Επεξεργασία πόσιμου νερού με χρήση διεργασιών προσρόφησης

Κεκές, Τρύφων; Kekes, Tryfon

dc.contributor.author	Κεκές, Τρύφων	el
dc.contributor.author	Kekes, Tryfon	en
dc.date.accessioned	2022-09-08T07:42:36Z
dc.date.available	2022-09-08T07:42:36Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55624
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23322
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	Προσρόφηση	el
dc.subject	Προσροφητικά υλικά	el
dc.subject	Εξευγενισμός του νερού	el
dc.subject	Μόλυνση του νερού	el
dc.subject	Πόσιμο νερό	el
dc.subject	Adsorption	en
dc.subject	Adsorbing agents	el
dc.subject	Water purification	el
dc.subject	Water contamination	el
dc.subject	Drinking water	el
dc.title	Επεξεργασία πόσιμου νερού με χρήση διεργασιών προσρόφησης	el
dc.contributor.department	Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Επεξεργασία πόσιμου νερού	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022
heal.abstract	Το νερό αποτελεί ένα απαραίτητο στοιχείο της ανθρώπινης ζωής, με την ασφαλή και επαρκή πρόσβαση σε καθαρό και πόσιμο νερό να είναι αναγνωρισμένη ως ένα αναφαίρετο ανθρώπινο δικαίωμα. Ωστόσο, το νερό ενδέχεται να μολυνθεί από πληθώρα ουσιών-μολυντών, και ως εκ τούτου καθίσταται μη ασφαλές για ανθρώπινη κατανάλωση. Προς τούτο έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί διάφορες μέθοδοι επεξεργασίας και εξευγενισμού του νερού με σκοπό την απομάκρυνση των μολυντών από αυτό. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η απομάκρυνση τριών διαφορετικών μολυντών του νερού με εφαρμογή μεθόδων προσρόφησης. Ειδικότερα, επιλέχθηκε η έρευνα να εστιαστεί στην απομάκρυνση της ινδικοκαρμίνης, του εξασθενούς χρωμίου και της παρακεταμόλης, καθώς εμπίπτουν σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες μολυντών (οργανικές ενώσεις, βαρέα μέταλλα και αναδυόμενοι μολυντές, αντίστοιχα) με σκοπό να μελετηθεί διεξοδικά η αποτελεσματικότητα των διεργασιών προσρόφησης σε ένα ευρύ και αντιπροσωπευτικό φάσμα μολυντών του νερού. Η προσρόφηση αποτελεί μία ιδιαίτερα ελκυστική μέθοδο εξευγενισμού του νερού, καθώς είναι φιλική προς το περιβάλλον και παρουσιάζει μεγάλη αποτελεσματικότητα σε ένα ευρύ φάσμα μολυντών αυτού. Επιπλέον, εμφανίζει και διάφορα άλλα πλεονεκτήματα, όπως το χαμηλό κόστος λειτουργίας που απαιτεί, η υψηλή αποτελεσματικότητά της ακόμα και σε ήπιες συνθήκες pH και θερμοκρασίας και η δυνατότητα αναγέννησης του χρησιμοποιούμενου προσροφητικού υλικού με σκοπό την επαναχρησιμοποίησή του. Ως εκ τούτου, οι διεργασίες προσρόφησης με τη διερεύνηση των δυνατοτήτων των ήδη χρησιμοποιούμενων προσροφητικών υλικών καθώς και την περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη καινοτόμων υλικών βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος όσον αφορά την επεξεργασία του νερού. Συγκεκριμένα στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε η σύνθεση τεσσάρων καινοτόμων προσροφητικών υλικών με βάση τη χιτοζάνη και τη β-κυκλοδεξτρίνη (σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης και κόκκοι χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου) λόγω των υψηλών δυνατοτήτων που έχουν παρουσιάσει ως προσροφητικά υλικά. Για τη σύνθεση των υλικών χρησιμοποιήθηκαν ως συνδέτες (cross-linking agents) στα σφαιρίδια το τριφωσφορικό νάτριο και στους κόκκους η γλουταραλδεΰδη. Επιπλέον, εξετάστηκαν ως προσροφητικά υλικά το διοξείδιο του μαγγανίου, λόγω της ικανότητάς του να επιτυγχάνει ταυτόχρονη προσρόφηση και οξείδωση των μολυντών του νερού, όπως και ένα οργανομεταλλικό υβριδικό υλικό με βάση το ζιρκόνιο, λόγω του συνεχώς αυξανόμενου ενδιαφέροντος για τη χρήση τέτοιων υλικών. Αρχικά, το πορώδες των σφαιριδίων χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης προσδιορίστηκε ίσο με 88.3 ± 0.1% και 94.7 ± 0.1%, αντίστοιχα, και το πορώδες των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου ίσο με 91.1 ± 0.3% και 95.6 ± 0.3%, αντίστοιχα. Η ανάλυση Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) και για τα τέσσερα καινοτόμα προσροφητικά υλικά που συνετέθησαν στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής επιβεβαίωσε τη δημιουργία σταυροειδών δεσμών (δια-δεσμών) μεταξύ της χιτοζάνης και της β-κυκλοδεξτρίνης με τους χημικούς παράγοντες που χρησιμοποιήθηκαν ως συνδέτες. Επιπλέον, η ανάλυση Scanning Electron Microscope (SEM) υπέδειξε πως η επιφάνεια των σφαιριδίων χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης αποτελείται από ένα τραχύ και ακανόνιστο πολυμερικό δίκτυο με πόρους διαφόρων μεγεθών, ενώ η επιφάνεια των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου είναι επίσης τραχεία αλλά εμφανίζει διάφορες κοιλότητες, οι οποίες δύνανται να λειτουργήσουν ως ενεργές θέσεις προσρόφησης. Από την ανάλυση X-Ray Diffraction (XRD) των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου επιβεβαιώθηκε η επιτυχής σύζευξη των επιμέρους υλικών. Όλα τα πειράματα προσρόφησης των διαφορετικών μολυντών πραγματοποιήθηκαν ακολουθώντας το μοντέλο διαλείποντος έργου και εξετάστηκαν διάφορες συνθήκες (συγκέντρωση μολυντή, συγκέντρωση προσροφητικού υλικού, pH και θερμοκρασία) προκειμένου να διερευνηθεί η επίδρασή τους στη διεργασία. Τα πειράματα της προσρόφησης της ινδικοκαρμίνης με χρήση σφαιριδίων χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης (1η σειρά πειραμάτων) πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικές συγκεντρώσεις ινδικοκαρμίνης (50-200 mg/L) και προσροφητικού υλικού (100-1000 mg/L), και σε διαφορετικές τιμές pH (3.0-6.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Από τη συγκεκριμένη πειραματική μελέτη προέκυψε ότι τα σφαιρίδια χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης εμφανίζουν υψηλότερη προσροφητική ικανότητα, παρουσιάζοντας κατά μέσον όρο σε όλες τις μελετώμενες πειραματικές συνθήκες μεγαλύτερη απόδοση προσρόφησης (94.5%) έναντι των σφαιριδίων χιτοζάνης (90.5%). Με βάση τα αποτελέσματα προέκυψε πως η βέλτιστη τιμή του pH ήταν το 4.0, ενώ μείωση της αποτελεσματικότητας της διεργασίας παρατηρήθηκε αυξανομένης της τιμής της θερμοκρασίας (από 25 σε 50oC). Επιπλέον, αύξηση της συγκέντρωσης του προσροφητικού υλικού (700 και 1000 mg/L) οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης προσρόφησης. Με προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στις ισόθερμες προσρόφησης αποδείχθηκε πως το μοντέλο Langmuir εκφράζει καλύτερα την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στα δύο σφαιρίδια και συνεπώς, η προσρόφηση πραγματοποιείται σε μία ομογενή επιφάνεια, οδηγώντας στο σχηματισμό μίας μονοστρωματικής στρώσης ινδικοκαρμίνης στην επιφάνεια των σφαιριδίων. Επιπροσθέτως, από τις σταθερές του μοντέλου Langmuir, προέκυψε ότι η προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης είναι ευνοϊκή και με τα δύο υλικά, με τα σφαιρίδια χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης να εμφανίζουν διπλάσια τιμή μέγιστης θεωρητικής προσροφητικής ικανότητας (qm) σε σχέση με τα σφαιρίδια χιτοζάνης (1000.0 και 500.0 mg/g, αντίστοιχα). Επίσης, το ψευδο-δεύτερης τάξης κινητικό μοντέλο φάνηκε ότι περιγράφει καλύτερα την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης και ως εκ τούτου, μπορεί να θεωρηθεί πως η προσρόφηση ελέγχεται από μία χημική διαδικασία. Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική ανάλυση, η προσρόφηση είναι αυθόρμητη διεργασία σε όλες τις μελετώμενες τιμές θερμοκρασίας, και χαρακτηρίζεται ως εξώθερμη (ΔΗ = -17.38 και -35.06 kJ/mol για τα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης, αντίστοιχα). Ακόμη, με βάση τις υπολογιζόμενες τιμές της εντροπίας προκύπτει μία μείωση στην αταξία στη διεπιφάνεια στερεού/υγρού λόγω πιθανού σχηματισμού ενός ενεργοποιημένου συμπλόκου μεταξύ της ινδικοκαρμίνης και των προσροφητικών υλικών κατά τη διάρκεια της προσρόφησης. Από τα πειράματα αναγέννησης των προσροφητικών υλικών προέκυψε πως η αποτελεσματικότητά τους ως προς την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης σημείωσε σημαντική μείωση κατά το δεύτερο κύκλο αναγέννησής τους, ενώ μετά το πέρας του τρίτου κύκλου αναγέννησης η αποτελεσματικότητα των σφαιριδίων χιτοζάνης εμφάνισε συνολικά μικρότερη μείωση (11.0 έναντι 15.7% των σφαιριδίων χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης). Τέλος, η προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης επιβεβαιώθηκε από αναλύσεις FTIR και SEM. Τα πειράματα της προσρόφησης του εξασθενούς χρωμίου με χρήση σφαιριδίων χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης (2η σειρά πειραμάτων) πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου (5-100 mg/L) και προσροφητικού υλικού (1-20 g/L), και σε διαφορετικές τιμές pH (2.0-7.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Από τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης προέκυψε ότι τα σφαιρίδια χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης εμφανίζουν υψηλότερη προσροφητική ικανότητα, παρουσιάζοντας κατά μέσον όρο υψηλότερη απόδοση προσρόφησης (84.6%), έναντι των σφαιριδίων χιτοζάνης (82.0%). Με βάση τα αποτελέσματα, η βέλτιστη τιμή του pH ήταν ίση με 4.0, ενώ η αποτελεσματικότητα της διεργασίας αυξήθηκε σε χαμηλή θερμοκρασία (15oC) και με αυξημένη συγκέντρωση προσροφητικού υλικού (15–20 g/L). Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα, αποδείχθηκε ότι το μοντέλο Langmuir εκφράζει καλύτερα την προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου και στα δύο σφαιρίδια, και κατά συνέπεια η προσρόφηση πραγματοποιείται σε μία ομογενή επιφάνεια, οδηγώντας ουσιαστικά στο σχηματισμό μίας μονοστρωματικής στρώσης εξασθενούς χρωμίου στην επιφάνεια των σφαιριδίων. Επιπροσθέτως, από τις υπολογιζόμενες σταθερές του μοντέλου Langmuir συνάγεται ότι η προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου είναι ευνοϊκή και στα δύο σφαιρίδια, με τη μέγιστη θεωρητική τιμή προσρόφησης (qm) να είναι 400.0 και 555.6 mg/g για τα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης, αντίστοιχα. Επίσης, το ψευδο-δεύτερης τάξης κινητικό μοντέλο φάνηκε ότι περιγράφει καλύτερα την προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου στα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης και βάσει αυτού, μπορεί να θεωρηθεί πως η προσρόφηση ελέγχεται από μία χημική διαδικασία. Από τη θερμοδυναμική ανάλυση φάνηκε ότι η προσρόφηση καθίσταται ευνοϊκή σε χαμηλές θερμοκρασίες (15-25oC) και χαρακτηρίζεται ως εξώθερμη (ΔΗ = -2.99 και -3.80 kJ/mol για τα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης, αντίστοιχα), ενώ με βάση τις υπολογιζόμενες τιμές εντροπίας παρουσιάζεται μία μείωση στην αταξία στη διεπιφάνεια στερεού/υγρού λόγω του πιθανού σχηματισμού ενός ενεργοποιημένου συμπλόκου μεταξύ του εξασθενούς χρωμίου και των προσροφητικών υλικών κατά τη διάρκεια της προσρόφησης. Από τα πειράματα αναγέννησης των προσροφητικών υλικών προέκυψε πως τα σφαιρίδια χιτοζάνης παρουσίασαν μικρότερη μείωση στην απόδοσή τους συγκριτικά με τα σφαιρίδια χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης, με τη μείωση της απόδοσης προσρόφησης μετά το πέρας του τρίτου κύκλου αναγέννησης να ανέρχεται για αυτά σε 11.9 και 26.5%, αντίστοιχα. Τέλος, η προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου στα σφαιρίδια χιτοζάνης και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης επιβεβαιώθηκε από αναλύσεις FTIR και SEM. Τα πειράματα της προσρόφησης της ινδικοκαρμίνης με χρήση κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου (3η σειρά πειραμάτων) πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικές συγκεντρώσεις ινδικοκαρμίνης (50-200 mg/L) και προσροφητικού υλικού (50-500 mg/L), και σε διαφορετικές τιμές pH (3.0-6.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Από τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης προέκυψε ότι οι κόκκοι χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου είχαν υψηλότερη προσροφητική ικανότητα, παρουσιάζοντας σε όλες τις μελετώμενες πειραματικές συνθήκες μεγαλύτερη κατά μέσον όρο απόδοση προσρόφησης (92.3%) έναντι των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου (90.5%). Με βάση τα αποτελέσματα προέκυψε πως η βέλτιστη τιμή pH ήταν το 3.0, ενώ αύξηση της αποτελεσματικότητας της διεργασίας παρατηρήθηκε σε υψηλές τιμές θερμοκρασίας (50oC) και με αυξημένη συγκέντρωση προσροφητικού υλικού (500 mg/L). Στην περίπτωση αυτή (χρήση κόκκων), η προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στις ισόθερμες προσρόφησης υπέδειξε πως το μοντέλο Freundlich, σε αντίθεση με τα σφαιρίδια, εκφράζει καλύτερα την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στα δύο προσροφητικά υλικά, και σύμφωνα με αυτό η προσρόφηση πραγματοποιείται σε μία ετερογενή επιφάνεια, οδηγώντας στο σχηματισμό μίας πολυστρωματικής στρώσης ινδικοκαρμίνης στην επιφάνεια των προσροφητικών υλικών. Επιπροσθέτως, με βάση τις υπολογιζόμενες σταθερές του μοντέλου Freundlich, συνάγεται ότι η προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης είναι ευνοϊκή, με τους κόκκους χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου να εμφανίζουν υψηλότερη τιμή της σταθεράς KF (228.9 έναντι 196.5 (mg/g)(L/mg)1/n των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου), υποδεικνύοντας έτσι ότι είναι αποτελεσματικότεροι σε σχέση με τους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου. Επίσης, το ψευδο-δεύτερης τάξης κινητικό μοντέλο φάνηκε ότι περιγράφει καλύτερα την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης και βάσει αυτού, μπορεί να θεωρηθεί πως η προσρόφηση ελέγχεται από μία χημική διαδικασία. Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική ανάλυση προέκυψε ότι η προσρόφηση είναι αυθόρμητη διεργασία σε όλες τις μελετώμενες τιμές θερμοκρασίας και χαρακτηρίζεται ως εξώθερμη (ΔΗ = -30.70 και -51.33 kJ/mol για τους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου, αντίστοιχα), ενώ από τις υπολογιζόμενες τιμές της εντροπίας παρατηρείται μία αύξηση στην αταξία του συστήματος. Από τα πειράματα αναγέννησης των προσροφητικών υλικών προέκυψε πως η αποτελεσματικότητά τους ως προς την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης σημείωσε σημαντική μείωση κατά το δεύτερο κύκλο αναγέννησης, με την αποτελεσματικότητα των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου να εμφανίζει μικρότερη μείωση μετά το πέρας του τρίτου κύκλου αναγέννησης (6.8 έναντι 8.0% των κόκκων χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου). Τέλος, η προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου επιβεβαιώθηκε από αναλύσεις FTIR και SEM. Τα πειράματα της προσρόφησης του εξασθενούς χρωμίου με χρήση κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου (4η πειραματική σειρά) με διαφορετικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου (5-100 mg/L) και προσροφητικού υλικού (0.10-2.00g/L), και σε διαφορετικές τιμές pH (2.0-11.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Από τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας προέκυψε ότι οι κόκκοι χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου εμφανίζουν υψηλότερη προσροφητική ικανότητα, παρουσιάζοντας κατά μέσον όρο υψηλότερη απόδοση προσρόφησης (82.1%), έναντι των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου (77.1%). Με βάση τα αποτελέσματα προέκυψε πως η βέλτιστη τιμή του pH ήταν ίση με 3.0, ενώ η αποτελεσματικότητα της διεργασίας αυξήθηκε σε υψηλές τιμές θερμοκρασίας (50oC) και με αυξημένη συγκέντρωση προσροφητικού υλικού (1.50-2.00 g/L). Από την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στις ισόθερμες προσρόφησης υποδείχθηκε ότι η προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου και στα δύο προσροφητικά υλικά εκφράζεται καλύτερα από το μοντέλο Freundlich, και βάσει αυτού η προσρόφηση πραγματοποιείται σε μία ετερογενή επιφάνεια, οδηγώντας στο σχηματισμό μίας πολυστρωματικής στρώσης εξασθενούς χρωμίου στην επιφάνεια των προσροφητικών υλικών. Επιπροσθέτως, σύμφωνα με τις υπολογιζόμενες τιμές των σταθερών του μοντέλου Freundlich, η προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου φάνηκε ότι είναι ευνοϊκή, με τους κόκκους χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου να εμφανίζουν υψηλότερη τιμή της σταθεράς KF (20.8 έναντι 9.3 (mg/g)(L/mg)1/n των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου), υποδεικνύοντας ότι είναι αποτελεσματικότερο προσροφητικό υλικό σε σχέση με τους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου. Επίσης, το ψευδο-δεύτερης τάξης κινητικό μοντέλο περιγράφει καλύτερα τη διεργασία προσρόφησης και βάσει αυτού, μπορεί να θεωρηθεί πως η προσρόφηση ελέγχεται από μία χημική διαδικασία. Από τη θερμοδυναμική ανάλυση προέκυψε ότι η προσρόφηση είναι αυθόρμητη σε όλες τις μελετώμενες τιμές θερμοκρασίας και χαρακτηρίζεται ως εξώθερμη (ΔΗ = -17.91 και -41.19 kJ/mol για τους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου, αντίστοιχα), ενώ σύμφωνα με τις υπολογιζόμενες τιμές της εντροπίας παρουσιάζεται μία αύξηση στην αταξία του συστήματος. Από τα πειράματα αναγέννησης των προσροφητικών υλικών προέκυψε πως η αποτελεσματικότητα των κόκκων χιτοζάνης/δημητρίου εμφανίζει μικρότερη μείωση σε σχέση με τους κόκκους χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου, με τη μείωση της απόδοσης προσρόφησης μετά το πέρας του τρίτου κύκλου αναγέννησης να ανέρχεται σε 4.9 και 13.5% για τους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου, αντίστοιχα. Τέλος, η προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου στους κόκκους χιτοζάνης/δημητρίου και χιτοζάνης/β-κυκλοδεξτρίνης/δημητρίου επιβεβαιώθηκε από αναλύσεις FTIR και SEM. Τα πειράματα της οξείδωσης-προσρόφησης της παρακεταμόλης (C8H9NO2) με χρήση διοξειδίου του μαγγανίου (5η σειρά πειραμάτων) πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικές συγκεντρώσεις παρακεταμόλης (25-100 mg/L) και διοξειδίου του μαγγανίου (100–800 mg/L), και σε τιμές pH (3.0-6.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Από τα αποτελέσματα προέκυψε πως η απομάκρυνση της παρακεταμόλης από το νερό πραγματοποιείται ταχύτερα με υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του μαγγανίου (400-800 mg/L), και σε υψηλές θερμοκρασίες (35-50oC) και χαμηλές τιμές pH (3.0-3.5). Σύμφωνα με την κινητική ανάλυση της διεργασίας, η αντίδραση μεταξύ παρακεταμόλης και διοξειδίου του μαγγανίου έχει ως ελέγχον στάδιο τη μεταφορά ηλεκτρονίου σε ισχυρά όξινες συνθήκες (pH < 4.0), ενώ το σχηματισμό συμπλόκου σε pH ≥ 4.0, αντίστοιχα. Επομένως, σε ισχυρά όξινες συνθήκες η προσρόφηση της παρακεταμόλης στην επιφάνεια του διοξειδίου του μαγγανίου κυριαρχεί έναντι της οξείδωσής της από αυτό. Η θερμοδυναμική ανάλυση της αντίδρασης, χρησιμοποιώντας το μοντέλο Arrhenius, έδειξε ότι η αντίδραση μεταξύ παρακεταμόλης και διοξειδίου του μαγγανίου είναι ενδόθερμη (Ea = 37.35 kJ/mol), και συνεπώς αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού της αντίδρασης. Από την ανάλυση των παραπροϊόντων της παρακεταμόλης που σχηματίστηκαν από την αντίδρασή της με το διοξείδιο του μαγγανίου, αποκαλύφθηκε ότι σχηματίζονται διμερείς (C16H16N2O4) και τριμερείς (C24H23N3O6) μορφές της ουσίας στα αρχικά στάδια της αντίδρασης λόγω της οξείδωσής της από το διοξείδιο του μαγγανίου και την επακόλουθη σύζευξη των μορίων της. Επιπλέον, μετά την πλήρη απομάκρυνση της παρακεταμόλης συμβαίνει η πλήρης απομάκρυνση τόσο της διμερούς όσο και της τριμερούς μορφής της ως συνέπεια της αντίδρασής τους με το διοξείδιο του μαγγανίου. Τέλος, ανιχνεύθηκαν τέσσερα επιπλέον παραπροϊόντα, στα οποία αποδόθηκαν οι χημικοί τύποι C14H11NO4 (τρεις ισομερείς ενώσεις) και C17H8N3O5, που οφείλονται σε συσσωματώματα 1,4-βενζοκινόνης και Ν-ακετυλ-π-βενζοκινόνης ιμίνης, τα οποία δημιουργούνται από την αντίδραση παρακεταμόλης και διοξειδίου του μαγγανίου. Τα πειράματα της οξείδωσης-προσρόφησης της ινδικοκαρμίνης με χρήση διοξειδίου του μαγγανίου (6η σειρά πειραμάτων) πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικές συγκεντρώσεις ινδικοκαρμίνης (50-200 mg/L) και διοξειδίου του μαγγανίου (100-800 mg/L), και σε διαφορετικές τιμές pH (3.0-6.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η απομάκρυνση της ινδικοκαρμίνης από το νερό πραγματοποιείται ταχύτερα με υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του μαγγανίου (400-800 mg/L), σε υψηλή τιμή θερμοκρασίας (50 oC) και χαμηλές τιμές pH (3.0-3.5). Σύμφωνα με την κινητική ανάλυση της διεργασίας η αντίδραση μεταξύ ινδικοκαρμίνης και διοξειδίου του μαγγανίου έχει ως ελέγχον στάδιο τη μεταφορά ηλεκτρονίου σε ισχυρά όξινες συνθήκες (pH < 3.5), ενώ το σχηματισμό συμπλόκου σε pH ≥ 3.5, αντίστοιχα. Επομένως, σε ισχυρά όξινες συνθήκες η προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στην επιφάνεια του διοξειδίου του μαγγανίου κυριαρχεί έναντι της οξείδωσή της από αυτό. Η θερμοδυναμική ανάλυση της αντίδρασης χρησιμοποιώντας το μοντέλο Arrhenius έδειξε ότι η αντίδραση μεταξύ ινδικοκαρμίνης και διοξειδίου του μαγγανίου είναι ενδόθερμη (Ea = 52.77 kJ/mol), και αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού της αντίδρασης. Τα πειράματα της προσρόφησης της ινδικοκαρμίνης με χρήση οργανομεταλλικού υβριδικού υλικού με βάση το ζιρκόνιο (7η σειρά πειραμάτων) πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικές συγκεντρώσεις ινδικοκαρμίνης (10-50mg/L) και προσροφητικού υλικού (40-160 mg/L), και σε διαφορετικές τιμές pH (2.0-10.0) και θερμοκρασίας (15-50oC). Με βάση τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η βέλτιστη τιμή του pH ήταν ίση με 2.0, ενώ η αποτελεσματικότητα της διεργασίας αυξήθηκε σε μειωμένη θερμοκρασία (15oC) και με αυξημένη συγκέντρωση του προσροφητικού υλικού (120-160 mg/L). Η προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στις ισόθερμες προσρόφησης υπέδειξε πως το μοντέλο Langmuir εκφράζει καλύτερα την προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης στο προσροφητικό υλικό, και βάσει αυτού η προσρόφηση πραγματοποιείται σε μία ομογενή επιφάνεια, οδηγώντας στο σχηματισμό μίας μονοστρωματικής στρώσης ινδικοκαρμίνης στην επιφάνεια του οργανομεταλλικού υβριδικού υλικού. Επιπροσθέτως, σύμφωνα τις υπολογιζόμενες τιμές των σταθερών του μοντέλου Langmuir, φάνηκε ότι η προσρόφηση της ινδικοκαρμίνης είναι ευνοϊκή, και η μέγιστη θεωρητική προσροφητική ικανότητα (qm) του προσροφητικού υλικού ήταν ίση με 333.3 mg/g. Επίσης, το ψευδο-δεύτερης τάξης κινητικό μοντέλο περιγράφει καλύτερα τη διεργασία προσρόφησης και βάσει αυτού μπορεί να θεωρηθεί πως η προσρόφηση ελέγχεται από μία χημική διαδικασία. Τέλος, σύμφωνα με τη θερμοδυναμική ανάλυση συνάγεται ότι η προσρόφηση είναι αυθόρμητη διεργασία σε όλες τις μελετώμενες τιμές θερμοκρασίας και χαρακτηρίζεται ως εξώθερμη (ΔΗ = -52.77 kJ/mol), ενώ από την υπολογιζόμενη τιμή της εντροπίας παρατηρείται μία αύξηση στην αταξία του συστήματος. Επιπλέον, με βάση τη βιβλιογραφία πραγματοποιήθηκε μελέτη για την εισαγωγή των διεργασιών προσρόφησης, όπως αυτές διερευνήθηκαν στην παρούσα διατριβή, κατά την εφαρμογή του HACCP (Hazard Analysis Critical Control Points) με ταυτόχρονη ενσωμάτωση των FSOs (Food Safety Objectives) στις μονάδες επεξεργασίας του πόσιμου νερού. Αναλύοντας και αξιολογώντας τους μικροβιολογικούς, χημικούς και φυσικούς κινδύνους του νερού σε όλα τα στάδια της επεξεργασίας του από ακατέργαστο σε πόσιμο προκύπτει ότι κρίσιμα σημεία ελέγχου της διαδικασίας εξευγενισμού του νερού αποτελούν η πηγή του νερού (αρχικό επίπεδο μικροβιολογικών, χημικών και φυσικών κινδύνων) και το στάδιο της απολύμανσης (έλεγχος για εξάλειψη μικροβιολογικών κινδύνων και μη ανάπτυξη χημικών κινδύνων όπως υπολειμμάτων απολυμαντικού ή παραπροϊόντων απολύμανσης), ενώ οι διεργασίες προσρόφησης αποτελούν επίσης κρίσιμο σημείο ελέγχου της διαδικασίας ως ειδικά σχεδιασμένες διεργασίες για απομάκρυνση χημικών μολυντών (όπως οι εξετασθείσες κατηγορίες: οργανικές ενώσεις, βαρέα μέταλλα, αναδυόμενοι μολυντές). Εν κατακλείδι, η εισαγωγή των διεργασιών προσρόφησης ως ένα επιπλέον στάδιο της συμβατικής παραγωγής πόσιμου νερού καθώς και η ενσωμάτωση των FSOs στο HACCP θα έχουν ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας της παραγωγικής διαδικασίας εξευγενισμού του νερού και τη διασφάλιση τόσο της ποιότητας όσο και ασφάλειας του τελικού πόσιμου νερού.	el
heal.advisorName	Τζιά, Κωνσταντίνα
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βάσω
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή
heal.committeeMemberName	Καραθάνος, Βαῖος
heal.committeeMemberName	Κολλιόπουλος, Γεώργιος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false