Activated carbon fibers as biological supports and redox mediators in the biotic and abiotic anaerobic transformation of nitroaromatic compounds

Abstract

"The objective of this thesis work was to demonstrate that activated carbon fibers ACFs) functioned as redox mediators in the chemical (abiotic) and biological reduction of nitroaromatic compounds (NACs) in aqueous solutions. Physicochemical studies included the reduction of two model nitroaromatic compounds, 4-nitrophenol (NP) and 3-chloronitrobenzene (CNB) using ACFs as redox mediators and Na2S as electron donor. Physicochemical characterization of ACFs and the literature analysis revealed the critical role of quinone structures in the oxidation of Na2S and the reduction of NACs to aromatic amines. Also, the anthraquinone anchorage on ACF surface also exhibited a higher redox activity. The results showed that materials with anthraquinone,2,4-disulphonate (AQDS) improved in 49% the reduction of NP when compared to the unmodified materials. ACFs were used as biological supports and redox mediators in the continuous biotransformation of NP using methanogenic granular sludge and ethanol as carbon source. The results showed that an excess of carbon source affected the biotransformation of NP since bioreactors packed with ACFs with different concentrations of redox-active groups did not exhibited significant differences with the control reactor without ACFs. After modifications in the concentration of ethanol (exogenous carbon source) the ACF-packed reactors achieved a higher biotransformation of NP while the control reactor exhibited a low efficiency. It was hypothesized that a higher concentration of redox-active groups together with other ACF physicochemical properties increased the biotransformation of NP as compared with the control reactor. On the other hand, the biotransformation of explosive NACs 2,4-dinitroanisole (DNAN) and its reduced product 2-methoxy,5-nitroaniline (MENA) was studied in up-flow anaerobic soil columns amended with ethanol as an exogenous carbon source. The control bioreactor relied only in endogenous carbon source present in soil and simulated the natural attenuation of the explosive compounds."

"El objetivo del presente trabajo de tesis fue demostrar que las fibras de carbón activado (FCAs) actúan como mediadores redox en la reducción química (abiótica) y biológica de compuestos nitro-aromáticos (CNA) en sistemas en lote y continuo. En la parte fisicoquímica se estudió la reducción en lote de dos nitroaromaticos modelo, 4-nitrofenol (NF) y 3-cloronitrobenceno (CNB), usando FCAs como mediadores redox y Na2S como donador de electrones. La caracterización de las propiedades fisicoquímicas y el análisis de la literatura reveló la importancia de estructuras quinónicas en la superficie de las FCAs para oxidar el Na2S y reducir el CNA modelo a su correspondiente amina aromática. De forma similar, también se exploró el anclaje de antraquinonas en la superficie de las FCAs con el objetivo de aumentar la tasa de reducción de NP. Los resultados de este anclaje demostraron que los materiales modificados con antraquinona,2,6-disulfonato (AQDS) mejoraron la reducción de NP en un 49% comparado con las FCAs sin modificar. Las FCAs fueron utilizadas como soportes biológicos y mediadores redox en la biotransformación continua del nitroaromático NP usando lodo granular metanogénico y etanol como fuente de carbono. Los resultados mostraron que utilizando una concentración en exceso de fuente de carbono los bioreactores empacados con FCAs con diferentes cantidades de grupos quinónicos no mostraban diferencias significativas en la biotransformación de NP con el bioreactor control sin FCAs. Después de una serie de modificaciones a la concentración de la fuente de carbono se logró visualizar una mayor biotransformación de NP en los reactores empacados con FCAs, mientras que el reactor control mostró un menor rendimiento. Se piensa que el mayor contenido de grupos funcionales con actividad redox así como otras propiedades fisicoquímicas de los materiales carbonosos promovieron la mayor reducción de NP. Por otro lado, en la parte biológica se estudió primero la biotransformación del compuesto explosivo 2,4-dinitroanisole (DNAN) y su derivado 2-metoxy,5-nitroanilina (MENA) en columnas de suelo con flujo ascendente y utilizando etanol como fuente de carbono exógena. Una columna que no recibió etanol y que dependió del carbono orgánico endógeno del suelo sirvió como control de un proceso de atenuación natural."