Διερεύνηση εναλλακτικών μεθόδων αναγέννησης στοιχειακού νανοσιδήρου για την απομάκρυνση των μικροοργανικών ενώσεων από τα λύματα

Κανελλοπούλου, Νίκη; Kanellopoulou, Niki

dc.contributor.author	Κανελλοπούλου, Νίκη	el
dc.contributor.author	Kanellopoulou, Niki	en
dc.date.accessioned	2025-04-04T07:25:20Z
dc.date.available	2025-04-04T07:25:20Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61620
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29316
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αναδυόμενοι μικρορύποι	el
dc.subject	Emerging micropollutants	en
dc.subject	Αναγέννηση	el
dc.subject	Στοιχειακός νανοσίδηρος	el
dc.subject	Regeneration	en
dc.subject	Elemental nanoiron	en
dc.title	Διερεύνηση εναλλακτικών μεθόδων αναγέννησης στοιχειακού νανοσιδήρου για την απομάκρυνση των μικροοργανικών ενώσεων από τα λύματα	el
dc.title	Investigation of alternative regeneration methods of elemental nanoiron for the removal of micro-organic compounds from wastewater	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πείραμα	el
heal.classification	Experiment	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-11-06
heal.abstract	Οι αναδυόμενοι οργανικοί μικρορύποι αποτελούν ένα σχετικά νέο πεδίο έρευνας. Πρόκειται για ρύπους που ανιχνεύονται στο περιβάλλον σε χαμηλές συγκεντρώσεις, κυμαινόμενες από νανογραμμάρια έως μικρογραμμάρια ανά λίτρο. Παρά το γεγονός ότι εμφανίζονται σε μικρές ποσότητες, προκαλούν ανησυχία λόγω της συχνής παρουσίας τους και των ενδείξεων ότι μπορούν να έχουν σοβαρές επιπτώσεις στα οικοσυστήματα και την ανθρώπινη υγεία. Αυτό οφείλεται στην ανθεκτικότητά τους, την τάση τους για βιοσυσσώρευση και τα τοξικολογικά τους χαρακτηριστικά. Οι πηγές τους είναι τόσο σημειακές όσο και διάχυτες, με μία από τις κύριες σημειακές πηγές να είναι η εκροή των εγκαταστάσεων επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Δεδομένου ότι τα συμβατικά συ- στήματα επεξεργασίας λυμάτων δεν έχουν σχεδιαστεί για την απομάκρυνση αυτών των ρύπων, η επιστημονική κοινότητα έχει εστιάσει πρόσφατα στην εύρεση βιώσιμων μεθόδων για την απομάκρυνσή τους. Οι αναδυόμενοι ρύποι περιλαμβάνουν μια μεγάλη ποικιλία ουσιών, όπως ενδοκρινικούς διαταράκτες και φαρμακευτικές ενώσεις. Τα τελευταία χρόνια έχουν διεξαχθεί αρκετές έρευνες με στόχο την ανακάλυψη αποδοτικών μεθόδων για την επεξεργασία μικροοργανικών ρύπων. Ανάμεσα σε αυτές είναι και η εφαρμογή του στοιχειακού σιδήρου σε νανοκλίμακα (nZVI). Ο στοιχειακός σίδηρος έχει αποδειχθεί αποτελεσματικός στην απομάκρυνση διαφόρων ανόργανων και οργανικών ρύπων, τόσο από τα υπόγεια ύδατα όσο και από τα εδάφη. Τα πλεονεκτή- ματα του νανοσιδήρου, σε σχέση με τον κοινό ή τον μικροκλίμακας σίδηρο, οφείλονται στο μικρό του μέγεθος, το οποίο αυξάνει την ειδική επιφάνεια και την αντιδραστικότητά του. Επιπλέον, η υψηλή αναγωγική του ικανότητα, οι καλές προσροφητικές ιδιότητες και η καταλυτική δράση του, του επιτρέπουν να απομακρύνει ένα ευρύ φάσμα ρύπων. Επίσης, η δυνατότητα «πράσινης» παραγωγής του νανοσιδήρου με τη χρήση φυτικών εκχυλισμάτων αποτελεί σημαντικό λόγο για τον οποίο αυτή η τεχνολογία έχει τραβήξει την προσοχή της επιστημονικής κοινότητας, ως μια πιθανώς βιώσιμη λύση για την επεξεργασία ρυπαντικών ουσιών. Παρόλο που φαίνεται πως η χρήση του στοιχειακού νανοσιδήρου αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την επεξεργασία διάφορων ενώσεων που ανήκουν στους αναδυόμενους μικρορύπους, η μέθοδος βρίσκεται ακόμα σε πολύ αρχικό στάδιο. Ο βασικός λόγος είναι ότι υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις στην εφαρμογή της, οι οποίες σχετίζονται κυρίως με τη συσσωμάτωση των νανοσωματιδίων, τη χαμηλή κινητικότητα, την ταχεία παθητικοποίησή τους και τη δυσκολία στον διαχωρισμό από το υπό επεξεργασία μέσο. Αυτά τα μειονεκτήματα μπορούν να μειωθούν με την τροποποίηση του nZVI. Ανάλογα με την τροποποίηση, μπορεί να ενεργοποιηθεί διαφορετικός μηχανισμός ή συνδυασμός μηχανισμών, όπως αναγωγή, οξείδωση, προσρόφηση ή κατάλυση, για τον εκάστοτε ρύπο. Επίσης, ένα θέμα που απαιτεί περαιτέρω έρευνα για την ευρύτερη εφαρμογή της μεθόδου είναι η πιθανή δημιουργία τοξικών παραπροϊόντων από την επεξεργασία των ενώσεων-στόχων. Μέχρι και σήμερα, οι περισσότερες μελέτες στη διαθέσιμη βιβλιογραφία επικεντρώνονται σε πειράματα σε εργαστηριακή κλίμακα, εξετάζοντας τη χρήση του nZVI, είτε αυτόνομα είτε σε συνδυασμό με άλλες τεχνικές (κυρίως προηγμένες μεθόδους οξείδωσης), για την αφαίρεση μικροοργανικών ρύπων. Οι κύριοι παράγοντες που φαίνεται να επηρεάζουν την αφαίρεση των ενδοκρινικών διαταρακτών και των φαρμακευτικών ουσιών, όπως προκύπτει από πολλές πειραματικές μελέτες, είναι το pH, ο χρόνος επαφής, η αρχική συγκέντρωση της ένωσης και η δόση του nZVI. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε στοιχειακός νανοσίδηρος, ο οποίος παράγεται με τη μέθοδο που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Μεταλλειολόγων του ΕΜΠ. Συγκεκριμένα, ο νανοσίδηρος ενσωματώνεται σε μία μήτρα κατιονικής ρητίνης, η οποία λειτουργεί ως υποστηρικτικό μέσο, και ανάγεται με τη χρήση πολυφαινολών από εκχύλισμα πράσινου τσαγιού. Η προτεινόμενη τεχνολογία για την απομάκρυνση των ενώσεων-στόχου περιλαμβάνει την συνδυαστική χρήση του νανοσύνθετου υλικού με υπερθειικό νάτριο. Κατά το πειραματικό στάδιο της μελέτης, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές παρτίδας με απιονισμένο νερό και έγχυση επιλεγμένων οργανικών μικρορύπων με σκοπό την αστοχία του νανοσύνθετου υλικού (R-nFe) και την διερεύνηση της αναγέννησής του. Οι μικρορύποι που επιλέχθηκαν να μελετηθούν ήταν τρεις ενδοκρινικοί διαταράκτες (εννεϋλοφαινόλη, δισφαινόλη Α, τρικλοζάνη) και τέσσερα μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα (ιμπουπροφαίνη, δικλοφενάκη, ναπροξένη, κετοπροφαίνη). Η ανάλυση των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Τομέα Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος (της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του ΕΜΠ). Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι, η αναγέννηση του νανοσύνθετου υλικού με σκοπό την απομάκρυνση μικροοργανικών ενώσεων από τα λύματα είναι εφικτή και αποτελείται από συγκεκριμένα στάδια επεξεργασίας. Τα στάδια αυτά περιλαμβάνουν την ανάδευση του νανοσύνθετου υλικού με διάλυμα μεθανόλης περιεκτικότητας κατ’ όγκο 25% και λόγο στερεού υλικού προς το διάλυμα 1 g /40 mL, την ανάδευση με HCl συγκέντρωσης 0,1 M και λόγο S/L= 1 g /10 mL, την ανάδευση με εκχύλισμα πράσινου τσαγιού και την επεξεργασία με NaCl 0,1 Μ και λόγο S/L= 1 g / 10 mL, καθώς φάνηκε ότι το χλωριούχο νάτριο παίζει σημαντικό ρόλο στην πειραματική διαδικασία. Επίσης, αποδείχθηκε έμμεσα μέσω της εκρόφησης των οργανικών μικρορύπων ότι η προσρόφηση παίζει σημαντικό ρόλο σαν μηχανισμός απομάκρυνσης των περισσότερων ουσιών. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι η μεθανόλη είναι ένας καλά υποσχόμενος εκροφητής για τους συγκεκριμένους ρύπους σε νανοσύνθετα υλικά αποτελούμενα από σίδηρο και ρητίνη.	el
heal.abstract	Emerging organic micropollutants are a relatively new field of research. These are pollutants that are detected in the environment at low concentrations, ranging from nanograms to micrograms per liter. Despite occurring in small quantities, they are of concern due to their frequent presence and evidence that they can have serious impacts on ecosystems and human health. This is due to their persistence, their tendency to bioaccumulate and their toxicological characteristics. Their sources are both point and diffuse, with one of the main point sources being the effluent of urban sewage treatment plants. Since conventional wastewater treatment systems are not designed to remove these pollutants, the scientific community has recently focused on finding sustainable methods for their removal. Emerging pollutants include a wide variety of substances, such as endocrine disruptors and pharmaceutical compounds. In recent years, several investigations have been carried out with the aim of discovering efficient methods for the treatment of micro-organic pollutants. Among them is the application of elemental nanoscale iron (nZVI). Elemental iron has been shown to be effective in removing various inorganic and organic contaminants from both groundwater and soils. The advantages of nano-iron, in relation to common or microscale iron, are due to its small size, which increases its specific surface area and reactivity. In addition, its high reducing capacity, good adsorption properties and its catalytic action, allow it to remove a wide range of pollutants. Also, the possibility of "green" production of nZVI using plant extracts is an important reason why this technology has attracted the attention of the scientific community, as a potentially viable solution for the treatment of pollutants. Although it appears that the use of elemental nZVI is a promising technology for the treatment of various compounds belonging to emerging micropollutants, the method is still at a very early stage. The main reason is that there are some challenges in its application, which are mainly related to the aggregation of the nanoparticles, their low mobility, their rapid passivation and the difficulty in separating them from the treated medium. These disadvantages can be reduced by modifying the nZVI. Depending on the modification, a different mechanism or combination of mechanisms, such as reduction, oxidation, adsorption, or catalysis, may be activated for each pollutant. Also, an issue that requires further research for the wider application of the method is the possible generation of toxic by-products from the processing of the target compounds. To date, most studies in the available literature have focused on laboratory-scale experiments, examining the use of nZVI, either alone or in combination with other techniques (mainly advanced oxidation methods), for the removal of micro-organic contaminants. The main factors that appear to affect the removal of endocrine disruptors and pharmaceuticals, as shown by many experimental studies, are pH, contact time, initial compound concentration and dose of nZVI. In this thesis, elemental nanoiron was used, which is produced by the method developed in the Metallurgical Laboratory of NTUA. Specifically, nanoiron is incorporated into a cationic resin matrix, which acts as a supporting medium, and is reduced using polyphenols from green tea extract. The proposed technology for the removal of the target compounds involves the combined use of the nanocomposite with sodium persulfate. During the experimental stage of the study, batch tests were carried out with deionized water and injection of selected organic micropollutants in order to fail the nanocomposite (R-nFe) and investigate its regeneration. The micropollutants chosen to be studied were three endocrine disruptors (nonylphenol, bisphenol A, triclosan) and four nonsteroidal anti-inflammatory drugs (ibuprofen, diclofenac, naproxen, ketoprofen). The analysis of the samples was carried out in the Sanitary Technology Laboratory of the Water Resources and Environment Sector (of the School of Civil Engineering of NTUA). The results show that the regeneration of the nanocomposite material with the aim of removing micro-organic compounds from the wastewater is feasible and consists of specific processing steps. These steps include stirring the nanocomposite material with a methanol solution of 25% by volume and solids ratio of material to the 1 g /40 mL solution, stirring with 0.1 M HCl concentration and S/L ratio = 1 g /10 mL, stirring with green tea extract and treatment with 0.1 M NaCl and S/L ratio L= 1 g / 10 mL, as sodium chloride was shown to play an important role in the experimental process. Also, it was indirectly demonstrated through the desorption of organic micropollutants that adsorption plays an important role as a mechanism for the removal of most substances. Finally, it was observed that methanol is a promising adsorbent for the specific pollutants in iron-resin nanocomposites.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Χονδρός, Μιχαήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	164 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false