Επίδραση του μεγέθους σωματιδίων των ασβεστολιθικών συστατικών του εδάφους στο ενεργό δυναμικό εξουδετέρωσης και στη διεισδυτικότητα αιωρημάτων νανοσιδήρου

Ντρούκα, Αφροδίτη; Ntrouka, Afroditi

dc.contributor.author	Ντρούκα, Αφροδίτη	el
dc.contributor.author	Ntrouka, Afroditi	en
dc.date.accessioned	2019-06-25T09:56:14Z
dc.date.available	2019-06-25T09:56:14Z
dc.date.issued	2019-06-25
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48910
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16680
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Νανοσίδηρος	el
dc.subject	Πράσινο τσάι	el
dc.subject	Δοκιμές σε στήλες	el
dc.subject	Διεισδυτικότητα	el
dc.subject	Ασβεστόλιθος	el
dc.subject	Nano zero valent iron	en
dc.subject	Green tea	el
dc.subject	Column tests	el
dc.subject	Transport	el
dc.subject	Limestone	el
dc.title	Επίδραση του μεγέθους σωματιδίων των ασβεστολιθικών συστατικών του εδάφους στο ενεργό δυναμικό εξουδετέρωσης και στη διεισδυτικότητα αιωρημάτων νανοσιδήρου	el
dc.title	The effect of particle size of limestone components in active neutralizing potential and in mobility of nanoiron suspension	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η διερεύνηση των επιπτώσεων της κοκκομετρίας των ασβεστολιθικών συστατικών του εδάφους στην διεισδυτικότητα αιωρήματος νανοσιδήρου (nZVI) παρασκευασμένου με εκχύλισμα πράσινου τσαγιού (GT).	el
heal.classification	Αποκατάσταση περιβάλλοντος	el
heal.classification	Nanotechnology	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/6a0e532144f802fa3e280f05bdedf310e933fe42
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C02659
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-03-15
heal.abstract	Ο μεταλλικός σίδηρος σε νανοκλίμακα (nZVI) έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως τις τελευταίες δεκαετίες για την αποκατάσταση ενός μεγάλου αριθμού οργανικών και ανόργανων ρύπων. Λόγω της μεγάλης ειδικής επιφάνεια τους, τα σωματίδια nZVI μπορεί να είναι 10-1000 φορές πιο δραστικά, σε σύγκριση με τους κόκκους ή με τα σωματίδια ZVI σε μικροκλίμακα. Εκτός από την υψηλή δραστικότητα τους, τα νανοσωματίδια μπορούν να εγχυθούν εντός του υδροφόρου ορίζοντα ως κολλοειδή αιωρήματα. Η επί τόπου έγχυση nZVI έχει εφαρμοσθεί σε πολλές περιπτώσεις για την αποκατάσταση ρυπασμένων υπόγειων υδάτων. Ωστόσο, η διεισδυτικότητα του αιωρήματος nZVI είναι περιορισμένη εξαιτίας της ταχείας συσσωμάτωσης και της οξείδωσης του nZV. Προηγούμενες μελέτες, οι οποίες περιλάμβαναν σύνθεση nZVI με εκχύλισμα πράσινου τσαγιού (Green Tea, GT), έδειξαν ότι το αιώρημα που προκύπτει (GT-nZVI), διατηρεί την σταθερότητα και δραστικότητά του επί μακρό χρονικό διάστημα, αλλά η διεισδυτικότητά του επηρεάζεται σημαντικά από τα γεωχημικά χαρακτηριστικά του εδαφικού υλικού και κυρίως από την παρουσία συστατικών με υψηλό δυναμικό εξουδετέρωσης, όπως ο ασβεστίτης. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η διερεύνηση των επιπτώσεων της κοκκομετρίας των ασβεστολιθικών συστατικών του εδάφους στην διεισδυτικότητα αιωρήματος nZVI παρασκευασμένου με εκχύλισμα πράσινου τσαγιού (GT). Για να αξιολογηθεί η μεταφορά του αιωρήματος GT-nZVI σε πορώδη μέσα εκτελέστηκαν κινητικές δοκιμές διεισδυτικότητας του αιωρήματος σε στήλες. Τα πορώδη υλικά που επιλέχθηκαν είναι χαλαζιακή άμμος με μέγεθος σωματιδίων 0,1-0,4 mm και κοινή ασβεστολιθική άμμου, με μέγεθος σωματιδίων <4 mm. Η ασβεστολιθική άμμος διαχωρίστηκε σε 6 κοκκομετρικά κλάσματα. Η επίπτωση του μεγέθους σωματιδίων των διάφορων κοκκομετρικών κλασμάτων στο ολικό και ενεργό δυναμικό εξουδετέρωσης της ασβεστολιθικής άμμου προσδιορίστηκε με δοκιμές απλής ανάμιξης για λειοτριβημένα και μη λειοτριβημένα δείγματα. Η επίδραση της κοκκομετρίας στην διεισδυτικότητα του nZVI μελετήθηκε με δοκιμές σε στήλες. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πέντε δοκιμές σε στήλες ώστε να προσδιοριστεί η κινητικότητα του GT-nZVI σε ασβεστολιθικό πορώδες υλικό. Η μία στήλη, η οποία χρησιμεύει ως στήλη αναφοράς, πληρώθηκε μόνο με χαλαζιακή άμμο, υλικό πλήρως αδρανές και χωρίς δυναμικό εξουδετέρωσης. Στις άλλες τέσσερις στήλες χρησιμοποιήθηκε μίγμα χαλαζιακής και ασβεστολιθικής άμμου σε αναλογία 50% κ.β. Στα δείγματα που λαμβάνονταν από την έξοδο των στηλών προσδιορίστηκε το pH, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό, ORP, ο ολικός σίδηρος Fe(tot) και ο στοιχειακός σίδηρος Fe(0). Μετά το πέρας της διέλευσης του αιωρήματος GT-nZVI στις στήλες, το εδαφικό υλικό κάθε στήλης διαιρέθηκε σε πέντε κάθετες τομές, και υποβλήθηκε σε λεπτομερείς χημικές αναλύσεις. Στα εδαφικά δείγματα των τομών προσδιορίσθηκε το pH, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό, καθώς και οι συγκεντρώσεις ολικού σιδήρου. Το ολικό δυναμικό εξουδετέρωσης, NPtot, είχε τιμές που ήταν περίπου 10 mol CaCO3/kg σχεδόν σε όλα τα κοκκομετρικά κλάσματα, τιμή που είναι ίση με την θεωρητική τιμή του καθαρού CaCO3. Η μέτρηση του ολικού δυναμικού εξουδετέρωσης στα μη λειοτριβημένα δείγματα των κοκκομετρικών κλασμάτων έδειξε ότι υπάρχει μικρή σχετικά επίπτωση του μεγέθους σωματιδίων στην τιμή του NPtot, όπως αυτό προσδιορίζεται με την πρότυπη μέθοδο. Το «ενεργό» δυναμικό εξουδετέρωσης, NPact, το οποίο προσδιορίστηκε με βάση την ικανότητα των σωματιδίων της ασβεστολιθικής άμμου να εξουδετερώνουν την οξύτητα του αιωρήματος GT-nZVI, παρουσιάζει πολύ μεγάλη διαφοροποίηση συναρτήσει του μεγέθους των κόκκων. Η μείωση της δραστικότητας των κόκκων ασβεστολίθου, όταν αυξάνεται το μέγεθός τους, μπορεί να αποδοθεί στο γεγονός ότι κατά την εξουδετέρωση του GT-nZVI καταβυθίζεται υδροξείδιο του τρισθενούς σιδήρου Fe(OH)3 το οποίο καλύπτει την επιφάνεια των κόκκων και αναστέλλει την δράση τους. Η μεταφορά του αιωρήματος GT-nZVI μέσω ασβεστολιθικού εδάφους συσχετίζεται κατά κύριο λόγο με την πρόοδο των αντιδράσεων εξουδετέρωσης μεταξύ του όξινου αιωρήματος GT-nZVI και του ασβεστίτη του εδάφους. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσφορά αλκαλικότητας από τα σωματίδια με μικρότερο μέγεθος είναι 3,5 φορές υψηλότερη σε σύγκριση με τα μεγαλύτερα σωματίδια. Σε όλες όμως τις περιπτώσεις καταναλώθηκε πολύ μικρό ποσοστό της διαθέσιμης αλκαλικότητας, το οποίο δεν ξεπέρασε το 4% του ολικού NPtot. Η μεταφορά του αιωρήματος GT-nZVI μέσω της στήλης με χαλαζιακή άμμο, διαπιστώθηκε ότι μπορεί να περιγραφεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας την κλασική εξίσωση μονοδιάστατης ροής συναγωγής-διασποράς (Convection-Dispersion Equation, CDE), σε συνδυασμό με τη θεωρία διήθησης των κολλοειδών (CFT). Η χαλαζιακή άμμος είναι σε θέση να συγκρατήσει με απλούς μηχανισμούς διήθησης μία ποσότητα αιωρήματος nZVI. Οι ιδιότητες μεταφοράς του GT-nZVI είναι εντελώς διαφορετικές στις στήλες με το μίγμα ασβεστολιθικής – χαλαζιακής άμμου, λόγω της παρουσίας ασβεστίτη. Ο ασβεστίτης του εδάφους εξουδετερώνει το όξινο αιώρημα GT-nZVI και προκαλεί την καταβύθιση του υδατικού Fe(III) υπό την μορφή υδροξειδίων του σιδήρου, Fe(OH)3. Τα νανοσωματίδια σιδήρου συγκρατούνται στα στερεά Fe(OH)3 και έτσι απομακρύνονται από την υδατική φάση. Υπολογίστηκε ότι εάν το αιώρημα GΤ-nZVI αφεθεί να εισχωρήσει με τη φυσική ταχύτητα των υπόγειων νερών, η οποία είναι συνήθως μικρότερη του 1 m/d, τότε η μέγιστη απόσταση που μπορεί να διανύσει ο νανοσίδηρος δεν υπερβαίνει τα 17 cm στην περίπτωση του χαλαζία και τα 10 cm στην περίπτωση της ασβεστολιθικής άμμου. Εάν όμως η εισπίεση του αιωρήματος GΤ-nZVI πραγματοποιηθεί με υψηλά σχετική ταχύτητα 20m/d, τότε τα σωματίδια νανοσιδήρου μπορούν να διεισδύσουν σε ακτινική απόσταση μέχρι 3,4 m από την γεώτρηση έγχυσης, εάν το υλικό έχει παρόμοιες ιδιότητες παραπλήσιες με αυτής της χαλαζιακής άμμου και περίπου 1,8 m εάν έχει παρόμοιες ιδιότητες με τα κοκκομετρικά κλάσματα της ασβεστολιθικής άμμου που εξετάσθηκαν.	el
heal.abstract	Nano zero valent iron (nZVI) has been widely used the last decades for the removal of a wide spectrum of contaminants, both organic and inorganic. The large specific surface area of iron nanoparticles enables them to be 10 -1000 times more active in comparison with granular iron or particles in microscale. In addition to their high reactivity, nanoparticles can be injected in the aquifers as a colloid suspension. The insitu injection of nZVI has been applied in many cases for the remediation of contaminated groundwater. However, the penetrance of the nZVI suspension is limited due to the rapid agglomeration and oxidation of nZV. In previous studies, synthesizing nZVI suspension with green tea extract (Green Tea, GT), showed that the resulting suspension (GT-nZVI), maintain the stability and reactivity for a long time, but its mobility is strongly influenced by geochemical characteristics of soil material and especially by the presence of components with high neutralization potential as calcite. This paper focuses on investigating how the particle size of the limestone components affects the mobility of nano-iron synthesized with green tea extract (GT- nZVI). In order to evaluate the transport behavior of GT-nZVI suspension in porous media were carried out mobility tests for the penetration of suspension in column experiments. The porous materials which were selected for the experiments is silica sand with grane size 0.1-0.4 mm and commercial limestone sand with grain size less than 4mm. The limestone sand was separated in 6 particle fractions. The effect of different particle fractions in the total and “active” neutralizing potential were determined by simple mixing tests for ground and non-ground samples. The influence of porous media on the penetration of GT-nZVI suspension was evaluated by conducting columns tests. Five column experiments were carried out to evaluate the mobility of GT-nZVI suspension in contact with limestone porous material. One column was used as a reference column and was filled only with quartz sand, a completely inert material without neutralizing potential. In the other four columns a mixture of limestone and quartz sand in a ratio of 50 wt% was used. Column effluents were collected and analyzed for pH, redox potential (ORP), total iron Fe (tot), and elemental iron Fe (0). After the completion of GT-nZVI flow through the columns, the soil-sand mixture in each column was split in 5 vertical sections, which were subjected in detailed chemical analyses. Each section of the soil samples was determined by pH, redox potential and total iron concentrations. The total neutralization potential, NPtot, had values that were approximately equal to 10 mol CaCO3/kg in almost all particle fractions, a value equal to the theoretical neutralization potential of pure CaCO3. The measurement of total neutralization potential in the samples of granulometric fractions that have not been grounded showed a slight impact of the particle size on the NPtot value, as determined by the standard method. The "active" neutralizing potential, NPact, which was determined by the ability of the particles to neutralize the acidity of the suspension GT-nZVI, exhibits great variation depending on the particle size. The decrease of the activity of CaCO3 granules, when their size is increased, can be attributed to the fact that during the neutralization of the GT-nZVI, iron oxides Fe(OH)3 are precipitated which cover the surface of the granules and inhibits their activity. The transport of GT-nZVI suspension through limestone soil is primarily associated with the progress of the neutralization reactions between the GT-nZVI acid suspension and the soil calcite. The results indicate that the supply of alkalinity from the particles with a smaller size is 3.5 times higher compared to the larger particles. In all cases however, a very small percentage of the available alkalinity is consumed, which did not exceed 4% of the total NPtot. The transport of GT-nZVI suspension through the quartz sand column has been found to be effectively described using the convection-dispersion flow equation (CDE), in combination with the colloid filtration theory (CFT). Quartz sand is able to hold a quantity of nZVI suspension by simple filtration mechanisms. The GT-nZVI transport properties are completely different in the columns with limestone-quartz sand due to the presence of calcite. Soil calcite neutralizes the acidic GT-nZVI suspension resulting to the precipitation of aquatic Fe(III) in the form of Fe(OH)3. In addition, the ZVI nanoparticles tend to attach themselves to the solid Fe(OH)3 and, thus, be removed from the fluid phase. It was estimated that if the GT-nZVI suspension is allowed to penetrate with groundwater natural velocity, which is usually less than 1 m/d, then the maximum distance that the iron oxide can travel will not exceed 17 cm in the case of quartz and 10 cm in the case of limestone sand. However, if the injection of the GT-nZVI suspension is made with a relatively high velocity 20 m/d, then the nZVI particles can penetrate to a radial distance of up to 3.4 m from the injection well, if the soil material has properties similar to that of quartz sand, and about 1.8 m, if it has properties similar to the granular fractions of calcareous sand tested.	en
heal.advisorName	Ξενίδης, Άνθιμος	el
heal.committeeMemberName	Ξενίδης, Άνθιμος	el
heal.committeeMemberName	Παπασιώπη, Νυμφοδώρα	el
heal.committeeMemberName	Πασπαλιάρης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλουργίας και Τεχνολογίας Υλικών. Εργαστήριο Μεταλλουργίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.
heal.fullTextAvailability	true