Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών
Ο νανοσίδηρος μηδενικού σθένους (zero valent iron nanoparticles - nZVI) χρησιμοποιείται ευρέως σε μορφή υδατικού αιωρήματος (νανορευστό) για την επιτόπια απορρύπανση ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων για μια ποικιλία επικίνδυνων ρύπων (π.χ. χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες, εξασθενές χρώμιο, νίτρο-αρ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2017
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/10807 |
| id |
nemertes-10889-10807 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Πορώδη μέσα Νανοσωματίδια σιδήρου μηδενικού σθένους Επί τόπου απορρύπανση Αποχλωρίωση Λιποσώματα Κατανομή μεγέθους σωματιδίων Porous media nZVI In situ remediation Dechlorination Liposomes Particle size distribution 628.168 |
| spellingShingle |
Πορώδη μέσα Νανοσωματίδια σιδήρου μηδενικού σθένους Επί τόπου απορρύπανση Αποχλωρίωση Λιποσώματα Κατανομή μεγέθους σωματιδίων Porous media nZVI In situ remediation Dechlorination Liposomes Particle size distribution 628.168 Τερζή, Αικατερίνη Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| description |
Ο νανοσίδηρος μηδενικού σθένους (zero valent iron nanoparticles - nZVI) χρησιμοποιείται ευρέως σε μορφή υδατικού αιωρήματος (νανορευστό) για την επιτόπια απορρύπανση ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων για μια ποικιλία επικίνδυνων ρύπων (π.χ. χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες, εξασθενές χρώμιο, νίτρο-αρωματικά, κλπ). Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την μελέτη της δράσης αιωρημάτων σιδήρου μηδενικού σθένους, nZVI, σε πορώδη μέσα ρυπασμένα με χλωριωμένους υδρογονάνθρακες, έτσι ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοση της επιτόπιας απορρύπανσης. Αρχικά αναπτύσσονται τα πρωτόκολλα (1) παρασκευής του σιδήρου μηδενικού σθένους, (2) προστασίας του νανοσιδήρου με επικάλυψη πολυμερούς και (3) ενθυλάκωσής του νανοσιδήρου σε λιπιδικές συστάσεις (λιποσώματα) για την ασφαλή μεταφορά του σε περιοχές όπου μεγιστοποιείται η συγκέντρωση ρύπου. Στη συνέχεια, μελετάται η αντιδραστικότητα του νανοσιδήρου ως προς αναγωγή τετραχλωροαιθυλενίου (perchloroethylene-PCE) διαλυμένου σε υδατική φάση, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Κατόπιν προσδιορίζονται οι ιδιότητες μεταφοράς του σιδήρου μηδενικού σθένους επικαλυμμένου με πολυμερές, και σιδήρου ενθυλακωμένου σε λιποσώματα σε πρότυπα πορώδη μέσα, με πειράματα συνεχούς ροής ώστε να διαπιστωθεί η κινητικότητα των διαφόρων νανορευστών και να επιλεγεί το πλέον αποδοτικό σύστημα για μελέτες απορρύπανσης. Τα πρότυπα πορώδη μέσα που προσομοιώνουν το υπέδαφος περιλαμβάνουν ένα γυάλινο μικρομοντέλο και μία στήλη πυριτικής άμμου. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται πειράματα οπτικής παρακολούθησης της επιτόπιας απορρύπανσης παγιδευμένων γαγγλίων PCE (πηγαία ζώνη ρύπανσης) στο δίκτυο πόρων του γυάλινου μκρομοντέλου, μέσω της συνεχούς διοχέτευσης αιωρήματος nZVI. Με αυτό τον τρόπο, ποσοτικοποιείται ο ρυθμός απορρύπανσης αδιάλυτης φάσης PCE και προτείνονται πιθανοί μηχανισμοί αποχλωρίωσης λαμβάνοντας υπόψη τη διαλυτοποίηση PCE καθώς επίσης και τις πιθανές αντιδράσεις του nZVI με αδιάλυτο και διαλυτό PCE. Ακολουθεί ένα πείραμα απορρύπανσης του υπολειπόμενου (residual) PCE σε στήλη πυριτικής άμμου ώστε να αξιολογηθεί η αποδοτικότητα του nZVI υπό ρεαλιστικές συνθήκες. Τέλος, αναπτύσσεται ένα μακροσκοπικό αριθμητικό μοντέλο όλων των διεργασιών μεταφοράς και αντίδρασης που συμβαίνουν κατά τη ροή νανοσωματιδίων σιδήρου σε πορώδη μέσα μερικώς κορεσμένα με γάγγλια χλωριωμένου υδρογονάνθρακα. Μέσω της δυναμικής προσαρμογής (inverse modeling) των προβλέψεων του μοντέλου σε πειραματικά αποτελέσματα ροής nZVI και απορρύπανσης PCE στο γυάλινο μικρομοντέλο, εκτιμώνται οι παράμετροι που περιγράφουν τις κινητικές της απόθεσης / αποκόλλησης νανοσωματιδίων καθώς επίσης και οι κινητικές αντίδρασης nZVI/PCE σε αναφορά με τους πιθανούς μηχανισμούς που ταυτοποιήθηκαν. Τέλος, επισημαίνονται τα πλέον σημαντικά συμπεράσματα και γίνονται προτάσεις για μελλοντική εργασία. |
| author2 |
Τσακίρογλου, Χρήστος |
| author_facet |
Τσακίρογλου, Χρήστος Τερζή, Αικατερίνη |
| format |
Thesis |
| author |
Τερζή, Αικατερίνη |
| author_sort |
Τερζή, Αικατερίνη |
| title |
Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| title_short |
Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| title_full |
Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| title_fullStr |
Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| title_full_unstemmed |
Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| title_sort |
βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/10807 |
| work_keys_str_mv |
AT terzēaikaterinē beltistopoiēsētōnidiotētōnnanoreustōngiatēnapodotikēepitopiaapokatastasērypasmenōnypogeiōnedaphōn AT terzēaikaterinē optimizingthenanofluidpropertiesfortheefficientinsituremediationofpollutedgroundwater |
| _version_ |
1771297237533458432 |
| spelling |
nemertes-10889-108072022-09-05T13:58:31Z Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων νανόρευστων για την αποδοτική επιτόπια αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων εδαφών Optimizing the nanofluid properties for the efficient in situ remediation of polluted groundwater Τερζή, Αικατερίνη Τσακίρογλου, Χρήστος Τσακίρογλου, Χρήστος Παρασκευά, Χριστάκης Κουτσούκος, Πέτρος Στάικος, Γεώργιος Κλεπετσάνης, Παύλος Αντιμησιάρη, Σοφία Γκολφινόπουλος, Σπυρίδων Terzi, Aikaterini Πορώδη μέσα Νανοσωματίδια σιδήρου μηδενικού σθένους Επί τόπου απορρύπανση Αποχλωρίωση Λιποσώματα Κατανομή μεγέθους σωματιδίων Porous media nZVI In situ remediation Dechlorination Liposomes Particle size distribution 628.168 Ο νανοσίδηρος μηδενικού σθένους (zero valent iron nanoparticles - nZVI) χρησιμοποιείται ευρέως σε μορφή υδατικού αιωρήματος (νανορευστό) για την επιτόπια απορρύπανση ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων για μια ποικιλία επικίνδυνων ρύπων (π.χ. χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες, εξασθενές χρώμιο, νίτρο-αρωματικά, κλπ). Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την μελέτη της δράσης αιωρημάτων σιδήρου μηδενικού σθένους, nZVI, σε πορώδη μέσα ρυπασμένα με χλωριωμένους υδρογονάνθρακες, έτσι ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοση της επιτόπιας απορρύπανσης. Αρχικά αναπτύσσονται τα πρωτόκολλα (1) παρασκευής του σιδήρου μηδενικού σθένους, (2) προστασίας του νανοσιδήρου με επικάλυψη πολυμερούς και (3) ενθυλάκωσής του νανοσιδήρου σε λιπιδικές συστάσεις (λιποσώματα) για την ασφαλή μεταφορά του σε περιοχές όπου μεγιστοποιείται η συγκέντρωση ρύπου. Στη συνέχεια, μελετάται η αντιδραστικότητα του νανοσιδήρου ως προς αναγωγή τετραχλωροαιθυλενίου (perchloroethylene-PCE) διαλυμένου σε υδατική φάση, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Κατόπιν προσδιορίζονται οι ιδιότητες μεταφοράς του σιδήρου μηδενικού σθένους επικαλυμμένου με πολυμερές, και σιδήρου ενθυλακωμένου σε λιποσώματα σε πρότυπα πορώδη μέσα, με πειράματα συνεχούς ροής ώστε να διαπιστωθεί η κινητικότητα των διαφόρων νανορευστών και να επιλεγεί το πλέον αποδοτικό σύστημα για μελέτες απορρύπανσης. Τα πρότυπα πορώδη μέσα που προσομοιώνουν το υπέδαφος περιλαμβάνουν ένα γυάλινο μικρομοντέλο και μία στήλη πυριτικής άμμου. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται πειράματα οπτικής παρακολούθησης της επιτόπιας απορρύπανσης παγιδευμένων γαγγλίων PCE (πηγαία ζώνη ρύπανσης) στο δίκτυο πόρων του γυάλινου μκρομοντέλου, μέσω της συνεχούς διοχέτευσης αιωρήματος nZVI. Με αυτό τον τρόπο, ποσοτικοποιείται ο ρυθμός απορρύπανσης αδιάλυτης φάσης PCE και προτείνονται πιθανοί μηχανισμοί αποχλωρίωσης λαμβάνοντας υπόψη τη διαλυτοποίηση PCE καθώς επίσης και τις πιθανές αντιδράσεις του nZVI με αδιάλυτο και διαλυτό PCE. Ακολουθεί ένα πείραμα απορρύπανσης του υπολειπόμενου (residual) PCE σε στήλη πυριτικής άμμου ώστε να αξιολογηθεί η αποδοτικότητα του nZVI υπό ρεαλιστικές συνθήκες. Τέλος, αναπτύσσεται ένα μακροσκοπικό αριθμητικό μοντέλο όλων των διεργασιών μεταφοράς και αντίδρασης που συμβαίνουν κατά τη ροή νανοσωματιδίων σιδήρου σε πορώδη μέσα μερικώς κορεσμένα με γάγγλια χλωριωμένου υδρογονάνθρακα. Μέσω της δυναμικής προσαρμογής (inverse modeling) των προβλέψεων του μοντέλου σε πειραματικά αποτελέσματα ροής nZVI και απορρύπανσης PCE στο γυάλινο μικρομοντέλο, εκτιμώνται οι παράμετροι που περιγράφουν τις κινητικές της απόθεσης / αποκόλλησης νανοσωματιδίων καθώς επίσης και οι κινητικές αντίδρασης nZVI/PCE σε αναφορά με τους πιθανούς μηχανισμούς που ταυτοποιήθηκαν. Τέλος, επισημαίνονται τα πλέον σημαντικά συμπεράσματα και γίνονται προτάσεις για μελλοντική εργασία. Suspensions of zero-valent iron nanoparticles (nZVI) are commonly used for the in-situ remediation of soils polluted with chlorinated solvents. A variety of aqueous suspensions of nZVI (nanofluids) was prepared with wet-chemistry techniques by using the carboxy-methyl-cellulose (CMC) as stabilizer / coating. For enhancing the suspension stability and penetration length into the porous medium, the CMC-coated nZVI were encapsulated in liposomes. The liposomes can be regarded as vehicles for the safe delivery of nZVI to hydrophobic pollutants through the controlled disruption of membranes on aqueous/oleic phase interfaces. The stability and longevity of suspensions was evaluated with methods of physicochemical characterization, whereas their reactivity was evaluated with respect to their capacity to dechlorinate of PCE in batch reactors. GC-ECD was used to measure the concentration of dissolved PCE as a function of reaction time. To assess the mobility, longevity and reactivity of nZVI-based nanofluids under continuous flow conditions, flow experiments were performed in a glass-etched pore network for three types of suspensions: (i) CMC-coated nZVI; (ii) CMC-coated nZVI encapsulated in liposomes; (iii) mixture of CMC-coated nZVI and empty liposomes. The transient breakthrough curves of the nZVI concentration in the effluent of glass micromodel were measured by atomic absorption spectroscopy. The transient response of lipid concentration in effluent was measured by UV-Vis. The observed behavior was interpreted by measuring (ζ-Nanosizer) the transient variation of the particle size distribution in suspensions collected in effluent. The CMC-coated nZVI were always very mobile, stable and detectable in effluent. A fraction of liposomes was detected in effluent when injecting the CMC-coated nZVI encapsulated in liposomes, and no liposomes were detected when injecting the mixture of CMC-coated nZVI and empty liposomes. Accounting for the fast breakthrough of pure liposomes in the porous medium, it seems that their coexistence with CMC-coated nZVI changes their mobility by preventing their movement across the porous medium, and favoring their trapping. The flushing the pore network with distilled water remobilized both the liposomes and residual iron, trapped in the pore space. Experiments were performed on the same glass-etched pore network to measure the capacity of nZVI to remediate PCE trapped ganglia (source zone). First, the pore network was partially saturated with PCE ganglia, and a variety of aqueous phases was injected: (i) distilled water; (ii) CMC solution; (iii) CMC-coated nZVI suspension. The remediation capacity of nZVI was quantified by visualizing the PCE ganglia mass loss as a function of time during the continuous injection of the aqueous phases. The presence of hydrophilic carboxyl-groups of CMC and their adsorption on the PCE/water interfaces changes the wettability, making the porous medium oil-wet. On the other hand, the presence of nZVI has the tendency to make the porous medium more water-wet so that, depending on the local CMC and nZVI concentration, conditions of fractional wettability may be established. The remediation of PCE ganglia followed a pattern of non-uniform “erosion” of the upstream PCE/water interfaces located along the flow direction of nZVI. The PCE remediation rate was comparable to the dissolution rate and could be interpreted as: (1) a 2-stage process consisting of (a) the enhanced and spatially non-uniform PCE dissolution; (b) fast dechlorination of dissolved PCE by nZVI deposited on the PCE/water interfaces. To test the mobility and reactivity of CMC-coated nZVI in real porous media, the iron concentration breakthrough curve was measured for a column of silicate sand of uniform grain size distribution, and it was found that only a small percentage of iron remained in the porous medium after its flushing with water. The injection of CMC-coated nZVI in sand column, containing PCE at residual saturation, resulted in PCE saturation reduction by~32%, with the greater percentage of saturation reduction (>99%) being attributed to the reaction of nZVI either with dissolved or bulk PCE. The injection of nZVI in porous media and their interaction with aqueous/oleic/solid phases was simulated macroscopically as a convection-dispersion process, accounting for the attachment / detachment of nanoparticles in pore-walls, PCE dissolution rate, and 1st order reactions of nZVI with dissolved and bulk PCE. With the aid of simulator, non-linear parameter estimation was carried out by fitting the numerical model to the iron concentration breakthrough curve, and transient response of PCE saturation, measured in glass-etched pore network. 2017-12-11T12:02:20Z 2017-12-11T12:02:20Z 2017-04 Thesis http://hdl.handle.net/10889/10807 gr Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 6 application/pdf |
