Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

«ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΚΟΡΕΣΤΑ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ» Διατριβή Μεταπτυχιακής Ειδίκευσης της ΠΟΛΥΞΕΝΗΣ Ν. ΜΗΤΡΟΠΟΥΛΟΥ Χημικού Μηχανικού Πανεπιστήμιο Πατρών.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "«ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΚΟΡΕΣΤΑ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ» Διατριβή Μεταπτυχιακής Ειδίκευσης της ΠΟΛΥΞΕΝΗΣ Ν. ΜΗΤΡΟΠΟΥΛΟΥ Χημικού Μηχανικού Πανεπιστήμιο Πατρών."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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

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 απόθεση σε 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 σε υδρόφοβα και λυόφιλα κολλοειδή  Παραδείγματα κολλοειδών: ομίχλη και ο καπνός, το γάλα, τα χρώματα, τα αφροπλαστικά, το αίμα, τα κόκαλα, το μαργαριτάρι

4  μέγεθος: μεταξύ nm Χαρακτηριστικά γνωρίσματα κολλοειδών

5 Κολλοειδή στη φύση Διακρίνονται σε «πραγματικά» (intrinsic, true colloids) «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 : 1.Η κίνηση των κινούμενων κολλοειδών μπορεί να διευκολύνει την μεταφορά κάποιων ρυπογόνων ουσιών 2.Η κίνηση των βιοκολλοειδών (βακτηρίων, ιών) στο υπέδαφος αποτελεί κίνδυνο για τη δημόσια υγεία 3.Η εναπόθεση των κινούμενων κολλοειδών μπορεί να μειώσει τη διαπερατότητα του εδάφους 4.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) d p /d g έως 0.002

11 Ηλεκτρικές ιδιότητες Κολλοειδών 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 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=ψ δ exp(-κx) όπου 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 Ηλεκτρικές ιδιότητες Κολλοειδών cici η συγκέντρωση των ιόντων στο διάλυμα zizi το σθένος των ιόντων στο διάλυμα Fη σταθερά Faraday εη διηλεκτρική σταθερά του διαλύματος =(ε 0 )x(ε r )

15 Σταθερότητα Κολλοειδών  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.

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

17 Συνολική ενέργεια αλληλεπίδρασης δίνεται από το άθροισμα (Bradford&Torkzaban, 2008) 1. Προσέγγιση αλληλεπίδρασης σφαίρας - σφαίρας Αντικατάσταση της ποσότητ ας (r c r c2 )/(r c +r c2 ) με r c Σταθερότητα Κολλοειδών - Θεωρία DLVO 2. Προσέγγιση αλληλεπίδρασης σφαίρας- πιάτου

18 υλικό σταθερά Hamaker (J) κολλοειδές (πολυστυρένιο) 6.6x άμμος6.5x νερό6.5x Σταθερά Hamaker Σταθερότητα Κολλοειδών - Θεωρία DLVO

19 Πειραματική Διαδικασία – Υλικά και Μέθοδοι Ιχνηθέτης  χλώριο, υπό μορφή χλωριούχου καλίου  0.01 mM KCl σε 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/100ml NaCl  10 8 κολλοειδών σωματιδίων ανά ml διαλύματος

20 Πληρωτικό Υλικό  xαλαζιακή άμμος  κατασκευαστής Filcom Filterzand & Grind  δύο μεγέθη:  λεπτόκοκκη (coarse) 1-2 mm (No 16: mm) και  μεσαίου μεγέθους (medium) mm (No 40: mm)  96.2 % SiO 2, 0.15 % Na 2 O, 0.11 % CaO, 0.02 % MgO, 1.75 % Al 2 O 3, 0.78 % K 2 O, 0.06 % SO 3 and 0.46 % Fe 2 O 3, 0.03 % P 2 O 5, 0.02 % BaO, and 0.01% Mn 3 O4 Πειραματική Διαδικασία – Υλικά και Μέθοδοι

21 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%.  ρ p= 1.05gr/cm 3  δείκτης διάθλασης 1.59  Φασματοφωτόμετρο φθορισμού Πειραματική Διαδικασία – Υλικά και Μέθοδοι

22 Πειραματική Διάταξη

23 Πειραματικά Αποτελέσματα  απιονισμένο νερό  παροχή 1.5 ml/min  S w = 90% Πειράματα Ιχνηθέτη Ποσοστό Ανακτώμενης μάζας

24 d c (μm)M r (%)M 1c /M 1tr Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση μεγέθους κολλοειδών στη συγκράτηση ψιλόκοκκη άμμος  background solution: απιονισμένο νερό  Παροχή 1.5ml/min Ενίσχυση ταχύτητας Επιβράδυνση κολλοειδούς

25  background solution: απιονισμένο νερό  Παροχή 1.5ml/min Επίδραση μεγέθους κολλοειδών στη συγκράτηση Μεσόκοκκη άμμος Πειραματικά Αποτελέσματα d c (μm)M r (%)M 1c /M 1tr

26  d c = 0.075μm  παροχή 1.5ml/min IS (mM) S w (%) MrMr Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση ιοντικής ισχύος στη συγκράτηση κολλοειδών Μεσόκκοκη άμμοςΛεπτόκοκκκη άμμος

27  d c= 0.30μm  παροχή 1.5ml/min  S W =85% Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση ιοντικής ισχύος στη συγκράτηση κολλοειδών

28 Πειραματικά Αποτελέσματα Επίδραση ιοντικής ισχύος στη συγκράτηση κολλοειδών

29 Υπολογισμοί – Ενέργεια Αλληλεπίδρασης  d c =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 d c = 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  Κατασκευασμένο από χάλυβα  Διαθέτει παχιά, διαφανή πλαστική κάλυψη  Διαθέτει 2 εξόδους 1.Για τη σύνδεσή του με την αντλία κενού 2.Για τη σύνδεσή του μέσω καλωδίου παροχής ηλεκτρικού ρεύματος με τον συλλέκτη δειγμάτων Δοχείο κενού  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


Κατέβασμα ppt "«ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕΣΑ ΣΕ ΑΚΟΡΕΣΤΑ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ» Διατριβή Μεταπτυχιακής Ειδίκευσης της ΠΟΛΥΞΕΝΗΣ Ν. ΜΗΤΡΟΠΟΥΛΟΥ Χημικού Μηχανικού Πανεπιστήμιο Πατρών."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google