Καθαρισμός νερού με χρήση νέων προσροφητικών μέσων και εναλλακτικών υλικών

Γεωργίου, Χαράλαμπος; Georgiou, Charalampos

dc.contributor.author	Γεωργίου, Χαράλαμπος	el
dc.contributor.author	Georgiou, Charalampos	en
dc.date.accessioned	2022-11-18T10:37:56Z
dc.date.available	2022-11-18T10:37:56Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56166
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23864
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Προσρόφηση	el
dc.subject	Πόσιμο νερό	el
dc.subject	Χημικοί μολυντές	el
dc.subject	Βιομηχανία τροφίμων	el
dc.subject	Αναγέννηση υλικών	el
dc.subject	Adsorption	en
dc.subject	Drinking water	en
dc.subject	Chemical Contamintants	en
dc.subject	Food industry	en
dc.subject	Material regeneration	en
dc.title	Καθαρισμός νερού με χρήση νέων προσροφητικών μέσων και εναλλακτικών υλικών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σχεδιασμός Βιομηχανιών Τροφίμων - Διασφάλιση Ποιότητας και Ασφάλειας Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-07
heal.abstract	Το ασφαλές νερό ύδρευσης και κατανάλωσης, εδώ και πάνω από εικοσαετία, έχει καταταχθεί στη λίστα των ανθρωπίνων δικαιωμάτων. Αν και υπάρχουν ποικίλες πηγές νερού στη φύση, για να καταστεί κατάλληλο για κατανάλωση, πρέπει να υποστεί ειδικές επεξεργασίες εξάλειψης του φυσικού, του χημικού και του μικροβιολογικού κινδύνου. Ιδιαίτερο πρόβλημα αποτελεί ο χημικός κίνδυνος ο οποίος, ολοένα και διογκώνεται λόγω της ταχείας εξέλιξης της τεχνολογίας και της εκβιομηχάνισης. Η βιομηχανία τροφίμων χρησιμοποιεί πολλά πρόσθετα τα οποία μολύνουν το νερό. Ένα από αυτά είναι οι φυσικές και οι συνθετικές χρωστικές οι οποίες εμφανίζουν δυσμενείς επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία. Η μέθοδος καθαρισμού η οποία μελετάται στην παρούσα ΔΕ είναι η προσρόφηση. Πιο συγκεκριμένα, η προσρόφηση δύο χημικών μολυντών της βιομηχανίας τροφίμων, η καρμίνη (Ε120-φυσική χρωστική) και η ταρτραζίνη (Ε102-συνθετική χρωστική). Η προσρόφηση είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη στις βιομηχανίες τροφίμων λόγω της δυνατότητας απομάκρυνσης ενός συγκεκριμένου στόχου-μολυντή με μεγάλη αποτελεσματικότητα, δεν απαιτεί δαπανηρά ποσά του πάγιου και του λειτουργικού κόστους και δε δημιουργεί επικίνδυνα προς το περιβάλλον παραπροϊόντα. Στην παρούσα ΔΕ, χρησιμοποιήθηκε ενεργός άνθρακας από κέλυφος καρύδας (επεξεργασμένο φυσικό υλικό) και χιτοζάνη σταυροδεμένη με διοξείδιο του δημητρίου (επεξεργασμένος συνδυασμός βιοπροσροφητικού-φυσικού υλικού), αντίστοιχα. Το καινοτόμο αυτό υλικό (χιτοζάνη/διοξείδιο δημητρίου) εμφανίζει τη δυνατότητα αναγέννησης με υψηλά ποσοστά. Πραγματοποιήθηκαν κάποιες σειρές πειραμάτων ισορροπίας, για κάθε χρωστική, στην οποία μελετήθηκαν οι επιδράσεις κάποιων εξωτερικών παραγόντων οι οποίοι επηρεάζουν την εφικτότητα της προσρόφησης. Οι μελετώμενοι παράγοντες είναι το pH, η μάζα προσροφητικού υλικού, η αρχική συγκέντρωση χρωστικής και η θερμοκρασία. Για τη μελέτη ισόθερμων προσρόφησης χρησιμοποιήθηκαν οι σειρές πειραμάτων ισορροπίας με μελετώμενο παράγοντα την αρχική συγκέντρωση χρωστικής σε πληθώρα θερμοκρασιών. Οι ίδιοι προαναφερόμενοι παράγοντες χρησιμοποιήθηκαν και για την κινητική μελέτη. Τονίζεται ότι, όλα τα πειράματα προσρόφησης ακολουθούν μοντέλο διαλείποντος έργου πλήρους ανάμειξης με σταθερή ταχύτητα ανάδευσης και σταθερή ατμοσφαιρική πίεση. Ο χρόνος πειραμάτων ισορροπίας και κινητικής είναι 24 και 3 h αντίστοιχα. Αρχικά μελετήθηκε η προσρόφηση της καρμίνης από κόκκους χιτοζάνης/διοξειδίου του δημητρίου. Η πειραματική σειρά (1η) πραγματοποιήθηκε σε ποικίλες τιμές pH (2-7). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι πραγματοποιείται απότομη αύξηση ποσοστού απομάκρυνσης της καρμίνης σε pH κάτω από 4 (από 28,75 % για pH 4 σε 78,76 % για pH 3,5). Η μεγαλύτερη προσροφητική ικανότητα παρουσιάστηκε στο μικρότερο pH (96,80 % απομάκρυνση σε pH 2). Στη συνέχεια μελετήθηκε η μάζα προσροφητικού υλικού ως παράγοντας μεταβλητότητας (0,05-0,60 g). Στη μεγαλύτερη μάζα προσροφητικού παρουσιάστηκε το μεγαλύτερο ποσοστό απομάκρυνσης (53,19 %) και η μικρότερη ποσότητα προσροφούμενης καρμίνης ανά μονάδα μάζας προσροφητικού (35,46mg/g). Ο καθοριστικότερος παράγοντας μεταβλητότητας έδειξε ότι είναι η αρχική συγκέντρωση χρωστικής (25-200 mg/L). Στα 200 ppm, επιτυγχάνεται η μέγιστη προσροφούμενη ποσότητα ανά μονάδα μάζας προσροφητικού (68,38 mg/g) και το ελάχιστο ποσοστό απομάκρυνσης καρμίνης (51,29 %). Η επίδραση θερμοκρασίας (25-65 ℃) δείχνει να ευνοεί την προσρόφηση καθώς εμφανίζονται τα μεγαλύτερα μετρούμενα μεγέθη στη θερμοκρασία των 65 ℃ (qe= 33,30 mg/g, % Y= 99,90) αλλά η αύξηση μειώνεται σταδιακά (λογαριθμική αύξηση). Η θερμοδυναμική ανάλυση έδειξε ότι η προσρόφηση είναι αυθόρμητη σε όλες τις θερμοκρασίες (ΔG0< 0), ισχυρά εξώθερμη (ΔH0= -91,69kJ/mol) και μερικώς ακανόνιστη όταν πρόκειται για τη διεπαφή στερεού-υγρού (ΔS0= 0,32 kJ/mol/K). Επίσης η ενέργεια ενεργοποίησης, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η προσρόφηση πραγματοποιείται με συνδυασμό χημειορόφησης-φυσιορόφησης, με ελέγχον στάδιο τη χημειορόφηση (Εa= 89,94 kJ/mol).Οι ισόθερμες ρόφησης, έδειξαν ότι στη χαμηλότερη θερμοκρασία (25 ℃), τα πειραματικά αποτελέσματα προσαρμόζονται τόσο από το μοντέλο Langmuir (qm= 71,77 mg/g) όσο και από τομοντέλο Freundlich (KF= 21,42 mg/g*(L/mg) 1/n), με πλεονέκτημα στο μοντέλο Freundlich. Η κινητική ανάλυση έδειξε ότι σε όλες τις περιπτώσεις η κινητική περιγράφεται από το μοντέλο ψευδοδεύτερης τάξης (αργό στάδιο η χημειορόφηση) πλην της περίπτωσης της κινητικής με βασικότερο pH (6), το οποίο περιγράφεται καλύτερα από το μοντέλο Elovich. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η προσρόφηση της καρμίνης από σκόνη ενεργού άνθρακα. Όλες οι πειραματικές σειρές μελέτης παραγόντων στην ισορροπία (pH, μάζα προσροφητικού, αρχική συγκέντρωση χρωστικής, θερμοκρασία), εμφάνισαν ακριβώς τις ίδιες μορφές αποτελεσμάτων όπως στην προσρόφηση της καρμίνης από κόκκους χιτοζάνης/διοξειδίου του δημητρίου. Σε αυτή την περίπτωση, η αύξηση προσροφητικής ικανότητας φαίνεται να αυξάνεται εκθετικά, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Η θερμοδυναμική ανάλυση, έδειξε τα ίδια αποτελέσματα, δηλαδή πραγματοποιείται, αυθόρμητη σε κάθε θερμοκρασία (ΔG0< 0), έντοναεξώθερμη (ΔH0= -86,05 kJ/mol), ακανόνιστη (ΔS0= 0,30 kJ/mol/K) χημειορόφηση (Εa= 84,42 kJ/mol).Η μελέτη ισόθερμης προσρόφησης στους 25 ℃ φαίνεταινα περιγράφεται καλύτερα από το μοντέλο Langmuir (qm= 33,70 mg/g). Στις υπόλοιπες θερμοκρασίες υπάρχει μία εναλλαγή των μοντέλων Temkin και Freundlich, η οποία υποδεικνύει συνδυασμό φαινομένων. Η κινητική ανάλυση περιγράφεται πανομοιότυπα όπως στην περίπτωση των κόκκων χιτοζάνης/διοξειδίου του δημητρίου. Το αποτελεσματικότερο προσροφητικό υλικό (κόκκοι χιτοζάνης/διοξείδιο του δημητρίου), επιλέχθηκε για την προσρόφηση ταρτραζίνης. Πραγματοποιούνται οι σειρές πειραμάτων pH (2-8), μάζας προσροφητικού (0,05-0,60 g), αρχικής συγκέντρωσης χρωστικής (25-200 mg/L) και θερμοκρασίας (25-50 ℃). Παρατηρούνται και πάλι οι ίδιες μορφές αποτελεσμάτων με κάποιες διαφοροποιήσεις. Η ταρτραζίνη ως συνθετική χρωστική είναι σταθερότερη και δεν εμφανίζει κάποια απότομη μεταβολή σε ακραίες τιμές pH. Η θερμοδυναμική ανάλυση φανερώνει ότι η προσρόφηση είναι σταθερά περίπου αυθόρμητη σε όλες τις θερμοκρασίες (ΔG0= -5,07 kJ/mol στους 25 ℃, ΔG0= -6,99 kJ/mol στους 50 ℃), ελαφρώς εξώθερμη (ΔH0= -17,59 kJ/mol), ελαφρώς ακανόνιστη (ΔS0= 0,08 kJ/mol/K) και πραγματοποιείται με φυσιορόφηση (Εa= 14,73 kJ/mol, ΔG(T)0≈ σταθ., ΔS0≈0, ΔΗ0= -17,59 kJ/mol). Στους 25 ℃, το μοντέλο Langmuir (qm= 309,06 mg/g) προσαρμόζει πλήρως στην ισόθερμη. Σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες, οι ισόθερμες προσαρμόζονται άριστα από το νέο μοντέλο (2013) το οποίο είναι ο συνδυασμός μοντέλου Langmuir και Jovanovic (μονοστρωματική προσρόφηση με μέτρο αλληλεπίδρασης). Ο αδιάστατος παράγοντας Langmuir (RL) στους 25 ℃ είναι μικρότερος έναντι του αντίστοιχου προσρόφησης καρμίνης (RL_tartrazine= 0,0042, RL_carmine= 0,0051). Το μοντέλο κινητικής ανάλυσης που περιγράφει καλύτερα όλες τις περιπτώσεις είναι και πάλι η ψευδοδεύτερης τάξης κινητική. Τα πειράματα αναγέννησης του προσροφητικού, έδειξαν ότι οι κόκκοι χιτοζάνης/διοξειδίου του δημητρίου, είναι κατάλληλο υλικό για αναγέννηση. Για προσρόφηση της καρμίνης σε υψηλή θερμοκρασία (50 ℃) και ελαφρά όξινο pH (4), προέκυψε ότι η επιλογή της μεθόδου ξήρανσης είναι ο καθοριστικός παράγοντας (συνδέτης γλουταραλδεΰδη & κατάψυξη υπό κενό: 77,14 %, συνδέτης επιχλωρυδρίνη & κατάψυξη υπό κενό: 70,70 %, συνδέτης γλουταραλδεΰδη & συμβατική ξήρανση: 2,58 %, συνδέτης επιχλωρυδρίνη & συμβατική ξήρανση: 0,25 %). Για προσρόφηση σε σύστημα καρμίνης-ταρτραζίνης, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε όξινο pH (3), καθοριστικός παράγοντας αποτέλεσε η επιλογή συνδέτη [Καρμίνη: (συνδέτης γλουταραλδεΰδη & κατάψυξη υπό κενό: 80,51 %, συνδέτης επιχλωρυδρίνη & κατάψυξη υπό κενό: 18,64 %, συνδέτης γλουταραλδεΰδη & συμβατική ξήρανση: 55,99 %, συνδέτης επιχλωρυδρίνη & συμβατική ξήρανση: 7,73 %), Ταρτραζίνη: (συνδέτης γλουταραλδεΰδη & κατάψυξη υπό κενό: 76,26 %, συνδέτης επιχλωρυδρίνη & κατάψυξη υπό κενό: 12,44 %, συνδέτης γλουταραλδεΰδη & συμβατική ξήρανση: 61,39 %, συνδέτης επιχλωρυδρίνη & συμβατική ξήρανση: 10,84 %)].	el
heal.abstract	Safe drinking water has been on the human rights list for over twenty years. Although there are various sources of water in nature, in order to be suitable for consumption it must undergo special treatments to eliminate physical, chemical and microbiological risk. A particular problem is the chemical risk which is increasingly increasing due to the rapid development of technology and industrialization. The food industry uses many additives that contaminate water. One of them is natural and synthetic dyes which have adverse effects on human health. The method of chemical contaminant elimination, studied in the present BT, is adsorption. More specifically, the adsorption of two chemical contaminants in the food industry, carmine (E120-natural dye) and tartrazine (E102-synthetic dye). Adsorption is widely used in the food industry due to the ability to remove a specific target-contaminant with high efficiency, does not require expensive amounts of fixed and operating costs and has no environmentally hazardous by-products. In the adsorption experiments which took place in the present BT, an activated carbon from coconut shell (treated natural material) and chitosan cross-linked with cerium dioxide (treated combination of biosorbent-natural material) were used, respectively. However, this innovative material (cross-linked chitosan/cerium dioxide) shows the possibility of regeneration with high performance. A series of equilibrium experiments were performed for each dye, in which the effects of some external factors that affect the feasibility of adsorption were studied. The factors studied are pH, adsorbent mass, initial dye concentration and temperature. A series of equilibrium experiments were used to study adsorption isotherms with the initial concentration of dye at a variety of temperatures being studied. The same aforementioned factors were used for the kinetic study. It is emphasized that all adsorption experiments follow a model of fully mixed batch reactor with constant stirring rate and atmospheric pressure. The time of equilibrium and kinetic experiments is 24 and 3 h respectively. Primarily, the adsorption of carmine by chitosan/cerium dioxide granules was studied. Experimental series (1st) was performed at various pH values (2-7). The results showed that there was a sharp increase in the rate of carmine removal at pH below 4 (from 28,75% for pH 4 to 78,76% for pH 3,5). Higher adsorption capacity was shown at lower pH (96,80% removal at pH 2). The mass of adsorbent as a volatility agent (0,05-0,60 g) was then studied. As expected, the larger adsorbent mass had the highest removal rate (53,19%) and the lowest amount of adsorbed carmine per unit adsorbent mass (35,46 mg/g). The most important determinant of variability showed that it is the initial concentration of dye (25-200 mg/L). In 200 ppm initial dye concentration, the maximum adsorbed quantity per unit mass of adsorbent (68,38 mg/g) and the minimum carmine removal percentage (51,29 %), are achieved. The effect of temperature (25-65 ℃) seems to favor the adsorption as the largest measured quantities appear at the temperature of 65 ℃ (qe = 33,30 mg/g, % Y = 99,90) but the increase decreases gradually (logarithmic increase). Thermodynamic analysis at these temperatures showed that adsorption is spontaneous at all temperatures (ΔG0 <0), strongly exothermic (ΔH0 = -91,69 kJ / mol) and partially irregular when it comes to a solid-liquid interface (ΔS0 = 0,32 kJ/mol/K). Also, the adsorption is carried out by a combination of chemoadsorption-physioadsorption with chemoadsorption as the controlled stage (Ea = 89,94 kJ/mol). Adsorption isotherms showed that at the lowest temperature (25 ℃) the experimental results were adjusted by both the Langmuir model (qm = 71,77 mg/g) and the Freundlich model (KF = 21,42 mg/g*(L/mg)1/n), with Freundlich advantage. The kinetic analysis showed that in all cases, the kinetics are described by the pseudo-second order model except in the case of kinetic analysis with a less acidity pH (6) which is better described by the Elovich model. The adsorption of carmine from activated carbon powder was then studied. All experimental study series of factors in equilibrium (pH, adsorbent mass, initial pigment concentration, temperature) showed exactly the same form of results as in the previous section (adsorption of carmine by chitosan/cerium dioxide granules). However, in this case, the increase in adsorption capacity seems to increase exponentially as a function of temperature. The thermodynamic analysis also showed the same results, that the adsorption is performed spontaneously at any temperature (ΔG0< 0), strongly exothermic (ΔH0 = -86,05 kJ/mol), irregular (ΔS0 = 0,30 kJ/mol /K) chemoadsorption (Ea = 84,42 kJ/mol). The isothermal adsorption study at 25 ℃ seems to be better described by the Langmuir model (qm = 33,70 mg/g). At the remaining temperatures there is an alternation of Temkin and Freundlich models which foretells a combination of phenomena. Kinetic analysis is described identically the same as the kinetic analysis of chitosan/cerium dioxide granules. The most effective adsorbent (granules of chitosan/cerium dioxide) was selected for tartrazine adsorption experiments. The experimental series of pH (2-8), adsorbent mass (0,05-0,60 g), initial dye concentration (25-200 mg/L) and temperature (25-50 ℃) are performed. The same forms of results are observed again with some differences. Tartrazine as a synthetic dye is more stable and does not show any abrupt change in extreme pH values. Thermodynamic analysis reveals that adsorption is almost consistently spontaneous at all temperatures (ΔG0 = -5,07 kJ/mol at 25 ℃, ΔG0 = -6,99 kJ/mol at 50 ℃), slightly exothermic (ΔH0 = -17,59 kJ/mol), slightly irregular (ΔS0 = 0,08 kJ/mol/K) and is carried out by physioadsorption (Εa = 14,73 kJ/mol, ΔG(T)0≈ constant, ΔS0≈ 0, ΔΗ0 = -17,59 kJ/mol). At 25 ℃, the Langmuir model (qm = 309,06 mg/g) fully adapts to the isotherm. At higher temperatures, the isotherms are perfectly adapted from the new model (2013) which is a combination of Langmuir and Jovanovic model. Dimensional Langmuir (RL) at 25 ℃ is lower than the corresponding carmine adsorption (RL_tartrazine = 0,0042, RL_carmine = 0,0051). The kinetic analysis model that best describes all cases, is again the pseudo-second order kinetics. Adsorbent regeneration experiments showed that chitosan/cerium granules are suitable material for regeneration. For adsorption of carmine at high temperature (50 ℃) and slightly acidic pH (4), it was concluded that the choice of drying method is the determining factor (glutaraldehyde binder & freeze dry: 77,14%, epichlorohydrin binder & freeze dry: 70,70%, glutaraldehyde binder & conventional drying: 2,58%, epichlorohydrin binder & conventional drying: 0,25%). For adsorption of a carmine-tartrazine dichromate system at ambient temperature and acidic pH (3), the determinant was the choice of binder [Carmine: (glutaraldehyde binder & freeze dry: 80,51%, epichlorohydrin binder & freeze dry: 18,64%, glutaraldehyde binder & conventional drying: 55,99%, epichlorohydrin binder & conventional drying: 7,73%), Tartrazine: (glutaraldehyde binder & freeze dry: 76,26%, epichlorohydrin binder & freeze dry: 12,44%, glutaraldehyde binder & conventional drying: 61,39%, epichlorohydrin binder & conventional drying: 10,84%)].	en
heal.advisorName	Τζιά, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Σαρίμβεης, Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	189 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false