<p>The most widely used gasoline additive methyl tert-butyl ether (MTBE) has been questioned recently, since frequent detection of this compound in groundwater indicates that it could be a risk to our environment. Consequently, legislative efforts have been made by some local governments to phase out the use of MTBE. Among a number of alternative substitutes, ethyl tert-butyl (ETBE) seems to be the more promised one due to its lower water solubility, suggesting that it could pose less impact to our water supply. However, a thorough understanding of its environmental fate is needed before ETBE is widely accepted as a more environmentally friendly gasoline additive. As a part of this effort, the degradation of MTBE and ETBE as well as their effects on the fate of aromatic gasoline components, i.e. BTEX (benzene, toluene, ethyl-benzene and xylenes) were studied on two soils contaminated with MTBE-blended or ETBE-blended gasoline. During a period of 5 months, the general aerobic degradation of the gasoline and its different additives were monitored by gas chromatography – thermal conductivity detection (GC-TCD) and concentration changes of MTBE and ETBE were monitored with the help of gas chromatography - mass spectrometry (GC-MS). The results of this study showed that the degradation of MTBE, ETBE and BTEX occurred in all the systems, nevertheless MTBE and ETBE degraded far more slowly in contrast with the degradation of BTEX, indicating that MTBE and ETBE are more persistent. When the degradation of MTBE and ETBE were compared, ETBE decreased a little faster than MTBE, implying that ETBE advantages slightly in degradation over MTBE. Concerning the effects of MTBE and ETBE on the fate of BTEX, the results showed that MTBE might enhance whereas ETBE might inhibit the degradation of BTEX though at a lower level. In addition, less degradation of MTBE and ETBE was observed in organic-rich soil in all the cases, probably because that there are more other substrates available for the microorganisms in organic-rich soil.</p>

The most widely used gasoline additive methyl tert-butyl ether (MTBE) has been questioned recently, since frequent detection of this compound in groundwater indicates that it could be a risk to our environment. Consequently, legislative efforts have been made by some local governments to phase out the use of MTBE. Among a number of alternative substitutes, ethyl tert-butyl (ETBE) seems to be the more promised one due to its lower water solubility, suggesting that it could pose less impact to our water supply. However, a thorough understanding of its environmental fate is needed before ETBE is widely accepted as a more environmentally friendly gasoline additive. As a part of this effort, the degradation of MTBE and ETBE as well as their effects on the fate of aromatic gasoline components, i.e. BTEX (benzene, toluene, ethyl-benzene and xylenes) were studied on two soils contaminated with MTBE-blended or ETBE-blended gasoline. During a period of 5 months, the general aerobic degradation of the gasoline and its different additives were monitored by gas chromatography – thermal conductivity detection (GC-TCD) and concentration changes of MTBE and ETBE were monitored with the help of gas chromatography - mass spectrometry (GC-MS). The results of this study showed that the degradation of MTBE, ETBE and BTEX occurred in all the systems, nevertheless MTBE and ETBE degraded far more slowly in contrast with the degradation of BTEX, indicating that MTBE and ETBE are more persistent. When the degradation of MTBE and ETBE were compared, ETBE decreased a little faster than MTBE, implying that ETBE advantages slightly in degradation over MTBE. Concerning the effects of MTBE and ETBE on the fate of BTEX, the results showed that MTBE might enhance whereas ETBE might inhibit the degradation of BTEX though at a lower level. In addition, less degradation of MTBE and ETBE was observed in organic-rich soil in all the cases, probably because that there are more other substrates available for the microorganisms in organic-rich soil.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor José Miguel Loureiro

ABSTRACT KINETIC STUDIES FOR THE PRODUCTION OF TERTIARY ETHERS USED AS GASOLINE ADDITIVES Boz, Nezahat Ph. D., Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Timur Dogu Co-supervisor: Prof. Dr. G&uuml / lSen Dogu June 2004, 174 pages In the present study, the kinetics studies for etherification reactions were investigated in detail. In the first phase of present study, different acidic resin catalysts were prepared by the heat treatment of Amberlyst-15 catalysts at 220&deg / C at different durations of time and also by the synthesis of sulfonated styrene divinylbenzene cross-linked resins at different conditions. A linear dependence of reaction rate on hydrogen ion-exchange capacity was in 2M2B+ethanol reaction. However, in the case of 2M1B+ethanol reaction hydrogen ion-exchange capacities over 2.8 meq.H+/g did not cause further increase in reaction rate, which was concluded to be majorly due to significance of diffusional resistances. DRIFTS experiments carried out with alcohols, isobutylene, isoamylenes and TAME (tert-amyl-methyl-ether) in a temperature range of 333-353 K supported a Langmuir-Hinshelwood type reaction mechanism involving adsorbed isoolefins molecules forming a bridged structure between &ndash / SO3H sites of the catalyst and adsorbed alcohol molecules. A rate expression derived basing on the mechanism proposed from the DRIFTS results gave good agreement with the published data. Reaction rate was found to give a sharp maximum at ethanol activity of around 0.1. The third phase of this work included evaluation of effective diffusivities and adsorption equilibrium constants of methanol, ethanol and 2M2B, in Amberlyst-15 from moment analysis of batch adsorber dynamic results. Models proposed for monodisperse and bidisperse pore structures were used for the evaluation of effective diffusivities. It was shown that surface diffusion contribution was quite significant. In the last phase of the work, a batch Reflux-Recycle-Reactor (RRR) was proposed, modeled and constructed to achieve high yields and selectivities in equilibrium limited reactions. The batch reflux recycle reactor was modeled by assuming plug flow in the reactor section, perfect mixing in the reboiler and vapor-liquid equilibria between the liquid in the reboiler and reactor inlet stream. In this system conversion values of isoamylenes reaching to 0.91 were achieved at 82&deg / C with almost 100% selectivity. Such conversion values were shown to be much higher than the corresponding equilibrium values that could be obtained in vapor phase fixed bed reactors. The activation energies evaluated in this system were found to be much less than the activation energies evaluated in the fixed bed reactor studies. This was concluded to be majorly due to the significance of transport resistant in the batch Reflux-Recycle-Reactor in which catalyst particles are partially wet. As a result of catalyst development, characterization, kinetic and reactor development studies carried out in this study, it was concluded that tert-amyl-ethyl-ether (TAEE) could be effectively produced and used as a gasoline blending oxygenate.

L’éthyl tert-butyl éther (ETBE) et le méthyl tert-butyl éther (MTBE) sont des éthers carburants utilisés comme additifs dans les essences sans plomb. Du fait de leur utilisation massive, de nombreux cas de pollutions d’aquifères ont été répertoriés, en particulier pour le MTBE, et ces composés représentent donc un risque sanitaire potentiel. Des travaux récents ont permis de mettre en évidence différents micro-organismes capables de dégrader ces composés malgré leur faible biodégradabilité dans l'environnement. Néanmoins, une meilleure compréhension de l'écologie et de la régulation de ces capacités de dégradation permettrait une meilleure gestion de la bioremédiation de sites contaminés par l'ETBE ou le MTBE.L’objectif de la thèse, réalisée dans le cadre d'un projet ANR Blanc (MiOxyFun), est de mieux comprendre l'écologie des communautés microbiennes impliquées dans la dégradation de ces éthers et leur relation avec la régulation ainsi qu'avec les cinétiques de dégradation de ces composés par des membres spécifiques de ces communautés. Ainsi, à partir de différents échantillons environnementaux venant de sites pollués par l'ETBE ou le MTBE, des enrichissements ont pu être réalisés en laboratoire afin d'étudier leurs microflores. Ces enrichissements ont été étudiés notamment pour leurs cinétiques de dégradation, la composition de leurs communautés bactériennes, et pour l'isolement de souches bactériennes directement impliquées dans la dégradation de ces composés. L'étude des cinétiques de dégradation de l'ETBE ou du MTBE par différents enrichissements obtenus sur ETBE (cinq) et sur MTBE (six) a permis de montrer des profils de dégradation très différents. La dégradation était généralement lente et s'accompagnait d'un faible rendement en biomasse avec parfois accumulation transitoire de tert-butanol (TBA). Les capacités de dégradation d'autres composés des essences (BTEXs et n-alcanes) étaient aussi différentes d'un enrichissement à l'autre, le benzène, entre autres, étant dégradé par 10/11 enrichissements. Des techniques d'empreinte moléculaire (RISA, DGGE) ont permis de constater que les communautés bactériennes présentes dans les cinq enrichissements sur ETBE étaient différentes de celles sur les enrichissements sur MTBE. Les enrichissements sur ETBE ont fait spécifiquement l'objet d'une étude par analyse de banques de clones réalisées à partir des gènes codant l'ARNr 16S de ces enrichissements. Cette étude a montré la prédominance des Proteobacteria dans trois enrichissements, la prédominance des Acidobacteria dans un autre ainsi qu'une composition plus héterogène dans le cinquième. De plus, des Actinobacteria ont été détectées dans les 5 enrichissements.En parallèle, plusieurs souches possédant des capacités de dégradation ont été isolées des enrichissements: Rhodococcus sp. IFP 2040, IFP 2041, IFP 2042, IFP 2043 (dégradant l'ETBE jusqu'au TBA), une Betaproteobacteria IFP 2047 (dégradant l'ETBE), Bradyrhizobium sp. IFP 2049 (dégradant le TBA), Pseudonocardia sp. IFP 2050 (dégradant l'ETBE et le MTBE), Pseudoxanthomonas sp. IFP 2051 et une Proteobacteria IFP 2052 (dégradant le MTBE). Une étude par qPCR sur les gènes codant l'ARNr 16S a montré la prédominance de certaines souches isolées dans les enrichissements ETBE. Enfin, plusieurs gènes connus comme étant impliqués dans la dégradation des éthers carburants ont pu être mis en évidence dans les enrichissements et dans certaines des souches isolées. / ETBE and MTBE are fuel oxygenates added to unleaded gasoline to improve combustion. Due to their extensive use, numerous aquifers have been contaminated, particularly by MTBE. The use of ETBE and MTBE is considered to represent an environmental risk. Recent research has uncovered a range of microorganisms capable of degrading these compounds, even though their environmental half-lives are long. Improved understanding of the ecology and regulation of this degradative ability could improve the management of the ETBE and MTBE contaminated site remediation. The aim of this work, taking place in the framework of the ANR project MiOxyFun was to investigate the ecology of ETBE- and MTBE-degrading microbial communities and their relationship to the regulation and kinetics of ETBE- and MTBE-degradation by specific members of these communities. Several ETBE- and MTBE-degrading microbial communities were enriched in the laboratory from environmental samples from contaminated sites throughout the world. These enrichments were examined for their degradation kinetics, microbial community structure, and used to isolate specific community members actively degrading ETBE and/or MTBE. The ETBE or MTBE biodegradation kinetics of the five ETBE- and six MTBE- degrading enrichments demonstrated a diversity of biodegradation rates. Overall, biodegradation was generally slow and associated to a low biomass yield. Tert-butanol (TBA) was transiently produced in several cases. Biodegradation of other gasoline compounds (BTEXs and n-alkanes) was tested and varied among the enrichments studied. Benzene, however, was degraded in 10 out of the 11 enrichments. DNA fingerprinting techniques (RISA, DGGE) showed that the microflora present in the five ETBE enrichments were different from those of the MTBE enrichments. The ETBE enrichments were studied further by sequencing the 16S rRNA genes extracted, amplified and cloned from these enrichments. Proteobacteria dominated three of the ETBE enrichments, Acidobacteria in another one, and a more heterogeneous composition was found in the fifth ETBE enrichment. Actinobacteria were detected in all five enrichments. Several strains with ETBE or MTBE degradation capacities were isolated: Rhodococcus sp. IFP 2040, IFP 2041, IFP 2042, IFP 2043 (degrading ETBE to TBA),a Betaproteobacteria IFP 2047 (degrading ETBE), Bradyrhizobium sp. IFP 2047 (degrading TBA), Pseudonocardia sp. IFP 2050 (degrading ETBE and MTBE), Pseudoxanthomonas sp. IFP 2051 and a Proteobacteria IFP 2052 (degrading MTBE). Quantification of the 16S rRNA gene confirmed the relatively high number of these isolates in some of the ETBE enrichments. Several genes involved in ETBE and/or MTBE biodegradation were detected in some of the enrichments and in some of the isolated strains.

L'éthyl tert-butyl éther (ETBE) et le méthyl tert-butyl éther (MTBE) sont des éthers carburants utilisés comme additifs dans les essences sans plomb. Du fait de leur utilisation massive, de nombreux cas de pollutions d'aquifères ont été répertoriés, en particulier pour le MTBE, et ces composés représentent donc un risque sanitaire potentiel. Des travaux récents ont permis de mettre en évidence différents micro-organismes capables de dégrader ces composés malgré leur faible biodégradabilité dans l'environnement. Néanmoins, une meilleure compréhension de l'écologie et de la régulation de ces capacités de dégradation permettrait une meilleure gestion de la bioremédiation de sites contaminés par l'ETBE ou le MTBE.L'objectif de la thèse, réalisée dans le cadre d'un projet ANR Blanc (MiOxyFun), est de mieux comprendre l'écologie des communautés microbiennes impliquées dans la dégradation de ces éthers et leur relation avec la régulation ainsi qu'avec les cinétiques de dégradation de ces composés par des membres spécifiques de ces communautés. Ainsi, à partir de différents échantillons environnementaux venant de sites pollués par l'ETBE ou le MTBE, des enrichissements ont pu être réalisés en laboratoire afin d'étudier leurs microflores. Ces enrichissements ont été étudiés notamment pour leurs cinétiques de dégradation, la composition de leurs communautés bactériennes, et pour l'isolement de souches bactériennes directement impliquées dans la dégradation de ces composés. L'étude des cinétiques de dégradation de l'ETBE ou du MTBE par différents enrichissements obtenus sur ETBE (cinq) et sur MTBE (six) a permis de montrer des profils de dégradation très différents. La dégradation était généralement lente et s'accompagnait d'un faible rendement en biomasse avec parfois accumulation transitoire de tert-butanol (TBA). Les capacités de dégradation d'autres composés des essences (BTEXs et n-alcanes) étaient aussi différentes d'un enrichissement à l'autre, le benzène, entre autres, étant dégradé par 10/11 enrichissements. Des techniques d'empreinte moléculaire (RISA, DGGE) ont permis de constater que les communautés bactériennes présentes dans les cinq enrichissements sur ETBE étaient différentes de celles sur les enrichissements sur MTBE. Les enrichissements sur ETBE ont fait spécifiquement l'objet d'une étude par analyse de banques de clones réalisées à partir des gènes codant l'ARNr 16S de ces enrichissements. Cette étude a montré la prédominance des Proteobacteria dans trois enrichissements, la prédominance des Acidobacteria dans un autre ainsi qu'une composition plus héterogène dans le cinquième. De plus, des Actinobacteria ont été détectées dans les 5 enrichissements.En parallèle, plusieurs souches possédant des capacités de dégradation ont été isolées des enrichissements: Rhodococcus sp. IFP 2040, IFP 2041, IFP 2042, IFP 2043 (dégradant l'ETBE jusqu'au TBA), une Betaproteobacteria IFP 2047 (dégradant l'ETBE), Bradyrhizobium sp. IFP 2049 (dégradant le TBA), Pseudonocardia sp. IFP 2050 (dégradant l'ETBE et le MTBE), Pseudoxanthomonas sp. IFP 2051 et une Proteobacteria IFP 2052 (dégradant le MTBE). Une étude par qPCR sur les gènes codant l'ARNr 16S a montré la prédominance de certaines souches isolées dans les enrichissements ETBE. Enfin, plusieurs gènes connus comme étant impliqués dans la dégradation des éthers carburants ont pu être mis en évidence dans les enrichissements et dans certaines des souches isolées.