The removal of taste and odor compounds from aquaculture waters by means of different advanced oxidation processes
Wahlberg, Saara (2022)
Kandidaatintyö
Wahlberg, Saara
2022
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022051335078
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022051335078
Tiivistelmä
Geosmin (GSM) and 2-methylisoborneol (MIB) are compounds, that cause earthy muddy, and musty off-flavors and -odors in waters and can be detected by human senses at nanograms per liter concentrations. These compounds are particularly problematic in recirculating aquaculture systems (RAS), as they are hard to remove and they accumulate in fish cultivated in the RAS, thus making the fish product unappealing to consumers.
Two different advanced oxidation processes (AOPs) were studied as potential solutions to this issue: ozonation and titanium dioxide catalyzed UV-photocatalysis. The goal was to determine whether these methods are effective in removing GSM and MIB from deionized (DI) laboratory water and to compare the two methods. Two ozone doses were used for the experiments: 20 mg/l and 40 mg/l. Two different exposure times were used for UV-photocatalysis: 8 hours and 20 hours. The collected samples were pretreated by liquid-liquid extraction and analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
The results from GC-MS showed, that all experiments resulted in reductions in GSM and MIB concentrations. The 20-hour photocatalysis experiment provided the most efficient removal with a removal rate of 99.5 % for MIB and 96.6 % for GSM. Similarly, the 40 mg/l ozone dose resulted in 98.6 % of MIB and 96.3 % of GSM removed. The 8-hour photocatalysis trial resulted in over 84 % removal rates for both compounds and the least effective method, 20 mg/l ozone dose, resulted in under 60 % removal rates. These results indicate that it would be beneficial to further research this issue by applying the used AOPs to real RAS waters. RAS water differs from DI-water, for example, RAS water contains nitrogen ions and natural organic matter and has a higher pH. All these factors affect the oxidizing abilities of both ozonation and photocatalysis. Another possible research subject would be the 8-hour photocatalysis experiment since it removed the compounds surprisingly well. The effects of the UV light and the catalyst should be examined separately. It could also be experimented on how the area of the catalyst affects the removal rate. Geosmiini ja 2-metyyli-isoborneoli (MIB) ovat yhdisteitä, jotka aiheuttavat mutaista ja ummehtunutta sivumakua ja -hajua vesiin. Ihminen kykenee maku- ja hajuaistillaan havaitsemaan nämä yhdisteet, vaikka niiden pitoisuudet olisivat nanogrammoja litrassa. Geosmiini ja MIB ovat erityisen ongelmallisia kiertovesiviljelmissä, sillä niitä on hyvin vaikea saada poistettua. Tämän seurauksena yhdisteet kertyvät kiertovesiviljeltyihin kaloihin, joista valmistetut kalatuotteet eivät ole kuluttajille miellyttäviä.
Kahta erilaista edistynyttä hapetusmenetelmää, otsonointia ja titaanidioksidilla katalysoitua UV fotokatalyysiä, tutkittiin mahdollisina ratkaisuina tähän ongelmaan. Tavoitteena oli selvittää, ovatko nämä menetelmät tehokkaita poistamaan geosmiinia ja MIB:a tislatusta laboratoriovedestä, sekä vertailla menetelmiä keskenään. Kokeita suoritettiin kahdella eri otsonipitoisuudella: 20 mg/l ja 40 mg/l. Fotokatalyysikokeissa taas käytettiin 8 ja 20 tunnin altistusaikoja UV-valolle. Kokeista kerätyt näytteet esikäsiteltiin neste-nesteuutolla ja analysoitiin kaasukromatografia-massaspektrometrilla.
Kromatografianalyysien tulokset osoittivat, että kaikki kokeet johtivat geosmiinin ja MIB:n pitoisuuksien pienenemiseen. 20 tunnin fotokatalyysikoe osoittautui tehokkaimmaksi vaihtoehdoksi, sillä sen avulla saatiin 99.5 % MIB:sta ja 96.6 % geosmiinista poistettua. Vastaavasti 40 mg/l otsonikonsentraation avulla saatiin MIB:n konsentraatio pienenemään 98.6 % ja geosmiinin 96.3 %. 8 tunnin fotokatalyysikokeen avulla saavutettiin yli 84 % konsentraation pieneneminen kummallekin yhdisteelle ja tehottomin menetelmä, 20 mg/l otsonikonsentraatio, johti alle 60 % poistoasteeseen. Näiden tulosten perusteella voidaan todeta, että jatkotutkimusten toteuttaminen olisi kannattavaa. Käytettyjä menetelmiä voitaisiin tutkia lisää käyttämällä näytteinä oikeita kiertoviljelyvesiä. Nämä vedet eroavat tislatusta laboratoriovedestä muun muassa siksi, että ne sisältävät typen ioneja ja luonnollisia orgaanisia aineita sekä niiden pH on korkeampi. Kaikilla näillä tekijöillä on vaikutusta sekä otsonoinnin että fotokatalyysin hapetustehoon. Toinen mahdollinen tutkimuskohde on 8 tunnin fotokatalyysikoe, sillä se oli ennustettua tehokkaampi. UV-valon ja titaanidioksidikatalyytin vaikutuksia poistoasteeseen tulee tutkia erikseen. Voitaisiin myös suorittaa kokeita eri kokoisilla katalyyttipinta-aloilla ja tutkia, kuinka se vaikuttaa poistoasteeseen.
Two different advanced oxidation processes (AOPs) were studied as potential solutions to this issue: ozonation and titanium dioxide catalyzed UV-photocatalysis. The goal was to determine whether these methods are effective in removing GSM and MIB from deionized (DI) laboratory water and to compare the two methods. Two ozone doses were used for the experiments: 20 mg/l and 40 mg/l. Two different exposure times were used for UV-photocatalysis: 8 hours and 20 hours. The collected samples were pretreated by liquid-liquid extraction and analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
The results from GC-MS showed, that all experiments resulted in reductions in GSM and MIB concentrations. The 20-hour photocatalysis experiment provided the most efficient removal with a removal rate of 99.5 % for MIB and 96.6 % for GSM. Similarly, the 40 mg/l ozone dose resulted in 98.6 % of MIB and 96.3 % of GSM removed. The 8-hour photocatalysis trial resulted in over 84 % removal rates for both compounds and the least effective method, 20 mg/l ozone dose, resulted in under 60 % removal rates. These results indicate that it would be beneficial to further research this issue by applying the used AOPs to real RAS waters. RAS water differs from DI-water, for example, RAS water contains nitrogen ions and natural organic matter and has a higher pH. All these factors affect the oxidizing abilities of both ozonation and photocatalysis. Another possible research subject would be the 8-hour photocatalysis experiment since it removed the compounds surprisingly well. The effects of the UV light and the catalyst should be examined separately. It could also be experimented on how the area of the catalyst affects the removal rate.
Kahta erilaista edistynyttä hapetusmenetelmää, otsonointia ja titaanidioksidilla katalysoitua UV fotokatalyysiä, tutkittiin mahdollisina ratkaisuina tähän ongelmaan. Tavoitteena oli selvittää, ovatko nämä menetelmät tehokkaita poistamaan geosmiinia ja MIB:a tislatusta laboratoriovedestä, sekä vertailla menetelmiä keskenään. Kokeita suoritettiin kahdella eri otsonipitoisuudella: 20 mg/l ja 40 mg/l. Fotokatalyysikokeissa taas käytettiin 8 ja 20 tunnin altistusaikoja UV-valolle. Kokeista kerätyt näytteet esikäsiteltiin neste-nesteuutolla ja analysoitiin kaasukromatografia-massaspektrometrilla.
Kromatografianalyysien tulokset osoittivat, että kaikki kokeet johtivat geosmiinin ja MIB:n pitoisuuksien pienenemiseen. 20 tunnin fotokatalyysikoe osoittautui tehokkaimmaksi vaihtoehdoksi, sillä sen avulla saatiin 99.5 % MIB:sta ja 96.6 % geosmiinista poistettua. Vastaavasti 40 mg/l otsonikonsentraation avulla saatiin MIB:n konsentraatio pienenemään 98.6 % ja geosmiinin 96.3 %. 8 tunnin fotokatalyysikokeen avulla saavutettiin yli 84 % konsentraation pieneneminen kummallekin yhdisteelle ja tehottomin menetelmä, 20 mg/l otsonikonsentraatio, johti alle 60 % poistoasteeseen. Näiden tulosten perusteella voidaan todeta, että jatkotutkimusten toteuttaminen olisi kannattavaa. Käytettyjä menetelmiä voitaisiin tutkia lisää käyttämällä näytteinä oikeita kiertoviljelyvesiä. Nämä vedet eroavat tislatusta laboratoriovedestä muun muassa siksi, että ne sisältävät typen ioneja ja luonnollisia orgaanisia aineita sekä niiden pH on korkeampi. Kaikilla näillä tekijöillä on vaikutusta sekä otsonoinnin että fotokatalyysin hapetustehoon. Toinen mahdollinen tutkimuskohde on 8 tunnin fotokatalyysikoe, sillä se oli ennustettua tehokkaampi. UV-valon ja titaanidioksidikatalyytin vaikutuksia poistoasteeseen tulee tutkia erikseen. Voitaisiin myös suorittaa kokeita eri kokoisilla katalyyttipinta-aloilla ja tutkia, kuinka se vaikuttaa poistoasteeseen.