Ανάπτυξη Αισθητήρα Νιτρικών για μετρήσεις σε Θρεπτικά Διαλύματα Υδροπονίας

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ (ΕΑΧ) ΗΡΑΚΛΕΙΟ ΚΡΗΤΗ Ανάπτυξη Αισθητήρα Νιτρικών για μετρήσεις σε Θρεπτικά Διαλύματα Υδροπονίας ΜΑΡΙΑ ΦΟΥΣΚΑΚΗ, Χημικός ΜΑΡΙΑ ΤΣΕΜΠΕΡΟΥΛΗ, Χημικός ΝΙΚΟΣ ΧΑΝΙΩΤΑΚΗΣ, Καθ. Αναλυτικής Χημείας 1

2 Αναλυτική Χημεία Απαντά σε 2 ερωτήματα Τι περιέχει; (Ποιοτική ανάλυση) Πόσο περιέχει; (Ποσοτική ανάλυση) Χρήση Αναλυτικών Οργάνων και Μεθόδων Χρήση μιας υπάρχουσας μεθόδου-οργάνου (εφαρμοσμένη έρευνα) Ανάπτυξη νέας μεθόδου οργάνου (βασική έρευνα)

3 Τμήμα Χημείας Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας Εφαρμοσμένη Έρευνα Χρήση υπάρχουσας οργανολογίας και μεθοδολογίας από τη βιβλιογραφία Βασική Έρευνα Ανάπτυξη νέων οργάνων και μεθόδων ανάλυσης ουσιών

4 Άρθρα σε εφημερίδες

5 Άρθρα σε εφημερίδες

6 Γενικά Ερωτήματα Τι είναι τα νιτρικά; Πού χρησιμοποιούνται τα νιτρικά; Είναι τα νιτρικά (ΝΟ 3- ) επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία; Ποιες οι πηγές νιτρικών για τον άνθρωπο; Υπάρχουν ανώτατα επιτρεπτά όρια νιτρικών στα τρόφιμα και τα νερά; Πώς παρακολουθούνται/μετριούνται τα νιτρικά στα τρόφιμα και τα νερά;

7 Τα Νιτρικά Ιόντα: Τι γνωρίζουμε; Απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών, χρησιμοποιούνται όμως και ως συντηρητικά. Πιθανή συσχέτιση της κατανάλωσης νιτρικών με ορισμένες μορφές καρκίνου, τερατογενέσεις, µεταλλάξεις και κυάνωση στα βρέφη. Κυριότερη ανθρωπογενής πηγή νιτρικών αποτελούν τα αζωτούχα λιπάσματα. Είναι ευρέως διαδεδομένα σε νερά, εδάφη, φυλλώδη λαχανικά. Μόλυνση του υδροφόρου ορίζοντα, ευτροφισμός ποταμών και λιμνών. Μείωση της χρήσης νιτρικών µε κατάλληλη διαχείριση της θρέψης των φυτών (Υδροπονία).

8 Τα Νιτρικά στα Τρόφιμα Τα όρια των νιτρικών στα φυτικής προέλευσης τρόφιμα και κυρίως στα φυλλώδη λαχανικά, είναι ιδιαίτερα υψηλή. Ανώτερα Όρια Νιτρικών Ιόντων σε Λαχανικά (Ε.Ε. αρ. 1258/2011) Είδος Ανώτερα Όρια (mg Νιτρ. / kg F.W) Μαρούλι Σπανάκι 3000 Ρόκα Μαρούλι τύπου Ιceberg 2500

9 Τι είναι Υδροπονία; Μέθοδος καλλιέργειας φυτών χωρίς τη χρήση του εδάφους. Οι ρίζες των φυτών αναπτύσσονται σε νερό στο οποίο έχουν διαλυθεί όλα τα απαραίτητα θρεπτικά στοιχεία (θρεπτικό διάλυμα που παρασκευάζεται από λιπάσματα).

10 Γιατί Υδροπονία; Δυνατότητα ρύθμισης των περιβαλλοντικών παραμέτρων Σωστές αναλογίες θρεπτικών στοιχείων (Ν/P/K) Μείωση της κατανάλωσης νερού Αύξηση της παραγωγικότητας Προστασία από τις ασθένειες τους εδάφους Προστασία του περιβάλλοντος Η ακριβής μέτρηση των νιτρικών με την υπάρχουσα τεχνολογία δεν είναι εφικτή

11 Πρόγραμμα HYDROFLIES Ανάπτυξη Αισθητήρα Νιτρικών ο οποίος να: Μπορεί να μετρήσει τα νιτρικά στα επίπεδα που βρίσκονται στο θρεπτικό διάλυμα υδροπονίας. Μπορεί να μετρήσει τα νιτρικά παρουσία των άλλων ουσιών που βρίσκονται στο θρεπτικό διάλυμα υδροπονίας. Μπορεί να μετράει συνεχώς για πολλές μέρες. Χρειάζεται καθάρισμα/συντήρηση μεταξύ των μετρήσεων. Μην επηρεάζεται η μέτρηση από τη θερμοκρασία. Μην επηρεάζεται από το νερό που χρησιμοποιείται για να παρασκευαστεί το θρεπτικό διάλυμα υδροπονίας.

12 Αρχή Λειτουργίας Χημικών Αισθητήρων Δείγμα Αισθητήρας Παρακολούθηση 'Έλεγχος Ενισχυτής

13 Η Καμπύλη Βαθμονόμησης Μπορεί ο αισθητήρας να μετρήσει τα νιτρικά στα επίπεδα που βρίσκονται στο θρεπτικό διάλυμα υδροπονίας; 200 ΣΗΜΑ (mv) ΝΙΤΡΙΚΑ (mol/l) ΣΗΜΑ (mv) 50 0, ,0001 0,001 0,01 0,1 206,7 150, , E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1 ΝΙΤΡΙΚΑ (mol/l)

14 Σταθερότητα Αισθητήρα Νιτρικών ΧΡΟΝΟΣ (min) ,2 165,5 165,3 165,4 165,2 165,3 154,8 ΣΗΜΑ (mv) ΣΗΜΑ (mv) Μπορεί ο αισθητήρας να μετράει συνεχώς σε θρεπτικό διάλυμα υδροπονίας για πολλές μέρες; Χρόνος (Ημέρες)

15 Συμπεράσματα Ο αισθητήρας νιτρικών Μπορεί να μετράει τα νιτρικά στο θρεπτικό διάλυμα υδροπονίας χωρίς παρεμβολές από τις άλλες ουσίες που βρίσκονται στο διάλυμα. Μπορεί να μετράει συνεχώς για 45 μέρες χωρίς να απαιτείται καθάρισμα/συντήρηση μεταξύ των μετρήσεων. Οι μετρήσεις δεν επηρεάζονται από μικρές (2-5 ο C) αλλαγές στη θερμοκρασία ούτε όταν το νερό που χρησιμοποιείται είναι υφάλμυρο.

16 Νέα Ερωτήματα Μπορεί ο αισθητήρας να μπει σε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα μέτρησης για να χρησιμοποιείται συνεχώς στο χωράφι; Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγχει και το προϊόν και όχι μόνο το θρεπτικό διάλυμα;

17 ΠΗΓΕΣ 1. Vamvakaki, M.; Chaniotakis, N. A solid-contact ion-selective electrodes with stable internal electrode. Anal. Chim. Acta1996, 320(1), Andredakis, G.E.; Moschou, E.A.; Matthaiou, K.; Froudakis, G.E.; Chaniotakis, N.A. Theoretical and experimental studies of metallated phenanthroline derivatives: optimization of the nitrate sensor. Anal. Chim. Acta 2001, 432(2), E. Geniatakis, M. Fouskaki and N. A. Chaniotakis Direct Potentiometric Measurement of Nitrate in Seeds and Produce Communications in Soil Science and Plant Analysis 2003, 34 ( 3 & 4), «Eκπαιδευτικό υλικό χρηστών» Eρευνητικό πρόγραμμα HYDROFLIES «ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΒΙΟΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΒΙΟΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΕ ΥΔΡΟΠΟΝΙΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΜΑΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΡΟΥΛΙΟΥ» aideutikokri (14/11/2014)

18 Η Επιστημονική Μέθοδος: Αναλυτικά Προσωπική αναζήτηση Πρακτικό πρόβλημα Νέες τεχνολογίες Περιέργεια Κάνουμε παρατηρήσεις Θέτουμε ερωτήματα Περίεργη παρατήρηση Τυχαία ανακάλυψη Συλλέγουμε δεδομένα Βρίσκουμε έμπνευση Ερευνούμε τη βιβλιογραφία Υπόθεση Συλλογή δεδομένων Αναμενόμενα αποτελέσματα /Παρατηρήσεις Πραγματικά αποτελέσματα /Παρατηρήσεις Επεξεργασία δεδομένων Γενικότερα οφέλη και αποτελέσματα Επιβεβαίωση της υπόθεσης Απόρριψη της υπόθεσης Νέες υποθέσεις Επικοινωνία και ανατροφοδότηση

19 Green Light Incandescent Light Bulbs: Endangered Species? Team N.T.A.M.A. 4 th High School of Chania, Crete, Greece Νikoleta Mavredaki, Triantafillia Psaroudaki, Alkisti Kapnisaki, Marina Choustoulaki, Anna-Maria Papasifaki Methods cont. Results cont. Introduction Conclusion Overview and Importance: Eighty per cent of bulbs in all homes are inefficient, energy consuming "incandescent" bulbs, even though for more than 30 years now there are energy efficient bulbs (Greenpeace). The Compact Fluorescent Lamps (CFLs) and recently the Light Emitting Diode (LED) bulbs are two examples of energy saving light sources. In particular, LEDs should have supplanted all other types of energy efficient light bulbs as they use much less power (watts) per unit of light they generate (lumens). LEDs are not only cost-effective but also environmentally safe; they do not contain heavy metals, and have the lowest Carbon Footprint. The use of LEDs reduces the greenhouse gas emissions from power plants alongside lowering electric bills (Brite Gate, 2011). Although evidence of LED s efficiency and safety is very strong, people are resistant to change their household lighting. The U.S. government has decided to enforce the elimination of the traditional incandescent bulbs since January Even then and two years later data suggests that the degree of change is disapprovingly low (USA TODAY, 2014). It seems very important that governments and local authorities run campaigns to increase public awareness of the advantages of using LED and convince people to change their old energy consuming bulbs. Objective: Our goal was threefold: 1) to make comparative calculations of traditional and energyefficient light bulbs, 2) to examine local people s attitudes, and 3) to raise public awareness. Methods Figure 1. Apparatus used to make comparative calculations of temperature, electric current and spectral radiance Then, we developed and run a public survey (n=114) in Chania, Crete to identify local people s knowledge, use and prejudice towards energy efficient light bulbs. (See Respondents Demographic profile in Fig 4 and their responses Fig 5-12). Results Based on the current measurements and the specifications of each bulb, we calculated the cost of using the 4 types of light bulbs. For our study, we assumed we needed to light a room for hours of continuous use. We calculated how many of each light bulb we will need for this period and their total cost. We measured the intensity of the current flow with each light bulb and estimated the energy spent within these hours and the cost of this electricity in Greece. By adding up the purchase price and the electricity costs, we calculated the total cost and thus we estimated the financial benefit of the energy efficient bulbs, in particular fluorescent and LED ones. We recorded the spectral content of each light source and we noticed that incandescent bulbs emit HIGHER INFRA RED (IR) radiation which makes objects heat up. The temperature of filament bulbs reaches 70 o C (Fig 3), considerably higher than the other light bulbs, denoting the significant amount of energy lost as heat. Temperature ( o C) Figure 3. Temperature of four types of light bulbs after 5min of operation Type of Bulb Figure 4. Respondents Demographic profile Due to the plethora of drawbacks, filament and halogen bulbs should be replaced by energy efficient and state of the art light bulbs. People are still hesitant to switch to energy efficient light bulbs and they are in need of more information. References ers-el.pdf arison.html /2013/ianouarios/vromiki-energeia-dei/ tic/compare_led_vs_fluorescent_light.html n-now/2013/ 12/27/incandescent-lightbulbs-phaseout-leds/ / We used a spectrometer and power meter to calculate, compare and identify the most energy efficient light bulb. We measured quantities of electrical current flow, the temperature and the spectrum of four types of light bulbs of equal luminous efficacy (700 lumen): a filament, a halogen, a fluorescent and a LED one. We used the apparatus shown (Fig 1) which consists of the fiber-optic probe, placed 20 cm away from each light source to detect the emission spectrum of each light bulb. We connected the apparatus to an ampere meter and measured the intensity of the current in the circuit needed to light up each light bulb. To check the temperature we placed a temperature probe 3cm away from the light bulb, and measured the temperature after 5 minutes of continuous usage. Type of Bulb (700 Lumen) Filame Haloge CFL LED nt n Light bulb expected lifespan (h) 1,000 2,000 10,000 25,000 Bulbs needed for hours of use (N) Cost per bulb ( ) Cost of bulbs needed ( ) BC = Cost per bulb x Ν Measured current used by the bulb (ma) Calculated power (Watt) P (Watt) = V (Volt) x I (Amp), V = 230 Volts KWh of electricity used over 50,000 hours Ε (KWh)=P x time /1000 Electricity Cost ( ) (assuming 0.10 per KWh) EC=Ε X 0,1 Total Cost ( ) = BC + EC Figure 2. Comparative calculations of cost for four types of bulbs. 5 Figures Percentage of local people responses.