Πειραματική διερεύνηση και μαθηματική προσομοίωση της προσρόφησης εξασθενούς χρωμίου και ανόργανων ιόντων σε οφιολιθικό έδαφος

Πολυμέρου, Ελένη; Polymerou, Eleni

dc.contributor.author	Πολυμέρου, Ελένη	el
dc.contributor.author	Polymerou, Eleni	en
dc.date.accessioned	2018-03-15T11:13:07Z
dc.date.issued	2018-03-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46707
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7953
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εξασθενές χρώμιο	el
dc.subject	Προσρόφηση	el
dc.subject	Οφιολιθικό έδαφος	el
dc.subject	Νιτρικά ιόντα	el
dc.subject	Φωσφορικά ιόντα	el
dc.subject	Exavalent chromium	en
dc.subject	Adsorption	el
dc.subject	Ophiolitic sediments	el
dc.subject	Phosphates	el
dc.subject	Nitrates	el
dc.title	Πειραματική διερεύνηση και μαθηματική προσομοίωση της προσρόφησης εξασθενούς χρωμίου και ανόργανων ιόντων σε οφιολιθικό έδαφος	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/6a0e532144f802fa3e280f05bdedf310e933fe42
heal.dateAvailable	2019-03-14T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-23
heal.abstract	Η ρύπανση των υπόγειων υδάτων από βαρέα μέταλλα και ανόργανες ουσίες είναι ένα από τα κρισιμότερα περιβαλλοντικά προβλήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι σύγχρονες κοινωνίες. Το χρώμιο είναι ένα μέταλλο, η εμφάνιση του οποίου στα υπόγεια νερά μπορεί να είναι, είτε γηγενούς προέλευσης, λόγω υπερβασικών πετρωμάτων και οφιολιθικών συμπλεγμάτων, είτε ανθρωπογενούς προέλευσης, λόγω εκτενούς χρήσης του στη βιομηχανία. Οι κυριότερες μορφές εμφάνισης του χρωμίου στο γεωπεριβάλλον είναι η τρισθενής Cr(III) και η εξασθενής Cr(VI). Ενώ το Cr(III) είναι απαραίτητο για τον ανθρώπινο οργανισμό, το Cr(VI) έχει χαρακτηριστεί ως πιθανό καρκινογόνο και δυνητικός ρυπαντής, τόσο του εδάφους, όσο και των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων. Ο φώσφορος και το άζωτο απαντώνται συχνά στη φύση σε χαμηλές, όμως, συγκεντρώσεις. Η ρύπανση των υδάτινων σωμάτων με φωσφορικά και νιτρικά προκύπτει από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, όπως η αλόγιστη χρήση χημικών ουσιών και λιπασμάτων στις αγροτικές εκτάσεις και η ανεξέλεγκτη απόρριψη αστικών, κτηνοτροφικών και βιομηχανικών αποβλήτων. Στην παρούσα εργασία γίνεται προσπάθεια διερεύνησης της διεργασίας της προσρόφησης των παραπάνω ρύπων, δηλαδή του εξασθενούς χρωμίου, των φωσφορικών και των νιτρικών ιόντων, σε οφιολιθικό έδαφος. Η προσρόφηση είναι μία διεργασία ικανή να επηρεάσει την κινητικότητα και, άρα, τη συγκέντρωση των ρύπων στο γεωπεριβάλλον. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η προσροφητική ικανότητα οφιολιθικού εδάφους ως προς το εξασθενές χρώμιο και τα φωσφορικά και νιτρικά ιόντα, μέσω πειραμάτων διαλείποντος έργου, στα οποία διερευνήθηκε η επίδραση του pH και της ιοντικής ισχύος του υδατικού μέσου, καθώς και η παρουσία φωσφορικών και νιτρικών ιόντων. Επιπλέον, προσομοιώθηκε η διεργασία της προσρόφησης μέσω μοντέλων επιφανειακής συμπλοκοποίησης, χρησιμοποιώντας το λογισμικό Visual MINTEQ και τα μοντέλα Triple Layer Model (TLM), Diffuse Layer Model (DLM) και Constant Capacitance Model (CCM). Η βαθμονόμηση των τριών εξεταζόμενων μοντέλων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας, τόσο πειραματικά, όσο και βιβλιογραφικά δεδομένα. Από την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε πως η αύξηση της τιμής του pH προκαλεί μείωση της προσρόφησης του Cr(VI), των φωσφορικών και των νιτρικών στο έδαφος. Η απομάκρυνση του Cr(VI) από την υδατική φάση δεν είναι απολύτως αντιστρεπτή, λόγω της αναγωγής του Cr(VI) σε Cr(III) από το δισθενή σίδηρο και της δημιουργίας συμπλόκων εσωτερικής στοιβάδας (inner-sphere) κατά την προσρόφηση, η οποία αποτελείται από ισχυρούς ιοντικούς ή/και ομοιοπολικούς δεσμούς. Η αύξηση της ιοντικής ισχύος του διαλύματος επιφέρει μείωση στην προσρόφηση του Cr(VI), συμπεραίνοντας πως ο κυρίαρχος μηχανισμός προσρόφησης του Cr(VI) είναι η συμπλοκοποίηση στην εξωτερική στοιβάδα (outer-sphere), η οποία περιλαμβάνει ασθενείς ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, παρά η inner-sphere συμπλοκοποίηση. Η επίδραση της παρουσίας του Cr(VI) στην προσρόφηση των φωσφορικών προέκυψε σχεδόν αμελητέα, λόγω της αρκετά υψηλότερης συγκέντρωσης φωσφορικών ιόντων (8 ppm) έναντι των χρωμικών (250 ppb) που χρησιμοποιήθηκε, και λόγω του ότι τα PO43- προσροφώνται με inner-sphere συμπλοκοποίηση, ενώ τα CrO42- με inner-sphere και outer-sphere ταυτόχρονα. Αντιστρόφως, για τους ίδιους λόγους η παρουσία των φωσφορικών μείωσε σημαντικά την προσρόφηση του Cr(VI) στο έδαφος. Αυτό οφείλεται στον ανταγωνισμό μεταξύ χρωμικών και φωσφορικών ιόντων για τις διαθέσιμες επιφανειακές λειτουργικές ομάδες του εδάφους, καθώς και στο ότι η προσρόφηση των PO43- μειώνει το θετικό δυναμικό της επιφάνειας, άρα και την ηλεκτροστατική έλξη ανάμεσα στην επιφάνεια και τα ανιόντα CrO42-. Η επίδραση της παρουσίας του Cr(VI) στην προσρόφηση των νιτρικών διαπιστώθηκε σχεδόν αμελητέα. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην αρκετά μεγαλύτερη συγκέντρωση ΝO3- (5 ή 50 ppm) έναντι των χρωμικών (250 ppb) που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και στην ήδη χαμηλή προσρόφηση των ΝO3-, ακόμη και χωρίς την παρουσία του Cr(VI). Από την άλλη, η παρουσία των νιτρικών, ανεξαρτήτως συγκέντρωσης, δεν επηρεάζει την προσρόφηση του Cr(VI), παρά την ανταγωνιστική τους δράση για τις διαθέσιμες επιφανειακές λειτουργικές ομάδες. Αυτό οφείλεται στο ότι το Cr(VI) προσροφάται πιο ισχυρά από τα ΝΟ3-, σχηματίζοντας και inner-sphere σύμπλοκα, ενώ τα ΝΟ3- μόνο ασθενή outer-sphere σύμπλοκα, καθώς και στην προτίμηση του εδάφους για προσρόφηση ιόντων μεγαλύτερου σθένους από τα μονοσθενή, Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της μαθηματικής προσομοίωσης, προέκυψε πως το Triple Layer Model επιτυγχάνει ικανοποιητική περιγραφή της διεργασίας της προσρόφησης του Cr(VI), των φωσφορικών και των νιτρικών, καθώς και την επίδραση του pH, της ιοντικής ισχύος και της ανταγωνιστικής παρουσίας ιόντων, θεωρώντας τα άμορφα οξείδια σιδήρου και αργιλίου του εδάφους ως κύριους προσροφητές. Τόσο το bidentate, όσο και το monodentate μοντέλο ως προς τη θεώρηση των σχηματιζόμενων συμπλόκων των χρωμικών, περιγράφουν εξίσου ικανοποιητικά την προσρόφηση του Cr(VI) και του ανταγωνισμού με τα φωσφορικά και νιτρικά στο έδαφος. Το Diffuse Layer Model και το Constant Capacitance Model δεν ήταν ικανά να προσομοιώσουν την επίδραση του pH και της ιοντικής ισχύος στην προσρόφηση του Cr(VI), ούτε τη διεργασία της προσρόφησης των φωσφορικών και των νιτρικών ιόντων σε οφιολιθικό έδαφος.	el
heal.abstract	Groundwater contamination by heavy metals and inorganic pollutants is one of the major environmental considerations faced by contemporary society. Chromium (Cr) is a metal whose presence in groundwater can be either of geogenic or anthropogenic origin. The presence of geogenic chromium is attributed to geological background, such as ultrabasic rocks and ophiolitic complexes. Regarding anthropogenic origin, chromium is widely used in industrial activities, mainly in metallurgy and production of refractory and chemical products. Although the trivalent state Cr(III) is the predominant state of chromium in the geoenvironment, in groundwater it exists mainly as Cr(VI). While Cr(III) is a necessary nutrient for human health, Cr(VI) has been classified as possibly carcinogenic and as a potential contaminant for both soils and groundwater. Phosphorous and nitrogen occur naturally in soil and water, but generally in very low concentrations. The intense presence of these inorganic contaminants in groundwater is a result of anthropogenic activities, such as agricultural activities and uncontrolled waste disposal. After the release of the pollutants in the geoenvironment several processes are likely to occur and affect their transport. Adsorption is one of the main processes able to retard their transport. This master thesis aims at determining the adsorption efficiency of ophiolitic soil towards Cr(VI), phosphates and nitrates. Batch experiments were performed in order to investigate the effect of pH, ionic strength of the aqueous medium and the presence of inorganic ions, on the adsorption. Furthermore, adsorption modeling of the aforementioned contaminants was performed using Visual MINTEQ software. The surface complexation models selected for simulating the experimental results were the Triple Layer Model (TLM), the Diffuse Layer Model (DLM) and the Constant Capacitance Model (CCM). According to the results of this study, the adsorption efficiency of Cr(VI), phosphates and nitrates on soil decreased by increasing the pH. The removal of Cr(VI) from the aqueous phase was not completely reversible, due to the reduction of Cr(VI) to Cr(III) by divalent iron and the formation of inner-sphere surface complexes to the inner plane. Cr(VI) adsorption decreased by increasing the ionic strength of the solution, meaning the predominant adsorption mechanism is the formation of outer-sphere surface complexes to the outer plane. The presence of Cr(VI) did not affect the decreasing trend of phosphates adsorption by increasing the pH, due to the higher concentration of phosphates used (8 ppm) contrary to chromates (250 ppb), and the fact that PO43- form solely strong inner-sphere complexes, whereas CrO42- form both inner-sphere and outer-sphere complexes. Conversely, the presence of phosphates decreased significantly the Cr(VI) adsorption on soil. Possible reasons for this decrease are the competition of the two anions for the limited adsorption sites, and the decrease of the surface charge due to the adsorption of the anions on the surface which decrease further the electrostatic interactions between the solid surface and the anions. The addition of Cr(VI) in the solution did not affect the decreasing trend of nitrates adsorption with increasing pH, on account of the higher concentration of nitrates used (either 5 ppm or 50 ppm) contrary to chromates (250 ppb), and the fact that NO3- adsorption is very low even in the absence of Cr(VI). In contrast, the presence of NO3-, regardless of their concentration, did not affect Cr(VI) adsorption, despite their competition for the available surface functional groups. This phenomenon is attributed to the stronger affinity of soil for divalent ions (CrO42-) instead of monovalent ions (NO3-) and the fact that nitrates form solely weak outer-sphere complexes, whereas chromates form both inner-sphere and outer-sphere complexes. Triple Layer Model accomplished very good simulation of the experimental data of the tested contaminants, Cr(VI), phosphates and nitrates. TLM also managed to predict the effect of pH, ionic strength of the aqueous medium and the presence of inorganic competitive ions, on the adsorption on soil, by considering amorphous iron and aluminum oxides to be the major adsorbents for such contaminants. Both bidentate and monodentate models, regarding surface complexes formed by chromates, verified the experimental results. Diffuse Layer Model and Constant Capacitance Model were not capable of simulating the effect of pH and ionic strength on Cr(VI) adsorption and neither the process of phosphates or nitrates adsorption on ophiolitic sediments, since they did not succeed in verifying the experimental data.	en
heal.advisorName	Δερματάς, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Δερματάς, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	187 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true