Рослинництво та ґрунтознавство

Озонування як засіб підвищення екологічної безпеки агросистем: очищення ґрунтів і поливної води від толуену та його похідних

Андрій Галстян
Завантажити статтю
Анотація

Метою дослідження було оцінити ефективність рідиннофазного озонування метилбензенів як способу знешкодження ароматичних ксенобіотиків у поверхневих водах та ґрунтах агроекосистем. У роботі використано спектрофотометричні, йодометричні, хроматографічні методи аналізу та елементний аналіз для вивчення динаміки руйнування ароматичного ядра, утворення проміжних та кінцевих продуктів, а також визначення реакційної здатності похідних аренів. Встановлено, що основним шляхом перетворення метилбензенів є озонолітичне розщеплення бензенового ядра з утворенням аліфатичних озонідів. Вихід бензойної кислоти не перевищував 5,8 %, що свідчить про незначну стабілізацію ароматичного фрагмента. Для п-ксилолу ступінь мінералізації сягав понад 70 % за 30 хв озонування. Наявність донорних замісників у бензеновому кільці (–CH₃, –OH, –NH₂) сприяло глибокій деструкції ядра, тоді як акцепторні (–NO₂, –COOH) зменшували його реакційну здатність, змінюючи напрямок реакції на боковий алкільний ланцюг. Похідні з функціональними групами, здатними до нуклеофільної атаки (–OH, –NH₂, –SH), характеризувались значно вищою швидкістю реакції (до 25 разів), порівняно з толуеном. Ацилювання таких груп оцтовим ангідридом знизило швидкість реакції та підвищило селективність утворення стабільних продуктів. Окрему увагу приділено складу та структурі продуктів реакції. Пероксиди, що утворились в результаті деструкції ароматичного ядра, виявили різну будову – від мономерних до олігомерних форм. Вони добре розчинились в оцтовій кислоті, однак легко осадились або видалились з розчину, що було ключовою перевагою процесу в застосуванні до очищення води та ґрунтів. Отримані дані засвідчили потенціал рідиннофазного озонування як ефективного інструменту для селективного та контрольованого знешкодження ароматичних сполук у ґрунтах та водах сільськогосподарського призначення. Отримані результати можуть бути використані екологами, агрохіміками та спеціалістами з очищення води для підвищення екологічної безпеки аграрних територій і зрошувальних систем, забруднених ароматичними сполуками

Ключові слова

озон; метилбензени; деструкція; пероксиди; очищення води; кінетика

ЦИТУВАТИ
Halstian, A. (2025). Ozonation as a means of increasing the ecological safety of agrosystems: Purification of soils and irrigation water from toluene and its derivatives. Plant and Soil Science, 16(3), 22-32. https://doi.org/10.31548/plant3.2025.22
Використані джерела
  1. Aidoo, O.F, et al. (2023). Remediation of pesticide residues using ozone: A comprehensive overview. Science of the Total Environment, 894, article number 164933. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.164933.
  2. Chayuk, O. (2019). Immunological characteristics of the collection material of cucumber for resistance to downy mildew in greenhouse conditions. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 15(4), 25-34. doi: 10.31548/dopovidi2019.04.003.
  3. Díaz-López, M., Nicolás, E., López-Mondéjar, R., Galera, L., Garrido, I., Fenoll J., & Bastida, F. (2021). Combined ozonation and solarization for the removal of pesticides from soil: Effects on soil microbial communities. Science of the Total Environment, 758, article number 143950. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143950.
  4. Dong, X., Sun, L., Agarwal, M., Maker, G., Han, Y., Yu, X., & Ren, Y. (2022). The effect of ozone treatment on metabolite profile of germinating barley. Foods, 11(9), article number 1211. doi: 10.3390/foods11091211.
  5. Einaga, H., & Zheng, X. (2024). Fundamental insights and recent advances in catalytic oxidation processes using ozone for the control of volatile organic compounds. Environmental Science and Pollution Research, 31, 43540-43560. doi: 10.1007/s11356-024-34004-3.
  6. Galstyan, A., Galstyan, G., & Timoshyna, L. (2018) Research of the process of liquid phase selective oxidation of 4-aminotoluene with ozone. Chemistry and Chemical Technology, 12(3), 341-345. doi: 10.23939/chcht12.03.341.
  7. Galstyan, G.A., Tyupalo, N.F., & Galstyan, A.G. (2009). Liquid-phase catalytic oxidation of aromatic compounds with ozone. Lugansk: Volodymyr Dahl East Ukrainian National University.
  8. Garrido, I., Martínez-Escudero, C.M., Contreras, F., Flores, P., Hellín, P., Díaz-López, M., F. Bastida, F., & Fenoll, J. (2023). Degradation of four pesticides by ozonation under field conditions and assessment of its influence on soil microbial activity. Journal of Environmental Chemical Engineering, 11(1), article number 110034. doi: 10.1016/j.jece.2023.110034.
  9. Khanashyam, A.C., Kothakota, A., Mahanti, N.K., & Shanker, M.A. (2021). Ozone applications in milk and meat industry. Ozone: Science & Engineering, 44(1), 50-65. doi: 10.1080/01919512.2021.1947776.
  10. Li, X., Luo, T., Wang, Y., Wang, B., Liang, H., Zhou, J., & Li, L. (2021). Improving the degradation of benzo[a]pyrene and soil biodegradability by enhanced ozonation with mechanical agitation. Chemical Engineering Journal, 423, article number 130056. doi: 10.1016/j.cej.2021.130056.
  11. Liao, B., Wang, J., Han, X., Wang, R., Lv, K., Bai, Y., Jiang, H., Shao, Z., Wang, Y., & Sun J. (2022). Microscopic molecular insights into clathrate methane hydrates dissociation in a flowing system. Chemical Engineering Journal, 430(4), article number 133098. doi: 10.1016/j.cej.2021.133098.
  12. Lim, S., Shi, J.L., von Gunten, U., & McCurry, D.L. (2022). Ozonation of organic compounds in water and wastewater: A critical review. Water Research, 213, article number 118053. doi: 10.1016/j.watres.2022.118053.
  13. Luo, H., Chen, J., Li, G., & An, T. (2021). Formation kinetics and mechanisms of ozone and secondary organic aerosols from photochemical oxidation of different aromatic hydrocarbons: Dependence on NOx and organic substituents. Atmospheric Chemistry and Physics, 21(10), 7567-7578. doi: 10.5194/acp-21-7567-2021.
  14. Malek, T., & Choudhary, M. (2023). Plasma agriculture: A green technology to attain the sustainable agriculture goal. arXiv:2302.02273, 1-9.
  15. Olak-Kucharczyk, M., Festinger, N., & Smułek, W. (2023). Application of ozonation‑biodegradation hybrid system for polycyclic aromatic hydrocarbons degradation. International Journal of Environmental Research and Public Health, 20(7), article number 5347. doi: 10.3390/ijerph20075347.
  16. Potapenko, E.V., & Isaenko, I.P. (2023). Catalytic oxidation of m-xylene by ozone in the liquid phase. Issues of Chemistry and Chemical Technology, 1, 82-88. doi: 10.32434/0321-4095-2023-146-1-82-88.
  17. Potapenko, E.V., Andreev, P.Y., Isayenko, I.P., Andreeva, N.S. (2021). Catalytic oxidation of toluene by ozone in the system “Acetic anhydride-strong acid”. Issues of Chemistry and Chemical Technology, 4, 106-111. doi: 10.32434/0321-4095-2021-137-4-106-111.
  18. Rusănescu, C.O., Istrate, I.A., Rusănescu, A.M., & Constantin, G.A. (2024). Bioremediation of soil contamination with polycyclic aromatic hydrocarbons – a review. Land, 14(1), article number 10. doi: 10.3390/land14010010.
  19. Salnikova, A., & Salnikov, S. (2021). Accumulation of pesticide residual amounts in agricultural soils. Biological Systems: Theory and Innovation, 12(4), 43-53. doi: 10.31548/biologiya2021.04.004.
  20. Samsami, R., Zalpour, N., & Kaykhaii, M. (2023). Remediation of polycyclic aromatic hydrocarbons contaminated soil using combined ozonation and peroxy-acid treatment in the site of abadan oil refinery. Water, Air, & Soil Pollution, 234, article number 418. doi: 10.1007/s11270-023-06430-5.
  21. Singh, S., Solanki, V., Bardhan, K., Kansara, R., Vyas, T.K., Gandhi, K., Dhakan, D., Ali, H.M., & Siddiqui, M.H. (2022). Evaluation of ozonation technique for pesticide residue removal in okra and green chili using GC‑ECD and LC‑MS/MS. Plants, 11(23), article number 3202. doi: 10.3390/plants11233202.
  22. Tahamolkonan, M., Ghahsareh, A.M., Ashtari, M.K., & Honarjoo, N. (2022). Tomato (Solanum lycopersicum) growth and fruit quality affected by organic fertilization and ozonated water. Protoplasma, 259(2), 291-299. doi: 10.1007/s00709-021-01657-7.
  23. Yu, G., Wang, J., Xu, Z., Cao, H., Dai, Q., Wu, Y., & Xie, Y. (2024). Synergetic manipulation mechanism of single-atom M–N4 and M–OH (M = Mn, Fe, Co, Ni) sites for ozone activation: Theoretical prediction and experimental verification. Environmental Science & Technology, 58(21), 9393-9403. doi: 10.1021/acs.est.4c00812.