Pesticide removal by photocatalytic methods: Clothianidin example

Abstract

Pesticides from neonicotinoids family are known to be insecticides that are effective on neural tissues acting chemically similar to nicotine. Their detrimental effects, especially on honey-bee colonies, are well researched. Their other adverse ecological effects leaded restrictions on the usage of several members of this pesticide class in many countries. Clothianidin, an insecticide species from the group of neonicotinoids, is one of the banned insecticide species that can be found in environmental environments such as water and soil. Clothianidin is known as a persistent, mobile, and resistant to hydrolyze and has the potential to leach into groundwater or reach surface waters. It is important to determine the photodegradation ability of Clothianidin under the visible light and develop treatment formulations in the management of wastewaters polluted with this insecticide. This study aimed to investigate the efficacy of Clothianidine removal by advanced oxidation methods. For this purpose, UV-A, UV-C stability was investigated and additional effects of TiO2 and oxygen addition on oxidation options were determined. Clothianidin solution was subjected to UV-A, UV-C, UVA+$TiO_2$, and UV-A+$TiO_2$+$O_2$ for changing durations between 0-120 minutes, and degradation process was monitored by conducting HPLC analyses. UV-A stability experiments showed that Clothianidin solution stayed stabile and did not degrade under UV-A. UV-A application conducted in the presence of $TiO_2$ showed an increasing removal efficiency by time compared to UV-A application. UVA + $TiO_2$ application resulted in removal efficiency of 42%. When oxygen was introduced to the UV-A+$TiO_2$ application, oxygen contributed to the degradation of Clothianidin and the removal efficiency increased to 69% from 42%. Removal efficiency up to 100% was achieved when UV-C was applied for a short time, such as 5 minutes. The experimental findings showed that photocatalytic removal of Clothianidine pesticide was possible when $TiO_2$ and oxygen were added and especially UV-C method was found to be more effective than the other methods and can be a preferred step in treatment solutions.

Özet

Neonikotinoid grubu pestisitler, nikotine benzeyen davranışlarıyla sinir dokularını etkileyen insektisitlerdir. Bu insektisit grubununözellikle balarısı kolonileri üzerindeki ölümcül etkileri bilinmektedir. Bunun yanındaki diğer olumsuz ekolojik etkileri nedeniyle bazıtürlerinin kullanımı çeşitli ülkelerde yasaklanmıştır. Neonikotinoid grubundan bir insektisit türü olan Clothianidin, su ve toprak gibiçevresel ortamlarda bulunabilen yasaklanmış insektisit türlerinden biridir. Clothianidin kalıcı ve yüksek hareketliliğe sahip, hidrolizedirençli, yeraltısuyuna ve yüzeysel sulara sızma potansiyeline sahip bir neonikotinoid grubu pestisit türü olarak bilinmektedir.Clothianidinin görünür ışık karşısındaki fotodegradasyon davranışını belirlemek ve arıtma formülasyonları geliştirmek bukirleticilerle kirlenmiş atıksuların yönetiminde önemlidir. Bu çalışmanın amacı, Clothinanidin’in ileri oksidasyon yöntemleriylegiderim etkinliğini araştırmaktır. Çalışma kapsamında Clothianidin’in UV-A, UV-C ışınları karşısındaki kararlılığının yanında $TiO_2$ve oksijen desteği ile su içerisindeki fotokatalitik bozunması da araştırılmıştır. Clothianidinin sulu çözeltisi 0-120 dakika arasındadeğişen süreler boyunca UV-A, UV-A+$TiO_2$, UV-A+$TiO_2$+$O_2$ ve UV-C uygulamalarına tabi tutulmuş, süreç esnasında değişenClothianidin konsantrasyonu HPLC analizleriyle izlenmiştir. UV-A uygulamasına tabi tutulan çözeltideki Clothianidin düzeyinin sabitkaldığı, kirleticinin herhangi bir bozunmaya uğramadığı gözlenmiştir. Ancak $TiO_2$ varlığında yapılan UV-A uygulaması, herhangi birgiderim etkisi göstermeyen UV-A uygulamasına göre uygulama süresiyle artan bir Clothianidin giderim eğilimiyle sonuçlanmıştır.UV-A+$TiO_2$ uygulamasının %42 oranında bir giderimle sonuçlandığı görülmüştür. UV-A+$TiO_2$ sürecine oksijen ilave edilerekyapılan uygulamada ise oksijenin Clothianidin’in bozunmasına olumlu bir etkisinin olduğu, giderim veriminin artarak %42’den %69düzeyine ulaştığı görülmüştür. UV-C uygulaması ile 5 dakika gibi kısa bir sürede %99’a varan bir giderim verimi elde edilmiştir. $TiO_2$ve oksijen varlığında gerçekleştirilen fotokatalik yöntemin ve özellikle UV-C uygulamasının diğer yöntemlerden çok daha etkiliolduğu ve arıtma çözümlerinde tercih edilebileceği sonucuna varılmıştır.