Ανάπτυξη μεθόδων φασματοσκοπίας υπερύθρου για τον χαρακτηρισμό παρθένων πολυμερών και τον προσδιορισμό πλαστικών υπολειμμάτων σε ρεύματα αποβλήτων

Bάνα, Βασιλική-Μελίνα; Vana, Vasiliki-Melina

dc.contributor.author	Bάνα, Βασιλική-Μελίνα	el
dc.contributor.author	Vana, Vasiliki-Melina	en
dc.date.accessioned	2024-09-04T09:25:27Z
dc.date.available	2024-09-04T09:25:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60128
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27824
dc.rights	Default License
dc.subject	Μικροπλαστικά	el
dc.subject	MP	en
dc.subject	ATR - FTIR	en
dc.subject	Μικροπλαστική ανάλυση	el
dc.subject	Χαρακτηρισμός Παρθένων Πολυμερών	el
dc.subject	Κομπόστ	el
dc.subject	Microplastic Model Case	en
dc.subject	Microplastic	en
dc.subject	Φασματοσκόπια Υπέρυθρου	el
dc.subject	Infrared Spectroscopy	en
dc.subject	Virgin Polymers	en
dc.subject	Compost	en
dc.subject	Soil Pollution	en
dc.subject	Μικροπλαστική Ρύπανση	el
dc.subject	Fenton Digestion	en
dc.subject	PP	en
dc.subject	LDPE	el
dc.subject	PBAT	el
dc.subject	Φασματοσκόπια FTIR	el
dc.subject	Χερσαία Επιμόλυνση	el
dc.subject	Χερσαία Μικροπλαστική Επιμόλυνση	el
dc.subject	Ποιοτικός και Ποσοτικός Προσδιορισμός Μικροπλαστικών	el
dc.subject	Qualitative and quantitive microplastic characterisation	en
dc.subject	Χώνευση	el
dc.title	Ανάπτυξη μεθόδων φασματοσκοπίας υπερύθρου για τον χαρακτηρισμό παρθένων πολυμερών και τον προσδιορισμό πλαστικών υπολειμμάτων σε ρεύματα αποβλήτων	el
dc.title	Development of infrared spectroscopic techniques for the characterisation of microplastics in solid waste streams	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Chemical engineering	en
heal.classification	Μηχανική Πολυμερών	el
heal.classification	Ενόργανη Ανάλυση	el
heal.classification	Μικροπλαστική Ανάλυση	el
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-06-18
heal.abstract	Extensive manufacturing and widespread use of plastic, lacking sustainable management of its product waste, has led to its significant accumulation in the environment. This accumulation comes in form of microplastic (MPs, < 5mm) and nanoplastic (NPs) particles which are insoluble in water and therefore their life spans in the environment are considered to be major. Plethora of researches are dedicated to develop analytical methods for both qualitive and quantitive analysis of MPs and NPs. Nevertheless, the lack of standardised methodologies in microplastic research has been addressed widely in recent years, as it hampers the comparison of results across studies and leads to high cost and time-consuming studies. Qualitive as well as quantified analysis of microplastics in the environment is key to the assessment of the potential eco-toxicological impacts that this new category of emerging pollutants could have on terrestrial and aquatic species. Therefore, the need for protocols that are robust, simple and reliable together with their standardisation are of crucial importance. The aim of this study is to devise a model-case for MP analysis exploiting the advantages of Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflection (ATR- FTIR). On that account, a range of virgin polymers (PP, LDPE, LLDPE, PET, PLA, PA 6.6, PA 6,12, PBAT, PBS) were investigated and characterized using ATR-FTIR spectroscopy, as well as their mixtures in flake form (<500 μm), in order to distinguish characteristic absorption peaks for each polymer respectively, which can lead to their identification or could indicate their presence in polymeric mixtures. Moreover, qualitive analysis was carried out for 10 different film blends of PP-PE and two calibration curves were obtained (using different stable absorption peaks of their FTIR spectra) with satisfactory correlation coefficients (R2 > 0.99 and 0.97 respectively) and which could serve for the successful identification of PP content (%) in unknown sample blends. For the model case a real-time food waste, which was collected from a compost facility, was contaminated with 5% w/w of PP, PE and PBAT, respectively, and the samples were subjected to good correlation between the loading of the polymeric contaminants and the final undigested part, since the organic matter removal was equivalent to: 92% for the blank sample, 88.4% for 5% w/w LDPE, 86.5% for 5% w/w PP and 89.8% for 5% w/w PBAT. Accordingly, method validation was also examined by digesting each polymer individually, which demonstrated that Fenton digestion doesn’t interfere with none of the used polymers physicochemical properties and doesn’t lead to their decomposition. digestion with Fenton reagent, along with a pertinent reference sample (blank) in order to remove the organic matter. Fenton digestion was proven to provide a good correlation between the loading of the polymeric contaminants and the final undigested part, since the organic matter removal was equivalent to: 92% for the blank sample, 88.4% for 5% w/w LDPE, 86.5% for 5% w/w PP and 89.8% for 5% w/w PBAT. Accordingly, method validation was also examined by digesting each polymer individually, which demonstrated that Fenton digestion doesn’t interfere with none of the used polymers physicochemical properties and doesn’t lead to their decomposition. Furthermore, chemical digestion was evidently proven to be essential for the aim of this study, since the MP contaminants were previously nearly untraceable via ATR-FTIR measurements of the undigested samples. Successful quantification of the MP contaminants was also feasible with ATR-FTIR spectroscopy, since calibration curves with good correlation were prevailed by examining samples with 2.5, 5, 7.5 and 10% (w/w) MP contamination for each polymer respectively. Key Words: Microplastic Analysis, Virgin Polymers, MPs, ATR-FTIR, Compost, Soil Pollution, Microplastic model-case, Infrared Spectroscopy, Fenton Digestion	en
heal.abstract	Η μικροπλαστική ρύπανση αποτελεί ένα από τα πιο επίκαιρα περιβαλλοντικά ζητήματα, καθώς τα επίπεδα συσσώρευσης μικροπλαστικών (MPs, <5mm) στο περιβάλλον έχουν λάβει τεράστιες διαστάσεις και πλήθος ερευνών έχουν αφιερωθεί στην ανάπτυξη μεθόδων για την ποιοτική και ποσοτική τους ανάλυση. Η έλλειψη τυποποιημένων πρωτοκόλλων ωστόσο καθιστά τις αναλύσεις αυτές εξαιρετικά χρονοβόρες και δαπανηρές και παρεμποδίζει την δυνατότητα συσχέτισης των αποτελεσμάτων κάθε μελέτης. Παράλληλα, οι περισσότερες μελέτες αναφέρονται σε μεθοδολογίες όσον αφορά την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση ΜPs σε υδάτινα ιζήματα, με αποτέλεσμα να υπάρχουν ανεπαρκή στοιχεία όσον αφορά την χερσαία επιμόλυνση από MPs. Η εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της ανάπτυξης ενός μοντέλου για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό ΜPs σε στερεά οργανικά απόβλητα αξιοποιώντας την Φασματοσκοπία Υπέρυθρου με μετασχηματισμό Fourier με ολική αποσβένουσα ανάκλαση (ATR-FTIR). Αρχικά, προκειμένου να πραγματοποιηθεί εξοικείωση με τα σύνθετα φάσματα και τις σχετικές χαρακτηριστικές κορυφές των πολυμερών, εξετάσθηκε μία σειρά από ευρέως χρησιμοποιούμενα πολυμερή στον τομέα της συσκευασίας, στην παρθενική τους μορφή, (PP, LDPE, LLDPE, PET, PLA, PA 6.6, PA 6.12, PBAT, PBS), καθώς και μίγματα αυτών, προκειμένου να αναγνωριστούν οι χαρακτηριστικές δονήσεις των δεσμών τους και να εντοπισθούν ορισμένες κορυφές απορρόφησης για το κάθε πολυμερές οι οποίες μπορούν να συμβάλλουν στην διάκριση και ταυτοποίηση τους σε σύνθετα μίγματα. Παράλληλα, διεξήχθη ποσοτική ανάλυση σε διμερή μίγματα PP-LDPE διαφορετικών περιεκτικοτήτων (σε μορφή φίλμ) και κατασκευάστηκαν 2 καμπύλες βαθμονόμησης με ικανοποιητικό συντελεστή συσχέτισης (R2 > 0.99 και 0.97 αντίστοιχα), οι οποίες ήταν δυνατό να προσεγγίσουν επιτυχώς την περιεκτικότητα PP σε δείγματα άγνωστης σύστασης. Όσον αφορά την προσομοίωση της μικροπλαστικής επιμόλυνσης, χρησιμοποιήθηκε δείγμα ρεύματος οργανικών αποβλήτων που συλλέχθηκε από μονάδα κομποστοποίησης, παρασκευάσθηκαν 4 δείγματα με επιμόλυνση MP 5% (w/w) για τα πολυμερή PP, LDPE και PBAT και ένα πρότυπο χωρίς επιμόλυνση. Τα δείγματα αυτά υποβλήθηκαν σε χώνευση με αντιδραστήριο Fenton, προκειμένου να απομακρυνθεί το οργανικό φορτίο. Βάσει των αποτελεσμάτων, από την χώνευση συσχετίσθηκε επιτυχώς το περιεχόμενο μικροπλαστικό φορτίο και το υπόλειμμα της χώνευσης καθώς το συνολικό οργανικό φορτίο που απομακρύνθηκε υπολογίσθηκε ίσο με 92% για το πρότυπο δείγμα, 88.4% για 5% w/w LDPE, 86.5% για 5% w/w PP και 89.8% για 5% w/w PBAT. Η μέθοδος τεκμηριώθηκε υποβάλλοντας σε χώνεψη τα παρθένα πολυμερή, μέσα από την οποία επιβεβαιώθηκε ότι οι φυσικοχημικές ιδιότητες των πολυμερών δεν επηρεάζονται από τηναντίδραση Fenton και δεν τίθεται ζήτημα αποικοδόμησης τους. Η επαλήθευση αυτή πραγματοποιήθηκε βάσει του ποσοστού του υπολείμματος αλλά και εξετάζοντας τα φάσματα IR των δειγμάτων. Η χώνευση αποδείχθηκε απαραίτητη διεργασία για τις απαιτήσεις της μελέτης καθώς στα δείγματα πριν την χώνευση ήταν σχεδόν αδύνατο να προσδιορισθούν τα ΜPs κατά την ανάλυση με ATR-FTIR . Παράλληλα με την τεχνική ATR-FTIR ήταν δυνατή και η ποσοτική ανάλυση των δειγμάτων, καθώς για το κάθε πολυμερές παρασκευάσθηκαν αναλογίες 2.5, 5, 7.5, 10% w/w και χαράχθηκαν καμπύλες βαθμονόμησης με καλή συσχέτιση ως προς το μικροπλαστικό περιεχόμενο. Λέξεις κλειδιά : Μικροπλαστικά, Φασματοσκοπία Υπερύθρου, Κομπόστ, Παρθένα Πολυμερή, Μικροπλαστική Ανάλυση, Χώνευση , ATR-FTIR, MPs	el
heal.advisorName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.advisorName	Vouyiouka, Stamatina	en
heal.committeeMemberName	Vouyiouka, Stamatina	en
heal.committeeMemberName	Barampouti, Elli	en
heal.committeeMemberName	Kollia, Ntina	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false