Βελτιστοποίηση της απόδοσης συστήματος ενισχυμένου στοιχειακού νανοσιδήρου στην απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από τα λύματα σε συστήματα στηλών

Μπάρκα, Ευριδίκη-Μαρία; Barka, Evridiki-Maria

dc.contributor.author	Μπάρκα, Ευριδίκη-Μαρία	el
dc.contributor.author	Barka, Evridiki-Maria	en
dc.date.accessioned	2022-07-25T08:51:46Z
dc.date.available	2022-07-25T08:51:46Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55485
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23183
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	Οργανικοί μικρορύποι	el
dc.subject	Προχωρημένη επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	Στοιχειακός νανοσίδηρος	el
dc.subject	Πειράματα στηλών	el
dc.subject	Προχωρημένες διεργασίες οξείδωσης	el
dc.subject	Organic micropollutants	en
dc.subject	Advanced wastewater treatment	en
dc.subject	Nano zero valent iron	en
dc.subject	Column experiments	en
dc.subject	Advanced oxidation processes	en
dc.title	Βελτιστοποίηση της απόδοσης συστήματος ενισχυμένου στοιχειακού νανοσιδήρου στην απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από τα λύματα σε συστήματα στηλών	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Προχωρημένη επεξεργασία λυμάτων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02
heal.abstract	Η παρούσα εργασία εντρύφησε στην απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από λύματα σε συστήματα στηλών με τη χρήση στοιχειακού νανοσιδήρου ενισχυμένου με υπερθειικό νάτριο. Οι μικροοργανικοί ρύποι ανήκουν στην κατηγορία των ρύπων αναδυόμενης ανησυχίας ή αναδυόμενων μικρορύπων (contaminants of emerging concern, CEC, or emerging contaminants, ECs) και έχουν προκαλέσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια λόγω των αρνητικών επιπτώσεων που μπορούν να προκαλέσουν τόσο στα οικοσυστήματα, όσο και στην ανθρώπινη υγεία. Παρόλο που οι ECs συναντώνται στο περιβάλλον σε μικρές συγκεντρώσεις της τάξεως των ng/L έως και μg/L, η συνεχής απόρριψή τους και η σταθερότητά τους, σε συνδυασμό με την ικανότητά τους να βιοσυσσωρεύονται και να βιομεγεθύνονται προκαλούν έντονη ανησυχία ως προς την τοξικότητά τους τόσο στους υδρόβιους οργανισμούς, όσο και στον άνθρωπο. Στην κατηγορία των ECs εντάσσονται μεταξύ άλλων οι ενδοκρινικοί διαταράκτες (endocrine disruptors, EDCs) που συναντώνται κυρίως σε προϊόντα προσωπικής φροντίδας και υγιεινής και σε διάφορες βιομηχανικές χημικές ουσίες και οι φαρμακευτικές ενώσεις. Επιλέχθηκαν να μελετηθούν ως αντιπροσωπευτικές ενώσεις η δισφαινόλη Α (bisphenol A, BPA), η τρικλοζάνη (triclosan, TCS) και η εννεϋλοφαινόλη (nonylphenol, NP) από τους ενδοκρινικούς διαταράκτες και η ιμπουπροφένη (ibuprofen, IBU), η ναπροξένη (naproxen, NPX), η δικλοφενάκη (diclofenac, DCF) και η κετοπροφένη (ketoprofen, KTP) από τις φαρμακευτικές ενώσεις. Πιο συγκεκριμένα οι IBU, NPX, DCF, KTP ανήκουν στην κατηγορία των μη στεροειδών αντιφλεγμονωδών φαρμάκων που αποτελούνται από συνατογραφούμενα και μη φάρμακα με αναλγητικές, αντιπυρετικές και αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες. Τόσο σημειακές, όσο και διάχυτες πηγές ευθύνονται για την είσοδο των ECs στο περιβάλλον, με τις απορρίψεις των ΕΕΛ να αποτελούν μία από τις κυριότερες σημειακές πηγές. Καθώς οι ΕΕΛ έχουν σχεδιαστεί με σκοπό την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου, του αζώτου, του φωσφόρου και των παθογόνων, οι συμβατικές τεχνολογίες επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται δεν είναι ικανές να εξαλείψουν τους ECs. Για αυτό το λόγο, έχουν αναπτυχθεί προηγμένες τεχνολογίες που περιλαμβάνουν προσρόφηση σε υλικά όπως ο ενεργός άνθρακας, οξείδωση μέσω οζόνωσης, ή προηγμένων διεργασιών οξείδωσης όπως το αντιδραστήριο Fenton και η χρήση υπερήχων. Σε αυτό το πλαίσιο, η χρήση νανοϋλικών φαίνεται να αποτελεί μία ελκυστική λύση λόγω του οικονομικά προσιτού τους κόστους και της μεγάλης αντιδραστικότητά τους σε ένα μεγάλο φάσμα ρύπων. Ο στοιχειακός νανοσίδηρος (nano zero valent iron, nZVI) είναι ένα από αυτά τα νανοϋλικά που έχει μελετηθεί ιδιαίτερα και έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την απομάκρυνση διάφορων οργανικών και ανόργανων ρύπων, συμπεριλαμβανομένων αλογονωμένων υδρογονανθράκων, πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων, οργανικών βαφών, νιτροαρωματικών ενώσεων και βαρέων μετάλλων από νερό και έδαφος ενώ τα τελευταία χρόνια εξετάζεται η χρήση του για την απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από νερό και λύματα. Το μικρό μέγεθος των νανοσωματιδίων Fe0 συντελεί στην μεγάλη ειδική επιφάνεια και την υψηλή αντιδραστικότητα. Σε συνδυασμό με την αναγωγική του ικανότητα, την δυνατότητα προσρόφησης αλλά και δράσης ως καταλύτης για το σχηματισμό ελευθέρων ριζών, ο nZVI καθίσταται ιδιαίτερα ελκυστική τεχνολογία. Οι περιορισμοί ως προς τη χρήση του που αφορούν κυρίως την τάση συσσωμάτωσης, την γρήγορη παθητικοποίηση και το δύσκολο διαχωρισμό από το επεξεργαζόμενο μέσο έχουν μετριαστεί από διάφορες τροποποιήσεις. Χαρακτηριστικά αναφέρονται οι επικαλύψεις επιφανείας, η προσθήκη ενός δεύτερου μετάλλου, η στερέωση σε κατάλληλο φορέα ή η ενσωμάτωση στη μήτρα πορώδους υλικού. Επιπρόσθετα, οι πράσινες μέθοδοι σύνθεσης που έχουν αναπτυχθεί το τελευταίο διάστημα, χρησιμοποιώντας φυτικά εκχυλίσματα για την αναγωγή του τρισθενούς νανοσιδήρου σε στοιχειακό, αποτελούν μία ενδιαφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον τεχνική, αποφεύγοντας τη χρήση τοξικών χημικών. Έχοντας υπόψη, τη μεγάλη δραστικότητα των θειικών ριζών στην αποδόμηση οργανικών ρύπων (Ε0=2.5-3.1 V), πολλοί επιστήμονες προχώρησαν στον συνδυασμό του nZVI με υπερθειικό νάτριο ή κάλιο (persulfate, PS). Ο nZVI ενεργοποιεί το PS για το σχηματισμό θειικών ριζών. Οι περισσότερες έρευνες στη διαθέσιμη βιβλιογραφία αφορούν τη χρήση nZVI με PS για την απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από νερό σε δοκιμές παρτίδας, ενώ δεν υπήρξε διαθέσιμη έρευνα για τη συνδυαστική χρήση τους σε συστήματα στηλών με τροφοδοσία λυμάτων. Στην παρούσα εργασία είναι επομένως η πρώτη φορά που ο nZVI χρησιμοποιείται συνδυαστικά με υπερθειικό νάτριο για την απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από λύματα με συνεχή ροή. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, ο nZVI συντέθηκε ακολουθώντας μία πράσινη μέθοδο που έχει αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Μεταλλουργίας της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών του ΕΜΠ (Toli et al., 2018). Σύμφωνα με αυτήν, ο σίδηρος ενσωματώνεται ως τρισθενής στη μήτρα μιας ισχυρά κατιονικής ρητίνης και ανάγεται έπειτα σε στοιχειακός με τη χρήση εκχυλίσματος πράσινου τσαγιού μέσω της δράσης των πολυφαινολών που αυτό περιέχει. Το νανοσύνθετο υλικό χαρακτηρίζεται ως R-nFe και αποτελεί το υλικό πλήρωσης των στηλών. Έχοντας ως σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσης απομάκρυνσης των ενώσεων-στόχου στο σύστημα των στηλών, διεξήχθησαν εφτά σειρές πειραμάτων. Τα πειράματα έγιναν σε αερόβιες συνθήκες (DO=6-8 mg/L), θερμοκρασία 17-26 °C, με αρχική συγκέντρωση κάθε ένωσης 5 μg/L και τριτοβάθμια επεξεργασμένα λύματα με παροχή 26 L την μέρα. Το σύστημα λειτούργησε με μία ή δύο στήλες παράλληλα, ενώ η ροή των λυμάτων μέσα από αυτές ήταν καθοδική και επετεύχθη με τη χρήση περισταλτικής αντλίας. Η προσθήκη του PS έγινε επίσης με τη χρήση περισταλτικής αντλίας και οι δόσεις που δοκιμάστηκαν ήταν 0.5, 1 και 5 mM. Το ύψος του υλικού πλήρωσης των στηλών καθόριζε το χρόνο επαφής, δεδομένου ότι η παροχή διατηρήθηκε σταθερή και διερευνήθηκαν οι χρόνοι επαφής 2.2, 4.4 και 6 λεπτά. Βάσει των αποτελεσμάτων που προέκυψαν, μελετήθηκαν η επίδραση του pH, παρουσία και απουσία PS, η επίδραση του χρόνου επαφής σε ρυθμισμένο pH (3.5), απουσία και παρουσία PS, η επίδραση της χρήσης και της δόσης του PS σε ρυθμισμένο pH (3.5) και τέλος η μακροπρόθεσμη απόδοση του συστήματος σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Από την παρουσίαση των αποτελεσμάτων εξαιρέθηκαν η NP και η TCS λόγω μεγάλων διακυμάνσεων και χαμηλής ανάκτησης της TCS. Προέκυψε ότι οι όξινες συνθήκες ευνοούν την απόδοση απομάκρυνσης, παρουσία και απουσία PS στη δόση των 5 mM, και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο nZVI έχει καλύτερη δυνατότητα διάβρωσης και σχηματισμού Fe2+ που είναι απαραίτητα για τις αντιδράσεις Fenton αλλά και τον σχηματισμό των θειικών ριζών, ενώ αντίθετα σε αλκαλικές συνθήκες ευνοείται η κατακρήμνιση των ιόντων σιδήρου και η παθητικοποίηση του υλικού. Ακόμη, παρουσία PS σε όξινες συνθήκες ευνοείται ο σχηματισμός επιπλέον θειικών ριζών λόγω όξινης κατάλυσης ενώ σε αλκαλικό περιβάλλον οι θειικές ρίζες μπορούν να αντιδρούν με τα διαθέσιμα ΟΗ- προς σχηματισμό ριζών .ΟΗ που είναι λιγότερο δραστικές. Η ρύθμιση επομένως του pH σε όξινες συνθήκες (3.5) κρίθηκε αναγκαία. Σε ρυθμισμένο pH, απουσία PS, φάνηκε ότι αύξηση του χρόνου επαφής από 2.2 σε 4.4 λεπτά είχε μία μικρή θετική επίδραση στην απόδοση απομάκρυνσης των BPA, IBU, NPX, DCF και KTP, ενώ παρουσία PS 1 mM, αύξηση από 2.2 σε 6 λεπτά η επίδραση ήταν μάλλον οριακή. Ακόμη, σε ρυθμισμένο pH, αύξηση της δόσης του PS από 1 σε 5 mM οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης απομάκρυνσης για τις ενώσεις BPA, IBU, DCF και KTP. Φάνηκε ότι η δόση του PS αποτελεί πιο σημαντικό παράγοντα από το χρόνο επαφής στην απομάκρυνση των ενώσεων-στόχου και η χρήση του είναι αναγκαία για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων απομάκρυνσης για πολλές μέρες συνεχούς λειτουργίας. Τέλος από την μακροπρόθεσμη αξιολόγηση της απόδοσης του συστήματος προέκυψε ότι για PS 1 mM και χρόνο επαφής 2.2 λεπτά το σύστημα μπορεί να απομακρύνει σε ποσοστά ≥70% την NPX και τη DCF και >60% την BPA για 30 μέρες συνεχούς λειτουργίας.	el
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος. Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	156 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false