Phenolic compounds removal by wet air oxidation based processes

Linbi Zhou , Hongbin Cao , Claude Descorme , Yongbing Xie

Front. Environ. Sci. Eng. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) : 1

PDF (563KB)
Front. Environ. Sci. Eng. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) : 1 DOI: 10.1007/s11783-017-0970-2
REVIEW ARTICLE
REVIEW ARTICLE

Phenolic compounds removal by wet air oxidation based processes

Author information +
History +
PDF (563KB)

Abstract

Different reaction parameters are emphasized in the WAO process.

Homogenous catalysts and heterogeneous catalysts are extensively discussed.

Mechanism and kinetic of WAO are elaborated.

Three kinds of the reactors for CWAO are compared.

Integration of CWAO with biological degradation is discussed.

Wet air oxidation (WAO) and catalytic wet air oxidation (CWAO) are efficient processes to degrade organic pollutants in water. In this paper, we especially reviewed the WAO and CWAO processes for phenolic compounds degradation. It provides a comprehensive introduction to the CWAO processes that could be beneficial to the scientists entering this field of research. The influence of different reaction parameters, such as temperature, oxygen pressure, pH, stirring speed are analyzed in detail; Homogenous catalysts and heterogeneous catalysts including carbon materials, transitional metal oxides and noble metals are extensively discussed, among which Cu based catalysts and Ru catalysts were shown to be the most active. Three different kinds of the reactor implemented for the CWAO (autoclave, packed bed and membrane reactors) are illustrated and compared. To enhance the degradation efficiency and reduce the cost of the CWAO process, biological degradation can be combined to develop an integrated technology.

Graphical abstract

Keywords

Wet air oxidation / Catalytic wet air oxidation / Phenolic compounds / Heterogeneous catalysts / Mechanism

Cite this article

Download citation ▾
Linbi Zhou, Hongbin Cao, Claude Descorme, Yongbing Xie. Phenolic compounds removal by wet air oxidation based processes. Front. Environ. Sci. Eng., 2018, 12(1): 1 DOI:10.1007/s11783-017-0970-2

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

References

[1]

Autenrieth R LBonner J SAkgerman AOkaygun MMcCreary E M. Biodegradation of phenolic watstes. Journal of Hazardous Materials199128(1–2): 29–53

[2]

Stich H F. The beneficial and hazardous effects of simple phenolic-compounds. Mutation Research1991259(3–4): 307–324

[3]

Mohammadi SKargari ASanaeepur HAbbassian KNajafi AMofarrah E. Phenol removal from industrial wastewaters: a short review. Desalination and Water Treatment201453(8): 2215–2234

[4]

Rappoport Z. The Chemistry of Phenols. New York: John Wiley & Sons, 2004

[5]

Veeresh G SKumar PMehrotra I. Treatment of phenol and cresols in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) process: a review. Water Research200539(1): 154–170

[6]

Ribeiro A RNunes O CPereira M FSilva A M. An overview on the advanced oxidation processes applied for the treatment of water pollutants defined in the recently launched directive 2013/39/EU. Environment International201575: 33–51

[7]

Andreozzi RCaprio VInsola AMarotta R. Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery. Catalysis Today199953(1): 51–59

[8]

Debellefontaine HChakchouk MFoussard J NTissot DStriolo P. Treatment of organic aqueous wastes: wet air oxidation and wet peroxide oxidation(R). Environmental Pollution199692(2): 155–164

[9]

Dietrich M JRall T LCanney P J. Wet air oxidation of hazardous organics in wastewater. Environment and Progress19854(3): 171–177

[10]

Freeman H. Standard Handbook of Hazardous Waste Treatment and Disposal. New York: McGraw-Hill Book Co., 1989

[11]

Kim K HIhm S K. Heterogeneous catalytic wet air oxidation of refractory organic pollutants in industrial wastewaters: a review. Journal of Hazardous Materials2011186(1): 16–34

[12]

Kolaczkowski S TPlucinski PBeltran F JRivas F JMcLurgh D B. Wet air oxidation: a review of process technologies and aspects in reactor design. Chemical Engineering Journal199973(2): 143–160

[13]

Levec JPintar A. Catalytic wet-air oxidation processes: a review. Catalysis Today2007124(3–4): 172–184

[14]

Guo JAl-Dahhan M. Catalytic wet air oxidation of phenol in concurrent downflow and upflow packed-bed reactors over pillared clay catalyst. Chemical Engineering Science200560(3): 735–746

[15]

Imamura S. Catalytic and noncatalytic wet oxidation. Industrial & Engineering Chemistry Research199938(5): 1743–1753

[16]

Bhargava S KTardio JPrasad JFoger KAkolekar D BGrocott S C. Wet oxidation and catalytic wet oxidation. Industrial & Engineering Chemistry Research200645(4): 1221–1258

[17]

Devlin H RHarris I J. Mechanism of the oxidation of aqueous phenol of aqueous phenol with dissolved oxygen. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals198423(4): 387–392

[18]

Kolaczkowski S TBeltran F JMcLurgh D BRivas F J. Wet air oxidation of phenol: factors that may influence global kinetics. Process Safety and Environmental Protection199775(4 B4): 257–265

[19]

Pintar ALevec J. Catalytic-oxidation of aqueous p-chlorophenol and p-nitrophenol solutions. Chemical Engineering Science199449(24): 4391–4407

[20]

Joglekar H SSamant S DJoshi J B. Kinetics of wet air oxidation of phenol and substitued phenols. Water Research199125(2): 135–145

[21]

Rivas F JKolaczkowski S TBeltran F JMcLurgh D B. Development of a model for the wet air oxidation of phenol based on a free radical mechanism. Chemical Engineering Science199853(14): 2575–2586

[22]

Lin S HChuang T S. Combined treatment of phenol of phenolic wastewater by wet air oxidation and activated sludge. Toxicological and Environmental Chemistry199444(3–4): 243–258

[23]

Shibaeva L V. Oxidation of phenol with molecular oxygen in aqueous solutions I. The kinetics of the oxidation of phenol with oxygen. Kinetics and Catalysis196910: 832–836

[24]

Willms R SBalinsky A MReible D DWetzel D MHarrison D P. Aqueous phase oxidation: the intrinsic kinetics of single organic compounds. Industrial & Engineering Chemistry Research198726(1): 148–154

[25]

Vicente JRosal RDiaz M. Noncatalytic oxidation of phenol in aqueous solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research200241(1): 46–51

[26]

Pruden BLe H. Wet air oxidation of soluble components in waste water. Canadian Journal of Chemical Engineering197654(4): 319–325

[27]

Jaulin LChornet E. High shear jet-mixers as two-phase reactors: an application to the oxidation of phenol in aqueous media. Canadian Journal of Chemical Engineering198765(1): 64–70

[28]

Mundale V DJoglekar H SKalam AJoshi J B. Regeneration of spent acitivated carbon by wet air oxidation. Canadian Journal of Chemical Engineering199169(5): 1149–1159

[29]

Vaidya P DMahajani V V. Insight into subcritical wet oxidation of phenol. Advances in Environmental Research20026(4): 429–439

[30]

Arena FItaliano CRaneri ASaja C. Mechanistic and kinetic insights into the wet air oxidation of phenol with oxygen (CWAO) by homogeneous and heterogeneous transition-metal catalysts. Applied Catalysis B: Environmental201099(1–2): 321–328

[31]

Tufano V. A multi-step kinetic model for phenol oxidation in high-pressure water. Chemical Engineering & Technology199316(3): 186–190

[32]

Gopalan SSavage P E. A reaction network model for phenol oxidation in supercritical water. AIChE Journal199541(8): 1864–1873

[33]

Gopalan SSavage P E. Reaction mechanism for phenol oxidation in supercritical water. Journal of Physical Chemistry199498(48): 12646–12652

[34]

Suárez-Ojeda M ECarrera JMetcalfe I SFont J. Wet air oxidation (WAO) as a precursor to biological treatment of substituted phenols: refractory nature of the WAO intermediates. Chemical Engineering Journal2008144(2): 205–212

[35]

Arena FDi Chio RGumina BSpadaro LTrunfio G. Recent advances on wet air oxidation catalysts for treatment of industrial wastewaters. Inorganica Chimica Acta2015431: 101–109

[36]

Fu D MZhang F FWang L ZYang FLiang X M. Simultaneous removal of nitrobenzene and phenol by homogenous catalytic wet air oxidation. Chinese Journal of Catalysis201536(7): 952–956

[37]

Priyanka S VSrivastava V CMall I D. Catalytic oxidation of nitrobenzene by copper loaded activated carbon. Separation and Purification Technology2014125: 284–290

[38]

Messele S ASoares O S G PÓrfão J J MStüber FBengoa CFortuny AFabregat AFont J. Zero-valent iron supported on nitrogen-containing activated carbon for catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Applied Catalysis B: Environmental2014154–155: 329–338

[39]

Ayusheev A BTaran O PSeryak I APodyacheva O YDescorme CBesson MKibis L SBoronin A IRomanenko A IIsmagilov Z RParmon V. Ruthenium nanoparticles supported on nitrogen-doped carbon nanofibers for the catalytic wet air oxidation of phenol. Applied Catalysis B: Environmental2014146: 177–185

[40]

Podyacheva O YIsmagilov Z RBoronin A IKibis L SSlavinskaya E MNoskov A SShikina N VUshakov V AIschenko A V. Platinum nanoparticles supported on nitrogen-containing carbon nanofibers. Catalysis Today2012186(1): 42–47

[41]

Barroso-Bogeat AAlexandre-Franco MFernández-González CGómez-Serrano V. Preparation of activated carbon-metal oxide hybrid catalysts: textural characterization. Fuel Processing Technology2014126: 95–103

[42]

Akyurtlu J FAkyurtlu AKovenklioglu S. Catalytic oxidation of phenol in aqueous solutions. Catalysis Today199840(4): 343–352

[43]

Fortuny ABengoa CFont JFabregat A. Bimetallic catalysts for continuous catalytic wet air oxidation of phenol. Journal of Hazardous Materials199964(2): 181–193

[44]

Yang SZhu WWang JChen Z. Catalytic wet air oxidation of phenol over CeO2-TiO2 catalyst in the batch reactor and the packed-bed reactor. Journal of Hazardous Materials2008153(3): 1248–1253

[45]

Espinosa de los Monteros ALafaye GCervantes ADel Angel GBarbier JTorres G. Catalytic wet air oxidation of phenol over metal catalyst (Ru, Pt) supported on TiO2-CeO2 oxides. Catalysis Today2015258: 564–569

[46]

Messele S A. Homogenous and heterogenous aqueous phase oxidation of phenol with fenton like process. Doctoral Thesis universitat Rovira I Virgili 2014

[47]

Shalagina A EIsmagilov Z RPodyacheva O YKvon R IUshakov V A. Synthesis of nitrogen-containing carbon nanofibers by catalytic decomposition of ethylene/ammonia mixture. Carbon200745(9): 1808–1820

[48]

Ribeiro R SSilva A M TFigueiredo J LFaria J LGomes H T. Catalytic wet peroxide oxidation: a route towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites for the degradation of organic pollutants: a review. Applied Catalysis B: Environmental2016187: 428–460

[49]

Baricot MDastgheib S AFortuny AStüber FBengoa ChFabregat A. Catalytic wet air oxidation of phenol by surface modified activated carbons. Canadian Journal of Chemical Engineering200469(1): 1–6

[50]

Janecki DSzczotka ABurghardt ABartelmus G. Modelling wet-air oxidation of phenol in a trickle-bed reactor using active carbon as a catalyst. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire)201691(3): 596–607

[51]

Fortuny AFont JFabregat A. Wet air oxidation of phenol using active carbon as catalyst. Applied Catalysis B: Environmental199819(3–4): 165–173

[52]

Soares O S G PRocha R PGonçalves A GFigueiredo J LÓrfão J J MPereira M F R. Highly active N-doped carbon nanotubes prepared by an easy ball milling method for advanced oxidation processes. Applied Catalysis B: Environmental2016192: 296–303

[53]

Yang SLi XZhu WWang JDescorme C. Catalytic activity, stability and structure of multi-walled carbon nanotubes in the wet air oxidation of phenol. Carbon200846(3): 445–452

[54]

Rocha R PSousa J P SSilva A M TPereira M F RFigueiredo J L. Catalytic activity and stability of multiwalled carbon nanotubes in catalytic wet air oxidation of oxalic acid: The role of the basic nature induced by the surface chemistry. Applied Catalysis B: Environmental2011104(3–4): 330–336

[55]

Yang S XSun YYang H WWan J F. Catalytic wet air oxidation of phenol, nitrobenzene and aniline over the multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as catalysts. Frontiers of Environmental Science & Engineering20149(3): 436–443

[56]

Wang JFu WHe XYang SZhu W. Catalytic wet air oxidation of phenol with functionalized carbon materials as catalysts: reaction mechanism and pathway. Joural of Enviromental Sciences201426(8): 1741–1749

[57]

Quintanilla AMenéndez NTornero JCasas J ARodríguez J J. Surface modification of carbon-supported iron catalyst during the wet air oxidation of phenol: Influence on activity, selectivity and stability. Applied Catalysis B: Environmental200881(1–2): 105–114

[58]

Oliviero LBarbier-Jr JDuprez DGuerrero-Ruiz ABachiller-Baeza BRodriguez-Ramos I. Catalytic wet air oxidation of phenol and acrylic acid over Ru/C and Ru-CeO2/C catalysts. Applied Catalysis B: Environmental200025(4): 267–275

[59]

Stuber FPolaert IDelmas HFont JFortuny AFabregat A. Catalytic wet air oxidation of phenol using active carbon: performance of discontinuous and continuous reactors. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire)200176(7): 743–751

[60]

Carriazo JGuelou EBarrault JTatibouet J MMolina RMoreno S. Synthesis of pillared clays containing Al, Al-Fe or Al-Ce-Fe from a bentonite: characterization and catalytic activity. Catalysis Today2005107–08: 126–132

[61]

Pires C Ados Santos A C CJordao E. Oxidation of phenol in aqueous solution with copper oxide catalysts supported on g-Al2O3, pillared clay and TiO2: comparsion of the performance and costs associated with each catalyst. Brazilian Journal of Chemical Engineering201532(4): 837–848

[62]

Ksontini NNajjar WGhorbel A. Al-Fe pillared clays: synthesis, characterization and catalytic wet air oxidation activity. Journal of Physics and Chemistry of Solids200869(5–6): 1112–1115

[63]

Kloprogge J T. Synthesis of smectites and porous pillared clay catalysts: a review. Journal of Porous Materials19985(1): 5–41

[64]

Guo JAl-Dahhan M. Activity and stability of iron-containing pillared clay catalysts for wet air oxidation of phenol. Applied Catalysis A: General2006299: 175–184

[65]

Wu QHu XYue P LZhao X SLu G Q. Copper/MCM-41 as catalyst for the wet oxidation of phenol. Applied Catalysis B: Environmental200132(3): 151–156

[66]

Lin S S YChang D JWang C HChen C C. Catalytic wet air oxidation of phenol by CeO2 catalyst—effect of reaction conditions. Water Research200337(4): 793–800

[67]

Chen I PLin S SWang C HChang S H. CWAO of phenol using CeO2/g-Al2O3 with promoter effectiveness of promoter addition and catalyst regeneration. Chemosphere200766(1): 172–178

[68]

Chang L ZChen I PLin S S. An assessment of the suitable operating conditions for the CeO2/g-Al2O3 catalyzed wet air oxidation of phenol. Chemosphere200558(4): 485–492

[69]

Hocevar SKrasovec U OOrel BArico A SKim H. CWO of phenol on two differently prepared CuO-CeO2 catalysts. Applied Catalysis B: Environmental200028(2): 113–125

[70]

Delgado J JChen XPérez-Omil J ARodríguez-Izquierdo J MCauqui M A. The effect of reaction conditions on the apparent deactivation of Ce-Zr mixed oxides for the catalytic wet oxidation of phenol. Catalysis Today2012180(1): 25–33

[71]

Parvas MHaghighi MAllahyari S. Degradation of phenol via wet air oxidation over CuO/CeO2-ZrO2 nanocatalyst synthesized employing ultrasound energy: physicochemical characterization and catalytic performance. Environmental Technology201435(9–12): 1140–1149

[72]

Parvas MHaghighi MAllahyari S. Catalytic wet air oxidation of phenol over ultrasound-assisted synthesized Ni/CeO2-ZrO2 nanocatalyst used in wastewater treatment. Arabian Journal of Chemistry2014

[73]

Arena FItaliano CDrago Ferrante GTrunfio GSpadaro L. A mechanistic assessment of the wet air oxidation activity of MnCeOx catalyst toward toxic and refractory organic pollutants. Applied Catalysis B: Environmental2014144: 292–299

[74]

Chen HSayari AAdnot ALarachi F. Composition-activity effects of Mn-Ce-O composites on phenol catalytic wet oxidation. Applied Catalysis B: Environmental200132(3): 195–204

[75]

Gutiérrez MPina PTorres MCauqui M AHerguido J. Catalytic wet oxidation of phenol using membrane reactors: a comparative study with slurry-type reactors. Catalysis Today2010149(3–4): 326–333

[76]

Aihua XChenglin S. Catalytic behaviour and copper leaching of Cu0.10Zn0.90Al1.90Fe0.10O4 spinel for catalytic wet air oxidation of phenol. Environmental Technology201233(10–12): 1339–1344

[77]

Toledo J AValenzuela M ABosch PArmendariz HMontoya ANava NVazquez A. Effect of Al3+ introduction into hydrothermally prepared ZnFe2O4. Applied Catalysis A: General2000198(1–2): 235–245

[78]

Xu AYang MQiao RDu HSun C. Activity and leaching features of zinc-aluminum ferrites in catalytic wet oxidation of phenol. Journal of Hazardous Materials2007147(1–2): 449–456

[79]

Alejandre AMedina FRodriguez XSalagre PCesteros YSueiras J E. Cu/Ni/Al layered double hydroxides as precursors of catalysts for the wet air oxidation of phenol aqueous solutions. Applied Catalysis B: Environmental200130(1–2): 195–207

[80]

Li NDescorme CBesson M. Application of Ce0.33Zr0.63Pr0.04O2-supported noble metal catalysts in the catalytic wet air oxidation of 2-chlorophenol: influence of the reaction conditions. Applied Catalysis B: Environmental200880(3–4): 237–247

[81]

Lafaye GBarbier J Jr, Duprez D. Impact of cerium-based support oxides in catalytic wet air oxidation: conflicting role of redox and acid-base properties. Catalysis Today2015253: 89–98

[82]

Chen I PLin S SWang C HChang LChang J S. Preparing and characterizing an optimal supported ceria catalyst for the catalytic wet air oxidation of phenol. Applied Catalysis B: Environmental200450(1): 49–58

[83]

Yamaguchi TIkeda NHattori HTanabe K. Surface and catalytic propeties of cerium oxide. Journal of Catalysis198167(2): 324–330

[84]

Jampaiah DVenkataswamy PTur K MIppolito S JBhargava S KReddy B M. Effect of MnOx loading on structural, surface, and catalytic properties of CeO2-MnOx mixed oxides prepared by Sol-Gel method. Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie2015641(6): 1141–1149

[85]

Wu X DLiang QWeng DFan JRan R. Synthesis of CeO2-MnOx mixed oxides and catalytic performance under oxygen-rich condition. Catalysis Today2007126(3–4): 430–435

[86]

Khachatryan LLomnicki SDellinger B. An expanded reaction kinetic model of the CuO surface-mediated formation of PCDD/F from pyrolysis of 2-chlorophenol. Chemosphere200768(9): 1741–1750

[87]

Rocha M A LDel Ángel GTorres-Torres GCervantes AVázquez AArrieta ABeltramini J N. Effect of the Pt oxidation state and Ce3+/Ce4+ ratio on the Pt/TiO2-CeO2 catalysts in the phenol degradation by catalytic wet air oxidation (CWAO). Catalysis Today2015250: 145–154

[88]

Imamura SFukuda IIshida S. Wet oxidatrion catalyzed by ruthenium supported on cerium(IV) oxides. Industrial & Engineering Chemistry Research198827(4): 718–721

[89]

Keav SEspinosa de los Monteros ABarbier JDuprez D. Wet air oxidation of phenol over Pt and Ru catalysts supported on cerium-based oxides: resistance to fouling and kinetic modelling. Applied Catalysis B: Environmental2014150–151: 402–410

[90]

Wei HYan XHe SSun C. Catalytic wet air oxidation of pentachlorophenol over Ru/ZrO2 and Ru/ZrSiO2 catalysts. Catalysis Today2013201: 49–56

[91]

Wang JZhu WYang SWang WZhou Y. Catalytic wet air oxidation of phenol with pelletized ruthenium catalysts. Applied Catalysis B: Environmental200878(1–2): 30–37

[92]

Martín-Hernández MCarrera JSuárez-Ojeda M EBesson MDescorme C. Catalytic wet air oxidation of a high strength p-nitrophenol wastewater over Ru and Pt catalysts: influence of the reaction conditions on biodegradability enhancement. Applied Catalysis B: Environmental2012123–124: 141–150

[93]

Hamoudi SSayari ABelkacemi KBonneviot LLarachi F. Catalytic wet oxidation of phenol over PtxAg1-xMnO2/CeO2 catalysts. Catalysis Today200062(4): 379–388

[94]

Massa PIvorra FHaure PCabello F MFenoglio R. Catalytic wet air oxidation of phenol aqueous solutions by 1% Ru/CeO2-Al2O3 catalysts prepared by different methods. Catalysis Communications20078(3): 424–428

[95]

Yu CMeng XChen GZhao P. Catalytic wet air oxidation of high-concentration organic pollutants by upflow packed-bed reactor using a Ru-Ce catalyst derived from a Ru3(CO)12 precursor. RSC Advances20166(27): 22633–22638

[96]

Sang-Kyung KSon-Ki I.Effects of Ce addition and Pt precursor on the activity of Pt/Al2O3 catalysts for wet oxidation of phenol, 2002: 1967–1972

[97]

Li NDescorme CBesson M. Catalytic wet air oxidation of 2-chlorophenol over Ru loaded CexZr1-xO2 solid solutions. Applied Catalysis B: Environmental200776(1–2): 92–100

[98]

Manole C CJulcour-Lebigue CWilhelm A MDelmas H. Catalytic oxidation of 4-hydroxybenzoic acid on activated carbon in batch autoclave and fixed-bed reactors. Industrial & Engineering Chemistry Research200746(25): 8388–8396

[99]

Iojoiu E EWalmsley J CRaeder HMiachon SDalmon J A. Catalytic membrane structure influence on the pressure effects in an interfacial contactor catalytic membrane reactor applied to wet air oxidation. Catalysis Today2005104(2–4): 329–335

[100]

Mantzavinos DPsillakis E. Enhancement of biodegradability of industrial wastewaters by chemical oxidation pre-treatment. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire)200479(5): 431–454

[101]

Guisasola ABaeza J ACarrera JCasas CLafuente J. An off-line respirometric procedure to determine inhibition and toxicity of biodegradable compounds in biomass from an industrial WWTP. Water Science and Technology200348(11–12): 267–275

[102]

Mantzavinos DSahibzada MLivingston A GMetcalfe I SHellgardt K. Wastewater treatment: wet air oxidation as a precursor to biological treatment. Catalysis Today199953(1): 93–106

[103]

Mantzavinos DHellenbrand RLivingston A GMetcalfe I S. Beneficial combination of wet oxidation, membrane separation and biodegradation processes for treatment of polymer processing wastewaters. Canadian Journal of Chemical Engineering200078(2): 418–422

[104]

Hellenbrand RMantzavinos DMetcalfe I SLivingston A G. Integration of wet oxidation and nanofiltration for treatment of recalcitrant organics in wastewater. Industrial & Engineering Chemistry Research199736(12): 5054–5062

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg

AI Summary AI Mindmap
PDF (563KB)

4639

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

AI思维导图

/