Document

Removal of amoxicillin and ibuprofen by adsorption process : machine learning modelling.

Source
Master's thesis
Other titles
مشروع بحثي حول إزالة الأموكسيسيلين والإيبوبروفين عن طريق عملية الامتزاز : نمذجة التعلم الآلي
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2023
Language
English
Thesis Type
Master's thesis
English abstract
The environmental pollution caused by antibiotics such as amoxicillin and ibuprofen has gained increasing attention in recent years. These compounds should be eliminated from discharged effluents to prevent possible negative effects on humans, animals, and the environment. Recently, adsorption processes have gained more and more interest among the possible methods to remove emerging pollutants from water. In this study, activated carbon and potassium persulfate has been investigated for the adsorption of amoxicillin and ibuprofen from synthetic wastewater. Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier transform infrared (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) analysis has been used in adsorbents characterization. Furthermore, the adsorption mechanisms, performance, kinetics and isotherm for amoxicillin and ibuprofen removal were evaluated. To optimize the experiment results by minimizing the final concentration and increasing the percentage of amoxicillin and ibuprofen removal efficiency, Response Surface Methodology-Central Composite Design (RSM-CCD) (statistical analysis) and Support Vector RegressionGenetic Algorithm models (SVR-GA) (machine learning) were used by Minitab and MATLAB software. The removal process was conducted using different pH values (3–9), adsorbent dosages of activated carbon and potassium persulfate (10–50 mg), contact time (5–120 min) and initial concentration of each antibiotic (5-200 mg/L). It was found that both adsorbents removed amoxicillin and ibuprofen effectively at pH 7 and the optimal contact time was 5 minutes. It has been demonstrated that the Langmuir isotherm model for both AMX and IBU removal accurately defines the isotherm data (R2 = 1). In addition, a pseudo-second-order model was used to describe the adsorption kinetics. As a consequence of these data, the maximum adsorption capacity of amoxicillin on activated carbon and potassium persulfate was 90.97 and 196.31 mg/g, respectively, while for ibuprofen it was 135.23 and 196.47 mg/g. In the modelling part, RSM and SVR-RBF models could be fitted to both models to predict the results of the final concentrations of amoxicillin and ibuprofen. The performance of these models is evaluated using mean absolute relative error (MARE%). Both prediction models have identical MARE equal to or less than 25%. In this case, the final concentration can be predicted using either the GA-SVR or the RSM model. On the other hand, the value of R2 obtained by RSM and SVR was close to 1, but the lowest mean absolute relative error (%) for all antibiotics and adsorbents is modelled by machine learning, which is better than RSM-CCD.
Arabic abstract
اكتسب التلوث البيئي الناجم عن المضادات الحيوية مثل الاموكسيسيلين والايبوبروفين اهتما ًما متزايدًا ال سيما في منع الاثار السلبية المحتملة على الانسان والحيوان والبيئة، ويجب التخلص من هذه المركبات من النفايات السائلة المصروفة بطرق سليمة وبكفاءة عالية، وفي الاونة الاخيرة اكتسبت عمليات الامتزاز اهتما ًما متزايدًا بين الطرق الممكنة لإزالة الملوثات الناتجة من امتزاج المضادات الحيوية بالماء. في هذه الدراسة تم فحص الكربون المنشط وبرسلفات البوتاسيوم المتصاص الاموكسيسيلين والايبوبروفين من مياه الصرف، وأيضا تم استخدام المسح المجهري الالكتروني وتحليل فورييه للأشعة تحت الحمراء وحيود الاشعة السينية في توصيف الممتزات، وأيضا تم تقييم آليات الامتزاز والاداء والحركية والايزوثرم إلزالة الاموكسيسيلين والايبوبروفين. ولتحسين نتائج التجربة من خالل تقليل التركيز النهائي وزيادة النسبة المئوية لكفاءة إزالة الاموكسيسيلين والايبوبروفين تم استخدام منهجية CCD-RSM و GA-SVR بإستخدام Minitab و MATLAB. أجريت عملية التحلل باستخدام قيم مختلفة من الرقم الهيدروجيني )9-3(، وجرعات الامتصاص من الكربون المنشط وبروسلفات البوتاسيوم )50-10 مجم( وزمن التالمس )120-5 دقيقة( والتركيز الاولي لكل مضاد حيوي )-5 200 مجم /لتر(. تم الحصول على الحد الاقصى إلزالة أموكسيسيلين وإيبوبروفين عند درجة الحموضة 7 لكل من الممتزات، وتم العثور على وقت التالمس الامثل ليكون 5 دقائق للكربون المنشط وثنائي كبريتات البوتاسيوم على التوالي. أظهرت نتائج إزالة أموكسيسيلين وإيبوبروفين أن بيانات الايزوثرم محددة 2 جيدًا بواسطة نموذج متساوي الحرارة النجموير ) R= 1 ).وعالوة على ذلك اتبعت حركيات الامتزاز نموذج بسيدو من الدرجة الثانية ووجدت السعة القصوى المتصاص الاموكسيسلين بقيمة 97.90 ملجم/جم للكربون المنشط و196.31 ملجم/جم لبوسلفات البوتاسيوم، وأما بالنسبة لإليبوبروفين فكانت النتيجة 135.32 ملجم/جم للكربون المنشط و196.47 ملجم/جم لبوسلفات البوتاسيوم. وفي جزء النمذجة تم استخدام منهجية سطح الاستجابة ونموذج وظائف قواعد الانحدار الشعاعي المتجه للتنبؤ بنتائج التركيزات النهائية لألموكسيسيلين والايبوبروفين، وتم تقييم أداء هذه النماذج باستخدام متوسط الخطأ النسبي المطلق (%MARE(. كال نموذجي التنبؤ لهما متوسط خطأ نسبي مطلق يساوي أو أقل من ٪25 وفي هذه الحالة يمكن التنبؤ بالتركيز النهائي باستخدام إما انحدار ناقل الدعم أو نموذج سطح الاستجابة. كانت قيمة 2 R التي تم الحصول عليها من خالل منهجية سطح الاستجابة وانحدار ناقل الدعم قريبة جدًا من 1 ولكن أدنى متوسط للخطأ النسبي المطلق )MARE٪ )لجميع المضادات الحيوية والممتزات تم تصميمه بواسطة التعلم الآلي ، وهو أفضل من CCD-RSM.
Category
Theses and Dissertations