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Reactions of ozone with water matrix components: reactive sites and oxidation by-product formation

Applicant von Gunten Urs
Number 181975
Funding scheme Project funding
Research institution Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (EAWAG)
Institution of higher education Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology - EAWAG
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.11.2018 - 31.10.2022
Approved amount 775'892.00
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Keywords (14)

Dissolved Organic Matter; UV Absorption; Electron Donating Capacity; Ozonation; Reactive Moieties; Isotope Ratio Mass Spectrometry; Bromate; Bromine; Chlorine; High Resolution Mass spectrometry; Chlorine Dioxide; Oxidation; Kinetics; Hydroxyl Radical

Lay Summary (German)

Lead
Die Anwendung von Ozon in der Wasser- und Abwasserbehandlung zur Desinfektion und zum Abbau von Spurenstoffen wird begleitet durch Reaktionen von Ozon mit Matrixkomponenten wie das gelöste organische Material und Bromid. Dies kann zu einem Verlust an Effizienz und zur Bildung von potenziell toxischen Oxidationsnebenprodukten führen.
Lay summary

Ozon wird in der Wasser- und weitergehenden Abwasserbehandlung eigesetzt. Dabei inaktiviert Ozon nicht nur Mikroorganismen und baut unerwünschte Spurenstoffe ab, sondern es reagiert auch mit der Wassermatrix, dem natürlicherweise vorhandenen gelösten organischen Material und dem ebenfalls vorhandenen Bromid. Das führt zu einem Verlust an Effizienz und zur Bildung von möglicherweise toxischen Oxidationsnebenprodukten, wie z.B. Aldehyde, Ketone und Chinone. Für Bromid ist das möglicherweise krebsfördernde Bromat das Endprodukt der Ozonung.

Im vorliegenden Projekt geht es darum die Reaktionen von Ozon mit dem sehr komplexen gelösten organischen Material und Bromid zu verstehen und zu quantifizieren und daraus Möglichkeiten zur Verminderung der unerwünschten Nebenreaktionen abzuleiten. Die Untersuchungen werden durch drei Doktorierende (an der Eawag und der EPFL) wie folgt durchgeführt:

  • Charakterisierung des gelösten organischen Materials bezüglich des Potenzials zur Bildung von sauerstoffhaltigen Oxidationsnebenprodukten.
  • Charakterisierung des gelösten organischen Materials bezüglich der möglichen Bildung von stickstoffhaltigen Oxidationsnebenprodukten.
  • Untersuchung der Bildung von kurzlebigen Bromspezies (Radikale), die zur Bildung von bromierten organischen Verbindungen und Bromat führen können.

 Zur Untersuchung der komplexen Systeme im vorliegenden Projekt, kommen verschiedene Methoden, wie kinetische Modellierungen, Isotope-ratio Massenspektrometrie, hochauflösende Massenspektrometrie und Gamma- und Pulsradiolyse zum Einsatz.

 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 01.10.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169422 Characterizing organic radical oxidants produced by photoirradiation of dissolved organic matter ("OROPHOT") 01.08.2017 Project funding
157143 Mechnanistischer Ansatz zur Identifizierung von Quellen von Mutagenität, welche während der Ozonung von Abwasser gebildet wird 01.05.2015 Project funding
169615 Determining the efficacy of (waste)water ozonation for virus control: from batch experiments to pilot-scale validation 01.11.2016 Project funding

Abstract

Die Anwendung von Ozon zur Desinfektion und zum Abbau von Spurenstoffen in der Wasser- und Abwasserbehandlung wird begleitet durch Reaktionen von Ozon mit Matrixkomponenten wie das gelöste organische Material (DOM) und Bromid. Während der Ozonung von realen Wässern ist das DOM üblicherweise die wichtigste Senke von Ozon und deshalb bestimmend für die Effizienz des Prozesses. Die Reaktionen mit elektronenreichen Gruppierung im DOM, wie Phenole und Olefine , führt zudem zur Bildung von unerwünschten Oxidationsnebenprodukten, wie z.B. Aldehyde, Ketone oder Chinone. Zudem kann die Reaktion von Ozon mit stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen des DOM zur Bildung von potenziell toxischen Niroso- oder Nitroverbindungen oder N-Oxiden führen. Diese Probleme werden möglicherweise verstärkt durch die Anwendung von Ozon zur Behandlung von Wässern minderer Qualität, wie etwa bei der weitergehenden Abwasserreinigung oder beim Wasserrecycling. In solchen Wässern ist der DOM Gehalt und der Anteil an stickstoffhaltigen Gruppierungen meist viel höher als in konventionellen Wasserressourcen. Zudem haben Wässer minderer Qualität oftmals höhere Bromidkonzentrationen, was während der Ozonung zu einer umfassenderen Bildung des möglicherweise kanzerogenen Bromats führen kann. Während der Ozonung werden durch Reaktionen mit Ozon und OH-Radikale verschiedene reaktive transiente Bromspezies (Radikale) gebildet, welche entweder weiter zu Bromat reagieren oder mit DOM zu Bromid reduziert werden oder zur Bildung von bromorganischen Verbindungen führen. Auf Grund dieser Analyse werden im vorliegenden Projekt folgende Aspekte untersucht:•Quantifizierung der phenolischen und olefinischen Gruppierungen im gelösten organischen Material und Beurteilung deren Effektes auf den Verbrauch/die Stabilität von Ozon und auf die Bildung von potenziell toxischen sauerstoffhaltigen Oxidationsnebenprodukte (z.B. niedermolekulare Aldehyde, Ketone oder Chinone).•Quantifizierung der Reaktionen von stickstoffhaltigen Gruppierungen im gelösten organischen Material und die Bildung von potenziell toxischen stickstoffhaltigen Oxidationsnebenprodukten (z.B. C-/N-Nitroso- oder Nitroverbindungen und N-Oxide).•Untersuchung der Reaktivität von transienten Bromspezies, welche während der Ozonung gebildet werden und der Rolle bei der Bildung von bromierten organischen Verbindungen und Bromat.Die Untersuchungen im vorliegenden Projekt werden durch eine Kombination von verschiedenen Methoden, wie kinetische Modellierung, Isotope-ratio Massenspektrometrie, hochauflösende Massenspektrometrie und Gamma- und Pulsradiolyse durchgeführt.
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