Εφαρμογή νανοσωλήνων άνθρακα για την απορρύπανση υπόγειου νερού και την επεξεργασία υγρών αποβλήτων

Πολύδερα, Αγγελική; Polydera, Angeliki

dc.contributor.author	Πολύδερα, Αγγελική	el
dc.contributor.author	Polydera, Angeliki	en
dc.date.accessioned	2018-09-13T09:16:42Z
dc.date.available	2018-09-13T09:16:42Z
dc.date.issued	2018-09-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47577
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8300
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	Νανοσωλήνες άνθρακα	el
dc.subject	Υπόγειο νερό	el
dc.subject	Υγρά απόβλητα	el
dc.subject	Βαρέα μέταλλα	el
dc.subject	Εξασθενές χρώμιο	el
dc.subject	Προσρόφηση	el
dc.subject	Carbon nanotubes	en
dc.subject	Groundwater	el
dc.subject	Wastewater	el
dc.subject	Heavy metals	el
dc.subject	Hexavalent chromium	el
dc.subject	Adsorption	el
dc.title	Εφαρμογή νανοσωλήνων άνθρακα για την απορρύπανση υπόγειου νερού και την επεξεργασία υγρών αποβλήτων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/90f42a31eb7ca90cefd62816cbbccc43d69f5b61
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06-25
heal.abstract	Η προστασία των υδάτων αποτελεί βασικό μέλημα των σύγχρονων κοινωνιών, καθώς η ρύπανσή τους λαμβάνει διαστάσεις μεγαλύτερες από ποτέ. Τα βαρέα μέταλλα, όπως το χρώμιο, το σελήνιο και το κοβάλτιο, αποτελούν πολύ επικίνδυνους ρυπαντές και θέτουν τη δημόσια υγεία σε κίνδυνο. Το χρώμιο βρίσκεται συνήθως με την τρισθενή ή την εξασθενή μορφή του στα υπόγεια νερά και στα υγρά απόβλητα. Παρόλο που το τρισθενές χρώμιο (Cr(III)) σε μικρές ποσότητες αποτελεί απαραίτητο συστατικό για τον ανθρώπινο οργανισμό, το εξασθενές χρώμιο (Cr(VI)) έχει χαρακτηρισθεί καρκινογόνο και σχετίζεται με σοβαρά προβλήματα υγείας. Το σελήνιο αποτελεί σημαντικό θρεπτικό συστατικό που βοηθάει τον οργανισμό ενάντια στο οξειδωτικό στρες, αλλά σε μεγάλες συγκεντρώσεις είναι επικίνδυνο για το περιβάλλον, αφού θεωρείται τοξικό και μεταλλαξιογόνο. Κυρίως εντοπίζεται ως τετρασθενές (Se(IV)) ή εξασθενές (Se(VI)) στα υδατικά μέσα, με την τετρασθενή μορφή να είναι πιο τοξική. Τέλος, το κοβάλτιο αποτελεί βασικό συστατικό της κοβαλαμίνης (βιταμίνης Β12), οπότε και είναι απαραίτητο σε ανθρώπους και ζώα, όμως υπερβολική πρόσληψη κοβαλτίου έχει δυσάρεστες επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό (πχ πολυκυτταραιμία). Παρά το γεγονός ότι τα βαρέα μέταλλα μπορούν να εμφανιστούν στο υδάτινο περιβάλλον ως αποτέλεσμα γηγενών διεργασιών (πχ οξείδωση τρισθενούς χρωμίου που φιλοξενείται σε πετρώματα), η προέλευσή τους είναι κυρίως ανθρωπογενής και οφείλεται ως επί το πλείστον σε βιομηχανικές δραστηριότητες. Η τοξικότητα των βαρέων μετάλλων καθιστά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων πριν την διάθεσή τους σε κάποιον υδάτινο αποδέκτη και την απορρύπανση του υπόγειου νερού ενέργειες υψίστης σημασίας. Κατά καιρούς, έχουν εφαρμοσθεί διάφορες τεχνικές για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από ρυπασμένο νερό, όπως η αναγωγή, η ιοντοανταλλαγή, η χημική κατακρήμνιση, ο διαχωρισμός με μεβράνες, η προσρόφηση, η βιοαναγωγή, η βιορόφηση και η βιοσυσσώρευση. Η προσρόφηση αποτελεί μία πολύ ελκυστική μέθοδο εξαιτίας των πλεονεκτημάτων της, όπως το χαμηλό λειτουργικό κόστος, η ευκολία λειτουργίας και η αποδοτικότητά της. Η επιλογή του κατάλληλου προσροφητικού υλικού είναι πολύ σημαντική, μιας και πρόσφατα αποδείχθηκε ότι η απόδοση της προσρόφησης μπορεί να αυξηθεί με τη χρήση νανο-υλικών. Οι νανοσωλήνες άνθρακα διαθέτουν μοναδικές ιδιότητες όπως μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και ταχύτερη κινητική και, επίσης, υπάρχει η δυνατότητα αναγέννησής τους και επαναχρησιμοποίησής τους. Στην παρούσα εργασία διερευνάται η προσροφητική ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα σε βαρέα μέταλλα, με απώτερο σκοπό την εφαρμογή τους στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων και στην απορρύπανση υπόγειου νερού. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός των νανοσωλήνων άνθρακα με σκοπό την κατανόηση των ιδιοτήτων τους. Έπειτα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου και πειράματα στήλης εξετάζοντας τρεις διαφορετικές περιπτώσεις εφαρμογών (σενάρια Α, Β και Γ). Στο Σενάριο Α εξετάστηκε η εφαρμογή νανοσωλήνων άνθρακα για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου, κοβαλτίου και σεληνίου από υγρά απόβλητα. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου μέσω των οποίων μελετήθηκε η απόδοση του εξεταζόμενου υλικού σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες (pH, αρχική συγκέντρωση ρύπου, χρόνος επαφής, συγκέντρωση, προσροφητή, ανταγωνιστική προσρόφηση, εκρόφηση), ενώ ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στο εξασθενές χρώμιο. Στο Σενάριο Β χρησιμοποιήθηκαν νανοσωλήνες άνθρακα για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου από ρυπασμένο υπόγειο νερό στην περιοχή των Οινοφύτων. Το υπόγειο νερό που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα λήφθηκε από γεώτρηση στην περιοχή και παρουσίαζε μεγάλη συγκέντρωση εξασθενούς χρωμίου (11 mg/L). Σε πρώτη φάση πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου από τα οποία εξήχθηκαν χρήσιμες πληροφορίες για την προσροφητική ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα με τα δεδομένα του συγκεκριμένου σεναρίου. Με βάση αυτές τις πληροφορίες ακολούθησε η διεξαγωγή πειραμάτων στήλης, ώστε να διερευνηθεί η δυνατότητα εφαρμογής του υλικού σε μεγαλύτερη κλίμακα. Επίσης, εξετάσθηκε η εκρόφηση του προσροφημένου ρύπου (με πειράματα στήλης και διαλείποντος έργου) για τη διερεύνηση της αντιστρεψιμότητας της διαδικασίας και τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης του υλικού, γεγονός που μπορεί να υποδείξει αν πρόκειται για μια οικονομικά συμφέρουσα επιλογή. Στο Σενάριο Γ διερευνάται η εφαρμογή νανοσωλήνων άνθρακα για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου γηγενούς προέλευσης. Το νερό που χρησιμοποιήθηκε ήταν συνθετικό με μικρή συγκέντρωση ρύπου (250 μg/L), προσομοιάζοντας το φυσικό υπόγειο νερό που περιέχει εξασθενές χρώμιο γηγενούς προέλευσης. Τα πειράματα που διεξάχθηκαν στο σενάριο αυτό ήταν ως επί το πλείστον ίδια με αυτά του Σεναρίου Β για λόγους σύγκρισης. Σε γενικές γραμμές, η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων και των τριών σεναρίων έδειξε ότι οι εξεταζόμενοι νανοσωλήνες άνθρακα σημείωσαν υψηλά ποσοστά προσρόφησης, ανάλογα βέβαια και με τις εκάστοτε πειραματικές συνθήκες (pH, αρχική συγκέντρωση ρύπου και συγκέντρωση προσροφητή). Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με τη γρήγορη κινητική που παρουσίασαν τους καθιστά ένα πολλά υποσχόμενο προσροφητικό υλικό για την εφαρμογή τους σε μεγάλη κλίμακα. Πιο συγκεκριμένα για το εξασθενές χρώμιο, φάνηκε ότι η σημαντικότερη παράμετρος στην προσρόφησή του ήταν το pH, αφού σε κάθε περίπτωση σημειώθηκε πλήρης απομάκρυνση για pH μικρότερο από το σημείο μηδενικού φορτίου (pHPZC). Έπειτα, η εφαρμογή στηλών προσρόφησης εξασθενούς χρωμίου αποδείχθηκε πιο αποτελεσματική για ρυπασμένα ύδατα με χαμηλές τιμές pH και χαμηλών τιμών συγκέντρωσης ρύπου. Τέλος, από τα πειράματα εκρόφησης με τους χρησιμοποιημένους νανοσωλήνες άνθρακα (σενάρια Β και Γ) παρατηρήθηκε ότι μόνο ένα μικρό ποσοστό του προσροφημένου εξασθενούς χρωμίου επέστρεψε στην υδατική φάση και σε καμία περίπτωση το ποσοστό αυτό δεν ξεπερνούσε το 25%. Συνεπώς, η απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου δεν είναι πλήρως αντιστρεπτή, γεγονός που μπορεί να οφείλεται στην αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές από τις λειτουργικές ομάδες που βρίσκονται στην επιφάνεια του προσροφητή ή από τον καταλύτη που παρέμεινε στο υλικό κατά την διαδικασία παραγωγής του. Επίσης, σε ένα μικρό ποσοστό ενδέχεται να συμβάλλει και το φαινόμενο της χημικής ρόφησης. Περεταίρω διερεύνηση του ζητήματος θα μπορέσει να δώσει μία πιο σαφή εικόνα για την εφαρμογή των νανοσωλήνων άνθρακα στην απορρύπανση νερού σε πλήρη κλίμακα.	el
heal.abstract	Water contamination is one of the most important environmental issues and, as a result, the protection of water resources has received considerable attention in recent years. Heavy metals, such as chromium, selenium and cobalt, are very dangerous pollutants able to put public health at risk. Chromium is usually found in the trivalent (Cr(III)) or hexavalent (Cr(VI)) state in groundwater and wastewater. Despite the fact that trivalent chromium is an indispensable element for the human beings, hexavalent chromium is reported to act as carcinogenic agent and cause serious health problems. Regarding selenium, it is an essential nutrient with a major role against oxidative stress, but in high concentrations is considered a dangerous pollutant for the environment, since it can cause toxic and mutagenic effects on animals and humans. In aqueous media selenium is mostly found in two oxidation states, as selenite (Se(IV)) and selenate (Se(VI)). Selenite is thought to be more toxic than selenate. As far as cobalt is concerned, it is a key constituent of cobalamin (vitamin B12), but high cobalt levels have been reported to harm human health (e.g. causing polycythaemia). In general, heavy metals are found in water due to anthropogenic pollution (e.g. from industrial waste), even though sometimes their origin can be geogenic. The harmful effects that heavy metals can cause to humans make clear that the treatment of wastewater and decontamination of groundwater are of vital importance nowadays. Various treatment techniques have been adopted for heavy metals removal from water so far. Among these methods, adsorption seems to be a very attracting solution due to its low cost, operation simplicity and effectiveness. The performance of adsorption becomes even better when nanomaterial-based adsorbents are used. For instance, carbon nanotubes (CNTs) have unique characteristics, such as larger specific area, faster kinetics and higher reactivity. Also, CNTs can be easily regenerated and reused. The present study investigates the removal of heavy metals (chromium, selenium and cobalt) from wastewater and groundwater using multi-walled carbon nanotubes. Firstly, the morphological and structural characteristics of the used adsorbent were studied. Then, batch and column experiments were conducted for three different cases (Scenario A, Scenario B and Scenario C). More specifically, in Scenario A carbon nanotubes were used for the removal of hexavalent chromium, cobalt and selenium from synthetic wastewater. Batch experiments were carried out for the evaluation of the adsorbent’s efficiency under different experimental conditions (pH, initial concentration of the pollutant, contact time, concentration of the adsorbent, competitive adsorption, desorption). Also, adsorption of hexavalent chromium was studied in more detail. In Scenario B, the adsorption capacity of carbon nanotubes was determined using groundwater sampled from Inofyta area, which is a heavily contaminated area in Asopos river basin, Greece. The initial concentration of hexavalent chromium in groundwater was equal to 11 mg/L. Firstly, batch experiments were used in order to investigate the effect of pH, concentration of the adsorbent and contact time on the sorption process. Based on the information gained from the aforementioned batch experiments, column experiments were carried out so as to investigate their possible application in large scale operation. Afterwards, hexavalent chromium desorption from the used nanotubes was tested in order to check the reversibility of the process and estimate the potential reusability of the nanomaterial. Scenario C deals with the application of carbon nanotubes for the removal of hexavalent chromium which exists in groundwater due to geogenic factors. For this reason, synthetic water of 250 μg/L hexavalent chromium was used. The experiments conducted in this Scenario were almost the same as the experiments in Scenario B for comparison reasons. According to the results, the tested carbon nanotubes showed high adsorption capacity depending on the experimental conditions (pH, initial concentration of the pollutant, concentration of the adsorbent). The short contact time for the system to reach equilibrium further supports the application of carbon nanotubes as effective adsorbents in large scale operation. Regarding hexavalent chromium, pH seemed to be the most crucial factor on adsorption since total removal was achieved for pH values lower than pHPZC in all cases tested. Also, when performing column experiments, the lower the values of pH and initial concentration of chromium, the better the results of adsorption efficiency. Finally, desorption experiments in Scenario B and Scenario C showed that only a small percentage (<25%) of the adsorbed chromium returned to the aqueous solution which means that the removal of chromium is only partially reversible. This phenomenon is possibly due to reduction of hexavalent chromium to its trivalent state, because of the presence of functional groups on the surface of nanotubes or the presence of the catalyst that remained in the nanomaterial during its production process. In conclusion, more investigation is indispensable for the application of carbon nanotubes in large scale water treatment applications.	en
heal.advisorName	Δερματάς, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Δερματάς, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	155 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true