06704.

Montiel, V.; Valero, D.; Gallud, F.; García-García, V.; Expósito, E.; Iniesta, J. in Chapter 19 - prospective applications of renewable energy-based electrochemical systems in wastewater treatment. Electrochemical water and wastewater treatment, Martínez-Huitle, C. A., Rodrigo, M. A., Scialdone, O., Ed., Butterworth-Heinemann; Oxford, UK, 2018, 513–541, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813160-2.00019-5.

International Renewable Energy Agency. Renewable power generation costs in 2021. 2022, Abu Dhabi.

Huber, R.; Otto, S. In: Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, vol. 137. Ware, G.W., Ed., Springer, New York, NY. 1994, 112-113 DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-2662-8_3.

Abdessalem, A. K.; Oturan, M. A.; Oturan, N., Bellakhal, N.; Dachraoui, M. Int J Environ Anal Chem. 2010, 90, 468–477. DOI: https://doi.org/10.1080/03067310902999132.

dos Santos, M.; Silva, R.S.R.; Oishi, S.S.; Ferreira, N.G. Rev. Virtual Quim. 2019, 11, 1659–1681. DOI: 10.21577/1984-6835.20190117.

Guelfi, D. R. V., Brillas, E., Gozzi, F., Machulek, A., de Oliveira, S. C.; Sirés, I. J. Environ. Manage. 2019, 231, 213–221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.10.029.

Alcaide, F.; Álvarez, G.; Guelfi, D. R. V.; Brillas, E.; Sirés, I. Chem. Eng. J. 2020, 379, 122417. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122417.

Azeez Othman, M.; Yavuz, Y. Zanco J. Pure Appl. Sci. 2021, 33, 116-121.

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Published

2023-09-19

Issue

Section

Special Issue. Tribute to the electrochemical emeritus researchers of SNI

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