Novel application of graphene oxide-based nanomaterials as redox mediators to improve the reductive transformation of iopromide

Abstract

"Iopromide (IOP), a tri-iodinated X-ray contrast medium, is a persistent pollutant, which is poorly removed from conventional wastewater treatment system and frequently released into environmental compartments. Accordingly, several techniques have been employed for the removal of this pollutant from contaminated water. The use of graphene oxide (GO)-based materials as redox mediators (RM) is an attractive option for reductive transformation of IOP. However, the major challenge for the application of GO-based is its recovery and retention in a biological continuous wastewater system. This work reported, for the first time, the successful application of GO, partially reduced GO (rGO) and magnetic rGO nanosacks (MrGO-N) as redox mediator (RM) to facilitate the chemical and biological transformation of IOP in batch incubations and biological continuous system under anaerobic conditions. The results demonstrated that the redox activity of GO-based materials enhanced the removal and transformation degree of IOP up to 5.0-fold in chemical/biological systems performed in batch assays. Also, results indicated a correlation between the intrinsic properties of GO-based materials and their redox performance. Moreover, the application of MrGO-N in an upflow anaerobic sludge blancket (UASB) reactor under methanogenic conditions was evaluated. Results indicated a high removal efficiency of IOP (~82 %) in the bioreactor supplied with the MrGO-N as RM, indicating their contribution in the redox conversion of this contaminant. For chemical and biological experiments mentioned above, reductive transformation pathways of IOP were proposed. Transformation byproducts with simpler chemical structures than IOP molecule were identified, involving completely dehalogenation of the aromatic ring and partial rupture of ramifications of IOP by several reductive reactions, which is the first step toward its mineralization by conventional treatment techniques. In addition, reductive mechanisms that carried out during degradation of IOP were elucidated. The results presented in this doctoral thesis demonstrated the great potential to apply GO, rGO and MrGO-N as electron shuttles in the redox conversion of IOP in water, offering a simple and feasible alternative to tailoring GO-based materials in wastewater treatment systems and industrial effluents to facilitate the reductive transformation of persistent pollutants from contaminated water."

"La iopromida (IOP), un medio de contraste yodado, es un contaminante persistente el cual es difícilmente removido en los sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales y por consiguiente, frecuentemente liberado al medio ambiente. En consecuencia, diferentes técnicas de degradación se han empleado para la remoción de este contaminante presente en el agua. Una atractiva opción para la transformación reductiva de la IOP es el uso de materiales a base de óxido de grafeno (OG), como mediadores redox (MR), debido a su excelente actividad redox. Sin embargo, el mayor reto para la aplicación de estos nanomateriales es su recuperación y retención en un sistema biológico de tratamiento de aguas residuales operado en continuo. Este trabajo reporta, por primera vez, la aplicación exitosa del OG, OG parcialmente reducido (OG-r) y nanosacos magnéticos de OG-r (NMOG-r) como MR en la transformación química y biológica de IOP en ensayos en lote y en un sistema biológico en continuo, bajo condiciones anaerobias. Los resultados demostraron que la actividad redox de los materiales a base de OG mejoró la remoción y grado de transformación de la IOP hasta en 5 veces en los sistemas químicos/biológicos realizados en ensayos en lote. También, los resultados indicaron una correlación entre las propiedades intrínsecas de los materiales a base de OG y su desempeño catalíticos. Asimismo, se evaluó la aplicación de los NMOG-r en un reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB) bajo condiciones metanogénicas. Los resultados indicaron una alta eficiencia de remoción de la IOP (~82 %) en el bioreactor enriquecido con los NMOG-r como MR, indicando su contribución en la conversión redox de este contaminante. Para los sistemas químicos y biológicos mencionados anteriormente, se propusieron las vías de transformación reductiva de la IOP. En este sentido, se identificaron subproductos de transformación con una estructura química más simple que la molécula de la IOP, involucrando la completa deshalogenación del anillo aromático y la ruptura parcial de las ramificaciones de esta molécula, lo cual es el primer paso hacia su mineralización mediante técnicas de tratamiento convencionales. Además, se elucidaron los mecanismos reductivos que se llevan a cabo durante los procesos de degradación de la IOP. Los resultados presentados en esta tesis doctoral demuestran el gran potencial del OG, OG-r y los NMOG-r como MR en la conversión redox de la IOP, ofreciendo una alternativa simple y factible para adaptar a los materiales a base de OG en sistemas de tratamiento de aguas residuales y efluentes industriales con la finalidad de facilitar la transformación reductiva de contaminantes persistentes presentes en aguas contaminadas."