«ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΚΟΡΕΣΤΑ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ»

1. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Εργαστήριο Τεχνολογίας Περιβάλλοντος «ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΚΟΡΕΣΤΑ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ» Διατριβή Μεταπτυχιακής Ειδίκευσης της ΠΟΛΥΞΕΝΗΣ Ν. ΜΗΤΡΟΠΟΥΛΟΥ Χημικού Μηχανικού Επιβλέπων Καθηγητής Κων/νος Χρυσικόπουλος Πάτρα, 7-2-2011

2. Στόχος Εργασίας η κατανόηση των θεμελιωδών μηχανισμών που ελέγχουν την τύχη και τη μεταφορά των κολλοειδών σωματιδίων (μικροσφαίρες λατέξ) στο υπέδαφος η εστίαση στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ κολλοειδών και των διεπιφανειών στερεού-νερού (SWI)και αέρα-νερού (AWI) κάτω από διάφορες φυσικοχημικές συνθήκες η διερεύνηση των επιδράσεων του μεγέθους των κολλοειδών, του μεγέθους των κόκκων του πληρωτικού υλικού και της ιοντικής ισχύος του διαλύματος στη μεταφορά των κολλοειδών και στην απόθεσησε στήλες εδάφους υπό δυσμενείς ακόρεστες συνθήκες

3. Κολλοειδή Συστήματα • Τα κολλοειδή αποτελούνται από την εν διασπορά φάση (ασυνεχής) που κατανέμεται ομοιόμορφα και από το μέσο διασποράς (συνεχής φάση). • Τα σωματίδια του κολλοειδούς μπορεί να είναι στερεά ή σταγονίδια ή ακόμα και αέρια (φυσαλίδες). • διάκριση τους σευδρόφοβα και λυόφιλα κολλοειδή • Παραδείγματα κολλοειδών: ομίχλη και ο καπνός, το γάλα, τα χρώματα, τα αφροπλαστικά, το αίμα, τα κόκαλα, το μαργαριτάρι

4. Χαρακτηριστικά γνωρίσματα κολλοειδών • μέγεθος: μεταξύ 1-1000nm

5. Κολλοειδή στη φύση «πραγματικά» (intrinsic, true colloids) Διακρίνονται σε «ψευδοκολλοειδή» Πηγές Κολλοειδούς Υλικού 1.ΧΥΤΑ, δεξαμενές βιολογικού καθαρισμού 2. Γεωργικές δραστηριότητες 3. εγκαταστάσεις πυρηνικών αποβλήτων

6. Μεταφορά Κολλοειδών στην ακόρεστη ζώνη Αντικείμενο έρευνας για τέσσερις βασικούς λόγους : • Η κίνηση των κινούμενων κολλοειδών μπορεί να διευκολύνει την μεταφορά κάποιων ρυπογόνων ουσιών • Η κίνηση των βιοκολλοειδών (βακτηρίων, ιών) στο υπέδαφος αποτελεί κίνδυνο για τη δημόσια υγεία • Η εναπόθεση των κινούμενων κολλοειδών μπορεί να μειώσει τη διαπερατότητα του εδάφους • Η κίνηση των κολλοειδών στην ακόρεστη ζώνη αποτελεί μια σημαντική διεργασία στην δημιουργία του εδάφους

7. Ακόρεστη Ζώνη • Το υπέδαφος χωρίζεται στην κορεσμένη και ακόρεστη ζώνη • Εκτενής διερεύνηση της κορεσμένης ζώνης • Ευκολία διεξαγωγής πειραμάτων κορεσμένη φύσης • Ανάγκη μελέτης των μηχανισμών που διέπουν τη μεταφορά στα ακόρεστα μέσα

8. Χαρακτηριστικά ακόρεστης ζώνης Ακόρεστη ζώνη Σύστημα Τριών Φάσεων Αέρα – Νερού – Στερεού Βασική αλληλεπίδραση κολλοειδών Διεπιφάνειες στερεού – νερού & αέρα – νερού Συλλέκτες κολλοειδών σωματιδίων Δυνατή προσρόφηση κολλοειδών & μη αντιστρεπτή Συγκράτηση στη διεπιφάνεια αέρα – νερού pH ιοντική ισχύς ιδιότητες επιφάνειας των κολλοειδών

9. Υποβοηθούμενη μεταφορά ρύπων Προσρόφηση ρύπων σε κινούμενα κολλοειδή και μεταφορά σε σημαντικές αποστάσεις διαμέσου του υπεδάφους + Βιώσιμη στρατηγική εξυγίανσης για την απομάκρυνση ισχυρών προσροφημένων ρύπων μέσω διήθησης ή έκπλυσης - Μόλυνση υδάτων λόγω ενισχυμένης κινητικότητας ρύπων

10. Συγκράτηση κολλοειδών στην ακόρεστη ζώνη Κριτήριο Συγκράτησης (Bradford, 2002) dp/dgέως 0.002

11. Επιφανειακό φορτίο κολλοειδών • Η πλειονότητα των μικροσωματιδίων ή των επιφανειών αποκτούν ένα ηλεκτρικό φορτίο όταν έρχονται σε επαφή με ένα πολικό (π.χ. υδατικό) μέσο. • pH χαμηλό : θετικό φορτιο • pH υψηλό: αρνητικό φορτίο • pH=7: είναι αρνητικά φορτισμένα Ηλεκτρικές ιδιότητες Κολλοειδών • Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα • (Gouy και Chapman) • Εσωτερική περιοχή: προσροφημένα ιόντα • Εξωτερική διάχυτη περιοχή: κατανεμημένα ιόντα

12. Ηλεκτρικές ιδιότητες Κολλοειδών • Εσωτερικό μέρος ηλεκτρικής διπλοστοιβάδας : Μοντέλο Stern • Gouy-Chapman: σημειακά φορτία • Stern: Η διπλοστοιβάδα χωρίζεται σε δύο μέρη με ένα διαχωριστικό επίπεδο (το επίπεδο Stern), το οποίο είναι τοποθετημένο παράλληλα προς την επιφάνεια και σε μια απόσταση περίπου ίση με την ακτίνα των ενυδατωμένων ιόντων • Εξέταση της ειδικής προσρόφησης των • ιόντων στην επιφάνεια. • ηλεκτροστατικές δυνάμεις • ή δυνάμεις van der Waals

13. Ηλεκτρικές ιδιότητες Κολλοειδών

14. Μεταβολή ηλεκτρικού δυναμικού: ψ=ψδexp(-κx) όπου Ηλεκτρικές ιδιότητες Κολλοειδών κ παράμετρος Debye-Huckel • Μονάδες αντίστροφου μήκους • λόγος 1/κ πάχος διάχυτης διπλοστοιβάδας • καθορίζει τη τάση του διάχυτου στρώματος • φαινόμενο συμπίεσης του στρώματος της διπλοστιβάδας

15. φυσική ιδιότητα κολλοειδών: τάση για συσσωμάτωση των εν διασπορά σωματιδίων • σύγκρουση σωματιδίων λόγω θερμικής κίνησης : • συσσωμάτωση / σταθερότητα κολλοειδών • συσσωμάτωση: ελκτικές δυνάμεις van der Waals (ελκτικές) • σταθερότητα: ηλεκτρικής διπλοστοιβάδας (ελκτικές/απωστικές) • Θεωρία DLVO: ποσοτική περιγραφή της σταθερότητας και της συσσωμάτωσης των κολλοειδών γίνεται με βάση τη θεωρία DLVO. Σταθερότητα Κολλοειδών

16. Μεταβολή της ενέργειας αλληλεπίδρασης καθώς τα σωματίδια προσεγγίζουν μεταξύ τους • συμβολή δύο τύπων αλληλεπιδράσεων : • ηλεκτροστατική άπωση • διασωματιδιακή έλξη Σταθερότητα Κολλοειδών - Θεωρία DLVO Καμπύλες ολικές ενέργειας αλληλεπίδρασης

17. Σταθερότητα Κολλοειδών - Θεωρία DLVO Συνολική ενέργεια αλληλεπίδρασης δίνεται από το άθροισμα (Bradford&Torkzaban, 2008) 1. Προσέγγιση αλληλεπίδρασης σφαίρας - σφαίρας 2. Προσέγγιση αλληλεπίδρασης σφαίρας- πιάτου Αντικατάσταση της ποσότητας (rcrc2)/(rc+rc2) με rc

18. Σταθερότητα Κολλοειδών - Θεωρία DLVO Σταθερά Hamaker

19. Πειραματική Διαδικασία – Υλικά και Μέθοδοι Ιχνηθέτης • χλώριο, υπό μορφή χλωριούχου καλίου • 0.01 mM KClσε υπερκάθαρο νερό • οι συγκεντρώσεις χλωρίου μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ιοντικής χρωματογραφίας Διάλυμα ηλεκτρολύτη • Χημικό αντιδραστήριο NaCl και υπερκάθαρο νερό • IS: 0.1mM έως 1Μ • pH περίπου 7.2 • 10ml αραιωμένου διαλύματος κολλοειδούς διασποράς/100mlNaCl • 108 κολλοειδών σωματιδίων ανά ml διαλύματος

20. Πειραματική Διαδικασία – Υλικά και Μέθοδοι Πληρωτικό Υλικό • xαλαζιακή άμμος • κατασκευαστής Filcom Filterzand & Grind • δύο μεγέθη: • λεπτόκοκκη (coarse) 1-2 mm (No 16: 1.18-1.7 mm) και • μεσαίου μεγέθους (medium) 0.8-1.25 mm (No 40: 0.425-0.600 mm) • 96.2 % SiO2, 0.15 % Na2O, 0.11 % CaO, 0.02 % MgO, 1.75 % Al2O3, 0.78 % K2O, 0.06 % SO3 and 0.46 % Fe2O3, 0.03 % P2O5, 0.02 % BaO, and 0.01% Mn3O4

21. Πειραματική Διαδικασία – Υλικά και Μέθοδοι Κολλοειδή • σφαιρικά φθορίζοντα πολυμερή μικροσωματίδια (fluorescent polymer microspheres) • εύκολο να μελετηθούν / καλά προδιορισμένα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά • 3 διαφορετικά μεγέθη κολλοειδών (0.075, 0.30 και 2.1 μm) • (Duke Scientific Corporation, Paolo Alto, California). • συγκέντρωση στερεών του αρχικού διαλύματος κολλοειδών :1%. • ρp=1.05gr/cm3 • δείκτης διάθλασης 1.59 • Φασματοφωτόμετρο φθορισμού

22. Πειραματική Διάταξη

23. Πειραματικά Αποτελέσματα Πειράματα Ιχνηθέτη απιονισμένο νερό παροχή 1.5 ml/min Sw= 90% Ποσοστό Ανακτώμενης μάζας

24. Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση μεγέθους κολλοειδών στη συγκράτηση • background solution: απιονισμένο νερό • Παροχή 1.5ml/min ψιλόκοκκη άμμος Επιβράδυνση κολλοειδούς Ενίσχυση ταχύτητας

25. Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση μεγέθους κολλοειδών στη συγκράτηση • background solution: απιονισμένο νερό • Παροχή 1.5ml/min Μεσόκοκκη άμμος

26. Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση ιοντικής ισχύος στη συγκράτηση κολλοειδών Λεπτόκοκκκη άμμος Μεσόκκοκη άμμος • dc=0.075μm • παροχή 1.5ml/min

27. Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση ιοντικής ισχύος στη συγκράτηση κολλοειδών • dc= 0.30μm • παροχή 1.5ml/min • SW=85%

28. Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση ιοντικής ισχύος στη συγκράτηση κολλοειδών

29. Υπολογισμοί – Ενέργεια Αλληλεπίδρασης • dc =0. 075μm • IS=5mM • Λεπτόκκοκη άμμος Αλληλεπίδραση Σφαίρας-Πιάτου Αλληλεπίδραση Σφαίρας-Σφαίρας

30. Συμπεράσματα • Επίδραση μεγέθους στη συγκράτηση • η συγκράτηση αυξάνεται με αύξηση του μεγέθους των κολλοειδών • η συγκράτηση δεν επηρεάζεται από το μέγεθος του πληρωτικού υλικού • Επίδραση ιοντικής ισχύος • η συγκράτηση αυξάνεται με αύξηση της ιοντικής ισχύος • η συγκράτηση για την ίδια τιμή ιοντικής ισχύος είναι πιο έντονη για τα κολλοειδή σωματίδια διαμέτρου dc= 0,075μm • το μέγεθος του πληρωτικού υλικού δεν επηρεάζει το βαθμό της συγκράτησης

31. Συμπεράσματα • Ενέργεια αλληλεπίδρασης • Οι αλλεπιδράσεις τόσο μεταξύ κολλοειδών όσο και μεταξύ κολλοειδών-κόκκων άμμου είναι απωστικές • Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ κολλοειδών δεν οδηγούν σε θρόμβωση.

32. Σας ευχαριστώ πολύ 

33. Συλλέκτης δειγμάτων • Retriever 500 (Teledyne Technologies Inc.) • Τοποθέτηση του συλλέκτη δειγμάτων μέσα στο δοχείο κενού • Χρήση 68 δοκιμαστικών διαμέτρου 13mm • Διαθέτει στο μπροστινό μέρος πίνακα με κουμπιά ρύθμισης • Η βάση τοποθέτησης δοκιμαστικών σωλήνων άλλαζε θέση κάθε 2 min

34. Δοχείο κενού • Κατασκευασμένο από χάλυβα • Διαθέτει παχιά, διαφανή πλαστική κάλυψη • Διαθέτει 2 εξόδους • Για τη σύνδεσή του με την αντλία κενού • Για τη σύνδεσή του μέσω καλωδίου παροχής ηλεκτρικού ρεύματος με τον συλλέκτη δειγμάτων • Το διαφανές πλαστικό κάλυμμα διαθέτει 2 υποδοχές • Μία υποδοχή για την κάτω έξοδο της στήλης εδάφους • Δεύτερη υποδοχή για το κενό μέσα στο θάλαμο να μπορεί να ελεγχθεί με έναν φορητό μετρητή πίεσης

35. Στήλη εδάφους • Κατασκευή από πλεξιγκλάς • Μήκος 15,2 cm & εξωτερική διάμετρο 5,1cm • Κυλινδρικός σωλήνας για τη συγκράτηση εδαφικού υλικού • Δύο αποσπώμενα σύνθετα κυλινδρικά καπάκια (τοποθέτηση στα δύο άκρα του σωλήνα) • Τρεις μεταλλικές ράβδους συγκρατούν τον σωλήνα και τα δύο κυλινδρικά καπάκια

36. Αντλία κενού με ρυθμιστή πίεσης • Διαθέτει δύο εξόδους. Η μία συνδέεται στην αντλία κενού και η άλλη συνδέεται στο δοχείο κενού (διατηρώντας σταθερή την αρνητική πίεση) • Επιθυμητή αρνητική πίεση στα πειράματα ροής και μεταφοράς ρύπων υπό ακόρεστες συνθήκες (0 και -0.5 bar) (

37. Καταχωρητής δεδομένων • Campell Scientific Co • Σύνδεση μέσω καλωδίου USB σε ηλεκτρονικό υπολογιστή • Καταγραφή μεταβολών πίεσης με το χρόνο • Σύνδεση με μετασχηματιστές – μετρητές πίεσης

38. Αντλία συριγγών • Soil Measurement Systems, Tucson, AZ • Εισαγωγή διαλύματος στη στήλη • Σταθεροί ρυθμοί ροής για μεγάλα χρονικά διαστήματα (με περιοδική άντληση) • Πίνακας με κουμπιά ρύθμισης • Ρύθμιση χρονικού διαστήματος (20s)πριν από κάθε πείραμα