Catalytic reduction for water treatment

Maocong Hu , Yin Liu , Zhenhua Yao , Liping Ma , Xianqin Wang

Front. Environ. Sci. Eng. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) : 3

PDF (814KB)
Front. Environ. Sci. Eng. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) : 3 DOI: 10.1007/s11783-017-0972-0
REVIEW ARTICLE
REVIEW ARTICLE

Catalytic reduction for water treatment

Author information +
History +
PDF (814KB)

Abstract

• Catalytic reduction technology for water treatment was reviewed.

• Hydrodehalogenation for wastewater treatment was covered.

• Hydrogenation of nitrate for groundwater remediation was introduced.

• Combination of water splitting with catalytic reduction was illustrated.

Treating water contaminants via heterogeneously catalyzed reduction reaction is a subject of growing interest due to its good activity and superior selectivity compared to conventional technology, yielding products that are non-toxic or substantially less toxic. This article reviews the application of catalytic reduction as a progressive approach to treat different types of contaminants in water, which covers hydrodehalogenation for wastewater treatment and hydrogenation of nitrate/nitrite for groundwater remediation. For hydrodehalogenation, an overview of the existing treatment technologies is provided with an assessment of the advantages of catalytic reduction over the conventional methodologies. Catalyst design for feasible catalytic reactions is considered with a critical analysis of the pertinent literature. For hydrogenation, hydrogenation of nitrate/nitrite contaminants in water is mainly focused. Several important nitrate reduction catalysts are discussed relating to their preparation method and catalytic performance. In addition, novel approach of catalytic reduction using in situ synthesized H2 evolved from water splitting reaction is illustrated. Finally, the challenges and perspective for the extensive application of catalytic reduction technology in water treatment are discussed. This review provides key information to our community to apply catalytic reduction approach for water treatment.

Graphical abstract

Keywords

Halogenated compounds / Nitrate/nitrite contaminants / Hydrodechloriantion / Hydrogenation / Wastewater treatment / Groundwater remediation

Cite this article

Download citation ▾
Maocong Hu, Yin Liu, Zhenhua Yao, Liping Ma, Xianqin Wang. Catalytic reduction for water treatment. Front. Environ. Sci. Eng., 2018, 12(1): 3 DOI:10.1007/s11783-017-0972-0

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

References

[1]

Lu HWang JWang TWang NBao YHao H. Crystallization techniques in wastewater treatment: an overview of applications. Chemosphere2017173: 474–484

[2]

Hu MZhong S. The structure of TiO2/hydroxyapatite and its photocatalytic performance in degradation of aldehyde. Chinese Journal of Catalysis200627(12): 1144–1148 (in Chinese)

[3]

Song XLiu RChen LKawagishi T. Comparative experiment on treating digested piggery wastewater with a biofilm MBR and conventional MBR: simultaneous removal of nitrogen and antibiotics. Frontiers of Environmental Science & Engineering201711(2): 11

[4]

Zhang HLi WJin YSheng WHu MWang XZhang J. Ru-Co(III)-Cu(II)/SAC catalyst for acetylene hydrochlorination. Applied Catalysis B: Environmental2016189: 56–64

[5]

Xu ZLiu HNiu JZhou YWang CWang Y. Hydroxyl multi-walled carbon nanotube-modified nanocrystalline PbO2 anode for removal of pyridine from wastewater. Journal of Hazardous Materials2017327: 144–152

[6]

Niu JYin LDai YBao YCrittenden J C. Design of visible light responsive photocatalysts for selective reduction of chlorinated organic compounds in water. Applied Catalysis A, General2016521: 90–95

[7]

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

[8]

Wang YWang KWang X. Preparation of Ag3PO4/Ni3(PO4)2 hetero-composites by cation exchange reaction and its enhancing photocatalytic performance. Journal of Colloid and Interface Science2016466: 178–185

[9]

Li XShi HLi KZhang L. Combined process of biofiltration and ozone oxidation as an advanced treatment process for wastewater reuse. Frontiers of Environmental Science & Engineering20159(6): 1076–1083

[10]

Chaplin B PReinhard MSchneider W FSchüth CShapley J RStrathmann T JWerth C J. Critical review of Pd-based catalytic treatment of priority contaminants in water. Environmental Science & Technology201246(7): 3655–3670

[11]

Zhang YHe ZWang HQi LLiu GZhang X. Applications of hollow nanomaterials in environmental remediation and monitoring: A review. Frontiers of Environmental Science & Engineering20159(5): 770–783

[12]

Wang JBai Z. Fe-based catalysts for heterogeneous catalytic ozonation of emerging contaminants in water and wastewater. Chemical Engineering Journal2017312: 79–98

[13]

Wang JWang GYang CYang SHuang Q. Catalytic ozonation of organic compounds in water over the catalyst of RuO2/ZrO2-CeO2. Frontiers of Environmental Science & Engineering20159(4): 615–624

[14]

Khamparia SJaspal D K. Adsorption in combination with ozonation for the treatment of textile waste water: a critical review. Frontiers of Environmental Science & Engineering201711(1): 8

[15]

Chen YXiao FLiu YWang DYang MBai HZhang J. Occurance and control of manganese in a large scale water treatment plant. Frontiers of Environmental Science & Engineering20159(1): 66–72

[16]

Ma L. Catalytic Reduction of Wastewater Technology-Mechanism and Application. Beijing: Science Press2008 (in Chinese)

[17]

Zhu HXu FZhao JJia LWu K. Catalytic hydrodechlorination of monochloroacetic acid in wastewater using Ni-Fe bimetal prepared by ball milling. Environmental Science and Pollution Research International201522(18): 14299–14306

[18]

Li JHe HHu CZhao J. The abatement of major pollutants in air and water by environmental catalysis. Frontiers of Environmental Science & Engineering20137(3): 302–325

[19]

Choe J KBergquist A MJeong SGuest J SWerth C JStrathmann T J. Performance and life cycle environmental benefits of recycling spent ion exchange brines by catalytic treatment of nitrate. Water Research201580: 267–280

[20]

He ZHu MWang X. Highly effective hydrodeoxygenation of guaiacol on Pt/TiO2: Promoter effects. Catalysis Today2017

[21]

Chu XShan GChang CFu YYue LZhu L. Effective degradation of tetracycline by mesoporous Bi2WO6 under visible light irradiation. Frontiers of Environmental Science & Engineering201610(2): 211–218

[22]

Zhang XYue QYue DGao BWang X. Application of Fe0/C/Clay ceramics for decoloration of synthetic Acid Red 73 and Reactive Blue 4 wastewater by micro-electrolysis. Frontiers of Environmental Science & Engineering20159(3): 402–410

[23]

Matatov-Meytal Y ISheintuch M. Catalytic abatement of water pollutants. Industrial & Engineering Chemistry Research199837(2): 309–326

[24]

Barrabés N J. Catalytic nitrate removal from water, past, present and future perspectives. Applied Catalysis B: Environmental2011104(1–2): 1–5

[25]

Martin E TMcGuire C MMubarak M SPeters D G. Electroreductive remediation of halogenated environmental pollutants. Chemical Reviews2016116(24): 15198–15234

[26]

Yuan YTao HFan JMa L. Degradation of p-chloroaniline by persulfate activated with ferrous sulfide ore particles. Chemical Engineering Journal2015268: 38–46

[27]

Niu JLi YShang EXu ZLiu J. Electrochemical oxidation of perfluorinated compounds in water. Chemosphere2016146: 526–538

[28]

Han YYang MZhang WYan W. Optimizing synthesis conditions of nanoscale zero-valent iron (nZVI) through aqueous reactivity assessment. Frontiers of Environmental Science & Engineering20159(5): 813–822

[29]

Xiao JXie YCao HWang YGuo ZChen Y. Towards effective design of active nanocarbon materials for integrating visible-light photocatalysis with ozonation. Carbon2016107: 658–666

[30]

Díaz EMcCall AFaba LSastre HOrdõñez S. Trichloroethylene hydrodechlorination in water using formic acid as hydrogen source: selection of catalyst and operation conditions. Environmental Progress & Sustainable Energy201332(4): 1217–1222

[31]

Diaz EMohedano A FCasas J ARodriguez J J. Analysis of the deactivation of Pd, Pt and Rh on activated carbon catalysts in the hydrodechlorination of the MCPA herbicide. Applied Catalysis B: Environmental2016181: 429–435

[32]

Jadbabaei NYe TShuai DZhang H. Development of palladium-resin composites for catalytic hydrodechlorination of 4-chlorophenol. Applied Catalysis B: Environmental2017205: 576–586

[33]

Palomares A EFranch CYuranova TKiwi-Minsker LGarcía-Bordeje EDerrouiche S. The use of Pd catalysts on carbon-based structured materials for the catalytic hydrogenation of bromates in different types of water. Applied Catalysis B: Environmental2014146: 186–191

[34]

Hildebrand HMackenzie KKopinke F D. Highly active Pd-on-magnetite nanocatalysts for aqueous phase hydrodechlorination reactions. Environmental Science & Technology200943(9): 3254–3259

[35]

Wu DShao BFeng YMa L. Effects of Cu2+, Ag+, and Pd2+ on the reductive debromination of 2,5-dibromoaniline by the ferrous hydroxy complex. Environmental Technology201536(7): 901–908

[36]

Li LGong LWang Y XLiu QZhang JMu YYu H Q. Removal of halogenated emerging contaminants from water by nitrogen-doped graphene decorated with palladium nanoparticles: Experimental investigation and theoretical analysis. Water Research201698: 235–241

[37]

Witońska I AWalock M JBinczarski MLesiak MStanishevsky A VKarski S. Pd–Fe/SiO2 and Pd–Fe/Al2O3 catalysts for selective hydrodechlorination of 2,4-dichlorophenol into phenol. Journal of Molecular Catalysis A Chemical2014393: 248–256

[38]

Zhou YKuang YLi WChen ZMegharaj MNaidu R. A combination of bentonite-supported bimetallic Fe/Pd nanoparticles and biodegradation for the remediation of p-chlorophenol in wastewater. Chemical Engineering Journal2013223: 68–75

[39]

Han YLiu CHorita JYan W. Trichloroethene hydrodechlorination by Pd-Fe bimetallic nanoparticles: Solute-induced catalyst deactivation analyzed by carbon isotope fractionation. Applied Catalysis B: Environmental2016188: 77–86

[40]

Xiao JXie YCao HWang YZhao Z. g-C3N4-triggered super synergy between photocatalysis and ozonation attributed to promoted OH generation. Catalysis Communications201566: 10–14

[41]

Xu FDeng SXu JZhang WWu MWang BHuang JYu G. Highly active and stable Ni-Fe bimetal prepared by ball milling for catalytic hydrodechlorination of 4-chlorophenol. Environmental Science & Technology201246(8): 4576–4582

[42]

Hu MWang X. Effect of N3- species on selective acetylene hydrogenation over Pd/SAC catalysts. Catalysis Today2016263: 98–104

[43]

Cobo MGonzález C ASánchez E GMontes C. Catalytic hydrodechlorination of trichloroethylene with 2-propanol over Pd/Al2O3. Catalysis Today2011172(1): 78–83

[44]

He FZhao D. Hydrodechlorination of trichloroethene using stabilized Fe-Pd nanoparticles: reaction mechanism and effects of stabilizers, catalysts and reaction conditions. Applied Catalysis B: Environmental200884(3–4): 533–540

[45]

Wu KZheng MHan YXu ZZheng S. Liquid phase catalytic hydrodebromination of tetrabromobisphenol A on supported Pd catalysts. Applied Surface Science2016376: 113–120

[46]

Hu MYao ZHui K NHui K S. Novel mechanistic view of catalytic ozonation of gaseous toluene by dual-site kinetic modelling. Chemical Engineering Journal2017308: 710–718

[47]

Hu MHui K SHui K N. Role of graphene in MnO2/graphene composite for catalytic ozonation of gaseous toluene. Chemical Engineering Journal2014254: 237–244

[48]

Hu MYao ZWang X. Graphene-based nanomaterials for catalysis. Industrial & Engineering Chemistry Research201756(13): 3477–3502

[49]

Wang XZhu MLiu HMa JLi F. Modification of Pd-Fe nanoparticles for catalytic dechlorination of 2,4-dichlorophenol. Science of the Total Environment2013449: 157–167

[50]

Trujillo-Reyes JPeralta-Videa J RGardea-Torresdey J L. Supported and unsupported nanomaterials for water and soil remediation: are they a useful solution for worldwide pollution? Journal of Hazardous Materials2014280: 487–503

[51]

Luo SYang SWang XSun C. Reductive degradation of tetrabromobisphenol using iron-silver and iron-nickel bimetallic nanoparticles with microwave energy. Environmental Engineering Science201229(6): 453–460

[52]

Huang BQian WYu CWang TZeng GLei C. Effective catalytic hydrodechlorination of o-, p- and m-chloronitrobenzene over Ni/Fe nanoparticles: Effects of experimental parameter and molecule structure on the reduction kinetics and mechanisms. Chemical Engineering Journal2016306: 607–618

[53]

Li AZhao XHou YLiu HWu LQu J. The electrocatalytic dechlorination of chloroacetic acids at electrodeposited Pd/Fe-modified carbon paper electrode. Applied Catalysis B: Environmental2012111–112: 628–635

[54]

Esclapez M DTudela IDíez-García M ISáez VRehorek ABonete PGonzález-García J. Towards the complete dechlorination of chloroacetic acids in water by sonoelectrochemical methods: Effect of the anodic material on the degradation of trichloroacetic acid and its by-products. Chemical Engineering Journal2012197: 231–241

[55]

Sadowsky DMcNeill KCramer C J. Thermochemical factors affecting the dehalogenation of aromatics. Environmental Science & Technology201347(24): 14194–14203

[56]

Baumgartner RStieger G KMcNeill K. Complete hydrodehalogenation of polyfluorinated and other polyhalogenated benzenes under mild catalytic conditions. Environmental Science & Technology201347(12): 6545–6553

[57]

Sadowsky DMcNeill KCramer C J. Dehalogenation of aromatics by nucleophilic aromatic substitution. Environmental Science & Technology201448(18): 10904–10911

[58]

Baumgartner RMcNeill K. Hydrodefluorination and hydrogenation of fluorobenzene under mild aqueous conditions. Environmental Science & Technology201246(18): 10199–10205

[59]

Yu Y HChiu P C. Kinetics and pathway of vinyl fluoride reduction over rhodium. Environmental Science & Technology Letters20141(11): 448–452

[60]

Wong M SAlvarez P J JFang YAkçin NNutt M OMiller J THeck K N. Cleaner water using bimetallic nanoparticle catalysts. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire)200984(2): 158–166

[61]

Lowry G VReinhard M. Hydrodehalogenation of 1-to 3-carbon halogenated organic compounds in water using a palladium catalyst and hydrogen gas. Environmental Science & Technology199933(11): 1905–1910

[62]

Urbano F JMarinas J M. Hydrogenolysis of organohalogen compounds over palladium supported catalysts. Journal of Molecular Catalysis A Chemical2001173(1–2): 329–345

[63]

Liu W JQian T TJiang H. Bimetallic Fe nanoparticles: Recent advances in synthesis and application in catalytic elimination of environmental pollutants. Chemical Engineering Journal2014236: 448–463

[64]

Baumgartner RStieger G KMcNeill K. Complete hydrodehalogenation of polyfluorinated and other polyhalogenated benzenes under mild catalytic conditions. Environmental Science & Technology201347(12): 6545–6553

[65]

Díaz EFaba LOrdóñez S. Effect of carbonaceous supports on the Pd-catalyzed aqueous-phase trichloroethylene hydrodechlorination. Applied Catalysis B: Environmental2011104(3–4): 415–417

[66]

Fan JXu WGao TMa L. Stability analysis of alkaline nitrobenzene-containing wastewater by a catalyzed Fe-Cu treatment process. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China20071(4): 504–508

[67]

Ezzatahmadi NAyoko G AMillar G JSpeight RYan CLi JLi SZhu JXi Y. Clay-supported nanoscale zero-valent iron composite materials for the remediation of contaminated aqueous solutions: A review. Chemical Engineering Journal2017312: 336–350

[68]

Tang YZiv-El MZhou CShin J HAhn C HMeyer KCandelaria DFriese DOverstreet RScott RRittmann B E. Bioreduction of nitrate in groundwater using a pilot-scale hydrogen-based membrane biofilm reactor. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China20104(3): 280–285

[69]

Siedel CDarby JJensen V. An Assessment of state of Nitrate treatment Alternatives, Final Report. Davis: The American Water Works Association Inorganic Contaminant Research and Inorganic Water Quality Joint Project Committees2011

[70]

Radjenovic JSedlak D L. Challenges and opportunities for electrochemical processes as next-generation technologies for the treatment of contaminated water. Environmental Science & Technology201549(19): 11292–11302

[71]

Lecloux A J. Chemical, biological and physical constrains in catalytic reduction processes for purification of drinking water. Catalysis Today199953(1): 23–34

[72]

Krawczyk NKarski SWitońska I. The effect of support porosity on the selectivity of Pd–In/support catalysts in nitrate reduction. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis2011103(2): 311–323 

[73]

Ding YSun WYang WLi Q. Formic acid as the in-situ hydrogen source for catalytic reduction of nitrate in water by PdAg alloy nanoparticles supported on amine-functionalized SiO2. Applied Catalysis B: Environmental2017203: 372–380

[74]

Mendow GMarchesini F AMiró E EQuerini C A. Evaluation of pd-in supported catalysts for water nitrate Abatement in a fixed-bed continuous reactor. Industrial & Engineering Chemistry Research201150(4): 1911–1920

[75]

Marchesini F AIrusta SQuerini CMiró E. Spectroscopic and catalytic characterization of Pd-In and Pt-In supported on Al2O3 and SiO2, active catalysts for nitrate hydrogenation. Applied Catalysis A, General2008348(1): 60–70

[76]

Wada KHirata THosokawa SIwamoto SInoue M. Effect of supports on Pd-Cu bimetallic catalysts for nitrate and nitrite reduction in water. Catalysis Today2012185(1): 81–87

[77]

 JGasparovicova DHayek KHalwax EAnderson J AVinek H. Water denitration over a Pd-Sn/Al2O3 catalyst. Catalysis Letters2005105(3–4): 209–217

[78]

Prüsse UHähnlein MDaum JVorlop K D. Improving the catalytic nitrate reduction. Catalysis Today200055(1–2): 79–90

[79]

Kim M SLee D WChung S HKim J TCho I HLee K Y. Pd-Cu bimetallic catalysts supported on TiO2-CeO2 mixed oxides for aqueous nitrate reduction by hydrogen. Journal of Molecular Catalysis A Chemical2014392: 308–314

[80]

Epron FGauthard FBarbier J. Influence of oxidizing and reducing treatments on the metal-metal interactions and on the activity for nitrate reduction of a Pt-Cu bimetallic catalyst. Applied Catalysis A, General2002237(1–2): 253–261

[81]

Trawczyński JGheek POkal JZawadzki MGomez M J I. Reduction of nitrate on active carbon supported Pd-Cu catalysts. Applied Catalysis A, General2011409–410: 39–47 

[82]

Durkin D PYe TLarson E GHaverhals L MLivi K J TDe Long H CTrulove P CFairbrother D HShuai D. Lignocellulose fiber- and welded fiber- supports for palladium-based catalytic hydrogenation: a natural fiber welding application for water treatment. ACS Sustainable Chemistry & Engineering20164(10): 5511–5522

[83]

Yun YLi ZChen Y HSaino MCheng SZheng L. Reduction of nitrate in secondary effluent of wastewater treatment plants by Fe0 reductant and Pd-Cu/graphene catalyst. Water, Air, and Soil Pollution2016227(4): 111–120

[84]

Hörold STacke TVorlop K D. Catalytical removal of nitrate and nitrite from drinking water: 1. Screening for hydrogenation catalysts and influence of reaction conditions on activity and selectivity. Environmental Technology199314(10): 931–939

[85]

Garron ALázár KEpron F. Effect of the support on tin distribution in Pd–Sn/Al2O3 and Pd–Sn/SiO2 catalysts for application in water denitration. Applied Catalysis B: Environmental200559(1–2): 57–69

[86]

Garron ALázár KEpron F. Characterization by Mössbauer spectroscopy of trimetallic Pd–Sn–Au/Al2O3 and Pd–Sn–Au/SiO2 catalysts for denitration of drinking water. Applied Catalysis B: Environmental200665(3–4): 240–248

[87]

Costa A OFerreira L SPassos F BMaia M PPeixoto F C. Microkinetic modeling of the hydrogenation of nitrate in water on Pd–Sn/Al2O3 catalyst. Applied Catalysis A, General2012445–446: 26–34

[88]

Rocha E P APassos F BPeixoto F C. Modeling of hydrogenation of nitrate in water on Pd–Sn/Al2O3 catalyst: estimation of microkinetic parameters and transport phenomena properties. Industrial & Engineering Chemistry Research201453(21): 8726–8734

[89]

Gao ZZhang YLi DWerth C JZhang YZhou X. Highly active Pd-In/mesoporous alumina catalyst for nitrate reduction. Journal of Hazardous Materials2015286: 425–431

[90]

Ye TDurkin D PHu MWang XBanek N AWagner M JShuai D. Enhancement of nitrite reduction kinetics on electrospun Pd-carbon nanomaterial catalysts for water purification. ACS Applied Materials & Interfaces20168(28): 17739–17744

[91]

Pintar ASetinc MLevec J. Hardness and salt effects on catalytic hydrogenation of aqueous nitrate solutions. Journal of Catalysis1998174(1): 72–87

[92]

Chaplin B PShapley J RWerth C J. Oxidative regeneration of sulfide-fouled catalysts for water treatment. Catalysis Letters2009132(1–2): 174–181

[93]

Chaplin B PRoundy EGuy K AShapley J RWerth C J. Effects of natural water ions and humic acid on catalytic nitrate reduction kinetics using an alumina supported Pd-Cu catalyst. Environmental Science & Technology200640(9): 3075–3081

[94]

Chaplin B PShapley J RWerth C J. Regeneration of sulfur-fouled bimetallic Pd-based catalysts. Environmental Science & Technology200741(15): 5491–5497

[95]

Ng B JPutri L KTan L LPasbakhsh PChai S P. All-solid-state Z-scheme photocatalyst with carbon nanotubes as an electron mediator for hydrogen evolution under simulated solar light. Chemical Engineering Journal2017316: 41–49

[96]

O’Keefe W KLiu YSasges M RWong M SFu HTakata TDomen K. Photocatalytic hydrodechlorination of trace carbon tetrachloride (CCl4) in aqueous medium. Industrial & Engineering Chemistry Research201453(23): 9600–9607

[97]

Liu D JGarcia AWang JAckerman D MWang C JEvans J W. Kinetic monte carlo simulation of statistical mechanical models and coarse-grained mesoscale descriptions of catalytic reaction-diffusion processes: 1D nanoporous and 2D surface systems. Chemical Reviews2015115(12): 5979–6050

[98]

Konsolakis M. The role of Copper–Ceria interactions in catalysis science: recent theoretical and experimental advances. Applied Catalysis B: Environmental2016198: 49–66

[99]

Bergquist A MChoe J KStrathmann T JWerth C J. Evaluation of a hybrid ion exchange-catalyst treatment technology for nitrate removal from drinking water. Water Research201696: 177–187

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

AI Summary AI Mindmap
PDF (814KB)

3870

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

AI思维导图

/