Electrochemical systems equipped with 2D and 3D microwave-made anodes for the highly efficient degradation of antibiotics in urine

Abstract

This work focuses on the importance of choosing a suitable electrochemical cell to remove antibiotics from urines. For this purpose, we investigate the use of two electrochemical cells for electrolysis and photo-electrolysis of urine polluted with a mixture of Penicillin G, Meropenem, and Chloramphenicol. The two reactors studied were a conventional flow pass electrochemical cell (E-cell) and a microfluidic flow-through reactor (MF-Reactor). Both reactors are equipped with a mixed metal oxide anode (MMO-RuO2IrO2) produced by hybrid heating using microwaves. The MMO coating was deposited on a Ti plate for the E-cell (2-D electrode) and on a Ti foam for the MF-Reactor (3-D electrode). Results demonstrate that the MF-Reactor stands out to reduce two important factors in electrochemical oxidation, the ohmic resistance associated with the microfluidic concept and the mass transfer limitations associated with the flow-through configuration. Moreover, it allows operating at a lower effective current density because of its larger active anodic surface area. Photo-electrolysis results in faster removal of all antibiotics studied in the MF-Reactor and E-cell, compared to the single electrolysis, thereby highlighting the significance of UV light-mediated electrochemical oxidation processes. This work highlights that despite the large number of papers focused on the selection of suitable electrodes for the electrochemical treatment of different types of wastes, the choice of the electrochemical cell can be even more important than the selection of those electrode materials, and it demonstrates that even using the same coating as the anode, highly different outcomes can be reached.

Este trabajo se centra en la importancia de elegir una celda electroquímica adecuada para eliminar los antibióticos de las orinas. Para ello, investigamos el uso de dos celdas electroquímicas para la electrólisis y fotoelectrólisis de orina contaminada con una mezcla de Penicilina G, Meropenem y Cloranfenicol. Los dos reactores estudiados fueron una celda electroquímica de paso de flujo convencional (celda E) y un reactor de flujo continuo microfluídico (reactor MF). Ambos reactores están equipados con un ánodo de óxido metálico mixto (MMO-RuO 2 IrO 2) producido por calentamiento híbrido usando microondas. El recubrimiento de MMO se depositó en una placa de Ti para la celda E (electrodo 2D) y en una espuma de Ti para el reactor MF (electrodo 3D). Los resultados demuestran que el MF-Reactor se destaca por reducir dos factores importantes en la oxidación electroquímica, la resistencia óhmica asociada con el concepto de microfluidos y las limitaciones de transferencia de masa asociadas con la configuración de flujo continuo. Además, permite operar a una menor densidad de corriente efectiva debido a su mayor área de superficie anódica activa. La fotoelectrólisis da como resultado una eliminación más rápida de todos los antibióticos estudiados en el reactor MF y la celda E, en comparación con la electrólisis única, lo que destaca la importancia de los procesos de oxidación electroquímica mediados por luz ultravioleta.