ΣΙΟΥΤΟΠΟΥΛΟΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΣΙΟΥΤΟΠΟΥΛΟΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ, ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ & ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΣΙΟΥΤΟΠΟΥΛΟΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός Συγκριτική μελέτη της ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης από οργανικές ενώσεις Διδακτορική Διατριβή ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2 ΣΙΟΥΤΟΠΟΥΛΟΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός Συγκριτική μελέτη της ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης από οργανικές ενώσεις ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Αν. Καθ. Επ. Καθ. Καθηγητής Καθηγητής Ερευνητής Α Αν. Καθ. Α.Ι. Καράμπελας, Επιβλέπων Σ.Γ. Γιάντσιος, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Μ. Μήτρακας, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Κ. Παναγιώτου, Εξεταστής Μ. Σταματούδης, Εξεταστής Β. Ζασπάλης, Εξεταστής Ν. Ανδρίτσος, Εξεταστής

3 Δημήτριος Χ. Σιουτόπουλος Α.Π.Θ. Συγκριτική μελέτη της ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης από οργανικές ενώσεις ISBN «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ολοκληρώνοντας την παρούσα διατριβή θα ήθελα να ευχαριστήσω όσους συνέβαλαν στην πραγματοποίηση και αποπεράτωσή της. Καταρχάς, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Καθηγητή κ. Α.Ι. Καράμπελα για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου, δίνοντάς μου την ευκαιρία να εκπονήσω την παρούσα διδακτορική διατριβή υπό την επίβλεψή του, καθώς και για την αδιάκοπη καθοδήγηση και την αγαστή συνεργασία καθ όλη τη διάρκεια της διατριβής. Παράλληλα, νιώθω την ανάγκη να τον ευχαριστήσω για την στήριξη που μου έδειξε τόσο σε επιστημονικό όσο και σε προσωπικό επίπεδο. Θα ήθελα επίσης να εκφράσω τις θερμές και ειλικρινείς μου ευχαριστίες στον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Στέργιο Γιάντσιο για την βοήθεια και την καθοδήγηση που μου παρείχε, για τον χρόνο που αφιέρωσε, καθώς και για την συμπαράσταση του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής μου. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Μανασσή Μήτρακα, μέλος της τριμελούς επιτροπής, για τα εποικοδομητικά σχόλια και τις υποδείξεις του, οι οποίες συνέβαλαν τα μέγιστα στην αρτιότερη δομή της παρούσας διατριβής. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα μέλη τις επταμελούς επιτροπής, τον Καθηγητή κ. Κ. Παναγιώτου, τον Καθηγητή κ. Μ. Σταματούδη, τον Καθηγητή κ. Β. Ζασπάλη και τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Ν. Ανδρίτσο, οι οποίοι με τίμησαν με τη συμμετοχή τους στην επταμελή επιτροπή. Επιπρόσθετα, θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον τεχνικό του Εργαστηρίου κ. Στέλιο Λέκκα για την τεχνική υποστήριξη που μου προσέφερε, ενώ οφείλω να ευχαριστήσω το Εργαστήριο Φυσικών Πόρων και Εναλλακτικών μορφών Ενέργειας (ΕΦΕΜ) του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών (ΙΤΧΗΔ) υπό τη διεύθυνση του κ. Καράμπελα, για την οικονομική υποστήριξη που μου προσέφερε, μέσω υποτροφιών, σε όλη τη διάρκεια της διδακτορική διατριβής. Δε θα μπορούσα φυσικά να παραλείψω τις ευχαριστίες μου στους συναδέλφους (και πλέον φίλους) του εργαστηρίου για τις εποικοδομητικές (επιστημονικές και μη) συζητήσεις, αλλά και την υποστήριξη και βοήθεια που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια. Τέλος, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στη μητέρα μου και τον αδερφό μου για την αγάπη και συμπαράσταση που μου προσέφεραν απλόχερα όλα αυτά χρόνια, ενώ θέλω επίσης να ευχαριστήσω τη σύζυγό μου Κωνσταντίνα για την κατανόηση και

5 την συμπαράσταση που έδειξε καθ όλη τη διάρκεια της διατριβής μου, αλλά κυρίως για τον υπέροχο γιο μας Χρήστο, που μου χάρισε.

6 Αφιέρωση Η παρούσα διατριβή αφιερώνεται στη μνήμη του πατέρα μου Χρήστου Σιουτόπουλου Είθε να αποδεχθούμε τον κύκλο της ζωής

7

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη της ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης (Reverse Osmosis, RO) και υπερδιήθησης (Ultrafiltration, UF) από πρότυπες οργανικές ενώσεις που απαντώνται στα προς επεξεργασία νερά. Η εργασία αποσκοπεί στον εντοπισμό και στη μελέτη της επίδρασης των κύριων παραμέτρων που καθορίζουν το βαθμό της ρύπανσης στις προαναφερόμενες διεργασίες. Απώτερος σκοπός είναι η ανάπτυξη νέας μεθοδολογίας ή η βελτίωση των υπαρχουσών τεχνικών, για την πρόβλεψη της οργανικής και κολλοειδούς ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης με βάση σχετικά απλές μετρήσεις με μεμβράνες υπερδιήθησης. Ως πρότυποι ρυπαντές χρησιμοποιήθηκαν τα χουμικά οξέα, το αλγινικό νάτριο και τα μίγματά τους (ως οργανικοί ρυπαντές), καθώς και ο κολλοειδής σίδηρος (ως τυπικός ανόργανος ρυπαντής), ενώ μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν επίσης με δείγματα θαλασσινού νερού και νερού από υπόγειο υδροφορέα. Στις μετρήσεις αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης που πραγματοποιήθηκαν, επιδιώχθηκε η ανάπτυξη συνθηκών διήθησης με δημιουργία στοιβάδας επικαθήσεων. Από τα πειραματικά δεδομένα και για τις συνθήκες αυτές υπολογίστηκε η ειδική αντίσταση α της στοιβάδας των επικαθήσεων, η οποία αποτέλεσε το χαρακτηριστικό μέγεθος προσδιορισμού της ρύπανσης στις δύο διεργασίες. Οι κύριοι παράγοντες που φαίνεται ότι επηρεάζουν τη ρύπανση στις δύο διεργασίες είναι: η πίεση, η συγκράτηση των συστατικών από τις μεμβράνες, η διάτμηση λόγω ροής και η ενίσχυση της πόλωσης συγκέντρωσης λόγω της δημιουργίας στοιβάδας επικαθήσεων. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων σε συνδυασμό με τη θεωρητική ανάλυση κατέδειξαν ότι, με εξαίρεση την ενίσχυση της πόλωσης συγκέντρωσης, που δεν έχει σημαντική επίδραση στις συνθήκες των παρόντων πειραμάτων (λόγω των σχετικά χαμηλών τιμών αλατότητας και ωσμωτικής πίεσης που χρησιμοποιήθηκαν), οι προαναφερθέντες παράγοντες επηρεάζουν σημαντικά τη ρύπανση στις δύο διεργασίες. Οι μετρήσεις ανέδειξαν τον ισχυρό συσχετισμό μεταξύ της ειδικής αντίστασης των στοιβάδων που δημιουργούνται και της επιβαλλόμενης πίεσης, που είναι ενδεικτικός της συμπιεστότητας της στοιβάδας. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα των πειραμάτων υπερδιήθησης έδειξαν έναν εκθετικό συσχετισμό (power law correlation) μεταξύ της ειδικής αντίστασης των επικαθήσεων και της εφαρμοζόμενης πίεσης για όλους τους

9 πρότυπους ρυπαντές. Ο εκθέτης n, αναφερόμενος ως συντελεστής συμπιεστότητας, αποτελεί χαρακτηριστική παράμετρο των στοιβάδων επικαθήσεων. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης που υπολογίστηκαν για τους οργανικούς ρυπαντές δείχνουν ότι ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου, δημιουργώντας σύμπλοκα με τα ιόντα ασβεστίου, εμφανίζει υψηλότερες τιμές σε σχέση με τα χουμικά οξέα, υποδηλώνοντας ότι προκαλεί εντονότερη ρύπανση των μεμβρανών, σε σχέση με τα χουμικά οξέα. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης στα μίγματα των χουμικών οξέων και του αλγινικού νατρίου, επιβεβαιώνουν την απουσία φαινομένων συνέργειας μεταξύ των δύο οργανικών ενώσεων. Συγκεκριμένα, οι τιμές της ειδικής αντίστασης των μιγμάτων βρίσκονται γενικά μεταξύ των τιμών που προκύπτουν για τους μεμονωμένους ρυπαντές, προσεγγίζοντας ωστόσο περισσότερο τις τιμές των στοιβάδων του αλγινικού νατρίου. Όσον αφορά τις μετρήσεις των δειγμάτων με φυσικά νερά, οι τιμές του συντελεστή ρύπανσης Ι που υπολογίστηκαν σε συνθήκες διήθησης με δημιουργία στοιβάδας επικαθήσεων έδειξαν ότι η ρύπανση από το επεξεργασμένο θαλασσινό νερό είναι περίπου μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή του νερού γεώτρησης, προφανώς λόγω της αυξημένης περιεκτικότητάς του σε κολλοειδή συστατικά. Ο κολλοειδής σίδηρος σε στοιβάδες UF εμφάνισε τον υψηλότερο συντελεστή συμπιεστότητας (n>1) υποδηλώνοντας ότι η στοιβάδα των επικαθήσεών του χαρακτηρίζεται από σχετικά μικρό πορώδες, ενώ οι τιμές του συντελεστή συμπιεστότητας του αλγινικού νατρίου και των χουμικών οξέων που προσδιορίστηκαν από τις μετρήσεις UF είναι 0.40 και 0.70, αντίστοιχα. Η μικρότερη συμπιεστότητα της στοιβάδας του πολυσακχαρίτη αποδίδεται στην σχετικά μεγάλη συνεκτικότητα του πηκτώματος που δημιουργείται παρουσία ασβεστίου, ενώ ταυτόχρονα είναι σε συμφωνία με την υψηλή τιμή της ειδικής της αντίστασης. Αντίθετα, οι στοιβάδες των χουμικών οξέων χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη συμπιεστότητα και μικρότερη αντίσταση στη ροή, που σχετίζεται με μεγαλύτερο πορώδες (πιθανόν λόγω ασθενέστερων ενδομοριακών δυνάμεων). Σημειώνεται επίσης ότι ο συντελεστής συμπιεστότητας των μιγμάτων του πολυσακχαρίτη και των χουμικών οξέων προσεγγίζει τη τιμή του συντελεστή συμπιεστότητας της στοιβάδας του αλγινικού νατρίου. Αυτό αποδίδεται στον κυρίαρχο ρόλο του πηκτώματος του πολυσακχαρίτη που θεωρείται ότι δρα ως συνδετική ύλη για δημιουργία συνεκτικών στοιβάδων. Τέλος, σημειώνεται ότι οι συντελεστές συμπιεστότητας που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις υπερδιήθησης

10 για το θαλασσινό νερό και το νερό γεώτρησης είναι παραπλήσιες (περίπου 0.8), όντας υψηλότερες από τις τιμές των πρότυπων οργανικών ρυπαντών. Η μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης των ρυπαντών (για τιμές γενικά υψηλότερες από αυτές που απαντώνται στη φύση) στην τιμή του συντελεστή ρύπανσης αποκάλυψε μια γραμμική σχέση μεταξύ του ρυθμού ρύπανσης των μεμβρανών και της συγκέντρωσης, η οποία θεωρείται ότι ισχύει και για μικρότερες και πιο ρεαλιστικές, αναφορικά με την πράξη, τιμές συγκέντρωσης. Παράλληλα κατά τη μελέτη της επίδρασης της αλατότητας του νερού τροφοδοσίας στην περιοχή των mg/l ολικών διαλελυμένων στερεών, παρατηρήθηκε αύξηση ρύπανσης με την αύξηση της αλατότητας έως την τιμή των 5000 mg/l για την περίπτωση των χουμικών οξέων. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στην ενίσχυση της τάσης συσσωμάτωσης των μορίων με αύξηση της ιοντικής ισχύος της τροφοδοσίας με αποτέλεσμα το σχηματισμό στοιβάδων με σχετικά μικρό πορώδες. Ωστόσο, οι μετρήσεις σε υψηλότερη αλατότητα (10000 mg/l) εμφάνισαν σχεδόν μηδενική τάση ρύπανσης, με την ανηγμένη ροή του διηθήματος να διατηρείται σχεδόν αμετάβλητη κατά την εισαγωγή του ρυπαντή. Η συμπεριφορά αυτή πιθανώς να οφείλεται στο σχηματισμό συσσωματωμάτων μεγάλου μεγέθους, τα οποία εμφανίζουν μικρή τάση εναπόθεσης και πρόσφυσης στην επιφάνεια των μεμβρανών RO. Για τον ακριβέστερο υπολογισμό των ειδικών αντιστάσεων των ρυπαντών στις διεργασίες υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης προσδιορίστηκαν, αντίστοιχα, οι συντελεστές συγκράτησης από μεμβράνες UF και εναπόθεσης μάζας σε μεμβράνες RO. Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν έδειξαν ότι τα χουμικά οξέα παρουσιάζουν μικρότερα ποσοστά συγκράτησης και εναπόθεσης στις μεμβράνες UF και RO, αντίστοιχα, ενώ οι τιμές του πολυσακχαρίτη και των μιγμάτων του ήταν υψηλότερες από αυτές των χουμικών οξέων. Η συμπεριφορά αυτή των δύο κατηγοριών ρυπαντών θεωρείται ότι οφείλεται εν μέρει στις διαφορετικές κατανομές των μοριακών βαρών που μετρήθηκαν για τα χουμικά οξέα και το αλγινικό νάτριο, αλλά και κυρίως στη διαμόρφωση πηκτωμάτων αλγινικού ασβεστίου. Τέλος, σημειώνεται ότι η συγκράτηση του κολλοειδούς σιδήρου από τις μεμβράνες υπερδιήθησης ήταν σχεδόν πλήρης. Η σύγκριση της ρύπανσης των μεμβρανών UF και RO έδειξε ότι οι τιμές της ειδικής αντίστασης στις διεργασίες αυτές για τον πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου και των μιγμάτων του με τα χουμικά οξέα παρουσιάζουν ικανοποιητική συμφωνία. Συγκεκριμένα, παρατηρείται ότι οι τιμές των ειδικών τους αντιστάσεων από πειράματα

11 υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης εμφανίζουν την ίδια εκθετική σχέση ως προς την πτώση πίεσης, ΔP c διαμέσου της στοιβάδας των επικαθήσεων. Η διαπίστωση αυτή θεωρείται ότι μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη δημιουργία τεχνικής πρόβλεψης της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, η οποία θα στηρίζεται σε περιορισμένο αριθμό πειραμάτων με μεμβράνες UF, τα οποία είναι σχετικά εύκολα.

12 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑΣ Βασικά στοιχεία πρωτοτυπίας της παρούσας διατριβής είναι τα ακόλουθα: Συστηματική μελέτη και σύγκριση της ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης (σε συνθήκες κατά μέτωπο ροής) και αντίστροφης ώσμωσης (σε συνθήκες εφαπτομενικής ροής) με τα ίδια υδατικά διαλύματα ρυπαντών για να διευκολυνθεί ο συσχετισμός τυπικών παραμέτρων της ρύπανσης για την κάθε διεργασία. Η χρησιμοποίηση στα πειράματα τυπικών οργανικών ρυπαντών (χουμικών οξέων, αλγινικού νατρίου και μιγμάτων τους) καθώς και ενός ανόργανου ρυπαντή (κολλοειδές υδροξείδιο του σιδήρου) σε μια σχετικά ευρεία περιοχή συγκεντρώσεων, επιτρέπει να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα από ερευνητική αλλά και πρακτική άποψη. Η μελέτη ρύπανσης έγινε με βάση τα δεδομένα της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας επικαθήσεων, α, από πειράματα UF και RO, τα οποία συσχετίσθηκαν με την αντίστοιχη πτώση πίεσης, ΔP c, από τη ροή διαμέσου της στοιβάδας. Ο προσδιορισμός της ειδικής αντίστασης, α, για ρύπανση μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης απευθείας από τα πειραματικά δεδομένα διήθησης υπό σταθερή πίεση, είναι σημαντικό στοιχείο πρωτοτυπίας της διατριβής. Η μελέτη της ειδικής αντίστασης α, σε διεργασίες UF, πειραματικά και θεωρητικά, καθώς και η εκτίμηση της συμπιεστότητας των αντίστοιχων στοιβάδων (για τους διάφορους ρυπαντές) συμβάλλει στην πληρέστερη κατανόηση των φαινομένων ρύπανσης. Ο ικανοποιητικός συσχετισμός της ειδικής αντίστασης α, από τις διεργασίες υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης για μια κατηγορία ρυπαντών (πολυσακχαρίτες και μίγματα τους με χουμικά οξέα) δημιουργεί θετικές προϋποθέσεις, με πρόσθετη έρευνα για την ανάπτυξη μιας αξιόπιστης μεθόδου πρόβλεψης της ρύπανσης μεμβρανών RO, με βάση περιορισμένο αριθμό σχετικά εύκολα διεξαγόμενων πειραμάτων UF.

13 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρόβλημα του νερού Διεργασίες μεμβρανών Διεργασία μικροδιήθησης Διεργασία υπερδιήθησης Διεργασίες νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης Χαρακτηριστικά μεγέθη των διεργασιών μεμβράνες Υλικά παραγωγής πολυμερικών μεμβρανών Τρόποι λειτουργίας των στοιχείων μεμβρανών Στοιχεία μεμβρανών Ανασταλτικοί παράγοντες λειτουργίας των μεμβρανών Το φαινόμενο της πόλωσης της συγκέντρωσης Ρύπανση των μεμβρανών Τρόποι αντιμετώπισης της ρύπανσης Σκοπός της παρούσας εργασίας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Στοιβάδα επικαθήσεων Περατότητα της στοιβάδας Ειδική αντίσταση και συμπιεστότητα στοιβάδας Οργανική ρύπανση των μεμβρανών Επίδραση της σύστασης του νερού τροφοδοσίας Επίδραση των υδροδυναμικών συνθηκών Επίδραση των χαρακτηριστικών του ρυπαντή Επίδραση της μεμβράνης Τεχνικές πρόβλεψης της ρύπανσης Δείκτης SDI Δείκτης MFI Δείκτης ΜFI UF και υπόλοιπες τεχνικές πρόβλεψης... 48

14 3. ΦΥΣΥΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΥΠΙΚΩΝ ΡΥΠΑΝΤΩΝ Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των χουμικών οξέων Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του αλγινικού νατρίου Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του σιδήρου ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Διάταξη πειραμάτων υπερδιήθησης Πειραματική διάταξη Πειραματική διαδικασία πειραματικές συνθήκες Διάταξη πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης Πειραματική διάταξη Πειραματική διαδικασία πειραματικές συνθήκες Οργανικοί ρυπαντές και μεμβράνες Χουμικά οξέα Αλγινικό νάτριο Μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης ΜΕΛΕΤΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ Εισαγωγή Ερμηνεία πειραμάτων υπερδιήθησης Συντελεστής εναπόθεσης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης Ρύπανση μεμβρανών από χουμικά οξέα Πειραματικές συνθήκες Πειραματικά αποτελέσματα Ρύπανση μεμβρανών από αλγινικό νάτριο Πειραματικές συνθήκες Πειραματικά αποτελέσματα Ρύπανση μεμβρανών από μίγματα χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου Πειραματικές συνθήκες Πειραματικά αποτελέσματα Ρύπανση μεμβρανών από κολλοειδή σίδηρο Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Σύνοψη αποτελεσμάτων

15 6. ΜΕΛΕΤΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ Εισαγωγή Ερμηνεία πειραμάτων υπερδιήθησης Συντελεστής συγκράτησης των πειραμάτων υπερδιήθησης Ρύπανση μεμβρανών από χουμικά οξέα Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Ρύπανση μεμβρανών από αλγινικό νάτριο Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Ρύπανση μεμβρανών από μίγματα χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Ρύπανση μεμβρανών από κολλοειδή σίδηρο Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Ρύπανση μεμβρανών από φυσικά νερά Ρύπανση μεμβρανών από επεξεργασμένο θαλασσινό νερό Ρύπανση μεμβρανών από νερό γεώτρησης Σύνοψη αποτελεσμάτων ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ ΚΑΙ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ Εισαγωγή Επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης Επίδραση της συγκράτησης Επίδραση της διάτμησης Επίδραση της ενίσχυσης της πόλωσης συγκέντρωσης Σύνοψη αποτελεσμάτων

16 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ Σύνοψη συμπερασμάτων Προτάσεις για μελλοντική έρευνα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ

17 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1 1: Σχηματική απεικόνιση ενός διφασικού συστήματος διαχωριζόμενου από μεμβράνη... Σχήμα 1 2: Σχηματική απεικόνιση των διεργασιών μικροδιήθησης (MF), υπερδιήθησης (UF), νανοδιήθησης (NF) και αντίστροφης ώσμωσης (RO).. Σχήμα 1 3: Σχηματική απεικόνιση α) της ωσμωτικής ροής και β) της αντίστροφης ώσμωσης... Σχήμα 1 4: Τρόποι λειτουργίας στοιχείων μεμβρανών: α) διήθηση εφαπτομενικής ροής και β) κατά μέτωπο διήθηση... 1 Σχήμα 1 5: Στοιχεία μεμβρανών: α) σπειροειδούς διαμόρφωσης και β) κοίλων ινών... 1 Σχήμα 1 6: Η αρχή λειτουργίας των διεργασιών με μεμβράνες Σχήμα 1 7: Το φαινόμενο της πόλωση συγκέντρωσης σε μόνιμες συνθήκες... 1 Σχήμα 2 1: Διάγραμμα της διήθησης με σχηματισμό στιβάδας σε Eulerian χωρικές (x) και Langrangian (ω) συντεταγμένες... 2 Σχήμα 2 2: Απεικόνιση της πειραματική διάταξη για τον υπολογισμό του δείκτη SDI.. 44 Σχήμα 2 3: Τυπικό διάγραμμα υπολογισμού του δείκτη MFI Σχήμα 3 1: Σχηματική απεικόνιση της μοριακής δομής των χουμικών οξέων Σχήμα 3 2: Χρονική εξέλιξη συσσωμάτωσης των χουμικών οξέων κατά την προσθήκη κατιόντων... 5 Σχήμα 3 3: Σχηματική αναπαράσταση α) των δομικών μονάδων και β)του μορίου του αλγινικού νατρίου γ) κατανομή συστάδων Σχήμα 3 4: Σχηματική αναπαράσταση του κυψελώδους μοντέλου του αλγινικού πηκτώματος. a,b) Ζώνες σύνδεσης μεταξύ των πολυμερικών αλγινικών μορίων, c) Στοιχειακό κελί της ζώνης σύνδεσης (Khotimchenco et al., 1992) Σχήμα 4 1: Γραφική παράσταση της πειραματική διάταξη υπερδιήθησης... 6 Σχήμα 4 2: Εικόνα του κελιού διήθησης, στο οποίο πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα υπερδιήθησης Σχήμα 4 3: Κάτω τμήμα του κελιού διήθησης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης... 7 Σχήμα 4 4: Πειραματική διάταξη αντίστροφης ώσμωσης... 78

18 Σχήμα 4 5: Σχήμα 4 6: Σχήμα 4 7: Σχήμα 5 1: Σχήμα 5 2: Σχήμα 5 3: Σχήμα 5 4: Σχήμα 5 5: Σχήμα 5 6: Σχήμα 5 7: Σχήμα 5 8: Κατανομή μοριακών βαρών των χρησιμοποιούμενων χουμικών οξέων με τη μέθοδο της κλασματοποίησης με μεμβράνες υπερδιήθησης... 8 Κατανομή μοριακών βαρών του χρησιμοποιούμενου αλγινικού νατρίου με τη μέθοδο της κλασματοποίησης με μεμβράνες υπερδιήθησης Εικόνες ατομικής μικροσκοπίας της μεμβράνης: α) GE Osmonics AG (μέση τραχύτητα: 84,5 nm) και της β) GE Osmonics SC (μέση τραχύτητα: 95,5 nm)... 8 Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων a) C=10 mg/l και P=181 psi και b) C=20 mg/l και P=162 psi. Πειραματικές συνθήκες: 500 mg/l NaCl και J 0 =30 L/m 2 h... 9 Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων a)c=15 mg/l και P=116 psi. και b)c=20 mg/l και P=116 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 =25 L/m 2 h... 9 Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων α)c=7.5 mg/l και P=165 psi, β)c=15 mg/l και P=155 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 =40 L/m 2 h Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων a)c=5 mg/l και P=164 psi και b)c=20 mg/l και P=165 psi. Πειραματικές συνθήκες: 5000 mg/l NaCl και J 0 =25 L/m 2 h Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου χρησιμοποιώντας την μεμβράνη Osmonics SC a)c=10 mg/l και P=200 psi και b)c=15 mg/l και P=219 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 =25 L/m 2 h Γραφική παράσταση a) της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων και b) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h, C=20 mg/l και P=155 psi Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης Ι συναρτήσει της συγκέντρωσης των χουμικών οξέων Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση 10 mg/l χουμικών οξέων υπό πίεση 118 psi σε μεγέθυνση: a) x10 b,c) x 2000 και d) x

19 Σχήμα 5 9: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου a)c=2.5 mg/l και P=125 psi και b)c=8 mg/l και P=125 psi. Πειραματικές συνθήκες: 500 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h Σχήμα 5 10: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου. α)c=5 mg/l και P=117 psi, β)c=8 mg/l και P=108 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 27 L/m 2 h Σχήμα 5 11: Χρονική μεταβολή α) της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου και β) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl, J o 40 L/m 2 h, C b =8 mg/l και P=125psi Σχήμα 5 12: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης σε συνάρτηση της συγκέντρωσης του αλγινικού νατρίου Σχήμα 5 13: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση 10 mg/l αλγινικού νατρίου υπό πίεση 118 psi σε μεγέθυνση a) x 200 και b) x Σχήμα 5 14: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος: a) 10 mg/l μίγματος χουμικών οξέων(75%) και αλγινικού νατρίου (25%) υπό πίεση 132 psi και b) 10 mg/l μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) υπό πίεση 150 psi. Αλατότητα πειραμάτων: 500 mg/l NaCl 110 Σχήμα 5 15: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος: a) 8 mg/l μίγματος χουμικών οξέων(75%) και αλγινικού νατρίου (25%) υπό πίεση 132 psi και b) 10 mg/l μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) υπό πίεση 105 psi. Αλατότητα πειραμάτων: 2000 mg/l NaCl Σχήμα 5 16: Χρονική μεταβολή a) της ανηγμένης ροής του διηθήματος μίγματος χουμικών οξέων (75%) και αλγινικού νατρίου (25%) και b) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h, C b =10 mg/l και P=132 psi Σχήμα 5 17: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης συναρτήσει της συγκέντρωσης του μίγματος των χουμικών οξέων (75%) και του αλγινικού νατρίου (25%)

20 Σχήμα 5 18: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση μίγματος χουμικών οξέων (75%) και αλγινικού νατρίου (25%) σε μεγέθυνση a) x 2000 και b) x 5000 καθώς και μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) σε μεγέθυνση c) x 1000 και d) x Σχήμα 5 19: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κολλοειδούς σιδήρου a)c=3 mg/l και P=147 psi και b)c=4 mg/l και P=147 psi. Πειραματικές συνθήκες: 500 mg/l NaCl και J 0 30 L/m 2 h Σχήμα 5 20: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κολλοειδούς σιδήρου a)c=1 mg/l και P=115 psi και b)c=4 mg/l και P=132 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 25 L/m 2 h Σχήμα 5 21: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κολλοειδούς σιδήρου a)c=1 mg/l και P=150 psi και b)c=4 mg/l και P=175 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h Σχήμα 5 22: Χρονική μεταβολή a) της ανηγμένης ροής του διηθήματος σιδήρου και b) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J o 40 L/m 2 h, C b =10 mg/l και P=132 psi Σχήμα 5 23: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης συναρτήσει της συγκέντρωσης του σιδήρου Σχήμα 5 24: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση 4 mg/l ιόντων σιδήρου υπό πίεση 165 psi σε μεγέθυνση: a) x 500 b) x 1000 c) x 2000 και d) x Σχήμα 6 1: Γραφική παράσταση της συγκράτησης των χουμικών οξέων συναρτήσει της συγκέντρωσης για τα πειράματα υπερδιήθησης. [Ca 2+ ]= 2 mm Σχήμα 6 2: Χρονική μεταβολή του συντελεστή συγκράτησης των χουμικών οξέων κατά τη διήθηση διαλύματος 10 mg/l υπό πίεση 20 psi. [Ca 2+ ]= 2 mm Σχήμα 6 3: Χρονική μεταβολή του διηθήματος χουμικών οξέων για διάφορες συγκεντρώσεις σε πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα 500 mg/l, [Ca 2+ ]= 2 mm Σχήμα 6 4: Χρονική μεταβολή του διηθήματος των χουμικών οξέων σε διάφορες πιέσεις λειτουργίας. Πειραματικές συνθήκες: Συγκέντρωση χουμικών 10 mg/l, αλατότητα 2000 mg/l, [Ca 2+ ]= 2 mm

21 Σχήμα 6 5: Σχήμα 6 6: Σχήμα 6 7: Σχήμα 6 8: Σχήμα 6 9: Σχήμα 6 10: Σχήμα 6 11: Σχήμα 6 12: Σχήμα 6 13: Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης σύμφωνα με το μοντέλο σχηματισμού στoιβάδας (Εξ. (4.5)) για διάφορες συγκεντρώσεις χουμικών οξέων. Πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα διαλυμάτων: 500 mg/l Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης των χουμικών οξέων σύμφωνα με το μοντέλο σχηματισμού στoιβάδας (Εξ. (4.5)) για διάφορες πιέσεις λειτουργίας. Πειραματικές συνθήκες: Συγκέντρωση χουμικών 10 mg/l, αλατότητα διαλυμάτων 2000 mg/l Ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης με χουμικά οξέα Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση 10 mg/l χουμικών οξέων υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 100 και b) x Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος αλγινικού νατρίου για διάφορες συγκεντρώσεις συναρτήσει του χρόνου, σε πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα 500 mg/l, [Ca 2+ ]= 2 mm Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης σύμφωνα με το μοντέλο σχηματισμού στοιβάδας για τις διάφορες συγκεντρώσεις αλγινικού νατρίου. Πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi,b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα διαλυμάτων: 500 mg/l Ειδική αντίσταση στοιβάδας α, του αλγινικού νατρίου συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης υπολογισμένη από τα πειράματα υπερδιήθησης Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση 10 mg/l αλγινικού νατρίου υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 100 b) x 1000 και c,d) x Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος μίγματος χουμικών οξέων(75%) και αλγινικού νατρίου (25%) για διάφορες συγκεντρώσεις συναρτήσει του χρόνου, σε πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi, c)p=15 psi και d) P=20 psi

22 Σχήμα 6 14: Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) για διάφορες τιμές πίεσης συναρτήσει του χρόνου, σε αλατότητα: a) 500 mg/l NaCl και b) 2000 mg/l NaCl... Σχήμα 6 15: Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης με μίγμα a)75 % χουμικών οξέων 25% αλγινικού νατρίου και b)50% χουμικών οξέων 50% αλγινικού νατρίου... Σχήμα 6 16: Εικόνες, από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση μίγματος 10 mg/l χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου (75% 25%) υπό πίεση 20 psi σε μεγέθυνση: a) x 100, b,c) x 2000 και d) x 5000 καθώς και μίγματος 10 mg/l χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου (50% 50%) υπό πίεση 20 psi σε μεγέθυνση: e) x 500 και f) x Σχήμα 6 17: Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος διαλύματος 10 mg/l κολλοειδούς σιδήρου (Fe 3+ ) για διάφορες πιέσεις συναρτήσει του χρόνου, για τιμές αλατότητας: a) TDS= 0 mg/l, b) TDS= 500 mg/l και c) TDS= 2000 mg/l... Σχήμα 6 18: Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης του οξειδίου του σιδήρου για διάφορες πιέσεις, σύμφωνα με το μοντέλο διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας. Η αλατότητα των πειραμάτων ήταν: a) TDS= 0 mg/l και b) TDS= 500 mg/l... Σχήμα 6 19: Ειδική αντίσταση στιβάδας α, του οξειδίου του σιδήρου συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης υπολογισμένη από τα πειράματα υπερδιήθησης.. Σχήμα 6 20: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση μίγματος 10 mg/l ιόντων Fe 3+ υπό πίεση20 psi, σε μεγέθυνση :a) x 20, b) x 100 c,d) x Σχήμα 6 21: Οι τιμές του δείκτη ρύπανσης σε διαφορετικές τιμές πίεσης των δειγμάτων θαλασσινού νερού... Σχήμα 6 22: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν κατά τη διήθηση θαλασσινού νερού υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 500, b) x 2000 και c,d) x

23 Σχήμα 6 23: Σχήμα 6 24: Σχήμα 7 1: Σχήμα 7 2: Σχήμα 7 3: Σχήμα 7 4: Σχήμα 7 5: Σχήμα 7 6: Σχήμα 7 7: Σχήμα 7 8: Τιμές του δείκτη ρύπανσης, I των δειγμάτων a) μόνο του νερού γεώτρησης και b) του νερού γεώτρησης και του θαλασσινού νερού Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν κατά τη διήθηση νερού από υπόγειο υδροφορέα υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 50, b) x 500 και c) x 2000 και d) x Ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης για τα πειράματα υπερδιήθησης με χουμικά οξέα... Ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης για τα πειράματα υπερδιήθησης με αλγινικό νάτριο... Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης με μίγμα a)75 % χουμικών οξέων 25% αλγινικού νατρίου και b)50% χουμικών οξέων 50% αλγινικού νατρίου... Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης με οξείδιο του σιδήρου... Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης με a) χουμικά οξέα, b) αλγινικό νάτριο, c) μίγμα 75 % χουμικών οξέων 25% αλγινικού νατρίου d) μίγμα 50% χουμικών οξέων 50% αλγινικού νατρίου και e) οξείδιο του σιδήρου... Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της πτώσης πίεσης κατά μήκος της στοιβάδας των χουμικών οξέων. Ως επιφανειακή πυκνότητα μάζας για τις διεργασίες υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης έχει επιλεγεί μια τυπική τιμή 1 g/m 2... Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της πτώσης πίεσης κατά μήκος της στοιβάδας του αλγινικού νατρίου. Ως επιφανειακή πυκνότητα μάζας για τις διεργασίες υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης έχει επιλεγεί μια τυπική τιμή 1 g/m 2... Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της πτώσης πίεσης κατά μήκος της στοιβάδας μίγματος a) 75% χουμικών οξέων 25% αλγινικού νατρίου και b) 50% χουμικών οξέων 50% αλγινικού νατρίου. Ως επιφανειακή πυκνότητα μάζας για τις διεργασίες υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης έχει επιλεγεί μια τυπική τιμή 1 g/m

24 Σχήμα 7 9: Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της πτώσης πίεσης κατά μήκος της στοιβάδας του κολλοειδούς σιδήρου. Ως επιφανειακή πυκνότητα μάζας για τις διεργασίες υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης έχει επιλεγεί μια τυπική τιμή 0.5 g/m Σχήμα 7 10: Μεταβολή του όγκου διηθήματος των πειραμάτων υπερδιήθησης συναρτήσει του ρυθμού ανάδευσης. Πειραματικές συνθήκες: 10 mg/l χουμικών, P=10 psi και [Ca 2+ ]=2 mm Σχήμα 7 11: Μεταβολή του όγκου διηθήματος των πειραμάτων υπερδιήθησης συναρτήσει του ρυθμού ανάδευσης. Πειραματικές συνθήκες: 2 mg/l Fe 3+ και P=10 psi Σχήμα B 1: Διαγράμματα t/v και ΔP c /P α συναρτήσει του όγκου,v για P α = 400. Ο συντελεστής συμπιεστότητας είναι: α) 0.4 και β) Σχήμα B 2: Ειδική αντίσταση συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης όπως υπολογίστηκε από τα διαγράμματα t/v ως προς V (με γέμισμα) και από τα διαγράμματα J ως προς t (χωρίς γέμισμα) Σχήμα B 3: Αδιάστατη ανηγμένη ροή ως προς τον χρόνο για διάφορες τιμές εφαρμοζόμενης πίεσης. Ο συντελεστής συμπιεστότητας είναι: α) 0.4 και β) Σχήμα Γ 1: Καμπύλη αναφοράς του TOC για τα χουμικά οξέα Σχήμα Γ 2: Καμπύλη αναφοράς του TOC για το αλγινικό νάτριο Σχήμα Γ 3: Σχηματικό διάγραμμα του φασματοφωτομέτρου ορατού υπεριώδους Σχήμα Γ 4: Καμπύλη αναφοράς απορρόφησης UV 254 για τα χουμικά οξέα

25 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1 1: Σύγκριση των διεργασιών με μεμβράνες βασιζόμενων στη διαφορά πίεσης... 5 Πίνακας 1 2: Συγκριτικός πίνακας των στοιχείων μεμβρανών Πίνακας 1 3: Κολλοειδή σωματίδια στα φυσικά νερά (Ning, 1999) Πίνακας 2 1: Τιμές της ειδικής αντίστασης και της συμπιεστότητας διαφόρων διαλυμάτων (Ye et al., 2005) Πίνακας 2 2: Προδιαγραφές του δείκτη SDI Πίνακας 2 3: Τιμές των δεικτών ρύπανσης για ομαλή λειτουργία των διεργασιών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης (AWWA Research Foundation, 1996) Πίνακας 4 1. Βασικά χαρακτηριστικά του κελιού διήθησης για τον προσδιορισμό της κατανομής μοριακών βαρών Πίνακας 4 2: Πειράματα υπερδιήθησης με πρότυπους ρυπαντές Πίνακας 4 3: Πειράματα υπερδιήθησης με δείγματα φυσικών νερών Πίνακας 4 4: Πορεία της διαδικασία που ακολουθήθηκε στα πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης Πίνακας 4 5: Χαρακτηριστικά μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης Πίνακας 6 1: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του θαλασσινού νερού (Θερμαϊκός κόλπος Πίνακας 6 2: Χαρακτηριστικά μεγέθη υπολογισμένα από τα πειράματα υπερδιήθησης για το επεξεργασμένο θαλασσινό νερό Πίνακας 6 3: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του νερού γεώτρησης Πίνακας 7 1: Τιμές της ενισχυμένης λόγω στοιβάδας ωσμωτικής πίεσης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με χουμικά οξέα Πίνακας Α 1: Χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης των πειραμάτων των χουμικών οξέων σε μεμβράνη υπερδιήθησης Πίνακας Α 2: Χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης των πειραμάτων του αλγινικού νατρίου σε μεμβράνη υπερδιήθησης Πίνακας Α 3: Χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης των πειραμάτων των μιγμάτων χουμικών οξέων (75%) και αλγινικού νατρίου (25%) σε μεμβράνες υπερδιήθησης

26 Πίνακας Α 4: Χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης των πειραμάτων των μιγμάτων χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) σε μεμβράνες υπερδιήθησης Πίνακας Α 5: Χαρακτηριστικά μεγέθη υπολογισμένα από τα πειράματα υπερδιήθησης με κολλοειδή σίδηρο... Πίνακας Α 6: Χαρακτηριστικά μεγέθη των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με χουμικά οξέα... Πίνακας Α 7: Χαρακτηριστικά μεγέθη των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με αλγινικό νάτριο... Πίνακας A 8: Χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με μίγματα χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου... Πίνακας Α 9: Χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με οξείδιο του σιδήρου

27 ΠΙΝΑΚΑΣ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΥΜΒΟΛΩΝ A Επιφάνεια μεμβράνης [m 2 ] B Σταθερά διαπερατότητας [m.s 1.Pa 1 ] C b Συγκέντρωση στην τροφοδοσία [kg.m 3 ] C c Συγκέντρωση στο συμπύκνωμα [kg.m 3 ] C F Συγκέντρωση στην τροφοδοσία [kg.m 3 ] C p Συγκέντρωση στo διήθημα [kg.m 3 ] D Συντελεστής διαχυτότητας [m 2.s] d Διάμετρος των στερεών σωματιδίων [m] D * Συντελεστής παρεμποδιζόμενης διαχυτότητας [m 2.s] d h Διάμετρος της ίνας του ενθέτου [m] I Δείκτης ρύπανσης [m 2 ] J Ανηγμένη ροή διηθήματος [m.s 1 ] J 0 Αρχική ανηγμένη ροή διηθήματος [m.s 1 ] J w Ανηγμένη ροή του νερού [m.s 1 ] K Σταθερά Κozeny [ ] k Συντελεστής μεταφοράς μάζας [m.s 1 ] k* Συντελεστής παρεμποδιζόμενης μεταφοράς μάζας [m.s 1 ] k i Συντελεστής μεταφοράς μάζα του i συστατικού [m.s 1 ] k p Περατότητα της στοιβάδας [m 2 ] k w Συντελεστής μεταφοράς του νερού [m 2.s 1 ] m Σταθερά [ ] m Εμπειρική σταθερά [ ] n Συντελεστής συμπιεστότητας στοιβάδας [ ] p 1 Πίεση στην επιφάνεια της στοιβάδας [Pa] p 2 Πίεση στην επιφάνεια της μεμβράνης [Pa] p L Πίεση του υγρού [Pa]

28 P s Ενεργός πίεση [Pa] p α Εμπειρική σταθερά [Pa] Q F Ογκομετρική ροή της τροφοδοσίας [m 3.s 1 ] Qp Ογκομετρική ροή του διηθήματος [m 3.s 1 ] R Παγκόσμια σταθερά αερίων [J.K 1.mol 1 ] r Βαθμός ανάκτησης (r%=q p /Q F ) [ ] r (φ) Συντελεστής αλληλεπίδρασης [ ] R 0 Συγκράτηση της μεμβράνης (R 0 =1 C p /C F ) [ ] R c Αντίσταση στοιβάδας [m 1 ] R c Συντελεστής αντίστασης στοιβάδας [m 1.s 1 ] R d Αντίσταση λόγω επικαθήσεων [m 1 ] R d Συντελεστής αντίστασης λόγω επικαθήσεων [m 1.s 1 ] Re Αριθμός Reynolds (=ud h /ν) [ ] R m Αντίσταση μεμβράνης [m 1 ] R s Αντίσταση λόγω σταθεροποίηση της μεμβράνης [m 1 ] R s Συντελεστής αντίστασης λόγω σταθεροποίηση της μεμβράνης [m 1.s 1 ] R α Επιπρόσθετη αντίσταση [m 1 ] Sc Αριθμός Schmidt (=v/d) [ ] Sh Αριθμός Sherwood (=kd h /D) [ ] t Χρόνος [s] T Απόλυτη θερμοκρασία [ ο Κ] t i Χρόνος εισαγωγής των ρυπαντών στην τροφοδοσία [s] V Όγκος διηθήματος [m 3 ] V Όγκος διηθήματος [m 3 ] x Απόσταση από την μεμβράνη [m]

29 Ελληνικά Σύμβολα α Eιδική αντίσταση της στοιβάδας επικαθήσεων [m.κg 1 ] α 0 Εμπειρική σταθερά [m.κg 1 ] α av Μέση ειδική αντίσταση στοιβάδας [m.κg 1 ] β Εμπειρική σταθερά [ ] δ c Πάχος στοιβάδας [m] ΔP Εφαρμοζόμενη πίεση [Pa] Δπ Ωσμωτική πίεση [Pa] Δπ m Δπ m * Ωσμωτική πίεση λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα πόλωσης συγκέντρωσης Ωσμωτική πίεση λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα της ενίσχυσης της πόλωσης συγκέντρωσης η Δυναμικό ιξώδες διαλύτη [Pa.s] [Pa] [Pa] κ λ Παράμετρος Παράμετρος ρ s Πυκνότητα των στερεών σωματιδίων στη στοιβάδα [kg.m 3 ] φ Κλάσμα όγκου σωματιδίων στη στοιβάδα [ ] φ Κλάσμα όγκου σωματιδίων στη στοιβάδα [ ] φ g Κλάσμα όγκου σωματιδίων για δημιουργία πηκτώματος [ ] ω Απόσταση από τη μεμβράνη σε material συντεταγμένες [m]

30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Το νερό αποτελεί πηγή ζωής για τον πλανήτη και τους κατοίκους του. Ωστόσο, πρόκειται για έναν ουσιαστικά πεπερασμένο φυσικό πόρο που είναι άνισα κατανεμημένος στη φύση. Τον περασμένο αιώνα, η άνοδος του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων, κυρίως στο δυτικό κόσμο, βασίστηκε στη βιομηχανική ανάπτυξη, που οδήγησε στην αύξηση της ζήτησης καθαρού, πόσιμου νερού, ενώ ταυτόχρονα δημιούργησε περισσότερες εστίες ρύπανσης των πηγών. Παράλληλα, η συγκέντρωση πολλών ανθρώπων σε συγκεκριμένες περιοχές, οδήγησε στην εξάντληση των δικών τους φυσικών πόρων και στην ανάγκη μεταφοράς καθαρού νερού από άλλες, μακρινές περιοχές, συμβάλλοντας κατά έναν τρόπο στην επέκταση του προβλήματος. Όλη αυτή η δραστηριότητα, οι αλλαγές στις χρήσεις γης, τα νέα πρότυπα και οι νέες συνήθειες, είχαν μια σειρά από δυσμενείς επιπτώσεις σε αυτόν τον πεπερασμένο πόρο, καθιστώντας τον ακόμα πιο σπάνιο και πολύτιμο. Δεδομένου ότι οι πηγές του διαθέσιμου πόσιμου νερού είναι περιορισμένες, τόσο σε ποσότητα όσο και σε ποιότητα, η αυξημένη ζήτηση του πόσιμου νερού δημιουργεί την ανάγκη εκμετάλλευσης πηγών χαμηλότερης ποιότητας από αυτές που χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν. Η σημασία του ποιοτικού και ποσοτικού περιορισμού γίνεται αντιληπτή από το γεγονός ότι το 97% των επιφανειακών υδάτωνύ βρίσκεται στις θάλασσες και στους ωκεανούς, εμφανίζοντας υψηλή περιεκτικότητα σε διαλελυμένα 1

32 Κεφάλαιο 1 άλατα. Μόνο το 0,1% βρίσκεται στα ποτάμια και τις λίμνες, ενώ τα υπόγεια νερά αντιπροσωπεύουν το υπόλοιπο 0,6% του διαθέσιμου πόσιμου νερού, όμως περίπου το μισό από αυτό βρίσκεται σε μεγάλο βάθος, πράγμα που καθιστά αδύνατη την εκμετάλλευσή του. Συνεπώς, ολόκληρος ο πληθυσμός της γης θα πρέπει να καλύψει τις ανάγκες του από τα σχετικά λίγα διαθέσιμα αποθέματα που υπάρχουν σε επιφανειακούς και υπόγειους υδροφορείς. Οι αυξανόμενοι όμως ρυθμοί κατανάλωσης, λόγω της βελτίωσης του βιοτικού επιπέδου, αλλά και της βιομηχανικής δραστηριότητας, οδηγούν σε ανεπάρκεια των υπαρχουσών πηγών. Επιπλέον, η έντονη βιομηχανική δραστηριότητα έχει δημιουργήσει σοβαρά προβλήματα ρύπανσης σε πολλούς φυσικούς υδάτινους πόρους, με αποτέλεσμα τον υποβιβασμό τους σε πηγές χαμηλής ποιότητας. Η περιορισμένη λοιπόν ποσότητα καθώς και η υποβαθμισμένη ποιότητα των πηγών του πόσιμου νερού, σε συνδυασμό με τα νέα πρότυπα και τις ολοένα και πιο αυστηρές προδιαγραφές ποιότητας, οδήγησαν στην εφαρμογή νέων τεχνολογιών τόσο για την επεξεργασία του πόσιμου νερού, όσο και στην παραγωγή του από αναξιοποίητους έως σήμερα πόρους, όπως είναι το θαλασσινό νερό και τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα. Παραδοσιακά, η επεξεργασία του πόσιμου νερού περιλάμβανε διεργασίες που στόχο είχαν τον διαχωρισμό των στερεών αιωρούμενων σωματιδίων, αγνοώντας την απομάκρυνση των επικίνδυνων για την ανθρώπινη υγεία, διαλυμένων ρύπων. Η τεχνολογία μεμβρανών που χρησιμοποιείται σήμερα με επιτυχία στην επεξεργασία του νερού είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην απομάκρυνση ρύπων, ενώ ταυτόχρονα τείνει να γίνεται όλο και περισσότερο οικονομικά ανταγωνιστική. Απόδειξη αποτελεί το γεγονός του μεγάλου αριθμού μονάδων μεμβρανών που έχουν κατασκευαστεί ή είναι προγραμματισμένες να κατασκευαστούν ανά τον κόσμο καθώς επίσης και το πλήθος των ερευνητικών προσπαθειών στην περιοχή αυτή, με στόχο τη βελτιστοποίηση της τεχνολογίας, αλλά και την αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων της. Διαφαίνεται λοιπόν, πως η τεχνολογία των μεμβρανών πρόκειται να διαδραματίσει πρωτεύοντα ρόλο στην προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος της λειψυδρίας του πλανήτη. 2

33 Εισαγωγή 1.2. ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Οι διεργασίες μεμβρανών είναι μία σχετικά νέα τεχνολογία, μιας και η εμπορική τους χρήση ξεκίνησε κατά την δεκαετία του 70. Σήμερα, χαρακτηρίζονται από ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών που συνεχώς αυξάνεται. Η ταξινόμηση τους μπορεί να γίνει με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με α) το υλικό κατασκευής της μεμβράνης β) τη φύση της κινούσας δύναμης, γ) τον μηχανισμό διαχωρισμού, δ) το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης κ.α. Με τον όρο μεμβράνη χαρακτηρίζεται το ημιπερατό υλικό που επιτρέπει την εκλεκτική διέλευση του υγρού διαλύτη, ενώ παράλληλα εμποδίζει τη διέλευση (ανάλογα με τη διεργασία) των διεσπαρμένων κολλοειδών ή ενυδατωμένων ιόντων. Για την περίπτωση της αφαλάτωσης, από ενεργειακής σκοπιάς ο διαχωρισμός με μεμβράνες εμφανίζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των θερμικών μεθόδων. Σε αντίθεση με την εξάτμιση και την απόσταξη, δε λαμβάνει χώρα αλλαγή φάσης και έτσι αποφεύγεται η κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για την λανθάνουσα θερμότητα. Σε μία διεργασία μεμβρανών, το σημαντικότερο στοιχείο της, η μεμβράνη απεικόνιση του διαχωρισμού με μεμβράνες παρουσιάζεται στο Σχήμα 1 1. Η φάση Ι Φάση Ι Μεμβράνη Φάση ΙΙ Τροφοδοσία Κινούσα δύναμη ΔC, ΔP, ΔΤ, ΔΕ Διήθημα Σχήμα 1 1: Σχηματική απεικόνιση ενός διφασικού συστήματος διαχωριζόμενου από μεμβράνη. είναι συνήθως η τροφοδοσία, ενώ η φάση ΙΙ περιλαμβάνει το παραγόμενο προϊόν των μεμβρανών, που καλείται διήθημα. Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται λόγω της ιδιότητας που εμφανίζει η μεμβράνη, να επιτρέπει τη μεταφορά ενός συστατικού (συνήθως του διαλύτη) πιο εύκολα απ ότι τα υπόλοιπα, εξαιτίας των φυσικο χημικών διαφορών 3

34 Κεφάλαιο 1 μεταξύ της μεμβράνης και των συστατικών του διηθήματος. Συγκεκριμένα, η μεταφορά είναι αποτέλεσμα της κινούσας δύναμης που επιδρά στα συστατικά της τροφοδοσίας. Η δύναμη αυτή, μπορεί να είναι η διαφορά της πίεσης (ΔP), της συγκέντρωσης (ΔC), της θερμοκρασίας (ΔT), ή του ηλεκτρικού δυναμικού (ΔE). Οι μεμβράνες με τις περισσότερες και σημαντικότερες εμπορικές εφαρμογές σήμερα είναι οι μεμβράνες των οποίων η λειτουργία στηρίζεται στη διαφορά πίεσης. Το βασικό χαρακτηριστικό των διεργασιών αυτών είναι ότι ο διαλύτης αποτελεί την συνεχή φάση και ότι η συγκέντρωση του διαλύματος είναι σχετικά μικρή. Σημειώνεται επίσης πως τα δομικά χαρακτηριστικά της μεμβράνης (π.χ. ενεργός στοιβάδα, μέγεθος και κατανομή μεγέθους των πόρων) που επιλέγονται για μια διεργασία καθορίζονται με βάση το μέγεθος και τις χημικές ιδιότητες του διαλύτη αλλά και των διαλυμένων στερεών που πρόκειται να διαχωρισθούν. Οι μεμβράνες μπορούν να επιτύχουν τον διαχωρισμό ενώσεων που ανήκουν σε μια μεγάλη περιοχή μεγεθών και μοριακών βαρών, από μακρομοριακά συστατικά, όπως το άμυλο και οι πρωτεΐνες, μέχρι μονοσθενή ιόντα. Σε έναν διαχωρισμό υγρού/στερεού, το βασικό κριτήριο για την επιλογή της κατάλληλης μεμβράνης αποτελεί το μέγεθος του συστατικού που επιδιώκεται να διαχωριστεί. Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων της διαλυμένης ουσίας που συγκρατείται και συνεπώς ανάλογα με το μέγεθος πόρων της μεμβράνης, οι διεργασίες μεμβρανών διακρίνονται: στην μικροδιήθηση (microfiltration), στην υπερδιήθηση (ultrafiltration), στην νανοδιήθηση (nanofiltration) και στην αντίστροφη ώσμωση (reverse osmosis). Την τελευταία δεκαετία έχει δημιουργηθεί μία νέα κατηγορία διεργασιών μεμβρανών οι λεγόμενοι βιοαντιδραστήρες (membrane bioreactors), η λειτουργία των οποίων αποτελεί συνδυασμό βιοαντιδράσεων και διαχωρισμού με μεμβράνες. Το είδος των σωματιδίων που απομακρύνονται σε κάθε μία από τις παραπάνω διεργασίες αναπαρίστανται σχηματικά στο Σχήμα 1 2. Στον Πίνακα 1 1 παρουσιάζονται συνοπτικά τα χαρακτηριστικά των μεμβρανών των οποίων η λειτουργία οφείλεται στη διαφορά πίεσης. 4

35 Εισαγωγή Πίνακας 1 1: Σύγκριση των διεργασιών με μεμβράνες βασιζόμενων στη διαφορά πίεσης. Διεργασία μεμβρανών Ανηγμένη ροή, (L/m 2 h bar) Μέγεθος πόρων, (nm) Πίεση λειτουργίας, (kpa) Μέγεθος σωματιδίων, (μm) Μικροδιήθηση >50 > Υπερδιήθηση Νανοδιήθηση < Αντίστροφη ώσμωση Χωρίς πόρους Οι σημαντικότερες κατηγορίες εφαρμογών των μεμβρανών είναι: Η αφαλάτωση θαλασσινού και υφάλμυρου νερού. Η αποσκλήρυνση επιφανειακών νερών. Η επεξεργασία αστικών λυμάτων και βιομηχανικών αποβλήτων. Η επεξεργασία υγρών ρευμάτων στη χημική βιομηχανία, στη βιομηχανία χάρτου, τροφίμων και υφασμάτων, κ.α. Και η παραγωγή υπερκαθαρού νερού. Αιωρούμενα Μακρομόρια Πολυσθενή ιόντα Μονοσθενή ιόντα Νερό Σχήμα 1 2: Σχηματική απεικόνιση των διεργασιών μικροδιήθησης (MF), υπερδιήθησης (UF), νανοδιήθησης (NF) και αντίστροφης ώσμωσης (RO) Διεργασία μικροδιήθησης Η μικροδιήθηση είναι η διεργασία που παρουσιάζει τις περισσότερες ομοιότητες με μια συμβατική διήθηση. Το μέγεθος των πόρων στις μεμβράνες μικροδιήθησης κυμαίνεται από 0.05 έως 10 μm (Mulder M.,1996) καθιστώντας τη διεργασία κατάλληλη για την κατακράτηση αιωρημάτων και γαλακτωμάτων. Η ανηγμένη ροή του ρευστού, J 5

36 Κεφάλαιο 1 που διέρχεται από τη μεμβράνη μικροδιήθησης περιγράφεται απ τον νόμο του Darcy και είναι ανάλογη προς στην εφαρμοζόμενη πίεση, ΔP. J = B P (1.1) όπου η σταθερά διαπερατότητας Β, επηρεάζεται από τα δομικά χαρακτηριστικά της μεμβράνης, όπως το πορώδες και το μέγεθος των πόρων της, αλλά επίσης και από το ιξώδες του διηθήματος Διεργασία υπερδιήθησης Η υπερδιήθηση ως διεργασία μεμβρανών, κατατάσσεται μεταξύ της μικροδιήθησης και της νανοδιήθησης. Το μέγεθος των πόρων των μεμβρανών υπερδιήθησης κυμαίνεται μεταξύ 2 50 nm. Συνήθως χρησιμοποιείται, για τη συγκράτηση μακρομορίων και κολλοειδών σωματιδίων με μοριακό βάρος μεγαλύτερο από μερικές εκατοντάδες Daltons. Η υπερδιήθηση, όπως και η μικροδιήθηση, θεωρείται διεργασία η απόδοση της οποίας στην απόρριψη των συστατικών εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος και το σχήμα των διαλελυμένων στερεών. Όπως και στη μικροδιήθηση, η μεταφερόμενη ποσότητα του διαλύτη είναι ανάλογη της εφαρμοζόμενης πίεσης (Εξ. 1.1). Μολονότι για τις μεμβράνες ισχύει η ίδια αρχή διαχωρισμού με τις μεμβράνες μικροδιήθησης, εντούτοις λόγω της ασύμμετρης δομής τους (με ένα πολύ πιο πυκνό άνω στρώμα), παρουσιάζουν αρκετά υψηλότερη υδροδυναμική αντίσταση Διεργασίες νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης Οι διεργασίες της νανοδιήθησης και της αντίστροφης ώσμωσης χαρακτηρίζονται από τις ίδιες βασικές αρχές λειτουργίας, γι αυτό συχνά αντιμετωπίζονται και ως μία διεργασία. Η βασική διαφορά μεταξύ υπερδιήθησης και των διεργασιών αυτών, έγκειται στο μέγεθος της διαλυμένης ουσίας που η κάθε μεμβράνη συγκρατεί. Εξαιτίας επίσης, της μεγαλύτερης αντίστασης που παρουσιάζουν οι μεμβράνες αυτές απαιτείται η εφαρμογή υψηλότερων πιέσεων λειτουργίας. Παράλληλα, θα πρέπει να υπερνικηθεί η ωσμωτική πίεση που αναπτύσσεται στην επιφάνεια των μεμβρανών, λόγω της απόρριψης και συσσώρευσης αλάτων στην πλευρά της τροφοδοσίας. Η αρχή λειτουργίας των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης περιγράφεται στο Σχήμα 1 3. Η μεμβράνη είναι περατή στον διαλύτη (νερό) αλλά όχι και στην διαλυμένη ουσία (άλας). Όταν στην πλευρά με το υψηλής συγκέντρωσης σε άλας διάλυμα ασκηθεί 6

37 Εισαγωγή εξωτερική πίεση μεγαλύτερη από την ωσμωτική πίεση του διαλύματος, τότε τα μόρια του διαλύτη εξέρχονται από το πυκνότερο προς το αραιότερο διάλυμα. Η συνολική ροή νερού υπολογίζεται από την Εξ. (1.2), με την παραδοχή ότι δεν διέρχεται ποσότητα διαλυμένης ουσίας μέσα από την μεμβράνη J Qp = kw ( ΔP Δπ) (1.2) A w = όπου J w είναι η ανηγμένη ροή του νερού, k w ο συντελεστής μεταφοράς του νερού, ΔP η εφαρμοζόμενη πίεση, Δπ η ωσμωτική πίεση, Q p ο ρυθμός ροής του ρεύματος του διηθήματος και Α η επιφάνεια της μεμβράνης. Για την περίπτωση που διέρχεται και ορισμένη ποσότητα (έστω και ελάχιστη) της διαλυμένης ουσίας μέσω της μεμβράνης, η ανηγμένη ροή της υπολογίζεται από την εξίσωση J QpC p = ki ΔC i (1.3) A i = όπου J i είναι η ανηγμένη ροή της διαλυμένης ουσίας i, k ι ο συντελεστής μεταφοράς της διαλυμένης ουσίας, ΔC i η διαφορά της συγκέντρωσης της διαλυμένης ουσίας μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης και C p η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας στο διήθημα. Η εξίσωση υπολογισμού της διαφοράς της συγκέντρωσης είναι η εξής: C i C + C F c = C p (1.4) 2 όπου C F η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας στο ρεύμα τροφοδοσίας, C c η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας στο συμπύκνωμα. ΩΣΜΩΣΗ Μεμβράνη Πίεση ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΩΣΜΩΣΗ Μεμβράνη Υψηλή συγκέντρωση Χαμηλή συγκέντρωση Καθαρό νερό Σχήμα 1 3: Σχηματική απεικόνιση α) της ωσμωτικής ροής και β) της αντίστροφης ώσμωσης. 7

38 Κεφάλαιο Χαρακτηριστικά μεγέθη των διεργασιών με μεμβράνες Η απόδοση κάθε διεργασίας με μεμβράνες, καθορίζεται από την ικανότητά τους για παραγωγή διηθήματος υψηλής καθαρότητας, με τη μεγαλύτερη δυνατή παροχή. Τα σημαντικότερα μεγέθη που συνήθως χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της απόδοσης λειτουργίας των μεμβρανών είναι τα παρακάτω: Το διήθημα (permeate): είναι το κλάσμα της τροφοδοσίας που διέρχεται μέσα από τη μεμβράνη. Το συμπύκνωμα (concentrate): το κλάσμα της τροφοδοσίας που δεν περνά μέσα από την μεμβράνη. Η ανηγμένη ροή διηθήματος (permeate flux): ο όγκος (ή μάζα) του διηθήματος που διέρχεται μέσα από τη μεμβράνη ανά μονάδα επιφάνειάς της, στη μονάδα του χρόνου και υπολογίζεται από τη σχέση 1 dv J A dt (1.5) όπου J ο ρυθμός ροής του διηθήματος, Α η επιφάνεια της μεμβράνης και dv/dt ο όγκος του διηθήματος που διέρχεται από τη μεμβράνη ανά μονάδα χρόνου. Ο συντελεστής απόρριψης ή κατακράτησης της μεμβράνης (rejection coefficient). Πρόκειται για την ποσοτική έκφραση της χαρακτηριστικής ιδιότητας των μεμβρανών. Ορίζεται ως η ποσότητα των διαλυμένων ουσιών που κατακρατούνται από τη μεμβράνη ως προς την αρχική τους ποσότητα στο ρεύμα τροφοδοσίας, δηλαδή C -C C R C C F P P F F Ο βαθμός ανάκτησης (recovery), ο οποίος ορίζεται από την σχέση: (1.6) Q r,% = p 100 (1.7) Q F όπου Q F είναι ο ρυθμός ροής του ρεύματος τροφοδοσίας και Q p ο ρυθμός ροής του διηθήματος Η υδραυλική διαφορά πίεσης στην μεμβράνη (transmembrane pressure TMP). Στην πράξη υπολογίζεται ως η μέση τιμή της διαφοράς πίεσης στην είσοδο και στην έξοδο του στοιχείου μεμβράνης. Το μοριακό όριο διαχωρισμού της μεμβράνης (molecular weight cut off, MWCO). Αποτελεί το τυπικό μοριακό βάρος των σωματιδίων που δύναται να συγκρατήσει η μεμβράνη. 8

39 Εισαγωγή Υλικά παραγωγής πολυμερικών μεμβρανών. Η επιλογή του υλικού της μεμβράνης επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την αποτελεσματικότητα του διαχωρισμού μέσω των συντελεστών μεταφοράς k w και k i. Σε γενικές γραμμές, επιδιώκεται το υλικό κατασκευής των μεμβρανών να χαρακτηρίζεται από όσο το δυνατόν μεγαλύτερο k w και μικρότερο k i. Εξίσου σημαντική με την εκλεκτικότητα, θεωρείται και η περατότητα (permeability) μιας μεμβράνης. Γενικά, η ανηγμένη ροή του διηθήματος μπορεί να βελτιωθεί με τη μείωση του πάχους της μεμβράνης. Κατά προσέγγιση, η ροή είναι αντιστρόφως ανάλογη του πάχους της μεμβράνης και για το λόγο αυτό οι περισσότερες μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης εμφανίζουν ασύμμετρη δομή με ένα λεπτό, πυκνό άνω στρώμα πάχους 1 μm υποστηριζόμενο από ένα πορώδες υπόστρωμα πάχους μm. Η αντίσταση στη μεταφορά μάζας προέρχεται κατά κύριο λόγο από το πυκνό άνω στρώμα, το οποίο καλείται ενεργός στοιβάδα (active layer). Ανάλογα με το εάν η ενεργός επιφάνεια και το υπόστρωμα είναι κατασκευασμένες από το ίδιο υλικό, οι μεμβράνες διακρίνονται στις απλές ασύμμετρες (όμοιο υλικό) και στις μικτές ασύμμετρες (διαφορετικό υλικό). Μια σημαντική κατηγορία απλών ασύμμετρων μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, που κατασκευάζονται με αλλαγή φάσης, είναι οι κυτταρικοί εστέρες και κυρίως η διόξινη (diacetate) και τριόξινη κυτταρίνη (triacetate cellulose). Τα υλικά αυτά είναι κατάλληλα για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού λόγω της υψηλής τους διαπερατότητας από το νερό αλλά και της υψηλής συγκράτησης των αλάτων. Μολονότι οι μεμβράνες που είναι κατασκευασμένες από τα παραπάνω υλικά, χαρακτηρίζονται από εξαιρετικές λειτουργικές ιδιότητες, εντούτοις εμφανίζουν ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα, όπως είναι η χαμηλή αντοχή έναντι των χημικών πρόσθετων και η υποβάθμιση των χαρακτηριστικών τους από μεταβολές της θερμοκρασίας ή από την παρουσία βακτηρίων. Οι τυπικές συνθήκες λειτουργίας αφορούν τιμές ph 5 7 και θερμοκρασίες <30 ο C, για την αποφυγή υδρόλυσης των πολυμερικών αλυσίδων. Σημαντικά επίσης μειονεκτήματα των μεμβρανών που είναι κατασκευασμένες από κυτταρικούς εστέρες, αποτελούν η ταχεία υποβάθμιση τους καθώς και η χαμηλή εκλεκτικότητα τους έναντι των μικρών οργανικών μορίων. Τα τελευταία χρόνια, τα αρωματικά πολυαμίδια αποτελούν τα κύρια υλικά κατασκευής των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης. Τα πολυαμίδια παρουσιάζουν εξίσου υψηλές εκλεκτικότητες έναντι των αλάτων όπως και η κυταρρίνη, μπορούν να 9

40 Κεφάλαιο 1 χρησιμοποιηθούν για τιμές ph από 3 ως 11, ωστόσο η ροή του νερού διαμέσου τους είναι ελαφρώς χαμηλότερη. Το σημαντικότερο όμως μειονέκτημα των πολυαμιδίων είναι η ευαισθησία τους έναντι του ελεύθερου χλωρίου (Cl 2 ), το οποίο και προκαλεί αποικοδόμηση της ομάδας του αμιδίου. Οι μικτές μεμβράνες (composite membranes) αποτελούν τον πιο συνηθισμένο τύπο δομής που χρησιμοποιείται στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης, ενώ αποκλειστικά μικτές είναι οι μεμβράνες νανοδιήθησης (Mulder M.,1996). Στις τελευταίες, το ενεργό στρώμα και το υπόστρωμα αποτελούνται από διαφορετικά πολυμερικά υλικά, οπότε η βελτιστοποίηση της μεμβράνης αφορά τη βελτιστοποίηση καθενός από τα επιμέρους στρώματα της Τρόποι λειτουργίας των στοιχείων μεμβρανών Ο σχεδιασμός ενός συστήματος διήθησης χαρακτηρίζεται από μεγάλη ποικιλία λόγω του μεγάλου αριθμού των εφαρμογών αλλά και των τρόπων διάταξης των στοιχείων μεμβράνης. Ο σχετικά απλούστερος τρόπος λειτουργίας ενός στοιχείου μεμβράνης είναι η κατά μέτωπο διήθηση (dead end filtration), η οποία και απαντάται κυρίως στη μικροδιήθηση (Metcalf & Eddy, 2003). Στην κατά μέτωπο διήθηση, το ρεύμα τροφοδοσίας λόγω της εφαρμοζόμενης πίεσης κινείται κάθετα προς την επιφάνεια της μεμβράνης, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1 4, με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται μόνο δύο ρεύματα, αυτό της τροφοδοσίας και του διηθήματος. Τα σωματίδια που συγκρατούνται, συγκεντρώνονται στην επιφάνεια της μεμβράνης σχηματίζοντας μία στοιβάδα επικαθήσεων (cake), ενώ το παραγόμενο διήθημα συλλέγεται και απομακρύνεται. Με σκοπό τον περιορισμό των επικαθήσεων και του περιορισμού του φαινομένου της πόλωσης συγκέντρωσης στην επιφάνεια της μεμβράνης αναπτύχθηκε η διήθηση εφαπτομενικής ροής (cross flow filtration). Κατά τον τρόπο αυτόν, το ρεύμα τροφοδοσίας ρέει παράλληλα προς της επιφάνεια της μεμβράνης, ενώ μόνο ένα κλάσμα του διαλύτη διέρχεται μέσα από τη μεμβράνη (διήθημα). Η παρουσία των σχετικά ισχυρών διατμητικών τάσεων λόγω της εφαπτομενικής ταχύτητας ευνοεί την αποκόλληση και απομάκρυνση μέρους των επικαθήσεων που έχουν σχηματιστεί στην επιφάνεια της μεμβράνης και τείνει να μειώσει την πόλωση συγκέντρωσης (Mulder M.,1996). 10

41 Εισαγωγή Ρεύμα τροφοδοσίας Ρεύμα τροφοδοσίας Συμπύκνωμα Διήθημα Διήθημα α) ΕΦΑΠΤΟΜΕΝΙΚΗ ΡΟΗ β) ΚΑΤΑ ΜΕΤΩΠΟ ΡΟΗ Σχήμα 1 4: Τρόποι λειτουργίας στοιχείων μεμβρανών: α) διήθηση εφαπτομενικής ροής και β) κατά μέτωπο διήθηση Στοιχεία μεμβρανών Η διαμόρφωση ενός στοιχείου μεμβρανών που χρησιμοποιείται σε μια διεργασία διαχωρισμού στερεού/υγρού, καθορίζεται από τις απαιτήσεις του εκάστοτε διαχωρισμού και είναι συνάρτηση παραγόντων όπως το ιξώδες, η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών, το μέγεθος των σωματιδίων και η θερμοκρασία. Γενικά, στις διεργασίες μεμβρανών συναντώνται τέσσερις τύποι στοιχείων: Τα στοιχεία επίπεδης διαμόρφωσης (Plate and frame) Τα σωληνοειδή στοιχεία (Tubular) Τα στοιχεία σπειροειδούς διαμόρφωσης (Spiral wound) Και τα στοιχεία κοίλων λεπτών ινών (Hollow fine fiber) Μία συνοπτική σύγκριση των τεσσάρων τύπων στοιχείων περιλαμβάνεται στον Πίνακα 1 2. Πάντως, στη συντριπτική πλειοψηφία των εφαρμογών για την επεξεργασία του νερού, χρησιμοποιούνται στοιχεία σπειροειδούς διαμόρφωσης μιας και παρουσιάζουν μεγαλύτερο λόγο επιφάνειας προς όγκο και σε μικρότερο βαθμό τα στοιχεία κοίλων ινών. Τα στοιχεία σπειροειδούς διαμόρφωσης αποτελούνται από επαλληλία διπλωμένων φακέλων. Κάθε φάκελος απαρτίζεται από δυο επάλληλα φύλλα μεμβράνης, τα οποία είναι καλά σφραγισμένα με κόλλα κατά τις τρεις πλευρές τους και ενδιάμεσα περικλείουν ένα ένθετο πολυμερικό υλικό με τη μορφή πλέγματος (spacer). Η τέταρτη 11

42 Κεφάλαιο 1 πλευρά του φακέλου εφαρμόζεται κατά το μήκος ενός διάτρητου σωλήνα και στη συνέχεια ο φάκελος περιτυλίγεται γύρω από αυτόν τον κεντρικό διάτρητο σωλήνα. Η τροφοδοσία γίνεται κατά την αξονική διεύθυνση και το διήθημα, δηλαδή το ποσό της τροφοδοσίας που καταφέρνει να διαπεράσει τους πόρους της μεμβράνης, συγκεντρώνεται σε ένα υφασμάτινο πορώδες υλικό και διαγράφοντας μια ελικοειδή πορεία καταλήγει στον κεντρικό διάτρητο σωλήνα του στοιχείου και απομακρύνεται. Το συμπύκνωμα, έχοντας υψηλή συγκέντρωση αλάτων συνεχίζει να ρέει μέσω του πλέγματος και τελικά οδηγείται στην έξοδο του στοιχείου. Η χρησιμοποίηση του ένθετου, αφενός εξασφαλίζει τον διαχωρισμό μεταξύ των φύλλων της μεμβράνης και αφετέρου, συμβάλλει στην δημιουργία συνθηκών ασταθούς ή και τυρβώδους ροής, γεγονός που οδηγεί σε μεγαλύτερους συντελεστές μεταφοράς μάζας (Koutsou et al., 2009; Wang & Tarabara, 2007). Στα στοιχεία των λεπτών κοίλων ινών, η τροφοδοσία συνήθως γίνεται υπό πίεση από την εξωτερική πλευρά των ινών. Κάθε ίνα σωληνοειδούς διαμόρφωσης είναι καλυμμένη με λεπτή ημιπερατή μεμβράνη πάχους μm. Το καθαρό νερό αφού διαπεράσει το τοίχωμα της ίνας συλλέγεται στο εσωτερικό κοίλο μέρος της. Αντίθετα, το συμπυκνωμένο ρεύμα, ρέει παράλληλα προς την εξωτερική επιφάνεια των κοίλων ινών προς την έξοδο του στοιχείου και με τη βοήθεια ενός αγωγού απομακρύνεται από το στοιχείο. Πίνακας 1 2: Συγκριτικός πίνακας των στοιχείων μεμβρανών. Παράμετρος Ειδική επιφάνεια (m 2 /m 3 ) Ανθεκτικότητα σε ρύπανση Είδος στοιχείου Επίπεδο Σωληνοειδές Κοίλων ινών Σπειροειδούς διαμόρφωσης Καλή Πολύ καλή Χαμηλή Μέτρια Ευκολία καθαρισμού Καλή Εξαιρετική Χαμηλή Χαμηλή Σχετικό κόστος Υψηλό Υψηλό Χαμηλό Χαμηλό 12

43 Εισαγωγή Εξάρτημα ATD Κεντρικός διάτρητος σωλήνας συλλογής του διηθήματος Πλέγμα Τροφοδοσία Φύλλο μεμβράνης α) Διήθημα Συμπύκνωμα Πορώδες υλικό Φύλλο μεμβράνης Πλέγμα Υλικό εξωτερικής περιέλιξης Τροφοδοσία Διήθημα Συμπύκνωμα Διήθημα β) Τροφοδοσία Στοιχεία κοίλων ινών Σχήμα 1 5: Στοιχεία μεμβρανών: α)σπειροειδούς διαμόρφωσης και β) κοίλων ινών ΑΝΑΣΤΑΛΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Το φαινόμενο της πόλωσης της συγκέντρωσης Οι διεργασίες μεμβρανών αποτελούν διεργασίες διαχωρισμού, οι οποίες επιτρέπουν την εκλεκτική διέλευση ενός συστατικού μέσω της μεμβράνης. Στην απλουστευμένη περίπτωση που το διάλυμα αποτελείται από μία μόνο διαλυμένη ουσία, τότε κατά την επιβολή μιας εξωτερικής δύναμης (πίεση) παρατηρείται διέλευση του διαλύτη μέσω της μεμβράνης, ενώ η διαλυμένη ουσία συγκρατείται (έστω και μερικώς). Λόγω αυτής της χαρακτηριστικής ιδιότητας των μεμβρανών, προκύπτει πως η τιμή της συγκέντρωσης της διαλυμένης ουσίας στο διήθημα (C p ) είναι μικρότερη από τη 13

44 Κεφάλαιο 1 Συγκέντρωση μεμβράνη C b C p Σχήμα 1 6: Η αρχή λειτουργίας των διεργασιών με μεμβράνες. αντίστοιχη συγκέντρωση στην τροφοδοσίας (C b ). H διατύπωση, αποτελεί τη θεμελιώδη αρχή των διεργασιών με μεμβράνες και απεικονίζεται στο Σχήμα 1 6. Τα σωματίδια ή ενυδατωμένα ιόντα που συγκρατούνται από τη μεμβράνη, τείνουν να συσσωρεύονται στην επιφάνεια της, με αποτέλεσμα τη βαθμιαία αύξηση της συγκέντρωσης τους. Με τον τρόπο αυτό, δημιουργείται πόλωση της συγκέντρωσης (concentration polarization) ανάμεσα στην επιφάνεια της μεμβράνης (υψηλή συγκέντρωση σωματιδίων) και στην κύρια μάζα τροφοδοσίας (χαμηλότερη συγκέντρωση σωματιδίων). Το γεγονός αυτό, οδηγεί στη διάχυση των σωματιδίων από την επιφάνεια της μεμβράνης προς την κύρια μάζα της τροφοδοσίας. Παρατηρείται λοιπόν, εκτός από τη ροή λόγω συναγωγής των σωματιδίων προς την επιφάνεια της μεμβράνης και μια δεύτερη ροή σωματιδίων αντίθετης φοράς (μοριακή διάχυση), λόγω της διαφοράς συγκέντρωσης. Όταν τελικά επέλθει η ισορροπία (συνθήκες μόνιμης κατάστασης), η μάζα των σωματιδίων που κινούνται προς την επιφάνεια της μεμβράνης θα ισούται με το άθροισμα της ποσότητας των σωματιδίων που διέρχονται από τους πόρους της μεμβράνης και των σωματιδίων που διαχέονται από την επιφάνεια της μεμβράνης προς την τροφοδοσία. Σχηματικά, το φαινόμενο της πόλωσης συγκέντρωσης αποδίδεται από το Σχήμα 1 7. Θα πρέπει όμως να τονιστεί, ότι στην έως τώρα θεώρηση έχει ληφθεί υπόψη μόνο το φαινόμενο της πόλωσης συγκέντρωσης και όχι το φαινόμενο της ρύπανσης των μεμβρανών. 14

45 Εισαγωγή Οριακό στρώμα μεμβράνη Τροφοδοσία C m J C b J C p C b dc D dx C p δ Σχήμα 1 7: Το φαινόμενο της πόλωση συγκέντρωσης σε μόνιμες συνθήκες. 0 Το φαινόμενο της πόλωσης συγκέντρωσης τείνει να αυξήσει την ωσμωτική πίεση και να μειώσει την ενεργό διαφορά πίεσης, με αποτέλεσμα τη μείωση της ροής του διηθήματος και ταυτόχρονα μεταβολή του συντελεστή απόρριψης της μεμβράνης. Στην περίπτωση σωματιδίων με μικρό μοριακό βάρος, η κατακράτηση της μεμβράνης γίνεται μικρότερη από την αρχική, ενώ στην αντίθετη περίπτωση, η αυξημένη συγκέντρωση των σωματιδίων στην επιφάνεια της μεμβράνης λειτουργεί ως μία νέα, εν δυνάμει μεμβράνη, με αποτέλεσμα την συγκράτηση περισσότερων σωματιδίων. Η μείωση στη ροή του διηθήματος είναι αποτέλεσμα της πρόσθετης αντίστασης που δημιουργεί το στρώμα των συσσωρευμένων συστατικών που επικάθονται στην επιφάνεια της μεμβράνης Ρύπανση μεμβρανών Ο σημαντικότερος ανασταλτικός παράγοντας λειτουργίας των μεμβρανών είναι το φαινόμενο της ρύπανσης. Ως ρύπανση των μεμβρανών, θεωρείται η εναπόθεση ανεπιθύμητων συστατικών στο εσωτερικό των πόρων ή και στην επιφάνειά τους, με αποτέλεσμα τη σταδιακή μείωση του ρυθμού του παραγόμενου διηθήματος με ταυτόχρονη υποβάθμιση της ποιότητάς του. Οι βασικοί μηχανισμοί ρύπανσης των μεμβρανών είναι οι εξής: 15

46 Κεφάλαιο 1 Η μερική φραγή των πόρων λόγω της απορρόφησης σωματιδίων στο εσωτερικό τους (pore constriction). Η πλήρης φραγή των πόρων (pore blockage). και η δημιουργία στοιβάδας στην επιφάνεια της μεμβράνης (cake filtration). Οι δύο πρώτοι μηχανισμοί απαντώνται συνήθως σε μεμβράνες με χαμηλά όρια διαχωρισμού, όπως είναι οι μεμβράνες μικροδιήθησης και υπερδιήθησης, ενώ η δημιουργία στοιβάδας χαρακτηρίζει την ρύπανση των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης. Ο κατηγοριοποίηση της ρύπανσης γίνεται συνήθως με βάση την φύση του ρυπαντή. Έτσι, οι τέσσερις σημαντικότερες κατηγορίες ρύπανσης που απαντώνται στην πράξη είναι οι εξής: Η ανόργανη ρύπανση, η οποία περιλαμβάνει ενώσεις όπως τα υδροξείδια των μετάλλων, τα άλατα του ασβεστίου κ.α. Η οργανική ρύπανση, η οποία περιλαμβάνει ρύπανση από πρωτεΐνες, φυσική οργανική ύλη, πολυσακχαρίτες, κ.α. Η ρύπανση από κολλοειδή σωματίδια. και τέλος η βιολογική ρύπανση, η οποία προκαλείται από βακτήρια ή άλλους ζωντανούς μικροοργανισμούς. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί πως στον παραπάνω διαχωρισμό, τα όρια κάθε κατηγορίας δεν είναι αυστηρά καθορισμένα και πως συχνά παρατηρούνται αλληλοεπικαλύψεις μεταξύ τους. Συμπερασματικά, μπορεί να λεχθεί πως η ρύπανση των μεμβρανών κατά πρώτον και η πόλωση συγκέντρωσης κατά δεύτερον, αποτελούν τα σημαντικότερα προβλήματα στη λειτουργία των μεμβρανών. Ανόργανη ρύπανση Η εναπόθεση ανόργανων αλάτων στην επιφάνεια των μεμβρανών αποτελεί ένα ιδιαίτερα σοβαρό πρόβλημα που δρα ανασταλτικά στην ομαλή λειτουργία τους. Η ανόργανη ρύπανση οφείλεται στην ανάπτυξη υψηλών τιμών συγκέντρωσης ενός ή περισσοτέρων ανόργανων συστατικών της τροφοδοσίας, οι οποίες όταν υπερβαίνουν τα όρια διαλυτότητάς των συστατικών, οδηγούν στη δημιουργία κρυστάλλων στην επιφάνεια των μεμβρανών. Οι πιο συνηθισμένες επικαθήσεις ανόργανων αλάτων είναι τα θειικά, τα ανθρακικά και τα φθοριούχα άλατα του ασβεστίου, το θειϊκό στρόντιο και βάριο καθώς και υδροξείδια του σιδήρου και του 16

47 Εισαγωγή αλουμινίου. Έτσι, οι πιο συχνοί ανόργανοι ρυπαντές είναι το CaCO 3, CaSO 4, BaSO 4, SrSO 4, CaF 2 κ.α. Η ανόργανη ρύπανση, όπως και οι υπόλοιπες κατηγορίες ρύπανσης, οδηγεί στην μείωση της απόδοσης της μεμβράνης, με αποτέλεσμα να ασκούνται στα συστήματα μεμβρανών ολοένα και υψηλότερες τιμές πίεσης, άρα και μεγαλύτερο λειτουργικό κόστος, για τη διατήρηση της επιθυμητής ανηγμένης ροής του διηθήματος. Το πρόβλημα συνήθως επιδεινώνεται όταν επιχειρείται να αυξηθεί η ανάκτηση της διεργασίας, πράγμα που οδηγεί σε αυξημένη συγκέντρωση στο ρεύμα του συμπυκνώματος καθιστώντας το υπέρκορο, κυρίως στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια της μεμβράνης. Οι κυριότερες παράμετροι που επιδρούν στο σχηματισμό της ανόργανης ρύπανσης είναι η συγκέντρωση των αλάτων στο ρεύμα του συμπυκνώματος, η θερμοκρασία, οι υδροδυναμικές συνθήκες της διεργασίας, το ph καθώς και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της μεμβράνης, όπως το υλικό κατασκευής της, η τραχύτητα, το φορτίο της κτλ. Ο μηχανισμός της κινητικής αυτού του είδους ρύπανσης αποτελείται από δύο στάδια: α) το στάδιο πυρηνογένεσης (nucleation), κατά το οποίο ένας πυρήνας ή σωματίδιο μικρού μεγέθους δημιουργείται στην επιφάνεια της μεμβράνης ή στο εσωτερικό των πόρων και β) το στάδιο της ανάπτυξης (growth). Στο δεύτερο στάδιο, ο πυρήνας μεγαλώνει σε μέγεθος και τελικά δημιουργείται ένα λεπτό υμένιο από κρυστάλλους. Σημειώνεται πως ο ρυθμός ανάπτυξης είναι διαφορετικός για κάθε κρύσταλλο και μεταβάλλεται με τον χρόνο. Επιπλέον, η πρόσφυση (adhesion) των σχηματιζόμενων κρυστάλλων στην επιφάνεια της μεμβράνης αποτελεί σημαντικό παράγοντα της ανόργανης ρύπανσης. Στην περίπτωση μικρής πρόσφυσης, είναι πιθανόν ο κρύσταλλος να αποκολληθεί, υπό την επίδραση των διατμητικών τάσεων λόγω της εφαπτομενικής ταχύτητας του ρευστού. Στην αντίθετη περίπτωση, ο αρχικός κρύσταλλος οδηγεί σε ένα συνεκτικό στρώμα ρύπανσης (scaling). Στις διεργασίες αντίστροφης ώσμωσης, ο μεγαλύτερος κίνδυνος εμφάνισης ανόργανης ρύπανσης εντοπίζεται στο ρεύμα του συμπυκνώματος και πιο συγκεκριμένα στο τελευταίο στοιχείο μεμβράνης σε μια συστοιχία. Για τον λόγο αυτό, θα πρέπει να γίνεται εκτίμηση των συνθηκών κορεσμού του συμπυκνώματος κατά μήκος ολόκληρης της συστοιχίας μεμβρανών. Οι υπολογισμοί στηρίζονται στην 17

48 Κεφάλαιο 1 γνώση της σύστασης του νερού τροφοδοσίας και του συντελεστή συμπύκνωσης. Ο τελευταίος, για κάθε συστατικό i της τροφοδοσίας ορίζεται από τη σχέση: 1 (1 Ri ) 1 CFi = (1.8) 1 r 1 r όπου r είναι ο βαθμός ανάκτησης του διηθήματος και R i o συντελεστής απόρριψης κάθε ιόντος, ο οποίος σε ένα σύστημα αντίστροφης ώσμωσης για τα περισσότερα ιόντα είναι σχεδόν μονάδα. Οργανική ρύπανση Οι οργανικοί ρυπαντές που απαντώνται στα φυσικά νερά αλλά και στα αστικά και βιομηχανικά απόβλητα αποτελούν τους πιο περίπλοκους ρυπαντές. (Li & Elimelech, 2004). Ο χαρακτηρισμός αυτός οφείλεται τόσο στη σύσταση του υγρού τροφοδοσίας όσο και στην πολυπλοκότητα των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη διήθηση των διαλυμένων οργανικών ενώσεων. Συχνά λοιπόν, σημειώνονται αλληλοεπιδράσεις μεταξύ των οργανικών ενώσεων και ιδιαίτερα παρουσία πολυσθενών ιόντων (π.χ ασβεστίου και μαγνησίου) προξενώντας μείωση της απόδοση των μεμβρανών αλλά και ποιοτική υποβάθμιση του παραγόμενου διηθήματος. Αν και οι τιμές των συγκεντρώσεων τους είναι ιδιαίτερα χαμηλές ( 1 8 mg/l) σε σχέση με τις αντίστοιχες των ανόργανων ρυπαντών (μερικές χιλιάδες mg/l), εντούτοις η οργανική ρύπανση αποτελεί σε πολλές περιπτώσεις τη σημαντικότερη αιτία υποβάθμισης των μεμβρανών. Η οργανική ρύπανση προκαλείται από πλήθος οργανικών συστατικών που περιέχονται στο νερό. Οι σημαντικότερες κατηγορίες οργανικών ενώσεων που περιέχονται στα επιφανειακά νερά αλλά και στο απόρευμα των μονάδων επεξεργασία αστικών λυμάτων είναι τα χουμικά και φουλβικά οξέα, οι πολυσακχαρίτες, οι πρωτεΐνες και οι αμινογλυκόλες. Συντονισμένες προσπάθειες γίνονται επίσης για την κατανόηση των αλληλεπίδρασεων μεταξύ των οργανικών ενώσεων καθώς και των αλληλεπιδράσεων ρυπαντών και μεμβρανών. Γενικά, θεωρείται πως φαινόμενα όπως οι αλληλεπίδρασεις λόγω ηλεκτρικών φορτίων, οι χημικοί δεσμοί και οι υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις διαδραματίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην οργανική ρύπανση των μεμβρανών (Ang & Elimelech, 2006; Hong & Elimelech, 1997). Τέλος, όσον αφορά τους κύριους μηχανισμούς 18

49 Εισαγωγή ρύπανσης, εκτιμάται πως αυτοί περιλαμβάνουν την προσρόφηση στο εσωτερικό των πόρων και τον σχηματισμό πηκτωμάτων ή στοιβάδων στην επιφάνεια των μεμβρανών. Κολλοειδής ρύπανση Η κολλοειδής ρύπανση, δεν θα έπρεπε να αποτελεί ξεχωριστή κατηγορία ρύπανσης μιας και η προέλευση των σωματιδίων που περιλαμβάνει είναι τόσο οργανική όσο και ανόργανη. Παρόλα αυτά, τα σωματίδια με μέγεθος από 0.01 έως 1 μm, σύμφωνα με τους Pott et al. (1981) εμφανίζουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά στην συμπεριφορά τους και για τον λόγο αυτό μελετώνται ξεχωριστά. Τα πιο συνήθη κολλοειδή ανόργανα σωματίδια είναι ο κολλοειδής σίδηρος και τα κολλοειδή σωματίδια του αργιλίου και του πυριτίου. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν επίσης τα χουμικά οξέα, η λιγνίνη και η τανίνη, τα οποία είναι πολυφαινολικές αρωματικές ενώσεις που προήλθαν από την αποσύνθεση ιστών φυτικής προέλευσης, όπως επίσης οι πολυσακχαρίτες και οι λιποπρωτεΐνες. Στον Πίνακα 1 3 παρουσιάζονται μερικά από τα σημαντικότερα κολλοειδή σωματίδια που συναντάμε στα φυσικά νερά και ειδικότερα στο θαλασσινό νερό). Πίνακας 1 3: Κολλοειδή σωματίδια στα φυσικά νερά (Ning, 1999). Μικροοργανισμοί Βιολογικά υπολείμματα (φυτικής και ζωικής προέλευσης) Πολυσακχαρίτες Λιποπρωτείνες Άργιλος (ένυδρα πυριτικά με αλουμίνιο και σίδηρο) Λίπη Έλαια Χουμικά οξέα, φουλβικά οξέα, τανίνες, λιγνίνες Οξείδια του σιδήρου και του μαγγανίου Ανθρακικό ασβέστιο Βιολογική ρύπανση (Biofouling) Κατά τη βιολογική ρύπανση μιας μεμβράνης παρατηρείται ο σχηματισμός στην επιφάνεια της, ενός υμενίου με ζωντανούς μικροοργανισμούς (biofilm), το οποίο και είναι υπεύθυνο για την ποιοτική και ποσοτική υποβάθμιση του προϊόντος της διεργασίας. Στους μικροοργανισμούς αυτούς ανήκουν τα μικρόβια, τα βακτήρια, οι 19

50 Κεφάλαιο 1 μύκητες, οι μικροάλγες κ.α. Η δημιουργία του υμενίου, είναι αποτέλεσμα της κίνησης των μικροοργανισμών, λόγω είτε της διάχυσης (Brownian κίνηση), είτε της βαρυτικής έλξης, είτε της συναγωγής. Η στοιβάδα που σχηματίζεται μπορεί να αποτελείται, στην πιο απλή περίπτωση, αποκλειστικά από ένα στρώμα με μικροοργανισμούς, ωστόσο συνήθως περιλαμβάνει πολλαπλά στρώματα ζωντανών και μη μικροοργανισμών καθώς και τα εξωκυτταρικά τους προϊόντα όπως είναι ετεροπολυσακχαρίτες, οι γλυκοπροτεΐνες, τα λιπίδια κτλ. Η βιολογική ρύπανση των μεμβρανών χρήζει ιδιαίτερης προσοχής εξαιτίας του γεωμετρικού ρυθμού αύξησης της. Είναι δυνατόν, ένα απλό βακτήριο που εισέρχεται σε ένα στοιχείο μεμβράνης, να οδηγήσει σε εκτεταμένη βιορύπανση, ιδιαίτερα όταν ο ρυθμός ανάπτυξης του πληθυσμού του είναι μεγάλος. Επιπλέον, η ικανότητα προσκόλλησης των βακτηρίων που απαρτίζουν τον υμένα δεν είναι στατική αλλά δυναμική, μιας και αυξάνεται με τον χρόνο, λόγω της σύνθεσης των εξωκυτταρικών πολυμερικών ενώσεων (extracecullar polymeric substances, EPS). Με τον τρόπο αυτόν, τα παραγόμενα πολυμερή επικαλύπτουν τα γειτονικά κύτταρα, δημιουργώντας έτσι μία ένυδρη πηκτή, στην επιφάνεια της μεμβράνης. Η παρουσία των εξωκυτταρικών πολυμερών βοηθά στην επιβίωση και στον πολλαπλασιασμό των μικροργανισμών που περιέχονται σε έναν υμένα, λειτουργώντας ως προστατευτικό φράγμα απέναντι στην εισβολή χημικών ουσιών όπως είναι τα αντιβακτηριακά μέσα (χλώριο και άλλα μικροβιοκτόνα). Επιπλέον, το πλέγμα των εξωκυτταρικών πολυμερών ενισχύει τους δεσμούς των κυττάρων με την μεμβράνη, σταθεροποιώντας τη δομή του υμενίου και μειώνοντας παράλληλα την πιθανότητα αποκόλλησης λόγω των διατμητικών τάσεων ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ Λόγω της πολυπλοκότητας των φαινομένων της ρύπανσης των μεμβρανών θα γίνει μόνο μία γενική περιγραφή των μεθόδων περιορισμού της ρύπανσης. Συνήθως κάθε κατηγορία ρύπανσης απαιτεί διαφορετικό τρόπο αντιμετώπισης, ωστόσο υπάρχουν ορισμένοι γενικοί κανόνες αντιμετώπισης της ρύπανσης, οι οποίοι είναι οι εξής: α) Η προκατεργασία του νερού τροφοδοσίας Οι πιο συνηθισμένοι μέθοδοι προκατεργασίας του νερού τροφοδοσίας περιλαμβάνουν τη ρύθμιση του ph, την προσθήκη μέσων συμπλοκοποίησης 20

51 Εισαγωγή (complexing agents), την χλωρίωση, την απορρόφηση από ενεργό άνθρακα, τον χημικό καθαρισμό, τη διήθηση μέσω κλινών με ή χωρίς χρήση κροκιδωτικών και την χρησιμοποίηση των διεργασιών της μικροδιήθησης και της υπερδιήθησης. Η μέθοδος ή οι μέθοδοι που θα χρησιμοποιηθούν στο στάδιο της προκατεργασίας καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό το μέγεθος της ρύπανσης των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης. β) Επέμβαση στις ιδιότητες της μεμβράνης Η αλλαγή των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων μιας μεμβράνης μπορεί να μεταβάλει σημαντικά την τάση ρύπανσής της. Έτσι, παρατηρείται πως οι μεμβράνες με μεγάλο μέγεθος πόρων (μεμβράνες μικροδιήθησης και υπερδιήθησης) χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη τάση ρύπανσης έναντι των μεμβρανών με μικρό μέγεθος (μεμβράνες νανοδήθησης και αντίστροφης ώσμωσης). Επίσης, προτείνεται (Crozes et.al.,1997; Laine et al.,1990) η χρησιμοποίηση υδρόφιλων μεμβρανών λόγω της μειωμένης τάσης ρύπανσης που εμφανίζουν. Επιπρόσθετα, η χρήση αρνητικά φορτισμένων μεμβρανών, ιδιαίτερα στην περίπτωση κολλοειδών σωματιδίων αποτελεί συνήθη τακτική για τον περιορισμό της ρύπανσης, ενώ μειωμένη τάση ρύπανσης φαίνεται να εμφανίζουν οι υδρόφιλες μεμβράνες. γ) Η μεταβολή των συνθηκών λειτουργίας της διεργασίας Τα φαινόμενα ρύπανσης της μεμβράνης μειώνονται, όσο ελαττώνεται το φαινόμενο της πόλωσης συγκέντρωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με αύξηση του συντελεστή μεταφοράς μάζας (εξασφαλίζοντας συνθήκες υψηλής εφαπτομενικής ταχύτητας) όπως επίσης και χρησιμοποιώντας χαμηλές ανηγμένες ροές διηθήματος. Τέλος, στη δραστική μείωση της τάσης ρύπανσης των μεμβρανών, συμβάλει και η χρησιμοποίηση ένθετων (spacers) κατάλληλης γεωμετρίας για την ανάπτυξη του τυρβώδους. δ) Ο καθαρισμός των μεμβρανών Αν και οι αναφερθείσες μέθοδοι συμβάλλουν τα μέγιστα στη μείωση της ρύπανσης, εντούτοις στην πράξη απαιτείται η εφαρμογή μεθόδων καθαρισμού της μεμβράνης από τις επικαθήσεις που αναπόφευκτα τείνουν να δημιουργηθούν στην επιφάνεια των μεμβρανών. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου καθαρισμού εξαρτάται από παραμέτρους όπως η διαμόρφωση των στοιχείων της μεμβράνης, το είδος της μεμβράνης, η χημική αντίσταση της μεμβράνης καθώς και το είδος των ρυπαντών που περιέχονται στο ρεύμα τροφοδοσίας. Γενικά, υπάρχουν τέσσερις βασικοί μέθοδοι 21

52 Κεφάλαιο 1 καθαρισμού: α) ο υδραυλικός, β) ο μηχανικός γ) ο χημικός και δ) ο ηλεκτρικός καθαρισμός. Ο υδραυλικός καθαρισμός περιλαμβάνει την αντίστροφη πλύση (back washing) ανά τακτά χρονικά διαστήματα (εφαρμόζεται μόνο στην μικροδιήθηση και στην υπερδιήθηση) και την εναλλαγή πίεσης και αποσυμπίεσης. Κατά την αντίστροφη πλύση μετά το πέρας ορισμένου χρονικού διαστήματος συνεχούς λειτουργίας, η εφαρμογή της εξωτερικής πίεσης διακόπτεται και η κατεύθυνση ροής του διηθήματος αντιστρέφεται. Με την παραπάνω διαδικασία, στην περίπτωση των κοίλων ινών, απομακρύνονται οι επικαθήσεις που έχουν δημιουργηθεί στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό των πόρων. Ο μηχανικός καθαρισμός εφαρμόζεται μόνο σε μεμβράνες σωληνοειδούς διαμόρφωσης, ενώ ο χημικός καθαρισμός αποτελεί την πιο σημαντική μέθοδο μείωσης της ρύπανσης και επιτυγχάνεται με την χρησιμοποίηση διαφόρων χημικών προϊόντων είτε μεμονωμένα είτε σε συνδυασμό. Η επιλογή της κατάλληλης συγκέντρωσης και ο χρόνος δράσης του χημικού αντιδραστηρίου καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από τη χημική αντίσταση της κάθε μεμβράνης. Οι κυριότερες κατηγορίες χημικών που χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό των μεμβρανών είναι: οξέα (είτε σχετικά ισχυρά όπως το H 3 PO 4, είτε ασθενή όπως το κιτρικό οξύ) βάσεις (π.χ. ΝαΟΗ) απορρυπαντικά ένζυμα (πρωτεάσες, αμυλάσες κ.α) μέσα συμπλοκοποίησης (EDTA,πολυακρυλικά) απολυμαντικά (H 2 O 2, NaOCl) ατμός και αποστείρωση με χρήση αιθυλενοξειδίου Τέλος, ο ηλεκτρικός καθαρισμός περιλαμβάνει την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος της μεμβράνης. Αποτέλεσμα του παραγόμενου πεδίου είναι η μετακίνηση των φορτισμένων ηλεκτρικά σωματιδίων προς τη διεύθυνση του πεδίου. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς τη διακοπή της διεργασίας, με την εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Μειονέκτημα ωστόσο της μεθόδου αποτελεί η απαίτηση για την χρησιμοποίηση αποκλειστικά αγώγιμων μεμβρανών καθώς και η ειδική διευθέτηση που θα πρέπει να έχουν τα στοιχεία των μεμβρανών (Mulder, 1996). 22

53 Εισαγωγή 1.5. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στην παρούσα διατριβή γίνεται συγκριτική μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης (RO) και υπερδιήθησης (UF) από οργανικές ενώσεις με βάση κυρίως την ειδική αντίσταση, α, της στοιβάδας των επικαθήσεων. Ειδικότερα, η εργασία αποσκοπεί στον εντοπισμό και τη μελέτη των παραμέτρων που καθορίζουν τη ρύπανση στις προαναφερθείσες διεργασίες. Απώτερος σκοπός είναι η συμβολή στην ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη βελτίωση ή και την ανάπτυξη νέων τεχνικών αξιολόγησης και πρόβλεψης της κολλοειδούς (οργανικής και ανόργανης) ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, με βάση τις σχετικά απλές μετρήσεις με μεμβράνες υπερδιήθησης. Παράλληλα, στα πλαίσια της διατριβής επιδιώκεται η μελέτη της επίδρασης των βασικών παραμέτρων στην ανάπτυξη της οργανικής και της κολλοειδούς ρύπανσης, τόσο στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης όσο και στις μεμβράνες υπερδιήθησης. Η ερευνητική προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την επίτευξη των παραπάνω στόχων συνοψίζεται στα παρακάτω: Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα αντίστροφης ώσμωσης, έτσι ώστε να προκύψουν αξιόπιστα πειραματικά δεδομένα κάτω από πλήρως ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες. Στη συνέχεια, συγκεντρώθηκαν δεδομένα από πειράματα υπερδιήθησης χρησιμοποιώντας τα ίδια ρευστά, πειραματικές συνθήκες και τους ίδιους ρυπαντές με τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Τελικά, διασφαλίζοντας ότι η διήθηση με τη δημιουργία στοιβάδας αποτελεί τον κυρίαρχο μηχανισμό ρύπανσης και στις δύο κατηγορίες πειραμάτων (υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης), υπολογίστηκε ο συντελεστής ρύπανσης για κάθε διεργασία και έγινε αξιολόγηση των συντελεστών με στόχο την ανάδειξη ενδεχόμενων ομοιοτήτων ή διαφορών μεταξύ των δύο διεργασιών. Η μελέτη της ρύπανσης πραγματοποιήθηκε σε δύο διατάξεις εργαστηριακής κλίμακας, των οποίων όμως οι συνθήκες λειτουργίας προσομοιώνουν τη λειτουργία των πραγματικών συστημάτων μεμβρανών. Οι πρότυποι οργανικοί ρυπαντές που επιλέχθηκαν αποτελούν τα κύρια συστατικά της φυσικής οργανικής ύλης (ΝΟΜ) που συναντά κανείς τόσο σε επιφανειακά νερά και σε επεξεργασμένα αστικά απόβλητα, όσο και στο θαλασσινό νερό. Οι ενώσεις αυτές θεωρούνται υπεύθυνες (με βάση τα 23

54 Κεφάλαιο 1 αποτελέσματα αυτοψιών σε μονάδες αφαλάτωσης Βutt,1997) για τη δημιουργία ανεπιθύμητων επικαθήσεων στην επιφάνεια των μεμβρανών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν χουμικά οξέα (humic acids), πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου (sodium alginate) καθώς και μίγματα αυτών σε διάφορες αναλογίες μαζών. Μετρήσεις έγιναν επίσης με τη χρησιμοποίηση ενός ανόργανου ρυπαντή, του κολλοειδούς σιδήρου για τη μελέτη της κολλοειδούς ρύπανσης που δημιουργείται. Τέλος, σημειώνεται ότι, εκτός των μετρήσεων με πρότυπους ρυπαντές μελετήθηκε επίσης η ρύπανση των μεμβρανών υπερδιήθησης με δείγματα θαλασσινού νερού και νερού από υπόγειο υδροφορέα. Συμπερασματικά, στην παρούσα μελέτη επιδιώχθηκε να εντοπιστούν και να αναδειχθούν οι παράμετροι που καθορίζουν το μέγεθος της ρύπανσης στις διεργασίες αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης, ώστε να καταστεί εφικτή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων υπερδιήθησης. 24

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 ΣΤΟΙΒΑΔΑ ΕΠΙΚΑΘΗΣΕΩΝ Κατά την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού με μεμβράνες, αναπόφευκτα σημειώνεται η ρύπανση τους παρά τις συστηματικές προσπάθειες που λαμβάνουν χώρα για την αποφυγή της. Η ρύπανση των μεμβρανών συνίσταται στην δημιουργία στοιβάδας επικαθήσεων στην επιφάνεια τους, η οποία οδηγεί στην ποιοτική και ποσοτική υποβάθμιση του διηθήματος που παράγεται. Η δημιουργία ωστόσο στοιβάδων επικαθήσεων είχε απασχολήσει και σε διαφορετικές διεργασίες διαχωρισμού διαλελυμένων συστατικών. Για τον λόγο αυτό, στη συνέχεια της εργασίας γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των συμπερασμάτων που έχουν προκύψει από τη μελέτη της συμπεριφοράς της στοιβάδας των επικαθήσεων στην βιβλιογραφία. Σημειώνεται πως τα δύο σημαντικότερα μεγέθη που χρησιμοποιούνται για να αξιολογηθεί η συμπεριφορά της στοιβάδας των επικαθήσεων κατά τη διήθηση είναι η περατότητα (permeability) και η συμπιεστότητα (compressibility) της. Η περατότητα μιας στοιβάδας καθορίζεται από το κλάσμα όγκου των στερεών σωματιδίων προς το συνολικό όγκο της δημιουργούμενης στιβάδας, φ όπως επίσης και από την ενεργό πίεση, ενώ η συμπιεστότητα είναι αποτέλεσμα της αύξησης του κλάσματος όγκου των στερεών σωματιδίων που απαρτίζουν το στρώμα των επικαθήσεων κατά την αύξηση της ενεργού πίεσης. 25

56 Κεφάλαιο Περατότητα της στοιβάδας Η περατότητα μιας στοιβάδας, k p υπολογίζεται από τον νόμο του Darcy ως το πηλίκο της ανηγμένης ροής του υγρού, J προς τη μεταβολή της πίεσης, dp L / dx. J k dp µ dx p L = (2.1) όπου μ το δυναμικό ιξώδες του υγρού. Με την εισαγωγή των συντεταγμένων Langrange (ω) έναντι αυτών του Euler, όπως φαίνεται το Σχήμα 2 1 και χρησιμοποιώντας την έννοια της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας α, (specific cake resistance) έναντι της περατότητας, τότε ο νόμος του Darcy μετασχηματίζεται ως εξής: όπου 1 dp J = L (2.2) µ a dω dω = φ ρs dx (2.3) q q Αιώρηµα Στοιβάδα dx L dω ω c x ω Σχήμα 2 1: Διάγραμμα της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας σε Eulerian χωρικές (x) και Langrangian (ω) συντεταγμένες. 26

57 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Γενικά, σε διεργασίες διαχωρισμού υγρών/στερεών, η ειδική αντίσταση της στοιβάδας αποτελεί μέτρο της δυσκολίας που συναντά το ρευστό, κατά την κίνηση του μέσα από την στοιβάδα (Endo & Alonso, 2001). Με συνδυασμό των παραπάνω εξισώσεων, προκύπτει ο συσχετισμός ανάμεσα στην περατότητα και την τοπική ειδική αντίσταση μιας στοιβάδας k p = 1 φ ρ α (2.4) s όπου φ το κλάσμα όγκου των στερεών στη στοιβάδα (solidosity) και ρ ς, η πυκνότητα τους. Μια θεωρητική σχέση προσδιορισμού της τοπικής ειδικής αντίστασης, για σφαιρικά, όμοιου μεγέθους, χωρίς φορτίο σωματίδια έχει προταθεί από τον Happel (1958), με την παραδοχή της απουσίας αλληλεπιδράσεων. Θεωρώντας μικρούς αριθμούς Reynolds (Re<0.2), ισχυρίστηκε πως η ροή του υγρού υπολογίζεται από την εξίσωση J 2 d dp = L 18 ϕ µ dx (2.5) όπου D η διάμετρος των σωματιδίων. Με αντικατάσταση των Εξ. (2.2) και (2.3) στην Εξ.(2.5) προκύπτει ότι 18 α =, µε φ 0 ρ 2 d s (2.6) Ωστόσο, οι τιμές του φ που απαντώνται στην πράξη σε διεργασίες διήθησης, βρίσκονται στην περιοχή του , ενώ και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων δεν μπορούν να θεωρηθούν ασήμαντες. Έτσι, οι πραγματικές τιμές των τοπικών ειδικών αντιστάσεων είναι σημαντικά μεγαλύτερες από αυτές που υπολογίζονται από την Εξ. (2.6). Για τον λόγο αυτόν, χρησιμοποιήθηκε ο αδιάστατος συντελεστής αλληλεπίδρασης, r (φ). Οπότε η Εξ. (2.6) γίνεται 18 α = r ρ D ( ϕ ) 2 s (2.7) Οι Buscall και White (1987) προσδιόρισαν τις τιμές του συντελεστή αλληλεπίδρασης χρησιμοποιώντας τις παρακάτω οριακές συνθήκες: ( ϕ) r 1 για φ 0, dr ( ϕ) / dϕ > 0 και r( ϕ ) για φ 1. Επομένως, προκύπτει πως για τον υπολογισμό της τοπικής ειδικής αντίστασης κρίνεται απαραίτητη η συσχέτιση του συντελεστή αλληλεπίδρασης με την τιμή του κλάσματος όγκου των στερεών στη στοιβάδα επικαθήσεων. Έως σήμερα έχουν αναπτυχθεί, αρκετές ημιθεωρητικές 27

58 Κεφάλαιο 2 εξισώσεις συσχετισμού ανάμεσα στα δύο μεγέθη. Ωστόσο, οι δύο περισσότερο διαδεδομένες προσομοιώσεις είναι α) η θεωρητική προσομοίωση των Carman Kozeny καθώς και β) το μοντέλο του σφαιρικού κελιού του Happel. Οι Carman & Kozeny (1938) για να προσομοιώσουν τη διήθηση μέσω κλίνης άμμου (sand bed), υπέθεσαν πως η κλίνη αποτελείται από μια δέσμη παράλληλων, κυλινδρικών, τριχοειδών καναλιών, στα οποία μπορεί να εφαρμοστεί η εξίσωση των Hagen Poiseuille. Οπότε, ο παράγοντας αλληλεπίδρασης υπολογίζεται από την εξίσωση ( ϕ ) ϕ r = 2 K 1 ( ϕ ) 3 (2.8) όπου K, η σταθερά του Kozeny, η οποία από μετρήσεις βρέθηκε ότι είναι 5.0 ± 10% για σφαιρικά σωματίδια με υδροδυναμική διάμετρο >5 μm. Ωστόσο, το μοντέλο των Carman & Kozeny δεν μπορεί να εφαρμοσθεί σε συμπιεστές στοιβάδες αποτελούμενες από συσσωματωμένα σωματίδια. Επιπρόσθετα, στην πράξη ο παράγοντας αλληλεπίδρασης τείνει στο μηδέν και όχι στο ένα, για φ 0. Οι Happel και Brenner (1965) ανέπτυξαν μία διαφορετική θεωρητική προσομοίωση για τον συντελεστή αλληλεπίδρασης, κάνοντας την παραδοχή του σφαιρικού κελιού, στο οποίο και εφάρμοσαν την εξίσωση των Navier Stokes. Σύμφωνα με την προσομοίωσή τους, ο συντελεστής αλληλεπίδρασης υπολογίζεται από την εξίσωση r ( ϕ ) 5/ ϕ = (2.9) 1/3 5/ ϕ + 9 ϕ 6 ϕ Η εξίσωση αυτή φαίνεται να ικανοποιεί τις οριακές συνθήκες : ( ϕ) r 1 για φ 0, dr ( ϕ) / dϕ > 0 και r( ϕ ) για φ 1. Επιπλέον, παρατηρείται πως η προσομοίωση των Happel Brenner εμφανίζει συμφωνία με αυτή των Carman & Kozeny για 0.3<φ<0.6, γεγονός που υποδηλώνει πως και το μοντέλο των Happel Brenner υποεκτιμά την αύξηση της ειδικής αντίστασης σε συμπιεστές στοιβάδες. Έτσι, για να ξεπεραστεί το εμπόδιο αυτό, αναπτύχθηκαν καταστατικές και ημιθεωρητικές εξισώσεις. Μία από τις εξισώσεις αυτές είναι η εξής: α α ϕ m = 0 (2.10) όπου η σταθερά, m, έχει εκτιμηθεί ότι είναι 5 ± 2. Άλλες καταστατικές εξισώσεις που επίσης χρησιμοποιούνται είναι: και 0 1 ( ) m α = α ϕ (2.11) 28

59 Βιβλιογραφική ανασκόπηση α 10 0 α = 1 ϕ mϕ (2.12) Γίνεται επομένως αντιληπτό, πως η αντίσταση της στοιβάδας αυξάνει με την αύξηση του κλάσματος όγκου των στερεών, αναδεικνύοντας ταυτόχρονα, τη σπουδαιότητα που εμφανίζει το μέγεθος της συμπιεστότητας της στοιβάδας, στην προσπάθεια προσομοίωσης της διήθησης Ειδική αντίσταση και συμπιεστότητα στοιβάδας Οι προσπάθειες για την κατανόηση του μηχανισμού συμπίεσης των στοιβάδων που αναπτύσσονται στις επιφάνειες των μέσων διήθησης, ξεκίνησαν με τη δημιουργία μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή της μηχανικής αποστράγγισης (mechanical deliquoring) του νερού σε μονάδες επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Πρώτοι οι Ruth et al. (1946) παρουσίασαν ένα αναλυτικό μοντέλο διήθησης με την παραδοχή της σταθερής ανηγμένης ροής. Από τότε, ακολούθησαν αρκετές μελέτες με την ανάπτυξη σημαντικού αριθμού αναλυτικών αλλά και αριθμητικών μοντέλων, για την περιγραφή του φαινομένου. Η χρησιμοποίηση όμως των συμβατικών μοντέλων διήθησης, απαιτεί την γνώση αφενός της περατότητας και αφετέρου της συμπιεστότητας, που χαρακτηρίζουν την δημιουργούμενη στοιβάδα επικαθήσεων. Ωστόσο, οι θεωρητικές μαθηματικές εξισώσεις που συσχετίζουν την περατότητα της στοιβάδας με τις φυσικοχημικές ιδιότητες των σωματιδίων από τα οποία αποτελείται, είναι περιορισμένες και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μίγματα σωματιδίων. Το γεγονός αυτό οδήγησε στην εκτέλεση πειραμάτων με στόχο τον απευθείας προσδιορισμό της περατότητας των στοιβάδων. Τέτοιες μετρήσεις έχουν πραγματοποιηθεί σε ειδικά κατασκευασμένα κελιά συμπίεσης περατότητας (compression permeation cells), μέσα στο οποία συμπιέζονται στοιβάδες επικαθήσεων έως ότου αποκτήσουν την απαραίτητη ομοιογένεια. Ακολούθως, διηθείται ορισμένη ποσότητα υγρού, σε χαμηλή πίεση, μέσα από τη στοιβάδα. Η συμπιεστότητα κάθε στοιβάδας υπολογίζεται με βάση τις τιμές της εφαρμοζόμενης πίεσης και της αντίστοιχης περατότητάς της. Ωστόσο, αυτού του είδους οι μετρήσεις ήταν χρονοβόρες και απαιτούσαν σχετικά μεγάλο αριθμό πειραμάτων. Για τον λόγο αυτό, αναπτύχθηκαν εναλλακτικές μέθοδοι προσδιορισμού της συμπιεστότητας. Σήμερα, η πιο γνωστή μέθοδος είναι η κατά μέτωπο διήθηση υπό σταθερή πίεση, σύμφωνα με την οποία, η μέση τιμή της ειδικής αντίστασης μιας στοιβάδας υπολογίζεται από τις 29

60 Κεφάλαιο 2 καταγεγραμμένες τιμές του όγκου του παραγόμενου διηθήματος. Η μέση ειδική αντίσταση ορίζεται από τη σχέση: α av 2 1 p2 1 a( p s ) dps p 1 p p (2.13) όπου p 1 είναι η ενεργός πίεση στην κορυφή της στοιβάδας και p 2 η πίεση στο σημείο επαφής της με την μεμβράνη και p s η ενεργός πίεση που ασκείται στα στερεά στη στοιβάδα. Για να γίνει επομένως εφικτός ο υπολογισμός της τοπικής ειδικής αντίστασης, απαιτείται η ύπαρξη μιας καταστατικής εξίσωσης συναρτήσει της ασκούμενης πίεσης. Ο προσδιορισμός της ειδικής αντίστασης ενός στρώματος επικαθήσεων και ο συσχετισμός του με τις πειραματικές συνθήκες που επικρατούν (π.χ. πίεση λειτουργίας) αλλά και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των σωματιδίων, αποτέλεσε για χρόνια πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Έτσι, ο Grace (1953) μελετώντας την επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων από τα οποία αποτελείται η στοιβάδα, κατέληξε στο συμπέρασμα, πως για σταθερή πίεση, η ειδική αντίσταση των επικαθήσεων αυξάνει με την μείωση του μεγέθους τους. Επίσης, ο Foley (2006) και οι Ye et al. (2001) υποστήριξαν πως κατά την συμπίεση της στοιβάδας, η ειδική της αντίσταση αυξάνει με την αύξηση της ενεργού πίεσης. Συγκεκριμένα, υποστήριξαν πως για την περιγραφή της μεταβολής της ειδικής αντίστασης η πιο γνωστή και ευρέως αποδεκτή εξίσωση είναι η εμπειρική έκφραση εκθετικής μορφής: α = α p (2.14) n 0 s όπου α ο είναι μια σταθερά και n είναι ο συντελεστήs συμπιεστότητας της στοιβάδας. Στην περίπτωση που ο συντελεστής είναι μηδέν η στοιβάδα θεωρείται ασυμπίεστη, ενώ όσο αυξάνει η τιμή του εκθέτη, τόσο περισσότερη συμπιεστή είναι. Σύμφωνα με τους Sorensen et al. (1996) υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες στερεών σωματιδίων σε αιωρήματα ανάλογα με την τιμή της συμπιεστότητας που εμφανίζουν κατά την συμπίεση τους: α) Τα στερεά χαμηλής και μέσης συμπιεστότητας, για n < 1 β) Τα στερεά υψηλής συμπιεστότητας, για n > 1 γ) Και τα στερεά εξαιρετικά υψηλής συμπιεστότητας, για n >> 1 Αντίστοιχα συμπεράσματα, αναφορικά με τη συμπεριφορά της ειδικής αντίστασης, αναφέρονται από τους Sorensen & Sorensen (1997). Οι συγγραφείς χρησιμοποιώντας 30

61 Βιβλιογραφική ανασκόπηση ενεργό ιλύ διεξήγαγαν πειράματα κατά μέτωπο ροής, και παρατήρησαν πως η ειδική αντίσταση της δημιουργούμενης στοιβάδας εξαρτάται από την πίεση που ασκείται, ενώ η συμπιεστότητά της εκτιμήθηκε στην τιμή 1. Αντίθετα, οι Nakanishi et al. (1987) χρησιμοποιώντας μικροβιακά αιωρήματα εισήγαγαν μία εναλλακτική σχέση συσχετισμού της ειδικής αντίστασης από την ενεργό πίεση m ps α = α0 1+ pa όπου p α και m είναι εμπειρικοί παράμετροι. (2.15) Επιπλέον, οι Baker et al. (1985) και οι Reismeier et al. (1989) χρησιμοποιώντας κεραμικές μεμβράνες και αιωρήματα σωματιδίων TiO 2 2H 2 O παρατήρησαν πως για χαμηλές τιμές πίεσης, η αύξησή της οδηγεί σε μείωση της ειδικής αντίστασης, ενώ σε υψηλές τιμές η αύξησή της συνεπάγεται και μεγαλύτερη ειδική αντίσταση της στοιβάδας. Τέλος, οι Tanaka et al. (1997) διεξάγοντας μετρήσεις με έξι διαφορετικά είδη ζυμομύκητων (yeast) και για περιοχή πιέσεων kpa, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ειδική αντίσταση περιγράφεται από μια γραμμική εξίσωση της μορφής: α = α0 + β P (2.16) Ομοίως, οι McCarthy et al. (1998, 2002) στηριζόμενοι σε έναν σημαντικό αριθμό πειραματικών τιμών της ειδικής αντίστασης για πιέσεις στην περιοχή kpa, υποστήριξαν πως η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται με την εφαρμοζόμενη πίεση σύμφωνα με την εξίσωση. α = α (1 + n P) (2.17) όπου ο συντελεστής k c 0 αποτελεί μέτρο της συμπιεστότητας των στοιβάδων επικαθήσεων. Στον Πίνακα 2 1 παρουσιάζονται οι τιμές της ειδικής αντίστασης και της συμπιεστότητας για διάφορα αιωρήματα. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια πραγματοποιώντας μετρήσεις εφαπτομενικής ροής έγιναν προσπάθειες για τον συσχετισμό της συμπιεστότητας της στοιβάδας με τις διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται σε πειράματα εφαπτομενικής ροής (Channell & Zukoski, 1997). Παρά τον σημαντικά μικρότερο χρόνο που απαιτείται για τις μετρήσεις αποφεύγονται να χρησιμοποιούνται στον προσδιορισμό της συμπιεστότητας των στοιβάδων, λόγω του μεγάλου βαθμού δυσκολίας στον προσδιορισμό της τάσης διαρροής του υλικού της στοιβάδας. 31

62 Κεφάλαιο 2 Πίνακας 2 1: Τιμές της ειδικής αντίστασης και του δείκτη συμπιεστότητας στοιβάδων σπό διάφορα διαλύματα (Ye et al., 2005). Διαλυμένη ουσία Ειδική αντίσταση (m/kg) Δείκτης Συμπιεστότητα Σωματίδια Μπεντονίτης 3 x Λάτεξ 0.17 Νεκρά κύτταρα ζύμης 0.53~1.33x Βακτήρια E. coli ~ Ενεργός ιλύς 7.14x Ενεργός ιλύς 3.64 x επεξεργασμένη με ενεργό άνθρακα Επεξεργασμένα απόβλητα x Αστικά λύματα 2.5 x10 15 επεξεργασμένα με EDTA Αστικά λύματα 3.5 x10 15 Μακρομόρια Εξωκυτταρικές πολυμερικές ενώσεις Εξωκυτταρικές πολυμερικές ενώσεις 1 x b lactoglobulin 3 x BSA x Αξίζει επίσης να σημειωθεί πως η ειδική αντίσταση της στοιβάδας επικαθήσεων αποτελεί μέγεθος που εύκολα υπολογίζεται με την κατά μέτωπο διήθηση, ενώ αντίθετα κατά την εφαπτομενική διήθηση υπεισέρχονται επιπλέον παράγοντες όπως η μερική εναπόθεση των σωματιδίων, η ανάπτυξη διατμητικών τάσεων και η συμπιεστότητα της στοιβάδας που καθιστούν τον προσδιορισμό της εξαιρετικά περίπλοκο. Μάλιστα, οι Lu & Ju (1989) υποστήριξαν πως υπάρχουν σημαντικές διαφορές και στη δομή των στοιβάδων που δημιουργούνται κάτω από διαφορετικές συνθήκες ροής. Ενώ οι Ζhou et al.(2001) πραγματοποιώντας εργαστηριακές μετρήσεις υπολόγισαν πως η τάση διαρροής σε διάτμηση (shear yield stress) είναι δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την τάση μετάπτωσης λόγω συμπίεσης (compressive yield stress). Τέλος, οι πειραματικές μετρήσεις των Channell & Zukoski (1997) με χρήση αιωρήματος οξειδίου του αργιλίου αποκάλυψαν την ίδια εκθετική σχέση εξάρτησης της ειδικής αντίστασης από το κλάσμα όγκου των στερεών σωματιδίων και για τους δύο τρόπους ροής (δηλαδή 32

63 Βιβλιογραφική ανασκόπηση την κατά μέτωπο και την εφαπτομενική). Ενώ και οι Zhou et al. (2001) παρατήρησαν όμοια συμπεριφορά των τάσεων διαρροής ανόργανων σωματιδίων στη θλίψη και στη διάτμηση με τη μεταβολή του ph. Έτσι τα όρια διαρροής εμφάνιζαν μέγιστο στο ισοηλεκτρικό τους σημείο, ενώ πέραν αυτού μειώνονταν με παραβολικό τρόπο. Οι απόλυτες τιμές όμως των τάσεων θλίψης και διάτμησης ήταν διαφορετικές για τους δύο τρόπους λειτουργίας. Σήμερα, η κατά μέτωπο διήθηση υπό σταθερή πίεση, αποτελεί την πιο διαδεδομένη μέθοδο υπολογισμού της περατότητας και συμπιεστότητας των στοιβάδων που δημιουργούνται. Πρόσφατα, οι Chong et al. (2008) αγνοώντας εντελώς την επίδραση της πίεσης, πρότειναν για τον υπολογισμό της ειδικής αντίστασης τον ακόλουθο συσχετισμό για πειράματα κατά μέτωπο ροής με διαλύματα κολλοειδούς πυριτίου: ( ) a = C (2.18) NaCl Στην παραπάνω εξίσωση λαμβάνεται υπόψη μόνο η συγκέντρωση του ΝaCl ως παράμετρος για τη μεταβολή της αντίστασης και για πειράματα στην περιοχή 0 10,000 mg/l NaCl. Οι συγγραφείς προτείνουν την χρησιμοποίηση της εξίσωσης και σε διεργασίες αντίστροφης ώσμωσης, χωρίς όμως να λαμβάνουν υπόψη τους τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και τους διαφορετικούς μηχανισμούς ρύπανσης που επικρατούν σε κάθε διεργασία ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Τα τελευταία χρόνια ένα σημαντικό κομμάτι της έρευνας των μεμβρανών, έχει στραφεί στην κατανόηση, τον έλεγχο αλλά και την πρόβλεψη της οργανικής και της κολλοειδούς ρύπανσης των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης λόγω των σημαντικών τους εφαρμογών, όπως η χρησιμοποίηση τους στην αφαλάτωση (desalination) υφάλμυρου και θαλασσινού νερού και στην επεξεργασία απορρεύματος μονάδων επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Η προσπάθεια κατανόησης των περίπλοκων φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στις δύο διεργασίες, ξεκινά με την ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας αναφορικά με τις ερευνητικές προσπάθειες που έχουν γίνει μέχρι σήμερα. Σε μια εργασία βιβλιογραφικής ανασκόπησης οι Yiantsios & Karabelas (2002) παρουσιάζουν και αξιολογούν τις σημαντικότερες θεωρητικές προσομοιώσεις της 33

64 Κεφάλαιο 2 κολλοειδούς ρύπανσης. Επίσης, σε πιο πρόσφατη μελέτη (Yiantsios et al., 2005) υποστηρίζεται πως οι σημαντικότεροι παράγοντες που καθορίζουν τη λειτουργία των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης είναι η ρευστομηχανικές συνθήκες κοντά στη μεμβράνη καθώς και οι φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ρυπαντών αλλά και μεταξύ των ρυπαντών και της μεμβράνης. Η παρουσία διατμητικών τάσεων σε συνδυασμό με την ανηγμένη ροή του διηθήματος καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την επίδραση της πόλωσης συγκέντρωσης στην λειτουργία της μεμβράνης. Από την άλλη, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ρυπαντών και της μεμβράνης φαίνεται να καθορίζουν το ποσοστό των ρυπαντών, που τελικά επικάθεται στην επιφάνεια της μεμβράνης, ενώ αυτές μεταξύ των σωματιδίων, είναι υπεύθυνες για τη συνοχή της στοιβάδας και για το φαινόμενο της αντιδιάχυσης που λαμβάνει χώρα από την επιφάνεια της μεμβράνης προς την τροφοδοσία. Στην βιβλιογραφία υπάρχουν επίσης παραδείγματα μονάδων με μειωμένα προβλήματα ρύπανσης λόγω της χρησιμοποίησης ηλεκτρικά φορτισμένων μεμβρανών ή σωματιδίων. Γίνεται επομένως αντιληπτό ότι, αφενός η αλληλεπίδραση πολλαπλών παραμέτρων και αφετέρου τα διαφορετικά τοπικά χαρακτηριστικά της ροής που παρατηρούνται στο εσωτερικό των στοιχείων μεμβράνης, δυσχεραίνουν την προσπάθεια διευκρίνισης και αντιμετώπισης της ρύπανσης. Ωστόσο, για ορισμένες επιμέρους πτυχές του προβλήματος, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος. Έτσι, μείζονος σημασίας θεωρείται το εύρημα των Hoek & Elimelech, (2003) ότι το στρώμα των επικαθήσεων αυξάνει την ωσμωτική πίεση του συστήματος (cake enhanced osmostic pressure), ο συσχετισμός της οργανικής ρύπανσης με το μέγεθος των ενδομοριακών δυνάμεων προσκόλλησης (Lee & Elimelech, 2006) καθώς και η παρατήρηση των Chong et al.(2008) για την ύπαρξη μιας κρίσιμης τιμής ανηγμένης ροής κάτω από την οποία δεν παρατηρούνται φαινόμενα ρύπανσης των μεμβρανών. Η βιβλιογραφία της οργανικής ρύπανσης των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης, αφορά κατά κύριο λόγο πειραματικές μετρήσεις, εργαστηριακής κλίμακας με πρότυπους οργανικούς ρυπαντές (όπως τα χουμικά οξέα, οι πολυσακχαρίτες και οι πρωτεΐνες) και λιγότερο με πραγματικά υδατικά δείγματα. Οι χουμικές ενώσεις (χουμικά και φουλβικά οξέα) αποτελούν κύριο συστατικό της φυσικής οργανικής ύλης (Natural Organic Matter) και χρησιμοποιούνται για να προσομοιώσουν την συμπεριφορά των υδρόφιλων συστατικών της. Από την άλλη, οι πρωτεΐνες και οι πολυσακχαρίτες μαζί με τα νουκλεïκά οξέα ανήκουν στις μακρομοριακές ενώσεις της 34

65 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Φυσικής Οργανικής Ύλης και είναι γνωστές ως Εξωκυτταρικές Πολυμερικές Ενώσεις (Extracellular Polymeric Substances). Από την κατηγορία των πολυσακχαριτών, οι ενώσεις που χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε μελέτες είναι οι δεξτράνες (dextranes) και ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου (sodium alginate). Σε γενικές γραμμές, οι ερευνητικές προσπάθειες εστιάζονται στη μελέτη της επίδρασης α) της χημικής σύστασης του νερού τροφοδοσίας δηλαδή παραγόντων όπως το ph, η ιοντική ισχύς, η παρουσία Ca +2, β) των υδροδυναμικών συνθηκών που επικρατούν στην μεμβράνη όπως η πίεση λειτουργίας, η ταχύτητα εφαπτομενικής ροής, η αρχική ανηγμένη ροή, γ) των χαρακτηριστικών της μεμβράνης όπως το μέγεθος πόρων και το φορτίο της και δ) των χαρακτηριστικών του ρυπαντή όπως η υδροφιλικότητα και η κατανομή μοριακών του βαρών Επίδραση της σύστασης του νερού τροφοδοσίας Οι κυριότερες παράμετροι της κατηγορίας αυτής είναι το ph, η ιοντική ισχύς και η παρουσία δισθενών ιόντων. Γενικά, στην βιβλιογραφία προτείνεται πως οι παραπάνω παράμετροι καθορίζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ρυπαντή ρυπαντή και μεμβράνηςρυπαντή επηρεάζοντας έτσι την ομαλή λειτουργία των μεμβρανών. Συγκεκριμένα, έχει παρατηρηθεί πως η μείωση του ph, η αύξηση της ιονικής ισχύος και η παρουσία δισθενών ιόντων (κυρίως Ca +2 ) οδηγούν σε συνθήκες έντονης ρύπανσης (Jones & O Melia, 2001, 2002; Yuan & Zydney 1999a, 1999b). Η αύξηση της ρύπανσης με τη μείωση του ph, αποδίδεται στην ελάττωση του φορτίου του ρυπαντή και της μεμβράνης. Όσο χαμηλότερη η τιμή του ph στο ρεύμα τροφοδοσίας, τόσο λιγότερο (αρνητικά) φορτισμένη γίνεται η μεμβράνη, ενώ σε πολύ χαμηλές τιμές ph (περίπου ph=3) η μεμβράνη εμφανίζεται ηλεκτρικά ουδέτερη (ισοηλεκτρικό σημείο μεμβράνης). Επιπλέον, παρατηρείται πως σε συνθήκες χαμηλού ph, ολοένα και περισσότερες καρβοξυλικές ομάδες που περιέχονται στον ρυπαντή πρωτονιώνονται, με αποτέλεσμα τη μείωση του αρνητικού φορτίου του ρυπαντή. Τα παραπάνω φαινόμενα έχουν ως αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση των ηλεκτροστατικών απώσεων τόσο ανάμεσα στη μεμβράνη και τους ρυπαντές όσο και μεταξύ των ίδιων των ρυπαντών. Επιπλέον, οι χαμηλές τιμές του ph συνεπάγονται μειωμένες ηλεκτροσταστικές απώσεις μεταξύ των λειτουργικών ομάδων των μορίων της οργανικής ύλης, οδηγώντας σε σπειροειδείς διαμορφώσεις μορίων, με αποτέλεσμα οι στοιβάδες που δημιουργούνται στις επιφάνειες των μεμβρανών να είναι σημαντικά συνεκτικές. 35

66 Κεφάλαιο 2 Στο ίδιο αποτέλεσμα, δηλαδή σε λιγότερο (αρνητικά) φορτισμένες μεμβράνες αλλά και ρυπαντές (και συνεπώς μειωμένες ηλεκτροστατικές απώσεις) καταλήγει επίσης και η αύξηση της ιοντικής ισχύος του συστήματος. Αιτία όμως, στην περίπτωση αυτή, αποτελεί η συμπίεση της διπλοστοιβάδας που περιβάλει τα οργανικά μόρια λόγω της έντονης παρουσίας κατιόντων. Συμπεραίνεται λοιπόν, πως η υψηλή ιοντική ισχύς ευνοεί την συσσωμάτωση της φυσικής οργανικής ύλης, προκαλώντας έτσι έντονα προβλήματα ρύπανσης. Επιπρόσθετα, προκύπτει πως ο κυρίαρχος μηχανισμός ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης είναι η δημιουργία στοιβάδας επικαθήσεων στην επιφάνεια τους, ενώ φαινόμενα προσρόφησης στο εσωτερικό των πόρων λαμβάνουν χώρα μόνο σε μικρό ποσοστό των μεμβρανών νανοδιήθησης. Αναφορικά με την επίδραση των δισθενών ιόντων Ca +2, από την πρόσφατη βιβλιογραφία (Katsoufidou et al., 2005, 2007, 2008) προκύπτει, πως ο μηχανισμός δράσης τους περιλαμβάνει τη δημιουργία ισχυρών ετεροπολικών δεσμών του ασβεστίου με τις καρβοξυλικές ομάδες που υπάρχουν στα μόρια της φυσικής οργανικής ύλης, με αποτέλεσμα τη δημιουργία σταθερών συμπλόκων, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της ποσότητας αλλά και της συνεκτικότητας των στοιβάδων που δημιουργούνται στην επιφάνεια των μεμβρανών. Γενικά ισχύει ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του Ca +2 στο ρεύμα τροφοδοσίας οδηγεί σε αύξηση της ρύπανσης, ωστόσο σύμφωνα με τους Katsoufidou et al. (2005) υπάρχει μια κρίσιμη τιμή συγκέντρωσης πέρα από την οποία η δράση του αντιστρέφεται. Θα πρέπει ωστόσο να σημειωθεί, πως ο μηχανισμός συσσωμάτωσης των χουμικών και του αλγινικού νατρίου παρουσία ασβεστίου, είναι διαφορετικός για τον κάθε ρυπαντή. Έτσι, στην περίπτωση των χουμικών οξέων, η παρουσία ιόντων ασβεστίου φαίνεται ότι προάγει τη δημιουργία ενδο και δια μοριακών δεσμών (Yiantsios & karabelas, 2001; Seidel & Elimelech, 2002; Kim &Jang, 2006), ενώ στην περίπτωση του πολυσακχαρίτη οδηγεί στη δημιουργία ιδιαίτερα συμπαγών συμπλόκων με αποτέλεσμα τη δημιουργία συνεκτικών πηκτωμάτων στην επιφάνεια της μεμβράνης (Jucker & Clark, 1994; Ang et al., 2006). Η διάρρηξη των δεσμών μεταξύ του ασβεστίου και του πολυσακχαρίτη με την εισαγωγή διαλύματος αλάτων αποτελεί σύμφωνα με τους Lee & Elimelech (2007) έναν αποτελεσματικό τρόπο καθαρισμού των μεμβρανών. Σύμφωνα ωστόσο με τους Hong και Elimelech (1997), υπάρχει μία κρίσιμη τιμή συγκέντρωσης ιόντων ασβεστίου πάνω από την οποία δεν παρατηρούνται αξιοσημείωτες μεταβολές στην τιμή της ανηγμένης ροής. 36

67 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Εκτός των ιόντων ασβεστίου, στην βιβλιογραφία μελετήθηκε επίσης η επίδραση στην ρύπανση των δισθενών ιόντων Μg +2. Με την χρησιμοποίηση χουμικών οξέων (Li & Elimelech, 2004), αλλά και του πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου (Lee et al., 2006) παρατηρήθηκε ότι η παρουσία Μg +2 δεν επηρεάζει σημαντικά την ρύπανση των μεμβρανών λόγω του ότι οι ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται είναι εξαιρετικά ασθενείς. Τέλος, σύμφωνα με τους Kilduff et al. (2004), η αύξηση της συγκέντρωσης του ρυπαντή οδηγεί σε μεγαλύτερη τάση ρύπανσης μιας μεμβράνης, που είναι γενικά αναμενόμενο. Ωστόσο, οι Lee & Elimelech (2006) αποδίδουν την πτώση της ανηγμένης ροής στην επίδραση της συγκέντρωσης του ρυπαντή, μόνο κατά τους αρχικούς χρόνους των πειραματικών μετρήσεων (<5 h), υποστηρίζοντας πως σε αυτό το χρονικό διάστημα, η ρύπανση της μεμβράνης καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ρυπαντή και μεμβράνης. Ενώ, κατά την άποψη των συγγραφέων, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του ρυπαντή που έχει συσσωρευτεί στην επιφάνεια της μεμβράνης και της κύριας μάζας στο διάλυμα τροφοδοσίας, καθορίζονται από την συγκέντρωση των ιόντων ασβεστίου στο διάλυμα Επίδραση των υδροδυναμικών συνθηκών Ο επικρατέστερος τρόπος λειτουργίας των περισσότερων στοιχείων νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης είναι αυτός της εφαπτομενικής ροής (cross flow mode). Κατά τον τρόπο αυτόν, το ρεύμα τροφοδοσίας κινείται παράλληλα προς την επιφάνεια της μεμβράνης με αποτέλεσμα η τάση επικάθησης των σωματιδίων στη μεμβράνη, να είναι μειωμένη. Η τιμή συνεπώς της εφαπτομενικής ταχύτητας αποτελεί, μείζονος σημασίας, παράμετρο λειτουργίας της διεργασίας. Γενικά, η αύξηση της εφαπτομενικής ταχύτητας προκαλεί μεγαλύτερες διατμητικές τάσεις με αποτέλεσμα την μείωση, αφενός της μάζας του ρυπαντή που επικάθεται στη μεμβράνη και αφετέρου της πόλωσης συγκέντρωσης που αναπτύσσεται στην επιφάνειά της. Επιπλέον, οι Seidel & Elimelech (2002) μελέτησαν την επίδραση των ιόντων ασβεστίου και της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος σε συνδυασμό με την εφαπτομενική ταχύτητα σε συστήματα νανοδιήθησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν, ότι η αύξηση του Ca +2 περιορίζει την ευεργετική δράση της εφαπτομενικής ταχύτητας. Σε παρόμοια συμπεράσματα κατέληξαν και για την συνδυασμένη επίδραση της εφαπτομενικής ταχύτητας και της ανηγμένης ροής. Συγκεκριμένα, παρατήρησαν πως όσο μικρότερη είναι η αρχική ανηγμένη ροή, τόσο μικρότερη είναι η μεταβολή που επιφέρει η αύξηση της 37

68 Κεφάλαιο 2 εφαπτομενικής ταχύτητας. Επίσης, οι Lee et al. (2006) χρησιμοποιώντας τον πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου ως πρότυπο ρυπαντή, παρατήρησαν πως για μικρούς χρόνους πειράματος (<5 h), ο ρυθμός ρύπανσης της μεμβράνης δεν επηρεάζεται από την εφαπτομενική ταχύτητα που αναπτύσσεται στο στοιχείο της μεμβράνης, ενώ αντίθετα σε μεγαλύτερους πειραματικούς χρόνους, η επίδραση της ταχύτητας γίνεται σημαντική. Τα στοιχεία των μεμβρανών λειτουργούν σε συνθήκες είτε σταθερής πίεσης (constant pressure mode), είτε σταθερής ανηγμένης ροής (constant flux mode). Κατά τον πρώτο τρόπο λειτουργίας, εφαρμόζεται μια σταθερή τιμή πίεσης στη μεμβράνη, ενώ γίνεται συνεχής καταγραφή της ανηγμένης ροής του διηθήματος. Κατά τον δεύτερο τρόπο, η ροή του διηθήματος διατηρείται σταθερή, με τη συνεχή αύξηση της πίεσης λειτουργίας. Με τον τρόπο αυτόν, σύμφωνα με την βιβλιογραφία, πετυχαίνεται να περιοριστούν αισθητά, τα φαινόμενα ρύπανσης των μεμβρανών (Lee et al., 2008). Ωστόσο, η επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας ενός σημαντικού αριθμού μελετών, εργαστηριακής κυρίως κλίμακας (Garcia Molina et al., 2006a, 2006b). Από αυτές προέκυψε, πως η αύξηση της πίεσης συνεπάγεται ταχύτερη μείωση της ανηγμένης ροής του διηθήματος και αυτό γιατί η υψηλή πίεση οδηγεί σε αυξημένες ποσότητες ρυπαντών στην επιφάνεια της μεμβράνης (δηλαδή μεγάλο πάχος της στοιβάδας επικαθήσεων) αλλά ταυτόχρονα και σε μείωση του πορώδους της στοιβάδας. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στο γεγονός ότι όσο αυξάνεται η πίεση λειτουργίας ενός στοιχείου, τόσο ισχυρότερες γίνονται οι δυνάμεις που εξωθούν τον διαλύτη να διέλθει μέσα από την μεμβράνη (permeation drag), καθώς και οι δυνάμεις θλίψης (compressive forces) που ασκούνται στις επικαθήσεις. Μάλιστα, οι Park et al. (2008) παρατήρησαν πως το μέγεθος των σωματιδίων του ρυπαντή επηρεάζει σημαντικά την δράση της πίεσης λειτουργίας. Συγκεκριμένα, διαπίστωσαν πως όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των ρυπαντών, τόσο εντονότερη πτώση ροής του διηθήματος προκαλεί η εφαρμοζόμενη πίεση. Τέλος, η επίδραση της ανηγμένης ροής στη ρύπανση της μεμβράνης καθορίζεται από την ισχυρή εξάρτηση που αυτή εμφανίζει από την πίεση λειτουργίας. Έτσι, για υψηλές τιμές της αρχικής ανηγμένης ροής (άρα και για υψηλή πίεση λειτουργίας) παρατηρείται μεγάλη πτώση της ροής του διηθήματος και συνεπώς έντονη ρύπανση της μεμβράνης. Η ιδιαίτερη έντονη επίδραση της ανηγμένης ροής στη ρύπανση, οδήγησε στην ανάπτυξη της θεωρίας κρίσιμης ανηγμένης ροής (critical flux), 38

69 Βιβλιογραφική ανασκόπηση βασιζόμενη στην ιδέα ότι για κάθε φυσικοχημικό σύστημα διήθησης με μεμβράνες υπάρχει μία κρίσιμη τιμή πίεσης, κάτω από την οποία δεν παρατηρούνται φαινόμενα ρύπανσης των μεμβρανών (Bacchin et al., 2006; Ye et al., 2006). Η τιμή όμως της κρίσιμης ανηγμένης ροής φαίνεται να εξαρτάται από παραμέτρους όπως η συγκέντρωση Ca +2, η αρχική ανηγμένη ροή καθώς και η εφαπτομενική ταχύτητα (Seidel & Elimelech, 2002). Γίνεται επομένως αντιληπτό πως οι παράγοντες που επηρεάζουν τη ρύπανση μιας μεμβράνης δρουν συνδυαστικά και, κατά συνέπεια, η αποτελεσματική αντιμετώπιση της ρύπανσης θα πρέπει να περιλαμβάνει την βελτιστοποίηση τόσο των υδροδυναμικών όσο και των φυσικοχημικών παραμέτρων που επικρατούν σε ένα σύστημα μεμβρανών Επίδραση των χαρακτηριστικών του ρυπαντή Η συμπεριφορά κάθε κλάσματος από τα οποία αποτελείται η φυσική οργανική ύλη αποτελεί βασικό αντικείμενο έρευνας, στην προσπάθεια κατανόησης της οργανικής ρύπανσης των μεμβρανών. Κατά γενική παραδοχή (Lin et al., 2001;Lee et al., 2004; Cho et al., 2004) το υδρόφιλο κλάσμα της φυσικής οργανικής ύλης τείνει να προσροφάται ευκολότερα στην επιφάνεια της μεμβράνης, εμφανίζοντας έτσι μεγαλύτερη τάση ρύπανσης. Ωστόσο, υπάρχουν και μελέτες (Νilson & DiGiano,1996; Jucker & Clark,1994; Schafer et al.,1998) που υποστηρίζουν το αντίθετο, ότι δηλαδή το υδρόφοβο κλάσμα των οργανικών ρυπαντών είναι αυτό που ευκολότερα προσροφάται προκαλώντας έτσι έντονη ρύπανση των μεμβρανών. Οι Νilson & DiGiano ασχολήθηκαν επίσης με την επίδραση του μεγέθους μοριακού βάρους των οργανικών ενώσεων υποστηρίζοντας πως το υψηλό μοριακό βάρος επιδεινώνει την ρύπανση. Την άποψη αυτή δεν φαίνεται να συμμερίζονται όμως οι Park et al., (2008), οι οποίοι θεωρούν ως υπεύθυνα για τη ρύπανση των μεμβρανών, τα χαμηλού μοριακού βάρους σωματίδια. Μεγάλης επίσης σημασίας παράγοντες για τη ρύπανση των μεμβρανών φαίνεται πως είναι το φορτίο και η πολικότητα των ρυπαντών. Υπάρχουν αρκετές μελέτες (Brant & Clildress, 2004; Van der Bruggen et al., 1998, 2002) σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις ρυπαντών μεμβράνης με χρήση κυρίως της DLVO θεωρίας, σύμφωνα με την οποία οι αλληπιδράσεις είναι αποτέλεσμα των ηλεκτροστατικών και των Van der Waals δυνάμεων. Επιπλέον, σύμφωνα με τους Van der Bruggen et al. (1998), η υψηλή διπολική ροπή είναι πιθανό να οδηγήσει σε μειωμένη συγκράτηση των διαλυμένων συστατικών σε μεμβράνες νανοδιήθησης. 39

70 Κεφάλαιο 2 Από την άλλη, τα αποτελέσματα ερευνών κλασματοποίησης συστατικών(le Clech, 2006; Zhang, 2006) σε απόρρευμα μονάδων δευτεροβάθμιας επεξεργασίας λυμάτων έδειξαν ότι οι εξωκυταρρικές πολυμερικές ενώσεις (extracellular polymeric substances), αποτελούνται κατά κύριο λόγο από πολυσακχαρίτες και πρωτεΐνες. Οι Ang et al. (2007) και Ng et al. (2004) μελετώντας την συμπεριφορά του πολυσακχαρίτη αλγινικού νατρίου και της πρωτεΐνης BSA (Bovine Serum Albumin) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο πολυσακχαρίτης αποτελεί την σημαντικότερη εν δυνάμει αιτία οργανικής ρύπανσης των μεμβρανών. Οι εξωκυτταρικές πολυμερικές ενώσεις εκτός της ιδιαίτερα έντονης ρύπανσης που οι ίδιες προκαλούν, επικολλούνται επίσης στα στρώματα των βιολογικών επικαθήσεων που δημιουργούνται πάνω στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης δημιουργώντας μία, αδιαπέραστη στα βιοκτόνα, ασπίδα προστασίας (Subramani & Hoek, 2008; Vrouwenvelder et al., 2009). Στην βιβλιογραφία επίσης υπάρχουν εργασίες που συγκρίνουν το μέγεθος της ρύπανσης που προκαλούν τα χουμικά οξέα και ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου. Έτσι, οι Lee et al. (2006) πραγματοποιώντας πειραματικές μετρήσεις σε κελί εφαπτομενικής ροής κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο πολυσακχαρίτης προκαλεί μεγαλύτερη και ταχύτερη μείωση της ροής του διηθήματος. Οι συγγραφείς απέδωσαν το γεγονός, στην συμπαγή δομή της στοιβάδας του πολυσακχαρίτη παρουσία ασβεστίου. Δεδομένου ότι οι προαναφερθείσες κατηγορίες οργανικών ενώσεων, απαντώνται τόσο στο θαλασσινό νερό όσο και στα φυσικά νερά και τα απόβλητα, τα τελευταία χρόνια, η έρευνα έχει ασχοληθεί με τη μελέτη της συνδυασμένης τροφοδοσίας των χουμικών και του πολυσακχαρίτη. Αν και ο αριθμός των εργασιών είναι σχετικά μικρός (Lee & Elimelech, 2006; Lee et al., 2006; Ang et al., 2006; Jermann et al., 2007), εντούτοις οι ερευνητές φαίνεται να συμφωνούν πως η συμπεριφορά του μίγματος προσεγγίζει περισσότερο την συμπεριφορά του αλγινικού νατρίου, ακόμη και σε περιπτώσεις χαμηλής περιεκτικότητας σε πολυσακχαρίτη. Όσον αφορά τα σωματίδια του κολλοειδούς σιδήρου (δηλαδή τα οξείδια και τα υδροξείδια του σιδήρου), αυτά αποτελούν μερικούς από τους ρυπαντές που συχνά απαντώνται σε μονάδες αντίστροφης ώσμωσης. Ο κολλοειδής σίδηρος, εκτός της έντονης ρύπανσης που μεμονωμένα προκαλεί, εμφανίζει επίσης την τάση να συνδέεται με εξωκυτταρικές πολυμερικές ενώσεις (EPS) προκαλώντας έτσι εντονότερη ρύπανση των μεμβρανών (Baker & Dudley, 1998). Παρότι όμως οι συνέπειες της κολλοειδούς ρύπανσης στις διεργασίες αφαλάτωσης είναι ιδιαίτερα σημαντικές, υπάρχει μόνον ένας 40

71 Βιβλιογραφική ανασκόπηση μικρός αριθμός μελετών που ασχολείται με τη ρύπανση των κολλοειδών ρυπαντών, που συναντώνται στα επιφανειακά νερά ή στα αστικά λύματα. Στην κατηγορία αυτή, ανήκει η εργασία των Yiantsios & Karabelas (2002), οι οποίοι χρησιμοποιώντας κολλοειδή σωματίδια οξειδίου του σιδήρου σε εργαστηριακή μονάδα αντίστροφης ώσμωσης ανέδειξαν την αδυναμία του καθιερωμένου δείκτη SDI να προβλέπει την τάση ρύπανσης των κολλοειδών σωματιδίων. Με τον ίδιο πρότυπο ρυπαντή, αλλά για υψηλότερες τιμές συγκεντρώσεις, οι Soffer et al. (2004) πρότειναν μία μέθοδο έγκαιρης διάγνωσης της ρύπανσης βασιζόμενη σε μετρήσεις του ζ δυναμικού της μεμβράνης. Η πλειονότητα των εργασιών στη βιβλιογραφία αφορά μελέτες με συνθετικά κολλοειδή σωματίδια (Cohen & Probstein, 1986; Zhu & Elimelech, 1997, Ning, 2007), τα οποία όμως σπανίως απαντώνται στη φύση Επίδραση της μεμβράνης Τα χαρακτηριστικά των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης φαίνεται ότι επηρεάζουν σημαντικά την συμπεριφορά τους ως προς την τάση ρύπανσης τους (Kastelan Kunst et al., 1997; Kosutic & Kunst, 2002). Σε γενικές γραμμές, η υψηλή υδροφιλικότητα μιας μεμβράνης, περιορίζει την τάση ρύπανση της, αν και υπάρχουν ορισμένες μελέτες που δεν ασπάζονται πλήρως την παραπάνω θέση. Για τον λόγο αυτό, γίνονται προσπάθειες αύξησης της υδροφιλικότητας των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης μέσω πολυμερισμού ενοφθαλμισμού (graft polymerization) με την χρησιμοποίηση αρνητικά φορτισμένων μονομερών (Gilron, 2001). Επίσης, είναι γεγονός πως όσο αυξάνει η τραχύτητα της ενεργού επιφάνειας μιας μεμβράνης, παρατηρούνται εντονότερα φαινόμενα ρύπανσης λόγω του σχηματισμού από όρη και κοιλάδες στην επιφάνειά της, διευκολύνει την συγκέντρωση σωματιδίων (Hoek et al., 2001, 2003). Τέλος, από τη βιβλιογραφία προκύπτει πως το φορτίο της μεμβράνης επηρεάζει την ένταση των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ μεμβράνης και ρυπαντή, καθορίζοντας κατά πρώτον την προσρόφηση των ρυπαντών και κατά δεύτερον την ανάπτυξη επικαθήσεων στην επιφάνεια της μεμβράνης (Vrijenhoek et al.,2001; Deshmukh, & Childress, 2001). Αποδεικνύεται ωστόσο, πως η παρουσία ιόντων Ca +2 καθώς και οι μεταβολές του ph προκαλούν σημαντικές αλλαγές στην τιμή του ζ δυναμικού μιας μεμβράνης (Li & Elimelech, 2006). Έτσι, τα τελευταία χρόνια, αρκετοί ερευνητές (Wei et al., 2010; Tarboush et al., 2008) καταβάλλουν προσπάθειες για την τροποποίηση των χαρακτηριστικών της επιφάνειας των μεμβρανών (membrane surface 41

72 Κεφάλαιο 2 modification), με στόχο την ενίσχυση της ικανότητας αντιρρύπανσής τους αλλά και τη βελτίωση της αντοχής τους στο ελεύθερο χλώριο ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ H πιο διαδεδομένη και αποδεκτή τεχνική πρόβλεψης της κολλοειδούς ρύπανσης είναι ο δείκτης SDI (Silt Density Index). Ο MFI (Modified Fouling Index) δείκτης, ο οποίος αναπτύχθηκε στην Ολλανδία (Schippers, 1980) και απέκτησε την εκεί κυρίως αποδοχή, καθώς και ο δείκτης MPFI (Mini Plugging Factor Index) αποτελούν επίσης δύο άλλες αξιοσημείωτες τεχνικές πρόβλεψης. Όλες οι αναφερθείσες τεχνικές στηρίζονται στην κατά μέτωπο διήθηση, μέσω μεμβράνης μικροδιήθησης (Millipore) με ονομαστικό μέγεθος πόρων 0.45 μm. Τα τελευταία χρόνια, έχει προταθεί ένας νέος δείκτης πρόβλεψης, o MFI UF, για τον υπολογισμό του οποίου, χρησιμοποιούνται μεμβράνες υπερδιήθησης με σημαντικά μικρότερη διάμετρο πόρων. Επίσης, συχνά στην προσπάθεια πρόβλεψης της ρύπανσης υπολογίζονται οι τιμές ορισμένων φυσικοχημικών παραμέτρων όπως είναι η θολερότητα, το πλήθος των σωματιδίων και η ηλεκροφορητική κινητικότητα των σωματιδίων, χωρίς ωστόσο να αποτελούν αξιόπιστες τεχνικές. Οι περιορισμοί που θέτουν οι κατασκευαστές μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης (Hydranautics, 1998) για την απρόσκοπτη λειτουργία των μεμβρανών αφορούν αποκλειστικά τον δείκτη SDI. Προτείνεται λοιπόν, η τιμή του δείκτη να μην ξεπερνά την τιμή 4 ή 5, ενώ παράλληλα συστήνουν συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας των μεμβρανών (βλ. Πίνακα 2 2) ανάλογα με την ποιότητα του νερού τροφοδοσίας, όπως αυτή καθορίζεται από τις τιμές του δείκτη SDI. Πίνακας 2 2: Προδιαγραφές του δείκτη SDI. Τιμές του δείκτη SDI Απόδοση μεμβράνης, GFD Απόδοση μεμβράνης, L/m 2 h < <

73 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Δείκτης SDI Η διαδικασία υπολογισμού του δείκτη SDI στηρίζεται στην μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για να διέλθουν 500 ml δείγματος, διαμέσου μεμβράνης μικροδιήθησης με ονομαστικό μέγεθος πόρων 0.45 μm σε σταθερή πίεση 30 psi, κατά την έναρξη της διήθησης αλλά και μετά από 5, 10 και 15 min συνεχούς διήθησης. Η μέτρηση του δείκτη SDI 15 αποτελεί την πιο συνήθη πρακτική στην βιομηχανία. Ωστόσο, εάν η μέτρηση του χρόνου διήθησης μετά τα 15 min δεν είναι δυνατή (λόγω της πολύ μικρής ροής διηθήματος) γεγονός που σημαίνει ότι οι πόροι της μεμβράνης έχουν φραγεί και πως η τάση ρύπανσης είναι ιδιαίτερα υψηλή, τότε χρησιμοποιούνται εναλλακτικά οι δείκτες SDI 10 και SDI 5. Κατά τη διήθηση, η μεταβολή της θερμοκρασίας του προς εξέταση δείγματος δεν θα πρέπει να ξεπερνά τον ±1 ο C. Για τον προσδιορισμό του δείκτη SDI, o απαιτούμενος εξοπλισμός περιλαμβάνει τα εξής μέρη: Συσκευή στήριξης του φίλτρου της μεμβράνης 47 mm. Μεμβράνη με διάμετρο πόρου 0.45 mm και διαμέτρου 47 mm. Μανόμετρο κλίμακας 1 5 bar (10 70 psi). Βελονοειδή βαλβίδα για ρύθμιση της πίεσης. Ογκομετρικό κύλινδρο 500 ml. Χρονόμετρο. Θερμόμετρο. Η σχηματική απεικόνιση της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του δείκτη SDI παρατίθεται στο Σχήμα 2 2. Αναλυτικά, η διαδικασία που ακολουθείται για τον προσδιορισμό του δείκτη SDI ενός υδατικού ρεύματος είναι τα εξής: Αρχικά, γίνεται συναρμολόγηση της διάταξης και ρύθμιση της πίεσης στα 207 kpa (30 psi) με τη βοήθεια του ρυθμιστή πίεσης. Πριν την τοποθέτηση της μεμβράνης, διέρχεται μικρή ποσότητα δείγματος με σκοπό να συμπαρασύρει τυχόν ακαθαρσίες που υπάρχουν στην διάταξη. Ακολουθεί μέτρηση της θερμοκρασίας και τοποθέτηση του φύλλου της μεμβράνης στην πειραματική διάταξη. Στη συνέχεια, ανοίγεται ελαφρώς η σφαιρική βαλβίδα για την απομάκρυνση του εγκλωβισμένου αέρα, ενώ ταυτόχρονα γίνονται μικρορυθμίσεις για την επίτευξη της επιθυμητής πίεσης λειτουργίας (207 kpa). 43

74 Κεφάλαιο 2 Σφαιρική βαλβίδα Ρυθµιστής πίεσης Μανόµετρο Υποστηρικτικό µεµβράνης Μεµβράνη µικροδιήθησης 0.45 µm Σχήμα 2 2: Απεικόνιση της πειραματική διάταξη για τον υπολογισμό του δείκτη SDI. Μετέπειτα η σφαιρική βαλβίδα ανοίγεται πλήρως και ταυτόχρονα ξεκινά η χρονομέτρηση για την πλήρωση του ογκομετρικού δοχείου των 500 ml. Η τιμή του απαιτούμενου χρόνου t i καταγράφεται, ενώ η διήθηση συνεχίζεται. Επίσης, υπολογίζεται και καταγράφεται ο χρόνος που απαιτείται για την συλλογή άλλων 500 ml διηθήματος σε χρόνους 5, 10 και 15 min μετά την έναρξη της διήθησης. Η τιμή του χρονικής διάρκειας αυτής συμβολίζεται ως t f, όπου f είναι ο χρόνος από την έναρξη της μέτρησης. Καθ όλη τη διάρκεια της διήθησης γίνεται έλεγχος της θερμοκρασίας ( δε θα πρέπει να ξεπερνά τον 1 ο C) και της πίεσης (σταθερή στα 30 psi ±1 psi). Μετά την ολοκλήρωση του τεστ ο δείκτης SDI υπολογίζεται από την μαθηματική σχέση: SDI ( i f ) 1 t / t 100 = (2.18) f Γενικά, μπορεί να λεχθεί πως ο δείκτης SDI δεν προσομοιώνει τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης και ότι κατ ουσία αποτελεί μία εμπειρική τεχνική πρόβλεψης. Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα του δείκτη συνοψίζονται στα παρακάτω: Απουσία αλληλεπιδράσεων μεταξύ μεμβράνης και ρυπαντή. 44

75 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Απουσία διατμητικών τάσεων, οι οποίες αναπτύσσονται κατά την εφαπτομενική ροή του ρεύματος τροφοδοσίας. Σημαντικά μεγαλύτερη ροή διηθήματος έναντι της ροής των διεργασιών αντίστροφης ώσμωσης (>1 cm/s έναντι <0.001 cm/s ). Αδυναμία συγκράτησης σωματιδίων με μέγεθος μικρότερο από το ονομαστικό μέγεθος πόρων (0.45μm). Τα σωματίδια αυτά πιθανολογείται ότι είναι ιδιαίτερα υπεύθυνα για την ρύπανση των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, αφού σύμφωνα και με την εξίσωση των Carman Kozeny, η αντίσταση μιας στοιβάδας είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της διαμέτρου των σωματιδίων από τα οποία αποτελείται. Η άποψη αυτή διατυπώνεται επίσης από τους Schippers et al. (1981), οι οποίοι δηλώνουν ότι υπεύθυνα για την πτώση της ανηγμένης ροής σε συστήματα αντίστροφης ώσμωσης είναι τα σωματίδια με μέγεθος <0.05 μm. Η μη γραμμική εξάρτηση του δείκτη από τη συγκέντρωση των κολλοειδών σωματιδίων. Και τέλος η αδυναμία διάκρισης των μηχανισμών ρύπανσης που λαμβάνουν χώρα κατά τη διαδικασία της μέτρησης του δείκτη. Αντιρρήσεις επίσης εκφράζονται (Mosset et al., 2007) αναφορικά με την αξιοπιστία του δείκτη λόγω της υψηλής ευαισθησίας που εμφανίζει σε παραμέτρους όπως η θερμοκρασία, το pη και η υδροφιλικότητα της μεμβράνης. Επιπλέον, στην βιβλιογραφία υπάρχουν αρκετά παραδείγματα ανεπιτυχούς συσχετισμού του δείκτη SDΙ και της ρύπανσης που προκαλείται. Έτσι, οι Moody et al. (1983) αλλά και οι Kaakinen & Μoody (1985) παρατήρησαν σημαντική κολλοειδή ρύπανση σε μονάδες αντίστροφης ώσμωσης, μολονότι ο δείκτης SDI του νερού τροφοδοσίας τους ήταν ιδιαίτερα χαμηλός (SDI<1). Πιο συγκεκριμένα, οι Kaakinen και Μoody (1985) σε μία αναλυτική μελέτη των σημαντικότερων εν δυνάμει ρυπαντών και χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικούς τύπους μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, απέδωσαν το % της συνολικής πτώσης της ανηγμένης ροής στην κολλοειδή ρύπανση της μεμβράνης, το % στην οργανική ρύπανση, και ένα ποσοστό 0 20 % στη συμπίεση της μεμβράνης. Η εμφάνιση κολλοειδούς ρύπανσης ήταν περισσότερο έντονη στην μεμβράνη που λειτουργούσε με υψηλότερη ροή διηθήματος, παρότι ο λόγος της εφαπτομενικής ταχύτητας προς την ροή του διηθήματος διατηρήθηκε σταθερός και για τους δύο τύπους μεμβρανών. 45

76 Κεφάλαιο 2 Απ την άλλη, στην βιβλιογραφία, έχουν καταγραφεί περιπτώσεις σχετικά απρόσκοπτης λειτουργίας μονάδων αφαλάτωσης παρά τις υψηλές τιμές του δείκτη SDI (SDI>5) του νερού τροφοδοσίας (Potts et al. 1981). Επίσης, οι Lipp et al. (1990) πραγματοποίησαν πειράματα για την μελέτη τόσο οργανικής όσο και ανόργανης ρύπανσης σε ειδική μονάδα δοκιμών (test rig), καταγράφοντας παράλληλα τις τιμές του δείκτη SDI. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν, ότι δεν υπάρχει σαφής συσχετισμός της τάσης ρύπανσης και του SDI δείκτη. Χαρακτηριστικά, για την περίπτωση της ανόργανης ρύπανσης οι συγγραφείς παρατήρησαν ότι, μετά από μία ορισμένη τιμή της συγκέντρωσης του ρυπαντή, οι μετρούμενες τιμές του SDI εμφάνιζαν αντίστροφη (πτωτική) τάση. Αντίστοιχα, οι Paasen et al. (1998) ανέφεραν σημαντική κολλοειδή ρύπανση σε πιλοτική μονάδα νανοδιήθησης λόγω της παρουσίας οξειδίων του σιδήρου, παρά το γεγονός ότι οι προδιαγραφές των κατασκευαστών ικανοποιούνταν (Fe<0.3 mg/l και MFI<3 s/l 2 ). Επίσης, οι Butt et al. (1997) κατέγραψαν έντονη ρύπανση σε μονάδα αφαλάτωσης λόγω της παρουσίας σιδήρου και πυριτίου, με αποτέλεσμα τη μείωση του χρόνου ζωής της μεμβράνης, περίπου στα δύο χρόνια. Σύμφωνα με τον George (1983), η εμφάνιση πυριτικών επικαθήσεων σε συγκεντρώσεις χαμηλότερες από τα όρια διαλυτότητας, αποδίδεται στην ταυτόχρονη δράση των οξειδίων σιδήρου και αλουμινίου. Σε μια άλλη εργασία, οι Sung et al. (1994) για να προσδιορίσουν την ποιότητα των υπόγειων υδάτων στην περιοχή της Φλόριντα των ΗΠΑ, πραγματοποίησαν μετρήσεις χαρακτηριστικών ποιοτικών μεγεθών όπως του χρώματος, της θολερότητας και του Ολικού Οργανικού Άνθρακα (Total Organic Carbon, TOC), ενώ παράλληλα υπολόγισαν και τις τιμές των δεικτών ρύπανσης (SDI, MFI και MPFI). Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν πως ο δείκτης MFI παρουσίασε τον καλύτερο συσχετισμό με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των υπό μελέτη υδάτων, χωρίς ωστόσο να είναι ιδιαίτερα ισχυρός. Επιπλέον, οι προβλέψεις για τον ρυθμό ελάττωσης του συντελεστή μεταφορά μάζας στην μεμβράνη μόνο σε δύο από τις εννέα περιπτώσεις υδάτων ήταν κοντά στις πραγματικές τιμές, ενώ στην περίπτωση των επιφανειακών υδάτων οι αποκλίσεις των προβλέψεων ήταν εξαιρετικά μεγάλες (μερικές εκατοντάδες ποσοστιαίες μονάδες). 46

77 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Ο δείκτης MFI Όσον αφορά τους υπόλοιπους δείκτες ρύπανσης, αξιοσημείωτη αποδοχή από την βιομηχανία έχει κερδίσει ο δείκτης MFI. Για τον υπολογισμό του, χρησιμοποιείται η διάταξη που χρησιμοποιείται και για την μέτρηση του SDI, με μόνη διαφορά ότι ο όγκος του διηθήματος καταγράφεται κάθε 30 s. Ένα τυπικό διάγραμμα μέτρησης του δείκτη MFI παρατίθεται στο Σχήμα 2 3. Από το σχήμα αυτό, ο υπολογισμός του δείκτη MFI γίνεται, χρησιμοποιώντας το γραμμικό κομμάτι της καμπύλης που αντιστοιχεί στoν μηχανισμό διήθησης με δημιουργία στοιβάδας (cake filtration). Οι προτεινόμενες προδιαγραφές για τους δείκτες MFI και ΜPFI για την ομαλή λειτουργία μονάδων νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης παρουσιάζονται στον Πίνακα 2 3. O MFI δείκτης, σε αντίθεση με τον δείκτη SDI, εμφανίζει γραμμική εξάρτηση από την συγκέντρωση των κολλοειδών σωματιδίων. Ωστόσο, η ανεπαρκής αντιμετώπιση θεμάτων όπως οι διατμητικές τάσεις, η αλληλεπίδραση της μεμβράνης καθώς και η απουσία συγκράτησης σωματιδίων μικρότερων από 0.45μm δημιουργούν ερωτηματικά για την αξιοπιστία του. H ανικανότητα αξιολόγησης και πρόβλεψης της ρύπανσης από σωματίδια και οργανική ύλη από του δείκτες SDI και MFI καταγράφεται στην εργασία των Park et al. (2003), οι οποίοι αποδίδουν την αδυναμία των δεικτών στην απορρόφηση της οργανικής ύλης στα ανόργανα σωματίδια. Επίσης, οι Vrouwenvelder et al. (2003) καθώς και οι Boerlage et al. (1997) αμφισβητούν ευθέως την αξιοπιστία των δύο προαναφερθέντων δεικτών, τονίζοντας πως η κολλοειδής ρύπανση προκαλείται κατά κύριο λόγο από σωματίδια με μέγεθος μικρότερο των 0.45 μm. Πίνακας 2 3: Τιμές των δεικτών ρύπανσης για ομαλή λειτουργία των διεργασιών νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης (AWWA Research Foundation, 1996). Δείκτης ρύπανσης Τιμή (s/l 2 ) Eφαρμογή ΜFI 0 2 Αντίστροφη Ώσμωση ΜFI 0 10 Νανοδιήθηση MPFI Αντίστροφη Ώσμωση MPFI Νανοδιήθηση 47

78 Κεφάλαιο 2 Φραγή πόρων Δημιουργία στοιβάδας Συμπίεση στοιβάδας Σχήμα 2 3: Τυπικό διάγραμμα υπολογισμού του δείκτη MFI. Επίσης, οι Hong et al. (2009) υπολόγισαν τους δείκτες ρύπανσης SDI και MFI, χρησιμοποιώντας τόσο υδρόφιλες όσο και υδρόφοβες μεμβράνες μικροδιήθησης, ενώ ως ρυπαντές χρησιμοποιήθηκαν α) μεγαλοσωματιδία (3 μm), β) κολλοειδή σωματίδια (100 nm) καθώς και γ) ένας οργανικός ρυπαντής (χουμικά οξέα). Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις αντιρρήσεις που υπάρχουν για τους χρησιμοποιούμενους δείκτες ρύπανσης. Συγκεκριμένα αποδείχτηκε πως οι δύο δείκτες επηρεάζονται σημαντικά από τον τύπο του ρυπαντή (τη φύση και το μέγεθος του), από την αλατότητα του νερού τροφοδοσίας αλλά και από τα χαρακτηριστικά της μεμβράνης (π.χ. υδροφιλικότητα), με αποτέλεσμα συχνά να αποτυγχάνουν στις προβλέψεις για την τάση ρύπανσης Δείκτης MFI UF και υπόλοιπες τεχνικές πρόβλεψης Τα τελευταία χρόνια, σημαντική και προς την σωστή κατεύθυνση πειραματική έρευνα έχει πραγματοποιηθεί στο Ντελφ της Ολλανδίας (Boerlage et al. 1997b, 2002, 2003a, 2003b, 2004), η οποία οδήγησε στην ανάπτυξη του MFI UF δείκτη πρόβλεψης. Κατά τον προσδιορισμό του δείκτη MFI UF, όπως και στην περίπτωση του δείκτη MFI, επιδιώκεται η δημιουργία συνθηκών στοιβάδας επικαθήσεων, ανάλογων με εκείνων που επικρατούν στις διεργασίες νανοδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης. Επίσης, 48

79 Βιβλιογραφική ανασκόπηση έναντι των μεμβρανών μικροδιήθησης, χρησιμοποιήθηκαν μεμβράνες υπερδιήθησης με σημαντικά χαμηλότερα όρια διαχωρισμού μοριακών βαρών (ΜWCO). Με τον τρόπο αυτό, υπερκεράστηκε το πρόβλημα της ελλιπούς συγκράτησης σωματιδίων με μέγεθος μικρότερο από 0.45 μm που χαρακτήριζε την τεχνική του MFI. Έτσι, λόγω της αυξημένης συγκράτησης σωματιδίων από την μεμβράνη υπερδιήθησης, οι τιμές του δείκτη MFI UF είναι σημαντικά υψηλότερες έναντι του δείκτη MFI, αποκαλύπτοντας σημαντικότερες τάσεις ρύπανσης. Επιπλέον, κατά την δημιουργία του δείκτη MFI UF, έχουν αντιμετωπισθεί (όχι τελεσίδικα) σημαντικά θέματα, όπως η συμπιεστότητα της στοιβάδας που δημιουργείται, η διαφορά πίεσης ανάμεσα στις διεργασίες αντίστροφης ώσμωσης και νανοδιήθησης και του τεστ για τον υπολογισμό του δείκτη, η μερική εναπόθεση των σωματιδίων εξαιτίας της εφαπτομενικής ταχύτητας που αναπτύσσεται στα στοιχεία των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και νανοδιήθησης καθώς και η επίδραση των μεταβαλλόμενων συνθηκών (ιοντική ισχύς και συγκέντρωση του ρυπαντή) στο εσωτερικό της μεμβράνης. Γενικά, για την αποδοχή και την καθιέρωση του δείκτη αυτού ως αξιόπιστης τεχνικής πρόβλεψης της ρύπανσης απαιτείται περαιτέρω έρευνα. Παραδείγματος χάριν, σημαντικό μειονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου αποτελεί η μεγάλη χρονική διάρκεια της μέτρησης, ενώ για την επαναχρησιμοποίηση των μεμβρανών, απαιτείται ο καθαρισμός τους με σχετικά ισχυρά χημικά διαλύματα. Συμπερασματικά, μπορεί να λεχθεί πως το τεστ για τον υπολογισμό του δείκτη MFI UF, θεωρείται χρονοβόρο αλλά και δαπανηρό, ενώ δεν έχουν ακόμη καθιερωθεί κριτήρια ή προδιαγραφές για τα όρια του δείκτη MFI UF. Τέλος, πρέπει να σημειωθεί πως στην ανάπτυξη του MFI UF δείκτη, δεν έχουν ληφθεί υπόψη τα θέματα της αλληλεπίδρασης μεμβράνης ρυπαντών, της απουσίας διατμητικών τάσεων καθώς και οι μεγάλοι ρυθμοί διήθησης στις μεμβράνες υπερδιήθησης. Σε γενικές γραμμές, επιδίωξη των τεχνικών πρόβλεψης (συμπεριλαμβανομένου και του δείκτη MFI UF) αποτελεί, η δημιουργία στοιβάδας επικαθήσεων στην επιφάνεια της μεμβράνης με σκοπό να αξιολογηθεί η πρόσθετη αντίσταση που η στοιβάδα προκαλεί. Ωστόσο, ακόμη και αν η σύγκριση της συμπεριφοράς των μεμβρανών υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης, γινόταν κάτω από παρόμοιες υδροδυναμικές συνθήκες (ανηγμένης ροής, ph, εφαπτομενικής ταχύτητας), η τάση ρύπανσης για τις δύο διεργασίες δεν θα ήταν απαραιτήτως η ίδια. Και αυτό όχι μόνο εξαιτίας των διαφορετικών πιέσεων που ασκούνται σε κάθε διεργασία, αλλά πιθανόν και λόγω των 49

80 Κεφάλαιο 2 φαινομένων που προκαλεί η συγκράτηση των αλάτων στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης. Έτσι, στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης αναπτύσσονται φαινόμενα όπως η πόλωση της συγκέντρωσης των αλάτων και η αυξημένη ωσμωτική πίεση, τα οποία οδηγούν στην πτώση της ροής του διηθήματος, και δεν παρατηρούνται στις μεμβράνες υπερδιήθησης. Αντίθετα, φαινόμενα όπως η στένωση ή η φραγή των πόρων που χαρακτηρίζουν τις μεμβράνες υπερδιήθησης, δεν απαντώνται στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης. Παρόμοιες απόψεις, σχετικά με τις τεχνικές πρόβλεψης της ρύπανσης διατυπώνονται από τους Rabie et al. (2001). Οι συγγραφείς, ως εναλλακτική μέθοδο, προτείνουν την κατασκευή πιλοτικών μονάδων, απ όπου θα εξάγονται δεδομένα που θα χρησιμοποιούνται στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς των μονάδων αντίστροφης ώσμωσης και νανοδιήθησης. Αν και ο τρόπος αυτός, αποτελεί την πιο ρεαλιστική και αξιόπιστη προσομοίωση της διεργασίας αντίστροφης ώσμωσης, εντούτοις είναι ιδιαίτερα δαπανηρός και κυρίως χρονοβόρος. Αντιρρήσεις επίσης σχετικά με την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τις πιλοτικές μονάδες, εκφράζονται και από τους Gabelich et al. (2003). Πρόσφατα, οι Khirani et al. (2006) επιδιώκοντας να εξαλείψουν τα μειονεκτήματα που συνεπάγεται η χρησιμοποίηση μεμβρανών υπερδιήθησης, πρότειναν την δημιουργία του MFI NF δείκτη ρύπανσης. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό από το όνομα του, πρόκειται για παραλλαγή του δείκτη MFI UF, όπου στη θέση της μεμβράνης υπερδιήθησης χρησιμοποιείται μεμβράνη νανοδιήθησης. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε και από τους Listarini et al. (2009a, 2009b) για την πρόβλεψη της ρύπανσης διαλυμάτων χουμικών και αλγινικού νατρίου παρουσία ασβεστίου και κροκιδωτικού μέσου. Οι τιμές όμως του δείκτη που προέκυψαν εμφανίζουν σημαντικές αποκλίσεις από τις τιμές των εμπειρικών μεθόδων. Σε μία διαφορετική προσέγγιση, οι Brauns et al. (2002) θεωρώντας ότι με χρήση των δεικτών SDI και MFI χάνονται πολύτιμες πληροφορίες, χρησιμοποίησαν μία γραφική μέθοδο, με την οποία γίνεται αναπαράσταση του σύνολου των πειραματικών δεδομένων, σε ειδική μορφή. Επίσης, ένας νέος δείκτης ρύπανσης, Ι t, έχει προταθεί από τον Hasan (2007). Πρόκειται για μια εύκολα μετρήσιμη παράμετρο που κυμαίνεται από 0 εώς 1. Ωστόσο, σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι δεν συνδέεται με τη θεωρία της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας. Τέλος, στην εργασία των Choi et al. (2009), προτείνεται η χρησιμοποίηση ενός συνδυαστικού δείκτη πρόβλεψης, ο οποίος θα αξιοποιεί, 50

81 Βιβλιογραφική ανασκόπηση δεδομένα από διαφορετικές πειραματικές μετρήσεις. Συγκεκριμένα για τον υπολογισμό του, προτείνεται η διεξαγωγή πειραμάτων μέτρησης των υδρόφιλων (δείκτης MFI HL), των υδρόφοβων (δείκτης MFI HP) αλλά και των κολλοειδών (δείκτης MFI UF) συστατικών ενός ρεύματος. Βασικό όμως μειονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι η χρησιμοποίηση τριών διαφορετικών μεμβρανών καθώς και ο μεγάλος πειραματικός χρόνος. 51

82 Κεφάλαιο 2 52

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΥΠΙΚΩΝ ΡΥΠΑΝΤΩΝ 3.1. ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΧΟΥΜΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ Τα χουμικά οξέα μαζί με τα φουλβικά, ανήκουν στην κατηγορία των χουμικών ενώσεων και αποτελούν το σημαντικότερο κομμάτι της φυσικής οργανικής ύλης (ΝΟΜ). Τα χουμικά οξέα βρίσκονται συνήθως στο έδαφος, αλλά συχνά απαντώνται σε μικρές ποσότητες και στα επιφανειακά νερά. Πρόκειται για περίπλοκες μεγαλομοριακές ενώσεις, με ασθενείς όξινες ιδιότητες και καφετί απόχρωση. Αποτελούνται από άτομα άνθρακα, οξυγόνου, υδρογόνου και σε μερικές περιπτώσεις από μικρές ποσότητες αζώτου. Η δομή του μορίου των χουμικών οξέων αν και μέχρι σήμερα δεν είναι απολύτως διευκρινισμένη, εντούτοις φέρεται να έχει τη μορφή που απεικονίζεται στο Σχήμα 3 1. Πρόκειται λοιπόν για αρωματικό μακρομόριο, που περιέχει αλειφατικές ενώσεις (αμινοξέα, αμινοσάκχαρα, και πεπτίδια), οι οποίες είναι συνδεδεμένες με αρωματικούς δακτυλίους. Στο μόριο των χουμικών οξέων μπορεί κανείς να διακρίνει ελεύθερες και δεσμευμένες φαινολικές ομάδες, με τα στοιχεία του αζώτου και του οξυγόνου να δρουν ως συνδετικά μέσα, καθώς επίσης και καρβοξυλικές ομάδες διεσπαρμένες μεταξύ των αρωματικών δακτυλίων. Σύμφωνα με τους Aiken et al. (1985) οι καρβοξυλικές ομάδες αποτελούν το 60 90% των συνολικών λειτουργικών ομάδων, δικαιολογώντας έτσι τον όξινο χαρακτήρα των χουμικών οξέων. Ο σχηματισμός των χουμικών οξέων οφείλεται στην μικροβιακή αποσύνθεση των 53

84 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3 1: Σχηματική απεικόνιση της μοριακής δομής των χουμικών οξέων. υπολειμμάτων φυτικής και ζωικής προέλευσης, η οποία λαμβάνει χώρα τόσο στο έδαφος όσο και στα φυσικά νερά με τη διαδικασία της χουμοποίησης. Γενικά, τα χουμικά οξέα θεωρούνται προϊόντα αποσύνθεσης της λιγνίνης, των υδρογονανθράκων και των πρωτεϊνών (Nystrom et al., 1996). Δεδομένου του μεγάλου χρόνου βιοαποικοδόμησης των πρόδρομων οργανικών ενώσεων, σε συνδυασμό με την έκθεση τους σε νερό, οξυγόνο και ηλιακή ακτινοβολία, τα χουμικά οξέα βρίσκονται στο τέλος της διαδικασίας βιοαποικοδόμησης και οξείδωσης και πιθανόν δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω, παρά μόνο με την χρήση χημικών αντιδραστηρίων ή οξειδωτικών δράσεων. Ένας επιπλέον λόγος μελέτης των χουμικών οξέων αποτελεί το γεγονός ότι τα χουμικά θεωρούνται πρόδρομες ενώσεις των καρκινογόνων αλογονομεθανίων (trihalomethanes) που αναπτύσσονται στο πόσιμο νερό κατά την χλωρίωση του( Orecki et al., 2004). Επίδραση των κατιόντων στα χουμικά οξέα Κατά κανόνα, η επίδραση των κατιόντων στα χουμικά οξέα οδηγεί στην επιδείνωση της ρύπανσης που αυτά προκαλούν. Αν και ο μηχανισμός της ρύπανσης δεν έχει πλήρως ερμηνευθεί, ωστόσο εικάζεται πως τα κατιόντα αλληλεπιδρούν με τα χουμικά 54

85 Φυσικοχημικές ιδιότητες ρυπικών ρυπαντών οξέα οδηγώντας στον σχηματισμό συμπλόκων και συσσωματωμάτων. Η ύπαρξη πολλών καρβοξυλικών ομάδων στο μόριο των χουμικών οξέων αυξάνει τον αριθμό των δεσμών που δημιουργούνται μεταξύ χουμικών και κατιόντων. Τα κατιόντα ασβεστίου που είναι πάντα παρόντα σε φυσικά νερά, αλληλεπιδρούν με τα χουμικά οξέα δημιουργώντας σταθερά σύμπλοκα χουμικών ασβεστίου, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3 2. ph 7 Απουσία Ca 2+ Ενδομοριακή συσσωμάτωση Ενδομοριακή συσσωμάτωση Εσωμοριακή συσσωμάτωση Σχήμα 3 2: Χρονική εξέλιξη συσσωμάτωσης των χουμικών οξέων κατά την προσθήκη κατιόντων. Ο αριθμός των συμπλόκων που σχηματίζονται, επηρεάζεται σημαντικά από το ph, την οξύτητα των λειτουργικών μονάδων καθώς και από την ιονική ισχύς του διαλύματος (Hong & Elimelech, 1997). Σύμφωνα με τους Chandrakanth & Amy (1998), τα κατιόντα ασβεστίου αλληλεπιδρούν περισσότερο με ενώσεις, οι λειτουργικές ομάδες των οποίων περιέχουν πολλά άτομα οξυγόνου. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι το είδος των δεσμών που δημιουργούνται ανάμεσα στα χουμικά οξέα και στα κατιόντα είναι διαφορετικό για κάθε κατιόν. Έτσι, ο σίδηρος και το αργίλιο φαίνεται να αλληλεπιδρούν ομοιόμορφα με όλα τα κλάσματα μοριακών βαρών των χουμικών οξέων (Βurba et al.,1998) τα μέταλλα αλληλεπιδρούν περισσότερο με το μέσου μοριακού βάρους κλάσμα των χουμικών, ενώ το ασβέστιο και μαγνήσιο με το κλάσμα του χαμηλού μοριακού βάρους (Hoffmann et al., 1981). Επίδραση του ph στα χουμικά οξέα To ph του διαλύματος, επηρεάζει σημαντικά το φορτίο των οργανικών ενώσεων και επομένως τις ηλεκτροστατικές έλξεις ή απώσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των λειτουργικών ομάδων, συμβάλλοντας έτσι στην τελική διαμόρφωση του μορίου (Hong & Elimelech, 1997; Jucker & Clark, 1994). Πιο συγκεκριμένα, σε χαμηλές τιμές ph, λόγω της πρωτονίωσης των καρβοξυλικών ομάδων των οργανικών μορίων, παρατηρείται μείωση της ηλεκτραρνητικότητας του μορίου, καθιστώντας το ηλεκτρικά ουδέτερο. Εξαιτίας της μειωμένης ηλεκτροστατικής άπωσης μεταξύ των γειτονικών λειτουργικών 55

86 Κεφάλαιο 3 μονάδων, το μόριο των χουμικών οξέων αποκτά περισσότερο συμπαγή και με μικρότερο πορώδες δομή. Αντίθετα, στην περίπτωση υψηλού ph, η δομή του μορίου των χουμικών είναι ανοικτή και χαλαρή. Παράλληλα, θα πρέπει να σημειωθεί πως η μεταβολή του ph επηρεάζει τη διαλυτότητα των χουμικών οξέων (Yuan & Zydney, 1999b). Έτσι, παρατηρείται μείωση της διαλυτότητας των χουμικών για χαμηλές τιμές ph, λόγω του χαμηλού βαθμού διάστασης των καρβοξυλικών και φαινολικών ομάδων από τις οποίες αποτελούνται. Επίδραση της ιοντικής ισχύος στα χουμικά οξέα Η μεταβολή της ιοντικής ισχύος έχει σημαντική επίδραση στις ιδιότητες των χουμικών οξέων. Όπως και στην περίπτωση του ph, οι υψηλές τιμές ιοντικής ισχύος οδηγούν σε αδρανοποίηση των λειτουργικών ομάδων, λόγω συμπίεσης της διπλοστιβάδας του μορίου. Οι μειωμένες ηλεκτροστατικές απώσεις προκαλούν παραμόρφωση στο μόριο, το οποίο πλέον συσπειρώνεται αποκτώντας συμπαγή, σφαιρική δομή. Γενικά, μπορεί να ειπωθεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του ΝaCl στο διάλυμα τροφοδοσίας, τόσο μικρότερο είναι το μέγεθος των χουμικών οξέων και συνεπώς τόσο μεγαλύτερη η τάση ρύπανσης που εμφανίζει. Επιπλέον, οι Jucker & Clark (1994), υποστήριξαν ότι το μόριο των χουμικών οξέων σε χαμηλές τιμές ιοντικής ισχύος όπως αυτές που επικρατούν στα φυσικά νερά (Ι= ) είναι αρκετά μεγάλο, ενώ ο O Melia (1989), προσδιορίζοντας την υδροδυναμική διάμετρο των χουμικών για διαφορετικές τιμές ιοντικής ισχύος διαπίστωσε σημαντικές διακυμάνσεις. Ωστόσο, σε υψηλές τιμές συγκέντρωσης του οργανικού ρυπαντή, η επίδραση της ιοντικής ισχύος φέρεται να περιορίζεται σημαντικά (Angui et al.,1992) ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΑΛΓΙΝΙΚΟΥ ΝΑΤΡΙΟΥ Το αλγινικό νάτριο ανήκει στην κατηγορία των πολυσακχαριτών, οι οποίοι είναι φυσικές μακρομοριακές ενώσεις που απαντώνται σε όλους τους έμβιους οργανισμούς. Αποτελούν σημαντικό κομμάτι της φυσικής οργανικής ύλης και περιέχονται σε υψηλές συγκεντρώσεις, στο ρεύμα εξόδου μονάδων επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Οι πολυσακχαρίτες αποτελούν τις μεγαλύτερες και πολυπλοκότερες ομάδες φυσικών ενώσεων, των οποίων η χρησιμότητα συνίσταται στην χρήση τους είτε ως πηγή ενέργειας (άμυλο και γλυκογόνο σε φυτά και ζώα αντίστοιχα) είτε ως δομικές μονάδες 56

87 Φυσικοχημικές ιδιότητες ρυπικών ρυπαντών των ζωντανών οργανισμών. Μαζί με τις πρωτεΐνες και τα λιπίδια δημιουργούνται στο θαλασσινό νερό κατά τη φωτοσύνθεση των έμβιων κυττάρων καθώς και κατά την αποσύνθεση των μικροοργανισμών (McCarthy et al.,1993;ye et al.,2005) αποτελώντας σημαντικό κομμάτι της διαλυμένου οργανικού άνθρακα (DOC). Παρόμοιες οργανικές ενώσεις δημιουργούνται κατά τη βιολογική επεξεργασία των αστικών λυμάτων (Jarusutthirak et al., 2002). Σημειώνεται πως η συγκέντρωση της διαλυμένης οργανικής ύλης στο θαλασσινό νερό είναι συνήθως μικρή (3 7 mg/l), με τους πολυσακχαρίτες να καταλαμβάνουν ένα ποσοστό της τάξης 15 30%. Ωστόσο υπάρχουν παραδείγματα στην βιβλιογραφία (Dalvi et al., 2000; Ning, 1999) που καταδεικνύουν την έντονη ρύπανση που δημιουργούν στις μεμβράνες αν δεν απομακρυνθούν εγκαίρως. Ειδικότερα για το αλγινικό νάτριο, η εμπορική του χρήση του, βασίζεται στην ιδιότητά του να σχηματίζει ισχυρά πηκτώματα όταν έρχεται σε επαφή με δισθενή ιόντα και για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται στις βιομηχανίες ποτού, τροφίμων καθώς και στην φαρμακευτική. Οι αλγινικοί πολυσακχαρίτες αποτελούνται από συστάδες των δύο δομικών τους μονοσακχαριτών: το β (1,4) D μαννουρονικό οξύ (Μ) και το α (1,4) L γουλουρονικό οξύ (G) (Σχήμα 3 3α). Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των παραπάνω μονοσακχαριτών στην δημιουργούμενη ανθρακική αλυσίδα, προκύπτουν είτε ομοπολυμερικές συστάδες των Μ και G, είτε ετεροπολυμερικές, ενναλασσόμενης δομής (MG ή GM) σε τυχαία αναλογία. Οι τρόποι σύνδεσης των μονοσακχαριτών, παρουσιάζονται στο Σχήμα 3 3γ). Ο αριθμός των μονομερών καθώς και η μεταξύ τους αναλογία είναι οι παράγοντες που καθορίζουν τις φυσικές ιδιότητες (π.χ. ελαστικότητα) του αλγινικού άλατος. Ο λόγος των δομικών μονασακχαριτών ( M ) στα αλγινικά άλατα κυμαίνεται μεταξύ 0.34 G Επίσης, το αλγινικό νάτριο είναι διαλυτό στο νερό λόγω του υψηλού του μοριακού βάρους (από 100 εώς 500 kda) δημιουργώντας ιξώδη διαλύματα. Ωστόσο η διαλυτότητα του επηρεάζεται από παράγοντες όπως το ph, η συγκέντρωση, η ιοντική ισχύς και η παρουσία δισθενών ιόντων. Επίδραση των κατιόντων στα αλγινικά άλατα Τα πολυσθενή ιόντα, όπως το ασβέστιο (Ca), ο μόλυβδος (Pb) και το χρώμιο (Cr) αντιδρούν με τα αλγινικά άλατα και προκαλούν την καταβύθισή τους. Αυτή η ιδιότητα των αλγινικών αλάτων βρίσκει εφαρμογή στην εκλεκτική απομάκρυνση μεταλλικών ιόντων με τον σχηματισμό ινών, υμενίων και πηκτωμάτων (gels). Η δημιουργία πηκτωμάτων είναι θερμικά μη αναστρέψιμη διαδικασία, ενώ η ακαμψία τους 57

88 Κεφάλαιο 3 αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της L γουλουρονικής δομικής μονάδας στο μόριο του πολυσακχαρίτη. α) β) GMMMMGGGGGGGMGMGMGMGMMMMG γ) Μ block G block MG block M block Σχήμα 3 3: Σχηματική αναπαράσταση α) των δομικών μονάδων και β)του μορίου του αλγινικού νατρίου γ) κατανομή συστάδων. Από όλα τα μέσα δημιουργίας πηκτωμάτων, το ασβέστιο είναι το περισσότερο διαδεδομένο. Όπως έχει αποδειχτεί, τα ιόντα ασβεστίου προωθούν τη σύζευξη αλυσίδας αλυσίδας και μέσω του διμερισμού συνιστούν ζώνες ζεύξης οι οποίες και είναι υπεύθυνες για τη δημιουργία των πηκτωμάτων. Παρόμοιες ζεύξεις δύναται να πραγματοποιηθούν και από άλλα δισθενή ιόντα όπως χαλκός (Cu), κοβάλτιο (Co) και μαγγάνιο (Mn), ωστόσο υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην ισχύ των δεσμών (Seale et al., 1982). Η διεργασία της δημιουργίας πηκτώματος είναι αποτέλεσμα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ δισθενών ιόντων και συστάδων γουλουρονικών αλλά όχι μαννουρονικών δομικών μονάδων. Οι συστάδες των γουλουρονικών παρουσιάζουν χωροταξική διευθέτηση που διευκολύνει τη δέσμευση δισθενών ιόντων. Συγκεκριμένα 58

89 Φυσικοχημικές ιδιότητες ρυπικών ρυπαντών παρατηρούνται διαδοχικές κοιλότητες που περιέχουν καρβοξυλικά και άλλα άτομα οξυγόνου, τα οποία είναι κατάλληλα για να δημιουργήσουν σύμπλοκα με τα δισθενή κατιόντα (Aspinal,1982). Γίνεται προφανές, ότι η αντοχή ενός πηκτώματος συνδέεται άμεσα με τον αριθμό των L γουλουρονικών μονάδων που περιέχονται στο μόριο του πολυσακχαρίτη, εφόσον μέσα στις κοιλότητες που δημιουργούνται από τις γουλουρονικές αλυσίδες εγκλωβίζονται τα δισθενή ιόντα. Αυτή η διαμόρφωση του αλγινικού ασβεστίου, είναι γνωστή με την ονομασία κυψελοειδής διαμόρφωση (eggbox) και πρόκειται για πρότυπη δομή που έχει προταθεί (Draget et al., 2000; Lee et al., 2006; Lee & Elimelech, 2006) για να εξηγήσει τη σύνδεση των ιόντων ασβεστίου με τις G συστάδες (Σχήμα 3 4). Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, δυο δίπτυχες ελικοειδείς πολυγουλουρονικές αλυσίδες σχηματίζουν κυψελοειδείς δομές στο κέντρο των οποίων βρίσκονται ιόντα ασβεστίου. Κάθε κυψέλη περιλαμβάνει δέκα άτομα οξυγόνου από τις γουλουρονικές αλυσίδες, τα οποία σχετίζονται με τη δέσμευση των ιόντων ασβεστίου. Έξι άτομα οξυγόνου αλληλεπιδρούν απευθείας με το ιόν του ασβεστίου που περιβάλλεται από την κυψέλη. Τα άτομα αυτά είναι: τα δύο οξυγόνα των υδροξυλικών ομάδων στις θέσεις 2 και 3 και τα οξυγόνα της καρβοξυλικής ομάδας των διπλανών δομικών μονάδων. Τα άλλα τέσσερα άτομα οξυγόνου είναι από τους (1,4) Ο δεσμούς καθώς επίσης και ένα οξυγόνο δακτυλίου από κάθε αλυσίδα, τα οποία όμως είναι ελαφρώς 59

90 Κεφάλαιο 3 a) b) c) Ca 2+ Σχήμα 3 4: Σχηματική αναπαράσταση του κυψελώδους μοντέλου του αλγινικού πηκτώματος. a,b) Ζώνες σύνδεσης μεταξύ των πολυμερικών αλγινικών μορίων, c) Στοιχειακό κελί της ζώνης σύνδεσης (Khotimchenco et al., 1992). πιο μακριά. Η σταθερότητα των αλυσίδων οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου ανάμεσα στα άλλα καρβοξυλικά οξυγόνα και στις δυο υδροξυλικές ομάδες των διαδοχικών δομικών μονάδων. Αντίθετα, οι διεγκάρσιοι δεσμοί των πολυμαννουρονικών συστάδων οδηγούν σε πολύ επίπεδες δομές με κοιλότητες λιγότερο «βαθιές» που αδυνατούν να συγκρατήσουν τα κατιόντα. Αυτό αποτελεί και την εξήγηση της αδυναμίας των πολυμαννουρονικών αλυσίδων να δημιουργήσουν σύμπλοκα, παρά μόνο σε υψηλές συγκεντρώσεις ιόντων (de Kerchove & Elimech, 2007). Επίδραση της ιοντικής ισχύος στα αλγινικά άλατα Η επίδραση της ιοντική ισχύος είναι ιδιαίτερα σημαντική στην δομή των αλγινικών πηκτωμάτων. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι αλγινικοί πολυσακχαρίτες, παρουσία Ca 2+ δημιουργούν εξαιρετικά συμπαγή, μεγάλης πυκνότητας πηκτώματα, σύμφωνα με τη θεωρία της κυψελοειδούς διαμόρφωσης. Ωστόσο η αύξηση της ιοντικής ισχύος στο διάλυμα έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της πυκνότητας του δημιουργούμενου δικτύου του αλγινικού πηκτώματος (Wang & Spencer, 1998), η οποία με την σειρά της προκαλεί αύξηση του μήκους των αλυσίδων από τις οποίες αποτελείται το πήκτωμα και τελικά οδηγεί στη διόγκωση του πηκτώματος (de Kerchove & Elimelech, 2007). Η εξήγηση της συμπεριφοράς αποδίδεται στο φαινόμενα της ιοντοεναλλαγής. Η αύξηση 60

91 Φυσικοχημικές ιδιότητες ρυπικών ρυπαντών της συγκέντρωσης των αλάτων στο διάλυμα έχει ως αποτέλεσμα, τα μονοσθενή ιόντα Νa + και K +, τα οποία δρουν ανταγωνιστικά ως προς τα ιόντα ασβεστίου, να αντικαθιστούν μέρος από τα ιόντα Ca 2+ στο πλέγμα του πηκτώματος. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με την διείσδυση μορίων νερού στο εσωτερικό των αλγινικών πηκτωμάτων οδηγεί τελικά στη διόγκωσή τους (Lee & Elimelech, 2007). Τέλος, πρέπει να σημειωθεί πως η διαδικασία της επίδρασης των μονοσθενών ιόντων στο αλγινικό πήκτωμα είναι ανάλογη αυτής των συμβατικών διεργασιών ιοντοεναλλαγής. Έτσι, η διαδικασία περιλαμβάνει: α) τη διάχυση των μονοσθενών ιόντων μέσα στο πλέγμα του αλγινικού πηκτώματος και β) το σπάσιμο των δεσμών ασβεστίου αλγινικού άλατος και εναλλαγής των ιόντων ασβεστίου από μονοσθενή ιόντα, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση μορίων πολυσακχαρίτη και το σχηματισμό ενός χαλαρού πλέον πηκτώματος. Επίδραση του ph στα αλγινικά άλατα Η τιμή του ph σε ένα διάλυμα αλγινικών αλάτων καθορίζει το φορτίο των μορίων του, και κατ επέκταση τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις (ελκτικές ή απωστικές) που αναπτύσσονται μεταξύ των λειτουργικών τους ομάδων. Συγκεκριμένα, χαμηλές τιμές του ph οδηγούν στην πρωτονίωση των μορίων και κατά συνέπεια στην εξουδετέρωση του ηλεκτραρνητικού τους φορτίου, ενώ η αύξηση του ph έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αρνητικότητας του μορίων. Επίσης είναι γνωστό ότι, οι καρβοξυλικές και οι φαινολικές ομάδες αποτελούν τις κυρίαρχες λειτουργικές ομάδες των οργανικών μεγαλομοριών που υπάρχουν στα φυσικά νερά και στα απόβλητα (Metcalf & Endy, 2003; Thurman & Malcolm, 1981), καθώς και ότι αύξηση της οξύτητας των μορίων με την αύξηση του ph μέχρι την τιμή 8 αποδίδεται στην αποπρωτονίωση των καρβοξυλικών ομάδων, ενώ για τιμές πάνω από 8, των φαινολικών ομάδων. Με βάση την παρατήρηση ότι η οξύτητα των αλγινικών αλάτων δεν μεταβάλλεται για τιμές του ph>8 (Collins et al., 1986), προκύπτει πως δεν υπάρχει σημαντικός αριθμός φαινολικών ομάδων στο μόριο των αλγινικών αλάτων, και πως οι καρβοξυλικές ομάδες αποτελούν τις κύριες λειτουργικές ομάδες στο μόριο του πολυσακχαρίτη. Διαλυτότητα των αλγινικών αλάτων Η διαλυτότητα των αλγινικών αλάτων στο νερό καθορίζεται από τρεις βασικές παραμέτρους. Κατά πρώτο λόγο, επηρεάζεται από το ph του διαλύματος το οποίο 61

92 Κεφάλαιο 3 καθορίζει την παρουσία ηλεκτροστατικών φορτίων στις ουρονικές ομάδες. Η ιοντική ισχύς του διαλύματος διαδραματίζει επίσης σημαντικό ρόλο, ενώ προφανής είναι και η επίδραση της σκληρότητας του νερού (μέσω της συγκέντρωσης Ca 2+ ) στη μείωση της διαλυτότητας των αλγινικών αλάτων. Η σταθερά διαστάσεως pk a για τα μαννουρονικά και γουλουρονικά μονομερή είναι 3.38 και 3.65 αντίστοιχα, ενώ η τιμή της pk a των αλγινικών πολυμερών βρίσκεται ανάμεσα σε αυτές των μονομερών δομικών μονάδων. Η απότομη μείωση του ph, σε τιμές μικρότερες της σταθεράς pk a προκαλεί την καταβύθιση αλγινικών μορίων, ενώ μια λιγότερη γρήγορη και ελεγχόμενη απελευθέρωση πρωτονίων, μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό πηκτώματος. Η προσθήκη οξέως σε διάλυμα αλγινικού οδηγεί στη καταβύθιση του, κάτω από μια ορισμένη τιμή του ph. H τιμή αυτή καθορίζεται από το μοριακό βάρος του αλγινικού πολυσακαχαρίτη, τη χημική του σύσταση αλλά και από την αλληλουχία των δομικών μονάδων. Οι πολυσακχαρίτες που περιέχουν περισσότερες εναλλασσόμενες δομικές μονάδες (ΜG) τείνουν να καταβυθίζονται σε χαμηλότερες τιμές ph από ότι πολυσακχαρίτες με περισσότερες ομογενείς δομές (είτε Μ Μ blocks είτε G G blocks). Επίσης, η μεταβολή της ιοντικής ισχύος επηρεάζει σημαντικά τη διαλυτότητα του αλγινικού πολυσακχαρίτη, προκαλώντας αλλαγές στη δομή της πολυμερικής του αλυσίδας αλλά και στο ιξώδες του διαλύματος. Σε υψηλές τιμές ιοντικής ισχύος, ο πολυσακχαρίτης όπως έχει ήδη αναφερθεί, χάνει την συνεκτικότητά του, δημιουργώντας χαλαρά συνδεδεμένα ιζήματα, πλούσια σε μαννουρονικές μονάδες. Τέλος, σύμφωνα με το μοντέλο κυψελοειδούς διαμόρφωσης, τα αλγινικά άλατα παρουσία ιόντων ασβεστίου, δημιουργούν συμπαγή σύμπλοκα, με αποτέλεσμα να εμφανίζουν μειωμένη διαλυτότητα σε διαλύματα με υψηλές συγκεντρώσεις ασβεστίου. Η μέγιστη συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου, στην οποία μπορούν να διαλυθούν τα αλγινικά άλατα στο νερό σύμφωνα με τους Draget et al. (2000) θεωρούνται τα 3mM ασβεστίου. Αντίθετα, η παρουσία ιόντων μαγνησίου σε διαλύματα αλγινικών αλάτων δεν προωθεί το σχηματισμό πηκτωμάτων και επομένως δεν επηρεάζει τη διαλυτότητα των αλγινικών αλάτων. 62

93 Φυσικοχημικές ιδιότητες ρυπικών ρυπαντών 3.3. ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΤΟΥ ΣΙΔΗΡΟΥ Για τη μελέτη της κολλοειδούς ρύπανσης από ανόργανους ρυπαντές επιλέχθηκε ως πρότυπος ρυπαντής το οξείδιο του σιδήρου, λόγω της συχνής εμφάνισης του σε αυτοψίες μεμβρανών (Ning & Troyer, 2007), αλλά και λόγω της βαρύτητας που δίνεται από τους κατασκευαστές των μεμβρανών, στην τιμή της συγκέντρωσης του σιδήρου, μέσω των προδιαγραφών, με σκοπό την ομαλή λειτουργία των μεμβρανών (Kucera, 1997; Dow Liquid Separations; Osmonics, Hydranautics). Ως σημαντικότερες πηγές κολλοειδούς σιδήρου στο ρεύμα τροφοδοσίας των μονάδων αντίστροφης ώσμωσης αναφέρονται, τα φυσικώς εμφανιζόμενα σωματίδια, τα προϊόντα διάβρωσης καθώς τα σωματίδια σιδήρου, τα οποία οφείλονται στη μη αποτελεσματική απομάκρυνση των κροκιδωτικών σιδήρου κατά τη διήθηση μέσα από κλίνες. O σίδηρος στη φύση απαντάται σε δύο μορφές: την υδατοδιαλυτή μορφή με σθένος +2 και την αδιάλυτη με σθένος +3. Η διαλυτότητα της υδατοδιαλυτής μορφής καθορίζεται από τη συγκέντρωση των ανθρακικών αλάτων (Applegate & Sackinger, 1987). Η συγκράτηση του Fe 2+ από τις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης είναι όμοια με εκείνη των άλλων δισθενών ιόντων. Ωστόσο, σημαντικά προβλήματα ρύπανσης παρουσιάζονται όταν ο Fe 2+ αντιδρά με υδρόθειο (H 2 S), σχηματίζοντας ίζημα θειούχο σιδήρου (FeS). Ο διαλυτός σίδηρος ωστόσο, με την εισαγωγή αέρα, εύκολα οξειδώνεται, δημιουργώντας αδιάλυτες ενώσεις όπως Fe(OH) 3, FeOOH και Fe 3 O 4. Στην περίπτωση παρουσίας ισχυρών οξειδωτικών μέσων, όπως είναι το χλώριο, το υπερμαγγανικό κάλιο και το όζον, ο σίδηρος οξειδώνεται εξαιρετικά εύκολα, ακόμη και κάτω από όξινες συνθήκες. Σε συνθήκες ουδέτερου ph ( ph 7.0) σχηματίζονται αυθόρμητα σωματίδια οξειδίου του σιδήρου και επικρατούν συνθήκες έντονης ρύπανσης των μεμβρανών. Η διαλυτότητα του Fe 3+ σε υφάλμυρο και θαλασσινό νερό καθορίζεται από τη διαλυτότητα του Fe(OH) 3. Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σύμφωνα με τους Stumm και Morgan (1996) είναι : Fe 3+ + H 2 O FeOH 2+ + H + (3.1a) Fe H 2 O Fe(OH) H + 2Fe H 2 O Fe 2 (OH) H + Fe H 2 O Fe(OH) 3 (aq) + 3H + (3.1b) (3.1c) (3.1d) 63

94 Κεφάλαιο 3 Fe H 2 O Fe(OH) 4 + 4H + 2Fe H 2 O Fe 2 (OH) 2 + 2H + 3Fe H 2 O Fe 3 (OH) 4 + 4H + Fe(OH) 3 (s) + 3H + Fe H 2 O (3.1e) (3.1f) (3.1g) (3.1h) Για τιμές ph στην περιοχή του 5 9, η διαλυτότητα των ιόντων σιδήρου είναι μικρότερη από 1 ppb. Λόγω της εξαιρετικά χαμηλής διαλυτότητας του σιδήρου, οι κατασκευαστές μεμβρανών συστήνουν ότι η συγκέντρωση των ιόντων σιδήρου, δεν θα πρέπει να ξεπερνά τα 0.05 ppm στο ρεύμα τροφοδοσίας. Στη παρούσα μελέτη, ο Fe 3+ εισάγεται σε διαλυτή μορφή με ρυθμό 10 ml/min στο ρεύμα τροφοδοσίας και λόγω του υψηλού ph (ph=7.0) καθιζάνει, δημιουργώντας κολλοειδή σωματίδια. Γίνεται λοιπόν σαφές, ότι η πειραματική διαδικασία που ακολουθείται για την εισαγωγή των ιόντων σιδήρου στο ρεύμα τροφοδοσίας προσομοιώνει επαρκώς τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε μονάδες μεμβρανών, με εξαίρεση το στάδιο της οξείδωσης του σιδήρου. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι ιδιαίτερη μέριμνα έχει δοθεί στην διατήρηση διαλυμάτων σιδήρου σε διαλυτή μορφή. Από τις τιμές των σταθερών ισορροπίας των αντιδράσεων προσδιορίστηκε η τιμή του ph, για τις οποίες εμποδίζεται ο σχηματισμός Fe(OH) 3. Έτσι, με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας διαλύματος HCl, το ph των πρότυπων διαλυμάτων σιδήρου, ρυθμίστηκε στην τιμή 2. 64

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 4.1. ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ Πειραματική διάταξη Για την μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης από οργανικούς ρυπαντές, κατασκευάστηκε η διάταξη που απεικονίζεται στο Σχήμα 4 1. Τα σημαντικότερα τμήματα από τα οποία αποτελείται, είναι τα ακόλουθα: Κελί διήθησης Το κελί διήθησης, στο οποίο πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα υπερδιήθησης για την μελέτη της οργανικής ρύπανσης, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο εργαστήριο Φυσικών πόρων και Εναλλακτικών Μορφών ενέργειας (Ε.Φ.Ε.Μ.) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Τ.Α.). Το κυρίως τμήμα του κελιού αποτελείται από ένα κυλινδρικό σωλήνα, κατασκευασμένο από Plexiglas, ύψους 10 cm και εσωτερικής διαμέτρου 2.2 cm. Στο κάτω μέρος του κυλίνδρου μέσω μιας εσωτερικής εσοχής, υπάρχει η δυνατότητα τοποθέτησης μαγνητικής ράβδου. Ο κυλινδρικός σωλήνας εφαρμόζει πάνω σε βάση στήριξης, κατασκευασμένη επίσης από Plexiglas, ενώ στο εσωτερικό της βάσης τοποθετείται ένας πορώδης, ανοξείδωτος δίσκος όπου και τοποθετείται η μεμβράνη υπερδιήθησης. Η χρησιμοποίηση του δίσκου, εκτός της στήριξης που παρέχει στο επίπεδο κομμάτι της μεμβράνης, ταυτόχρονα οδηγεί το ρεύμα του παραγόμενου διηθήματος προς την έξοδο του κελιού. Η συγκράτηση του κυλινδρικού σωλήνα με το επάνω τμήμα γίνεται με ειδικές βίδες, ενώ 65

96 Κεφάλαιο 4 για την καλύτερη στεγανοποίηση του κελιού, χρησιμοποιήθηκαν στα σημεία επαφής ελαστικά δακτυλίδια (Ο rings). Στο κελί διήθησης γίνεται κατά μέτωπο διήθηση (dead end mode), η οποία αποτελεί και τον πιο συνηθισμένο τρόπο λειτουργίας των περισσότερων μονάδων με μεμβράνες υπερδιήθησης (Kennedy et al., 2008). Κατά τη λειτουργία της πειραματικής διάταξης, το διάλυμα τροφοδοσίας εισέρχεται από το επάνω τμήμα του κελιού στο εσωτερικό του κυλινδρικού σωλήνα λόγω της ασκούμενης πίεσης από μια φιάλη Ν 2. Το διήθημα αφού διέλθει από τη μεμβράνη υπερδιήθησης, εξέρχεται από το σημείο εξόδου που βρίσκεται στο κάτω τμήμα του κελιού (βλ. Σχήμα 4 2) και τελικά συλλέγεται σε γυάλινο ποτήρι, το οποίο είναι τοποθετημένο πάνω σε ηλεκτρονικό ζυγό συνδεδεμένο με ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη συλλογή των δεδομένων. Membrane unit Computer Magnetic stirrer Balance Σχήμα 4 1: Γραφική παράσταση της πειραματικής διάταξης υπερδιήθησης. Δοχείο τροφοδοσίας υπό πίεση Για την τροφοδοσία του διαλύματος του ρυπαντή στο κελί διήθησης χρησιμοποιήθηκε κυλινδρικό δοχείο όγκου 350 ml, κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα, το οποίo και ήταν συνδεδεμένο με το δίκτυο του πεπιεσμένου αέρα (φιάλη N 2 ). Το δοχείο πίεσης ήταν τοποθετημένο πάνω σε πλάκα μαγνητικού αναδευτήρα (Cimarec 2 SP ), έτσι ώστε να πραγματοποιείται συνεχής ανάδευση του διαλύματος τροφοδοσίας. 66

97 Πειραματικό μέρος Συστήματα μέτρησης της πίεσης Για τον προσδιορισμό αλλά και ρύθμιση της εφαρμοζόμενης πίεσης του αερίου στο δοχείο τροφοδοσίας, χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά ρυθμιστικά μανόμετρα γλυκερίνης, τοποθετημένα σε σειρά, μετά την φιάλη Ν 2. Το εύρος λειτουργίας για κάθε ρυθμιστική διάταξη ήταν: bar (L. SAUVACEAU) για την πρώτη, 0 15 bar (Kindmen) για τη δεύτερη και bar (Fimet) για την τελευταία. Δοχεία Η συλλογή του διηθήματος χρησιμοποιήθηκαν γυάλινα ποτήρια ζέσεως, η χωρητικότητα των οποίων εξαρτιόταν από την συνολική ποσότητα διηθήματος που παραγόταν σε κάθε πείραμα. Ηλεκτρονικός ζυγός Για την συνεχή καταγραφή του βάρους (και κατά συνέπεια της ογκομετρικής παροχής) του διηθήματος χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικός ζυγός (Mettler Toledo PB 3001). Ο ζυγός εμφάνιζε ακρίβεια ενός δεκαδικού ψηφίου και επάνω του ήταν τοποθετημένο το ποτήρι για την συλλογή του παραγόμενου διηθήματος. Ηλεκτρονικός υπολογιστής Για την ανάκτηση των ενδείξεων βάρους από τον ηλεκτρονικό ζυγό σε ηλεκτρονική μορφή, έγινε σύνδεση του ηλεκτρονικού ζυγού με ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος ήταν εφοδιασμένος με ειδικό πρόγραμμα καταγραφής. Το πρόγραμμα αυτό δίνει τη δυνατότητα καταγραφής της μάζας του διηθήματος ανά προκαθορισμένα διαστήματα, ενώ ταυτόχρονα παρίσταται γραφικά η μεταβολή του βάρους του διηθήματος συναρτήσει του χρόνου. Στα πειράματα υπερδιήθησης, η καταγραφή της τιμής του βάρους του διηθήματος γινόταν με συχνότητα 30 s. Φιάλη Ν 2 Για την επιβολή πίεσης στη διάταξη, με στόχο την συνεχή τροφοδοσία των διαλυμάτων στο κελί διήθησης, χρησιμοποιήθηκε φιάλη Ν 2 υψηλής καθαρότητας. 67

98 Κεφάλαιο 4 Βαλβίδα εκτόνωσης Τροφοδοσία Διήθημα Μεμβράνη Σχήμα 4 2: Εικόνα του κελιού διήθησης, στο οποίο πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα υπερδιήθησης Πειραματική διαδικασία πειραματικές συνθήκες Για την μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης χρησιμοποιήθηκαν πρότυπες οργανικές ενώσεις, αντιπροσωπευτικές των βασικών κατηγοριών οργανικής και κολλοειδούς ρύπανσης που απαντώνται στα φυσικά νερά καθώς και στα επεξεργασμένα αστικά λύματα. Συγκεκριμένα, ως τυπικοί ρυπαντές της φυσικής οργανικής ύλης χρησιμοποιήθηκαν χουμικά οξέα εδαφικής προέλευσης (Sigma Aldrich) με στόχο να προσομοιώσουν την συμπεριφορά του υδρόφοβου τμήματος της φυσικής οργανικής ύλης, ενώ ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου αποτέλεσε τον τυπικό αντιπρόσωπο των εξωκυτταρικών πολυμερικών ενώσεων. Τέλος, για την μελέτη της κολλοειδούς ρύπανσης χρησιμοποιήθηκαν οξείδια του σιδήρου. Πριν όμως την διεξαγωγή πειραμάτων υπερδιήθησης, κρίθηκε σκόπιμο να γίνει προσπάθεια χαρακτηρισμού του μεγέθους των δύο οργανικών ρυπαντών. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσδιορισμού της κατανομής των μοριακών βαρών των χουμικών οξέων και του αλγινικού νατρίου με τη μέθοδο της κλασματοποίησης. 68

99 Πειραματικό μέρος Κατανομή μοριακών βαρών Οι δύο οργανικοί ρυπαντές (τα χουμικά οξέα και το αλγινικό νάτριο), δεν χαρακτηρίζονται από μια συγκεκριμένη τιμή μοριακού βάρους, αλλά αντίθετα καλύπτουν μια ευρεία περιοχή μοριακών βαρών εξαιτίας των διαφορετικών μοριακών κλασμάτων που εμπεριέχουν. Επιπρόσθετα, η κατανομή των μοριακών βαρών, φέρεται να επηρεάζεται σημαντικά από τις εκάστοτε πειραματικές συνθήκες (ph, ιοντική ισχύς). Δεδομένου επίσης ότι η συγκέντρωση των δισθενών ιόντων ενισχύει σημαντικά στην συσσωμάτωση των μορίων των πρότυπων ρυπαντών δημιουργώντας μακρομοριακές αλυσίδες, πραγματοποιήθηκε παράλληλα μια σύντομη μελέτη της επίδρασης ιόντων Ca 2+ στην κατανομή του μοριακού βάρους των δύο ρυπαντών. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί, πως τα ιόντα ασβεστίου απαντώνται σε διάφορες συγκεντρώσεις σε όλες τις κατηγορίες των επιφανειακών υδάτων. Έτσι, μετρήθηκαν δύο κατανομές για κάθε ρυπαντή. Η μία αφορούσε συνθήκες απουσία ιόντων Ca 2+, ενώ στην άλλη, η συγκέντρωση ασβεστίου ήταν ίση με εκείνη των μετρήσεων υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης (2 mμ). Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της κατανομής των μοριακών βαρών ήταν όμοια με αυτήν που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα υπερδιήθησης (Σχήμα 4 1). Τα κύρια χαρακτηριστικά του κελιού διήθησης συνοψίζονται στον Πίνακα 4 1. Όπως έχει αναφερθεί, ο προσδιορισμός της κατανομής πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της κλασματοποίησης κάνοντας χρήση ειδικού μεγέθους μεμβρανών υπερδιήθησης. Οι μεμβράνες που χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό είναι οι εξής: Y100, Y30 και Y10 της εταιρίας Millipore με τα μοριακά όρια διαχωρισμού τους να είναι 100, 30 και 10 kda, αντίστοιχα. Πρόκειται για επίπεδους κυκλικούς δίσκους, διαμέτρου 25 mm, κατασκευασμένους από αναγεννημένη κυτταρίνη (regenerated cellulose). Η συχνή χρησιμοποίηση τους, κατά την εφαρμογή της μεθόδου κλασματοποίησης, οφείλεται στην ιδιότητα τους να μην αλληλεπιδρούν με τις περιεχόμενες ενώσεις των προς μελέτη διαλυμάτων, με αποτέλεσμα την απουσία φαινομένων προσρόφησης στην επιφάνεια της μεμβράνης. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της κατανομής των μοριακών βαρών αποτελείται από τα παρακάτω βήματα: Αρχικά, στο κελί διήθησης (βλ. Σχήμα 4 2) εισάγονται 30 ml διαλύματος του ρυπαντή συγκέντρωσης 10 mg/l και στη συνέχεια με την επιβολή σταθερής πίεσης 55 psi (380 kpa), το διάλυμα διέρχεται μέσω της μεμβράνης. Η διήθηση ολοκληρώνεται, όταν διέλθει το 80% του αρχικού όγκου του διαλύματος τροφοδοσίας (δηλαδή τα 24 ml). Η πίεση που εφαρμόζεται στο 69

100 Κεφάλαιο 4 Πίνακας 4 1. Βασικά χαρακτηριστικά του κελιού διήθησης για τον προσδιορισμό της κατανομής μοριακών βαρών. Υλικό κατασκευής Plexiglas Όγκος κελιού 35 ml Διάμετρος μεμβράνης 2.2 cm Ενεργός επιφάνεια διήθησης 3.8 cm 2 κελί διήθησης προέρχεται από φιάλη N 2 υψηλής καθαρότητας. Το ποσοστό συγκράτησης του ρυπαντή από τη μεμβράνη προσδιορίζεται με τη μέτρηση της συγκέντρωσης του διηθήματος. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για την ίδια τιμή συγκέντρωσης του κάθε ρυπαντή (10 mg/l) και με τις υπόλοιπες μεμβράνες. Με τον τρόπο αυτόν, προκύπτει τελικά η κατανομή των μοριακών βαρών του κάθε ρυπαντή για τις τέσσερις περιοχές α)< 10 kda, β) kda, γ) kda και δ)> 100 kda. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στο εσωτερικό του κελιού διήθησης επικρατούν συνθήκες συνεχούς ανάδευσης, με στόχο την αποφυγή ανάπτυξης φαινομένων συσσωμάτωσης των μορίων του ρυπαντή στην επιφάνεια της μεμβράνης και συνεπώς την ελάττωση των ανεπιθύμητων φαινομένων πόλωσης συγκέντρωσης. Η παραπάνω διαδικασία προσδιορισμού της κατανομής των μοριακών βαρών δεν τελεσφόρησε στην περίπτωση των μιγμάτων των χουμικών οξέων και του πολυσακχαρίτη. Αιτία αυτού, αποτέλεσε το γεγονός ότι τα μίγματα των οργανικών ρυπαντών και ιδιαίτερα παρουσία ιόντων Ca +2, εμφανίζουν ισχυρές τάσεις συσσωμάτωσης με αποτέλεσμα την συνεχή μεταβολή της σύστασής του. Έτσι, ο υπολογισμός της σύστασης τους καθίσταται προβληματικός, και ιδιαίτερα σε περιπτώσεις ενώσεων χαμηλού μοριακού βάρους οδηγούμαστε σε μη αντιπροσωπευτικά και αναξιόπιστα συμπεράσματα. Πειράματα υπερδιήθησης Για την πληρέστερη και πιο διεξοδική μελέτη της οργανικής ρύπανσης, εκτός των πειραμάτων με χρήση μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα με μεμβράνες υπερδιήθησης, με στόχο την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων στην προσπάθεια βελτίωσης των τεχνικών πρόβλεψης της ρύπανσης. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τους πρότυπους ρυπαντές, όπως α) χουμικά 70

101 Πειραματικό μέρος οξέα, β) πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου, γ) μίγματα αυτών, δ) καθώς και οξείδια του σιδήρου. Στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα υπερδιήθησης με δείγματα από φυσικά νερά. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η τάση ρύπανση μεμβρανών υπερδιήθησης από πραγματικά δείγματα θαλασσινού νερού, τα οποία προηγουμένως είχαν διέλθει μέσα από κλίνη άμμου καθώς και δείγματα από τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα της περιοχής του δήμου Θέρμης. Η συγκέντρωση των πρότυπων ρυπαντών κυμάνθηκε στην περιοχή 0.75 έως 20 mg/l. Οι σχετικά υψηλές τιμές συγκέντρωσης των πρότυπων ρυπαντών, σε σχέση με αυτές που απαντώνται στα φυσικά νερά, χρησιμοποιούνται για επιτάχυνση των πειραμάτων με στόχο τον περιορισμό του χρόνου διεξαγωγής των εργαστηριακών μετρήσεων. Ωστόσο, τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των μεμβρανών και σε χαμηλότερες και πιο ρεαλιστικές τιμές συγκέντρωσης. Η επιβαλλόμενη πίεση στο κελί υπερδιήθησης κυμάνθηκε σε σχετικά χαμηλά επίπεδα, 5 40 psi, αποφεύγοντας με τον τρόπο αυτόν φαινόμενα συμπίεσης της μεμβράνης (membrane compaction). Γενικά, η επιλογή των συνθηκών λειτουργίας των πειραμάτων υπερδιήθησης έγινε με γνώμονα την επίτευξη συνθηκών, παρόμοιων με εκείνων της αντίστροφης ώσμωσης, ώστε να είναι δυνατή η αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων. Έτσι, το ph των διαλυμάτων τροφοδοσίας ρυθμίστηκε στην τιμή 7.0 με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας διαλυμάτων 0.1Μ NaOH, ενώ μελετήθηκε η επίδραση της αλατότητας στα 500 mg/l (σε συγκέντρωση NaCl) και 2000 mg/l, με την προσθήκη της κατάλληλης ποσότητας ΝaCl. Επίσης, η συγκέντρωση Ca 2+ σε όλα τα διαλύματα τροφοδοσίας (εκτός των πειραμάτων με κολλοειδή σίδηρο στα οποία δεν χρησιμοποιήθηκε) ήταν 2 mm. Αναλυτικά, οι συνθήκες των πειραμάτων υπερδιήθησης με τους πρότυπους ρυπαντές αλλά και με δείγματα από φυσικά νερά, παρουσιάζονται στους Πίνακες 4 2 και 4 3. Η διαδικασία που ακολουθείται στα πειράματα υπερδιήθησης είναι η εξής: Μία ημέρα πριν από κάθε πείραμα, το δισκίο της μεμβράνης μεταφέρεται από το δοχείο συντήρησης όπου αρχικά ήταν αποθηκευμένο, σε ποτήρι ζέσεως γεμάτο με διςαπεσταγμένο νερό και παραμένει εκεί για περίπου 24h. Στο διάστημα αυτό πραγματοποιείται αντικατάσταση του νερού ανά τακτά χρονικά διαστήματα, έτσι ώστε 71

102 Κεφάλαιο 4 Πίνακας 4 2: Συνθήκες πειραμάτων υπερδιήθησης με πρότυπους ρυπαντές. Πίεση Συγκέντρωση Πίεση Συγκέντρωση Πίεση Συγκέντρωση Χουμικά Οξέα (100%) P=5 psi C b = 5 mg/l P=10 psi C b = 5 mg/l P=20 psi C b = 5 mg/l P=5 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=5 psi C b =15 mg/l P=10 psi C b =15 mg/l P=20 psi C b =15 mg/l P=5 psi C b =20 mg/l P=10 psi C b =20 mg/l P=20 psi C b =20 mg/l Αλγινικό νάτριο (100%) P=5 psi C b =2.5 mg/l P=10 psi C b =2.5 mg/l P=20 psi C b =2.5 mg/l P=5 psi C b = 5 mg/l P=10 psi C b =5 mg/l P=20 psi C b =5 mg/l P=5 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=5 psi C b =20 mg/l P=10 psi C b =20 mg/l P=20 psi C b =20 mg/l Μίγμα Χουμικών οξέων Αλγινικού νατρίου(75% 25%) P=5 psi C b = 6 mg/l P=10 psi C b = 6 mg/l P=15 psi C b = 6 mg/l P=5 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=15 psi C b =10 mg/l P=5 psi C b =16 mg/l P=10 psi C b =16 mg/l P=15 psi C b =16 mg/l P=5 psi C b =20 mg/l P=10 psi C b =20 mg/l P=15 psi C b =20 mg/l P=20 psi C b = 6 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=20 psi C b =16 mg/l P=20 psi C b =20 mg/l Μίγμα Χουμικών οξέων Αλγινικού νατρίου(50% 50%) P=5 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=30 psi C b =10mg/L Οξείδια του σιδήρου P=5 psi C b = 5 mg/l P=5 psi C b =10 mg/l P=5psi C b =10 mg/l P=5 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b =10 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=10 psi C b = 5 mg/l P=20 psi C b =10 mg/l P=40 psi C b =10 mg/l *Τα πειράματα του οξειδίου του σιδήρου έγιναν σε διαφορετικές τιμές αλατότητας, ι)χωρίς προσθήκη NaCl, ii)500 mg/l NaCl και iii) 2000 mg/l NaCl. να απομακρυνθούν όλα τα συντηρητικά που συνήθως υπάρχουν στη μεμβράνη (Wright et al., 2005). Για την συντήρηση των μεμβρανών, όπως προτείνεται και από τους κατασκευαστές, οι μεμβράνες τοποθετούνται σε διάλυμα 0.75 % κ.β. sodium metabisulfite και φυλάσσονται σε σκιερό και δροσερό μέρος. Η αντικατάσταση του διαλύματος συντήρησης γίνεται μηνιαίως. 72

103 Πειραματικό μέρος Μετά την παρασκευή των διαλυμάτων τροφοδοσίας με αραίωση των συμπυκνωμένων διαλυμάτων σε δις απεσταγμένο νερό και την τοποθέτηση της μεμβράνης στο κελί διήθησης, ακολουθεί η πλήρωση του δοχείου τροφοδοσίας με 250 ml διαλύματος τροφοδοσίας. Το διάλυμα αυτό, βρίσκεται υπό συνεχή ανάδευση για την αποφυγή δημιουργίας συσσωματωμάτων. Όταν τοποθετηθούν και συνδεθούν όλα τα επιμέρους στοιχεία της διάταξης, η διήθηση ξεκινά με την εφαρμογή της εξωτερικής πίεσης από τη φιάλη Ν 2. Το παραγόμενο διήθημα συλλέγεται σε ποτήρι ζέσεως το οποίο είναι τοποθετημένο πάνω στον ηλεκτρονικό ζυγό, και έτσι τα δεδομένα του βάρους του καταγράφονται συνεχώς στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η χρονική διάρκεια κάθε πειράματος είναι περίπου 2 3 h. Το διάστημα αυτό κρίνεται επαρκές για να δημιουργηθεί στοιβάδα επικαθήσεων στην επιφάνεια της μεμβράνης, η οποία αποτελεί και τον κυρίαρχο μηχανισμό ρύπανσης. Τέλος, σημειώνεται πως ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης του διηθήματος έγινε για τα διαλύματα του κολλοειδούς σιδήρου με μετρήσεις ατομικής απορρόφησης και για τους οργανικούς ρυπαντές με μετρήσεις του ολικού οργανικού άνθρακα (TOC). Πίνακας 4 3: Συνθήκες πειραμάτων υπερδιήθησης με δείγματα φυσικών νερών. Αριθμός δείγματος Πίεση Αριθμός δείγματος Πίεση Θαλασσινό νερό 5 psi 5 psi Δείγμα 1 ο 10 psi Δείγμα 2 ο 10 psi 20 psi 20 psi 5 psi 5 psi Δείγμα 3 ο 10 psi Δείγμα 4 ο 10 psi 20 psi 20 psi 5 psi 5 psi Δείγμα 5 ο 10 psi Δείγμα 6 ο 10 psi 20 psi 20 psi 5 psi 5 psi Δείγμα 7 ο 10 psi Δείγμα 8 ο 10 psi 20 psi 20 psi 5 psi 5 psi Δείγμα 9 ο 10 psi Δείγμα 10 ο 10 psi 20 psi 20 psi 73

104 Κεφάλαιο ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ Πειραματική διάταξη Με σκοπό τη μελέτη της οργανικής ρύπανσης σε μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης κατασκευάστηκε η πειραματική διάταξη εργαστηριακής κλίμακας που απεικονίζεται στο Σχήμα 4 4. Κύριο χαρακτηριστικό του τρόπου λειτουργίας της είναι η συνεχής απόρριψη των ρευμάτων του συμπυκνώματος και του διηθήματος (open loop operation) καθώς και η συνεχής ανανέωση του ρεύματος τροφοδοσίας. Τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται η πειραματική διάταξη είναι: Το κελί διήθησης Τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης πραγματοποιήθηκαν σε κελί εφαπτομενικής ροής, αποτελούμενο από δύο επίπεδες πλάκες, κατασκευασμένες από ανοξείδωτο χάλυβα 318. Στην κάτω πλάκα έχει τοποθετηθεί πορώδες υλικό από ατσάλι, πάνω στο οποίο τοποθετείται το ορθογώνιο κομμάτι της μεμβράνης. Η συγκράτηση των δύο επίπεδων πλακών γίνεται με τη χρήση βιδών, ενώ για την καλύτερη στεγανοποίηση του κελιού χρησιμοποιήθηκαν δύο ελαστικά δακτυλίδια (Ο rings). Όλες οι μετρήσεις έγιναν με την προσθήκη ένθετου μεμβράνης (spacer), πάχους 0.7 mm, προερχόμενου από εμπορικό στοιχείο αντίστροφης ώσμωσης της εταιρίας Osmonics (ΑG). Η χρησιμοποίηση του ένθετου συμβάλλει στη δημιουργία συνθηκών τυρβώδους ροής με συνέπεια την ανάπτυξη μεγαλύτερων συντελεστών μεταφοράς μάζας και τη μείωση του φαινομένου της πόλωσης συγκέντρωσης. Η χρήση του ενθέτου αποτελεί πάγια πρακτική σε εμπορικά στοιχεία μεμβρανών σπειροειδούς διαμόρφωσης. Το κελί διήθησης έχει τη δυνατότητα λειτουργίας σε τιμές πίεσης έως περίπου 300 psi ( 121 bar), με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του καναλιού που δημιουργείται στο εσωτερικό του να είναι τα εξής: μήκος 24 cm, πλάτος 5.4 cm, και 1 mm ύψος. Με βάση τις παραπάνω διαστάσεις, προκύπτει ότι η ενεργός επιφάνεια του κελιού είναι m 2, ενώ η διατομή κάθετη στην εφαπτομενική ροή είναι m 2. Στο Σχήμα 4 3 απεικονίζεται σε κάτοψη η κάτω πλάκα του κελιού διήθησης. Αντλίες τροφοδοσίας Για τη μεταφορά του ρεύματος τροφοδοσίας από το δοχείο τροφοδοσίας στο κελί διήθησης, αλλά και ταυτόχρονα για την επίτευξη των επιθυμητών τιμών ανηγμένης ροής στο διήθημα, χρησιμοποιήθηκε η αντλία CRNE 2 υψηλής πίεσης της εταιρίας 74

105 Πειραματικό μέρος 24 cm 5.4 cm Σχήμα 4 3: Κάτω τμήμα του κελιού διήθησης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης. GROUNFOS. Χαρακτηριστικό της αντλίας είναι ότι τα τμήματα της που έρχονται σε επαφή με το υδατικό ρεύμα είναι ανοξείδωτα (stainless steel 316), για την αποφυγή διάβρωσης λόγω της παρουσίας αλάτων. Η μέγιστη τιμή πίεσης που μπορεί η αντλία να επιτύχει, σύμφωνα με τον κατασκευαστή, είναι τα 352 psi. Εκτός της αναφερθείσας αντλίας, χρησιμοποιήθηκαν άλλες τρεις δοσομετρικές αντλίες FMI (Σχήμα 4 4), για την εισαγωγή του διαλύματος του ρυπαντή (αντλία N o 1), για την ρύθμιση της αλατότητας (αντλία N o 2) και τη ρύθμιση του ph (αντλία N o 3). Η παροχή της αντλίας N o 1 διατηρήθηκε σταθερή στα 10 ml/min σε όλες τις μετρήσεις, ενώ η παροχή της αντλίας N o 2 καθοριζόταν ανάλογα από την επιθυμητή τιμή της αλατότητας στο ρεύματος της τροφοδοσίας. Tέλος, η αντλία N o 3 αποτελεί τμήμα της ρυθμιστικής διάταξης που υπάρχει στην διάταξη για τη ρύθμιση του ph. Η αναλυτική της περιγραφή γίνεται στην συνέχεια της εργασίας. Αισθητήρες μέτρησης της πίεσης Η μέτρηση της πίεσης έγινε με τη βοήθεια δύο αισθητήρων πίεσης (OMEGA PX G5V) που ήταν τοποθετημένοι στην είσοδο και στην έξοδο του κελιού διήθησης. Έτσι, σε κάθε στιγμή ήταν γνωστή τόσο η πίεση του ρεύματος τροφοδοσίας όσο και του συμπυκνώματος. Σύστημα ψύξης Το σύστημα ψύξης είναι επιτρέπει τη διατήρηση της θερμοκρασίας στους 25 ο C. Τα κύρια μέρη του συστήματος είναι: α) σπείρα ψύξης από χάλυβα, η οποία είναι εμβαπτισμένη μέσα στο δοχείο τροφοδοσίας, β) θερμοστοιχείο (Omega TMTX 80) για την μέτρηση της θερμοκρασίας του δοχείου τροφοδοσίας, γ) ηλεκτρονική ρυθμιστική βάνα (Research Control, Model E.V.A. 1) και δ) εξωτερικός ψύκτης. 75

106 Κεφάλαιο 4 Φίλτρο φυσιγγίου Φίλτρο φυσιγγίου (cartridge filter) 5 μm τοποθετήθηκε στο ρεύμα τροφοδοσίας για την συγκράτηση των αιωρούμενων στερεών (suspended solids) και πιθανώς της σκουριάς και της άμμου που υπάρχουν στο νερό τροφοδοσίας. Το φίλτρο είναι κατασκευασμένο από πολυπροπυλένιο, ενώ οι μέγιστες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας για τις οποίες εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία του είναι 8 bar και 50 o C, αντίστοιχα. Ψηφιακό ροόμετρο Ένα ψηφιακό ροόμετρο (Optiflow 1000, Humonics) με εύρος λειτουργίας 1 30 ml/min είναι τοποθετημένο στο ρεύμα του διηθήματος και συνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή για την συνεχή καταγραφή της ογκομετρικής παροχής του διηθήματος. Ένα δεύτερο ροόμετρο (Flo sensor Model 111, McMillan) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της παροχής του συμπυκνώματος. Ηλεκτρονικός υπολογιστής και πρόγραμμα καταγραφής Τα δεδομένα της ογκομετρικής παροχής του διηθήματος καταγράφονται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή, με τη χρήση του εμπορικού προγράμματος PC 1000 της εταιρίας Humonics. Η καταγραφή είναι συνεχής, ενώ το χρονικό διάστημα μεταξύ δυο διαδοχικών μετρήσεων καθορίστηκε στα 15 min. Ρυθμιστικές βάνες Τρεις ρυθμιστικές βάνες τοποθετημένες εν σειρά στο ρεύμα του συμπυκνώματος, εξασφαλίζουν σταθερή τιμή εφαπτομενικής ταχύτητας (19 cm/s) σε όλα τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Επίσης όπως φαίνεται και στο σχήμα της πειραματικής διάταξης (Σχήμα 4 4), χρησιμοποιούνται άλλες δύο ρυθμιστικές βάνες, λειτουργίας ΟΝ/ΟFF. Η μία χρησιμοποιείται στο ρεύμα παράκαμψης (by pass) της κύριας αντλίας, ενώ η δεύτερη στην είσοδο του κελιού διήθησης, εξασφαλίζοντας τη δυνατότητα διακοπής της τροφοδοσίας. Αμμόφιλτρο Πρόκειται για ένα αμμόφιλτρο κυλινδρικού σχήματος, μονοστρωμματικής κλίνης χαλαζιακής άμμου, με κοκκομετρία mm. Το ύψος της κλίνης είναι 60 cm ενώ η διάμετρος της ανέρχεται στα 20 cm. Η κλίνη βρίσκεται υπό πίεση, για την επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων ροής. Ρυθμιστική διάταξη ph Η ρυθμιστική διάταξη για την διατήρηση του ph στην τιμή 7.0±0.1, αποτελείται από α) ένα, εμβαπτιζόμενο στο ρεύμα τροφοδοσίας, ηλεκτρόδιο ph (Cole Parmer), β) δοχείο 76

107 Πειραματικό μέρος χωρητικότητας 10 L το οποίο περιέχει διάλυμα 1Ν HCl, γ) μία MFI αντλία, δ) έναν μεταλλάκτη (transducer) (Jenco Electronics, LTD Model 695PH) και ε) τον ρυθμιστή του ph (ph controller). O ρυθμιστής του ph λαμβάνει το ηλεκτρικό σήμα από το ηλεκτρόδιο του ph και στη συνέχεια καθορίζει την ποσότητα του διαλύματος HCl που θα πρέπει να εισέλθει στο ρεύμα τροφοδοσίας, μέσω της δοσομετρικής αντλίας, έτσι ώστε το ph της τροφοδοσίας να διατηρείται πάντα σταθερό (ph=7). Δοχεία τροφοδοσίας Η χωρητικότητα του δοχείου τροφοδοσίας της πειραματικής διάταξης είναι περίπου 30 L. Με δεδομένο ότι ο ρυθμό τροφοδοσίας είναι 1.8 L/min, προκύπτει ότι ο μέσος χρόνος παραμονής του νερού τροφοδοσίας και των ρυπαντών στο δοχείο είναι περίπου 17 min. Στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης χρησιμοποιήθηκαν επίσης δύο μικρότερα δοχεία πολυαιθυλαινίου, χωρητικότητας 10 L το καθένα, για την εισαγωγή του ρυπαντή και του ΗCl στο ρεύμα τροφοδοσίας. Τέλος, για την ρύθμιση της αλατότητας στο σύστημα, χρησιμοποιήθηκε δοχείο από το ίδιο πολυμερικό υλικό, χωρητικότητας 250 L, που περιείχε διάλυμα NaCl περιεκτικότητας 18% κ.β. 77

108 Κεφάλαιο 4 Νερό τροφοδοσίας οχείο ρυπαντών οχείο NaCl οχείο οξέος ιήθηµα Φίλτρο άµµου Ρυθµιστής ph Φίλτρο 5µm PC Ροόµετρο Αισθητήρας πίεσης Ροόµετρο Συµπύκνωµα Σπείρα ψύξης Αισθητήρας πίεσης Καταγραφή δεδοµένων Απόχέτευση οχείο τροφοδοσίας Σχήμα 4 4: Πειραματική διάταξη αντίστροφης ώσμωσης. 78

109 Πειραματικό μέρος Πειραματική διαδικασία πειραματικές συνθήκες Για τη μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης, ως πρότυποι οργανικοί ρυπαντές, χρησιμοποιήθηκαν χουμικά οξέα εδαφικής προέλευσης (humic acids) και ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου (sodium alginate). Τα χουμικά οξέα αποτελούν σημαντικό κομμάτι της φυσικής οργανικής ύλης (Νatural Organic Matter), ενώ ο πολυσακχαρίτης είναι αντιπροσωπευτικός των εξωκυτταρικών πολυμερικών ενώσεων (Extracellular Polymeric Substances, EPS). Οι δύο παραπάνω κατηγορίες οργανικών ενώσεων απαντώνται τόσο στo θαλασσινό νερό όπως επίσης και στα επιφανειακά νερά και στο απόρρευμα μονάδων επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες των δύο ρυπαντών παρουσιάζονται κεφάλαιο 3. Πειράματα αντίστροφης ώσμωσης πραγματοποιήθηκαν επίσης, με κολλοειδή σίδηρο, τροφοδοτώντας στο σύστημα χλωριούχο σιδήρο (ferric chloride). Τα οξείδια του σιδήρου που προκύπτουν κατά την διάλυσή του στο νερό, εμφανίζουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των ανόργανων κολλοειδών συστημάτων και έχουν συμπεριληφθεί στην παρούσα διατριβή με σκοπό την μελέτη και σύγκριση των δύο κατηγοριών ρύπανσης (δηλαδή από οργανικά και ανόργανα συστατικά). Σε κάθε πείραμα αντίστροφης ώσμωσης χρησιμοποιήθηκε διαφορετικό κομμάτι μεμβράνης, το οποίο προέρχεται από εμπορικό στοιχείο σπειροειδούς διαμόρφωσης. Η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε περιγράφεται περιληπτικά στον Πίνακα 4 4. Η συνολική διάρκεια ενός πειράματος αντίστροφης ώσμωσης είναι περίπου μία εβδομάδα. Πριν την έναρξη κάθε πειράματος παρασκευαζόταν τα διαλύματα των CaCl 2, HCl και NaCl στις επιθυμητές συγκεντρώσεις, ενώ παράλληλα γινόταν και η προετοιμασία της μεμβράνης, έτσι ώστε να έτοιμη για να τοποθετηθεί στο κελί διήθησης. Η διαδικασία αυτή περιλάμβανε την κοπή του φύλλου μεμβράνης στις κατάλληλες διαστάσεις (26,5 cm x 7.5 cm) ώστε να εφαρμόζει πλήρως στο κελί διήθησης, καθώς και την έκπλυσή της με αρκετή ποσότητα απεσταγμένου νερού για την απομάκρυνση των συντηρητικών που υπάρχουν στην μεμβράνη. Το νερό τροφοδοσίας που χρησιμοποιήθηκε στις περισσότερες μετρήσεις προέρχεται από γεώτρηση του Ε.Κ.Ε.Τ.Α. στην περιοχή της Θέρμης. Μετά τη ρύθμιση της παροχής στα 1.8 L/min με τη βοήθεια ρυθμιστικών βανών, το νερό τροφοδοσίας 79

110 Κεφάλαιο 4 Πίνακας 4 4: Πορεία της διαδικασία που ακολουθήθηκε στα πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης. Βήμα 1 ο Παρασκευή των διαλυμάτων NaCl, HCl και CaCl 2. Βήμα 2 ο Βήμα 3 ο Βήμα 4 ο Βήμα 5 ο Προετοιμασία και τοποθέτηση της μεμβράνης στο κελί διήθησης Σταθεροποίηση της ροής της μεμβράνης (membrane setting) Εισαγωγή του ρυπαντή και παρακολούθηση της συμπεριφοράς της μεμβράνης Καθαρισμός της διάταξης διοχετεύεται μέσα από δύο διαδοχικά φίλτρα, δηλαδή την κλίνη άμμου και το φίλτρο φυσιγγίου. Με τον τρόπο αυτόν, απομακρύνεται το μεγαλύτερο ποσοστό των αιωρούμενων σωματιδίων που περιέχονται στο νερό τροφοδοσίας. Συγκεκριμένα, με την χρήση της κλίνης άμμου παρατηρείται μείωση των τιμών της θολερότητας και του δείκτη SDI από 1 ΝTU και 4 σε 0.1 ΝTU και 1, αντίστοιχα. Αναλυτικά τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του νερού τροφοδοσίας παρατίθενται στο παράρτημα. Σε κάθε πείραμα χρησιμοποιούνται διαφορετικά διαλύματα ρυπαντών, τα οποία παρασκευάζονται με διάλυση της κατάλληλης ποσότητας του ρυπαντή σε διςαπεσταγμένο νερό. Τα διαλύματα αυτά, με τη βοήθεια δοσομετρικών αντλιών εισάγονται, στο ρεύμα τροφοδοσίας κατά την έναρξη του κάθε πειραματικού κύκλου. Αντίθετα όμως, τα συμπυκνωμένα διαλύματα των ρυπαντών και του CaCl 2 εισάγονται στην πειραματική διάταξη μετά τη σταθεροποίηση της ογκομετρικής παροχής του διηθήματος στις εκάστοτε πειραματικές συνθήκες (πίεση λειτουργίας, περιβάλλον ιοντικής ισχύς). Αυτό συνήθως απαιτεί ένα χρονικό διάστημα, περίπου 48h από την έναρξη της πειραματικής διαδικασίας. Κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής παρατηρείται μείωση της ανηγμένης ροής του διηθήματος με ταυτόχρονη αύξηση απόρριψης αλάτων της μεμβράνης. Η χαρακτηριστική αυτή συμπεριφορά των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης δεν επηρεάζεται από το είδος του νερού τροφοδοσίας. Έτσι, όμοια συμπεριφορά των μεμβρανών, έχει αναφερθεί σε περιπτώσεις πόσιμου νερού, πόσιμου νερού που είχε διέλθει από αμμόφιλτρο, απιονισμένου νερού, υπερκαθαρού νερού καθώς και διηθήματος μονάδας αντίστροφης ώσμωσης. Επειδή όμως, ο ρυθμός μείωσης της ροής του διηθήματος πρακτικά δεν μηδενίζεται ούτε και μετά το πέρας των 48 ωρών, η εισαγωγή του ρυπαντή σε κάθε πείραμα πραγματοποιούνταν όταν ο ρυθμός πτώσης του διηθήματος ήταν μικρότερος από 0.2 % ανά ώρα. 80

111 Πειραματικό μέρος Η μέτρηση της ανηγμένης ροής του διηθήματος ήταν συνεχής, με την καταγραφή της να γίνεται κάθε 15 min. Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης στο διήθημα αλλά και στο συμπύκνωμα πραγματοποιήθηκε στα πειράματα των χουμικών οξέων, με τη βοήθεια ενός φασματοφωτομέτρου ορατού υπεριώδους (Unicam Heλios UV vis spectrophotometer) σε μήκος κύματος 254 nm, ενώ στα πειράματα του πολυσακχαρίτη με τη βοήθεια Αναλυτή Ολικού Οργανικού Άνθρακα (TOC Schimanzu 5000 A analyzer). Στα πειράματα των μιγμάτων των προαναφερόμενων οργανικών συστατικών, ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης έγινε με συνδυασμό των αποτελεσμάτων των αναφερθέντων τεχνικών, ενώ τέλος η συγκέντρωση του κολλοειδούς σιδήρου μετρήθηκε με τη μέθοδο της ατομικής απορρόφησης (PerkinElmer AAnalyst 800). Για τη μελέτη της επίδρασης της ιοντικής ισχύος στην οργανική ρύπανση των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε τέσσερις διαφορετικές τιμές αλατότητας: 500, 2000, 5000 και mg/l ΝaCl. Η επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος μελετήθηκε για τις τιμές των 25, 30 και 40 L/m 2 h, με την εφαρμογή της κατάλληλης πίεσης λειτουργίας. Μετά την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας και αφού αποθηκεύονταν τα πειραματικά δεδομένα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, πραγματοποιούνταν σχολαστικός καθαρισμός της διάταξης, με χρήση διαλύματος HCl στην περίπτωση των πειραμάτων με τους οργανικούς ρυπαντές και ΝαΟΗ στην περίπτωση του σιδήρου ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΡΥΠΑΝΤΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ Χουμικά οξέα Για τη μελέτη της οργανικής ρύπανσης χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά χουμικά οξέα (Sigma Aldrich, St.Louis, MO) εδαφικής προέλευσης. Το μέσο μοριακό βάρος (Μ w ) των συγκεκριμένων χουμικών οξέων είναι μικρότερο από το αντίστοιχο των χουμικών υδατικής προέλευσης και κυμαίνεται από 4 έως 23 kda, ωστόσο το εύρος της κατανομής ξεπερνά ακόμη και τα 1000 kda (Yuan & Zydney, 1999b). Η συμπεριφορά τους ωστόσο, αναφορικά με την πρωτονίωση αλλά και τη δέσμευση των μεταλλικών ιόντων είναι παρόμοια με εκείνη των χουμικών οξέων υδατικής προέλευσης. Η στοιχειακή ανάλυση των χουμικών που χρησιμοποιήθηκαν στις πειραματικές μετρήσεις, σύμφωνα με τον κατασκευαστή είναι η εξής: 55.8 % C, 38.9 % O, 4.6 % H και 0.6 % N. Η συνολική οξύτητα τους είναι περίπου 5 nmol/g (5meq/g), από την οποία τα 81

112 Κεφάλαιο nmol/g (3.4 meq/g) αποδίδονται στις καρβοξυλκές ομάδες του μορίου. Τα συγκεκριμένα χουμικά οξέα χρησιμοποιούνται συχνά ως πρότυπη ένωση σε ερευνητικό επίπεδο, δεδομένου του γεγονότος ότι είναι καλά χαρακτηρισμένα και εύκολα διαθέσιμα. Η κατανομή των μοριακών βαρών των χουμικών οξέων απουσία και παρουσία ασβεστίου, όπως αυτή προέκυψε από τη διαδικασία κλασματοποίησης με μεμβράνες υπερδιήθησης, που περιγράφηκε σε προηγούμενη ενότητα, απεικονίζεται γραφικά στο Σχήμα 4 5. Όπως γίνεται φανερό, απουσία ιόντων ασβεστίου η πλειονότητα των μορίων, έχουν μέγεθος μικρότερο από το ονομαστικό μέγεθος των πόρων της μεμβράνης υπερδιήθησης (100 kda) και επομένως η συγκράτηση τους από την μεμβράνη, δεν αναμένεται να είναι σημαντική. Η παρουσία όμως ιόντων ασβεστίου στο διάλυμα προκαλεί αύξηση της τάσης των μορίων των χουμικών για συσσωμάτωση, γεγονός που συνεπάγεται και πιθανή αύξηση της συγκράτησής τους από τη μεμβράνη. Έτσι παρατηρείται πως κατά την προσθήκη 2 mm ασβεστίου, η κατανομή μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα μοριακά βάρη, ενώ η περιεκτικότητα των χουμικών σε κλάσματα μεταξύ 10 και 100 κda μειώνεται σημαντικά. Αντίθετα το μικρού μοριακού βάρους κλάσμα (<10 kda) δε φαίνεται τα επηρεάζεται από την αύξηση της συγκέντρωσης του mm Ca 2+ 2 mm Ca 2+ Ποσοστο κλασµατος (%) < >100 Mοριακο βαρος (kda) Σχήμα 4 5: Κατανομή μοριακών βαρών των χρησιμοποιούμενων χουμικών οξέων με τη μέθοδο της κλασματοποίησης με μεμβράνες υπερδιήθησης. 82

113 Πειραματικό μέρος ασβεστίου, υποδηλώνοντας ότι τα μικρά μόρια των χουμικών οξέων συσσωματώνονται ελάχιστα με την προσθήκη ασβεστίου. Αντίστοιχα αποτελέσματα αναφορικά με την κατανομή των μοριακών βαρών των χουμικών οξέων παρουσιάστηκαν από τους Yuan & Zydney (1999b), μολονότι χρησιμοποίησαν μεμβράνες διαφορετικού μεγέθους Αλγινικό νάτριο Για τη μελέτη της συμπεριφοράς του υδρόφιλου τμήματος της φυσικής οργανικής ύλης χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου (Sigma Aldrich, St.Louis, MO). Πρόκειται για προϊόν εκχύλισης των καφέ άλγεων Macrocistys pyrifera και παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλή καθαρότητα. Το μοριακού του βάρους σύμφωνα με τον προμηθευτή είναι kda (Ang et al.,2006). Το αλγινικό νάτριο αποτελείται από συστάδες μαννουρονικών και γουλουρονικών ομάδων σε αναλογία 39% προς 61%, ενώ η καρβοξυλική του οξύτητα μετρημένη με ποτενσιομετρική τιτλοδότηση βρέθηκε ίση με 10.5 meg/g C (ή 3.3 meg/g αλγινικού άλατος). Τέλος, η σταθερά διαστάσεώς του, pk a βρίσκεται μεταξύ του 3.3 και 3.6 με αποτέλεσμα το αλγινικό νάτριο είναι αρνητικά φορτισμένο σε ph περιβάλλοντος (de Kerchove & Elimech, 2006). Η κατανομή των μοριακών βαρών του αλγινικού νατρίου όπως αυτή προέκυψε από τη διαδικασία που περιγράφηκε σε προηγούμενη ενότητα και σε συνθήκες όμοιες με αυτές των πειραμάτων απεικονίζεται στο Σχήμα 4 6. Όπως προκύπτει από το σχήμα, η πλειονότητα των μορίων, απουσία ασβεστίου, έχουν μέγεθος που κυμαίνεται μεταξύ 30 και 100 kda, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από τις προδιαγραφές του προμηθευτή. Γίνεται επομένως φανερό πως το μέγεθος των μορίων του αλγινικού νατρίου είναι μικρότερο από το αντίστοιχο των πόρων της μεμβράνης (100 kda) που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα υπερδιήθησης και επομένως δεν αναμένεται σημαντική συγκράτηση από την μεμβράνη. Η παρουσία όμως των ιόντων του ασβεστίου στο διάλυμα προκαλεί παράλληλα αύξηση της τάσης συσσωμάτωσης των μορίων του αλγινικού νατρίου. Έτσι μετά την προσθήκη του ασβεστίου, το κλάσμα με το μεγαλύτερο ποσοστό της κατανομής μοριακών βαρών μετατοπίζεται σε τιμές μεγαλύτερες των 100 KDa, με αποτέλεσμα τα ποσοστά συγκράτησης του αλγινικού νατρίου από τη μεμβράνη να είναι σημαντικά μεγαλύτερα σε σχέση με τα αντίστοιχα 83

114 Κεφάλαιο 4 Ποσοστο κλασµατος (%) mm Ca 2+ 2 mm Ca 2+ 0 < >100 Μοριακο βαρος (kda) Σχήμα 4 6: Κατανομή μοριακών βαρών του χρησιμοποιούμενου αλγινικού νατρίου με τη μέθοδο της κλασματοποίησης με μεμβράνες υπερδιήθησης. απουσία ασβεστίου. Παρόμοια συμπεράσματα, για την κατανομή των μοριακών βαρών του αλγινικού νατρίου έχουν παρουσιαστεί από τους Katsoufidou et al. (2007) σε μια συστηματική μελέτη της επίδρασης του ασβεστίου στην ρύπανση μεμβρανών υπερδιήθησης Χαρακτηριστικά μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης και υπερδιήθησης Στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι (AG και SC) μεμβρανών σπειροειδούς διαμόρφωσης, της εταιρίας GE Osmonics. Πρόκειται για μεμβράνες που χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές συγκράτησης άλατος και ροής διηθήματος. Η μεμβράνη Osmonics ΑG χαρακτηρίζεται από τον κατασκευαστή, ως μεμβράνη υψηλής κατακράτησης, ενώ η Osmonics SC χαρακτηρίζεται ως μεμβράνη υψηλής πίεσης. Αναλυτικά, τα χαρακτηριστικά των δύο μεμβρανών, παρουσιάζονται στον Πίνακα 4 5, ενώ στο Σχήμα 4 7 παρατίθενται εικόνες ατομικής μικροσκοπίας (Atomic Force Microscopy, AFM) των δύο μεμβρανών. Όσον αφορά τα πειράματα υπερδιήθησης, η συντριπτική πλειοψηφία αυτών πραγματοποιήθηκε με χρήση τη μεμβράνης Ultrafilic GE Osmonics. Πρόκειται για εξαιρετικά υδρόφιλη μεμβράνη υπερδιήθησης, με ονομαστικό μέγεθος πόρων τα

115 Πειραματικό μέρος Πίνακας 4 5: Χαρακτηριστικά μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης. Τύπος μεμβράνης ΑG, υψηλής κατακράτησης SC, υψηλής πίεσης Υλικό μεμβράνης Πολυαμίδιο, λεπτού υμενίου (TFM) Πολυαμίδιο, λεπτού υμενίου (TFM) Συγκράτηση NaCl (μέση/ελάχιστη) 99.5%/99.0% 99.0%/98.0% Τυπική πίεση λειτουργίας 200 psig 800 psig Μέγιστη πίεση 450 psig 1200 psig Μέγιστη θερμοκρασία 50 o C 50 o C Συνιστώμενες τιμές ph Μέγιστη συγκράτηση σε ph ph λειτουργίας Μέγιστη συγκράτηση σε ph ph λειτουργίας Θολερότητα τροφοδοσίας <1 <1 SDI τροφοδοσίας <3 <5 Αντοχή στο χλώριο 1000 mg/l 500 mg/l kda, ενώ το υλικό κατασκευής της είναι το τροποποιημένο πολυακρυλονιτρίλιο (PAN). Σύμφωνα με τις προδιαγραφές που ανακοινώνει ο κατασκευαστής, η ανηγμένη ροή της μεμβράνης ανέρχεται στα 149 L/m 2 h για πίεση 0.7 bar. Η επιλογή της συγκεκριμένης μεμβράνης για την χρησιμοποίησή της για τις μετρήσεις της παρούσας διατριβής, στηρίχτηκε στο γεγονός ότι δεν εμφανίζει έντονα φαινόμενα συμπίεσης καθώς και ότι χαρακτηρίζεται απο εξαιρετική χημική σταθερότητα. Επιπλέον, για τον προσδιορισμό της κατανομής των μοριακών βαρών των χουμικών οξέων αλλά και του αλγινικού νατρίου χρησιμοποιήθηκαν μεμβράνες υπερδιήθησης της εταιρίας Millipore, όπως προαναφέρθηκε. Πιο συγκεκριμένα, οι τύποι των μεμβρανών που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η ΥΜ 100, η ΥΜ 30 και ΥΜ 10, με τα αντίστοιχα μοριακά όρια διαχωρισμού τους να είναι 100, 30 και 10 kda. Το υλικό κατασκευής και των τριών μεμβρανών είναι η αναγεννημένη κυτταρίνη. Η μεμβράνη ΥΜ30 (30 kda) χρησιμοποιήθηκε επίσης και σε μεμονωμένα πειράματα υπερδιήθησης, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης των ονομαστικών μοριακών ορίων διαχωρισμού της κάθε μεμβράνης. 85

116 Κεφάλαιο 4 α) β) Σχήμα 4 7: Εικόνες ατομικής μικροσκοπίας της μεμβράνης α) GE Osmonics AG (μέση τραχύτητα: 84,5 nm) και της β) GE Osmonics SC (μέση τραχύτητα: 95,5 nm). 86

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΛΕΤΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για τη μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης από οργανικους και ανόργανους κολλοειδείς ρυπαντές, χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικοί τύποι μεμβρανών της εταιρίας Osmonics. Ο μεγαλύτερος όγκος πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης πραγματοποιήθηκε με τη μεμβράνη ΑG Osmonics, ενώ η SC Osmonics χρησιμοποιήθηκε σε ορισμένες μετρήσεις με χουμικά οξέα. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή η πρώτη χρησιμοποιείται στην επεξεργασία υφάλμυρων νερών, ενώ η δεύτερη χαρακτηρίζεται ως μεμβράνη υψηλής πίεσης. Ο τρόπος λειτουργίας του χρησιμοποιηθέντος εργαστηριακού κελιού διήθησης, όπως συμβαίνει στις μονάδες αντίστροφης ώσμωσης είναι εφαπτομενικός (cross flow mode), ενώ η τροφοδοσία των ρυπαντών καθώς και η απόρριψη του συμπυκνώματος και του διηθήματος είναι συνεχής (open loop operation). Σκοπός των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης ήταν η συλλογή αξιόπιστων πειραματικών δεδομένων κάτω από καλά ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες με απώτερο στόχο την αξιοποίηση τους στην προσπάθεια πρόβλεψης της κολλοειδούς ρύπανσης. Οι ρυπαντές που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης ήταν τα χουμικά οξέα, ο πολυσακχαρίτης αλγινικού νατρίου, μίγματα αυτών σε αναλογία μαζών 75% 25% και 50% 50% και τέλος το οξείδιο του σιδήρου. Για την παρασκευή των διαλυμάτων τροφοδοσίας γινόταν διάλυση του ρυπαντή σε 87

118 Κεφάλαιο 5 απιονισμένο νερό. Η τιμή του ph του ρεύματος τροφοδοσίας για το σύνολο των ρυπαντών διατηρήθηκε σταθερή (ph 7.0) με την προσθήκη διαλύματος 2 M ΗCl, ενώ σταθερή επίσης διατηρήθηκε και η συγκέντρωση των ιόντων ασβεστίου (2 mm) με την προσθήκη διαλύματος CaCl 2. Σημειώνεται ότι στην περίπτωση του οξειδίου του σιδήρου δεν έγινε προσθήκη ιόντων ασβεστίου στο ρεύμα τροφοδοσίας. Στα πειράματα που περιγράφονται στο κεφάλαιο αυτό, μελετάται η επίδραση παραγόντων, όπως α) η συγκέντρωσης του ρυπαντή, β) η αρχική ανηγμένη ροής του διηθήματος καθώς και γ) η αλατότητα του ρεύματος τροφοδοσίας, στην ρύπανση των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης. Η πίεση λειτουργίας του κελιού διήθησης κυμάνθηκε στην περιοχή των psi ( kpa) ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ Για την αξιολόγηση των πειραματικών δεδομένων σε διαφορετικές τιμές πίεσης αλλά και διαφορετικές διεργασίες (υπερδιήθησης και αντίστροφης ώσμωσης), χρησιμοποιήθηκε η γενική εξίσωση της θεωρίας της διήθησης με εν σειρά αντιστάσεις J = 1 dv A dt P = η R m R c ( + ) (5.1) όπου ΔP είναι η εφαρμοζόμενη πίεση, R m η αντίσταση της καθαρής μεμβράνης και R c η αντίσταση που προέρχεται από τη δημιουργούμενη στοιβάδα στην επιφάνεια της μεμβράνης. Με την παραδοχή ότι η αντίσταση της δημιουργούμενης στιβάδας είναι ανάλογη της μάζας που επικάθεται στην επιφάνεια της μεμβράνης προκύπτει η σχέση: R c αcbv = A (5.2) Με συνδυασμό των Εξ. (5.1) και (5.2) και μετά από ολοκλήρωση προκύπτει εξίσωση δευτέρου βαθμού ως προς τον όγκο του διηθήματος ηαcb 2 ηrm V + V t = P A P A (5.3) Όπως έχει ήδη αναφερθεί, με το γινόμενο της ειδικής αντίστασης με την συγκέντρωση του ρυπαντή ορίζεται ο συντελεστής ρύπανσης, Ι. Για την διευκόλυνση των μαθηματικών πράξεων ορίζονται οι μεταβλητές κ,λ, όπου 88

119 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης ηr κ m P A (5.4) και ηαc λ 2 P A b 2 (5.5) Η λύση της Εξ.5.3 μετά την αντικατάσταση και των μεταβλητών κ,λ είναι η ακόλουθη: 2 κ + κ + 4λt V = 2λ (5.6) Για μικρά χρονικά διαστήματα, η τετραγωνική ρίζα της Εξ. (5.6) υπολογίζεται από το ανάπτυγμα Taylor 2 1 4λt 1 4λt 2 κ + 4λt = κ{1 + ( ) ( ) +...} (5.7) κ 8 κ Στην συνέχεια, αγνοώντας τους άνω του δευτέρου βαθμού ως προς τον χρόνο, όρους της σειράς Taylor, προκύπτει ότι όγκος του διηθήματος υπολογίζεται από τη σχέση V = 1 t λ t 2 3 κ κ, (5.8) οπότε και = 1 2λ t κa κ A, (5.9) J 3 Προκύπτει λοιπόν ότι ο όγκος του παραγόμενου διηθήματος είναι μία εξίσωση δευτέρου βαθμού ως προς τον χρόνο, ενώ η ροή του διηθήματος μειώνεται γραμμικά με τον χρόνο εφόσον ο όρος λt/κ 2 είναι μικρότερος της μονάδας. Στο σύνολο των πειραματικών μετρήσεων της διατριβής η παραπάνω συνθήκη ικανοποιούταν πλήρως, μιας και η μείωση της ανηγμένης ροής στα πειράματα της αντίστροφης ώσμωσης ήταν μικρότερη από 10% (όπως θα παρουσιαστεί στην συνέχεια του κεφαλαίου) και τιμή του όρου αυτού ήταν μικρότερη από Τελικά, με αντικατάσταση των τιμών των κ,λ και χρησιμοποιώντας τον ορισμό του συντελεστή ρύπανσης Ι, σύμφωνα τους Schippers και Verdow (1980) I = α C b (5.10) 89

120 Κεφάλαιο 5 προκύπτει η ροή του διηθήματος J P P 2 ηi = [1 ( ) t ] (5.11) ηr ηr P m m Η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος, η οποία είναι μια εύκολα προσδιοριζόμενη ποσότητα, ορίζεται από τη σχέση J o P ηr m (5.12) Οπότε και η Εξ γίνεται J = 1 J 2 o o J ηi t P (5.13) Στις διεργασίες αντίστροφης ώσμωσης εφαπτομενικής ροής είναι γενικά αποδεκτό (Hoek και Elimelech, 2003) πως η κολλοειδής ρύπανσης οφείλεται στον σχηματισμό στοιβάδας επικαθήσεων στην επιφάνεια των μεμβρανών. Η ειδοποιός διαφορά των διεργασιών αυτών (νανοδιήθηση, αντίστροφη ώσμωση) με τις διεργασίες χαμηλών πιέσεων (μικροδιήθηση, υπερδιήθηση) είναι ότι η πρόσθετη, λόγω ρύπανσης, αντίσταση R a είναι μικρότερη της εσωτερικής αντίστασης της μεμβράνης, R m. Με βάση τη διαπίστωση αυτή, η εξίσωση υπολογισμού της ροής για αντιστάσεις σε σειρά, μπορεί να μετασχηματιστεί ως εξής: J = η P ( R + R ) m a P (1 R ηr m a / R m ) (5.14) Η πρόσθετη αντίσταση R a που δημιουργείται, θεωρείται ότι είναι το άθροισμα δύο επιμέρους παραμέτρων: της αντίστασης που οφείλεται στην σταθεροποίηση (setting) της μεμβράνης, R s, καθώς και στην αντίσταση από τη στοιβάδα επικαθήσεων που δημιουργείται στην επιφάνεια της μεμβράνης, R d. Λόγω της μικρής διάρκειας των πειραμάτων καθώς και της μικρής μεταβολής της ανηγμένης ροής του διηθήματος πριν αλλά και μετά την εισαγωγή του ρυπαντή, γίνεται η παραδοχή της γραμμικής μεταβολής των αντιστάσεων με το χρόνο, το οποίο επιβεβαιώνεται από τα πειράματα. Δηλαδή, οι δύο αντιστάσεις μπορούν να αναλυθούν ως εξής: R = R t και R = R t. Με αντικατάσταση αυτών στην Εξ. (5.14) προκύπτει ότι: J J o Rst = 1 για t < t i (5.15α) R m s s d d 90

121 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J J o R t R = 1 s d i για t > t i (5.15b) m R ( t t ) R m όπου t i είναι η χρονική στιγμή που γίνεται η εισαγωγή του ρυπαντή στο ρεύμα τροφοδοσίας. Οι δύο παραπάνω εξισώσεις χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του ρυθμού ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης (R s και R d ) καθώς και για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών μεγεθών εκτίμησης της τάσης ρύπανσής τους (Ι,α). Θα πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι η βασική παραδοχή που γίνεται κατά την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων, ότι δηλαδή η αντίσταση της στοιβάδας επικαθήσεων είναι σημαντικά μικρότερη από την αντίσταση της καθαρής μεμβράνης, επιβεβαιώνεται από τα πειραματικά δεδομένα που παρουσιάζονται στη συνέχεια της διατριβής. Τέλος, αυτό που θα πρέπει να τονισθεί είναι πως ο συγκεκριμένος τρόπος ανάλυσης των πειραματικών δεδομένων παρέχει την δυνατότητα προσδιορισμού του δείκτη ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης απευθείας από τα πειραματικά δεδομένα. Έτσι, με σύγκριση των Εξ. (5.13) και (5.15b), όπου η τελευταία ισχύει για χρόνους t>t i και R s << R d (όπως συμβαίνει στην περίπτωση των πειραμάτων της παρούσας εργασίας) προκύπτει ότι: ηi P 2 J o = R R d m (5.16) η οποία με χρήση του ορισμού της αρχικής ανηγμένης ροής, J o, καταλήγει στη σχέση I = R J d o (5.17) Εν κατακλείδι, είναι ν δυνατόν μέσω της Εξ. (5.17) να γίνει άμεσος προσδιορισμός του δείκτη ρύπανσης, I, για τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Στη συνέχεια του κεφαλαίου περιγράφονται αναλυτικά οι πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για κάθε έναν από τους πρότυπους ρυπαντές (χουμικά οξέα, πολυσασκχαρίτης του αλγινικού νατρίου, μίγματα αυτών και το οξείδιο του σιδήρου). Σε κάθε περίπτωση ρυπαντή υπολογίζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης της διεργασίας ενώ παρουσιάζονται επίσης εικόνες των επικαθήσεων από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). 91

122 Κεφάλαιο 5 Ο προσδιορισμός της ενεργού πίεσης ( ΔP Δπ m ) κατά τη διήθηση με μεμβράνες υπερδιήθησης προϋποθέτει τη γνώση της ωσμωτικής πίεσης, η οποία επηρεάζεται από την ανάπτυξη του φαινομένου της πόλωσης συγκέντρωσης. Σύμφωνα με τους Hoek et al. (2002) η ωσμωτική πίεση υπολογίζεται από τη σχέση: J π m = 2CbRTR o exp k (5.18) όπου T είναι απόλυτος θερμοκρασία, R είναι η παγκόσμια σταθερά των αερίων, ενώ η σταθερά 2 χρησιμοποιείται σε 1:1 ηλεκτρολυτικά διαλύματα, τα οποία βρίσκονται σε συνθήκες χαμηλής ή μέτριας αλατότητας. Η συγκράτηση των αλάτων R 0 από τη μεμβράνη προσδιορίζεται από την εξίσωση: R 0 C = 1 C p b (5.19) Ο συντελεστής της πόλωσης συγκέντρωσης [exp(j/k)] καθορίζεται (Kim και Hoek,2005) από το συντελεστή μεταφοράς μάζας k. Στους υπολογισμούς της παρούσας εργασίας για τον προσδιορισμό του συντελεστή μεταφορά μάζας χρησιμοποιήθηκαν οι γενικευμένοι συσχετισμοί που προτείνονται από τους Koutsou et al. (2009) για την περίπτωση ύπαρξης ενθέτου (spacer) στην πειραματική διάταξη. Ειδικότερα, ο συντελεστής μεταφοράς μάζας υπολογίστηκε από την εξίσωση: d h = = (5.20) Sh k 0.16 Re Sc D όπου Re είναι ο αριθμός Reynolds (=ud h /v), ν είναι το κινηματικό ιξώδες του διαλύματος, d h η διάμετρος της ίνας του ενθέτου (είναι ίση με το μισό του ύψους του κελιού διήθησης) και Sc ο αριθμός Schmidt (=ν/d). Η τιμή του συντελεστή πόλωσης συγκέντρωσης [exp(j/k)] που προσδιορίστηκε στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης κυμάνθηκε μεταξύ 1.1 και 1.2. Οι τιμές αυτές έχουν ληφθεί υπόψη στους υπολογισμούς της ενεργούς πίεσης, (μέσω της Εξ. (5.18)) και κατά συνέπεια στον υπολογισμό των τιμών της ειδικής αντίστασης για τα πειράματα της αντίστροφης ώσμωσης. 92

123 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης 5.3. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ Μία σημαντική παράμετρος που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη για τον ακριβή προσδιορισμό της ειδικής αντίστασης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης είναι το ποσοστό των κολλοειδών που εμπεριέχονται σε όγκο τροφοδοσία ίσο με αυτό του διηθήματος και που τελικά επικάθονται στην επιφάνεια της μεμβράνης. Για να λάβουν υπόψη τους τις επιδράσεις της εφαπτομενικής ταχύτητας που καθορίζει τα παραπάνω φαινόμενα, οι Boerlage et al. (2003) χρησιμοποίησαν τον συντελεστή επικάθησης. Με τον τρόπο αυτό επιδίωξαν να προεκβάλλουν τις τιμές του δείκτη MFI στις συνθήκες εφαπτομενικής ροής των διεργασιών αντίστροφης ώσμωσης. Ωστόσο, οι τιμές του δείκτη αυτού που υπολόγισαν από τα δεδομένα λειτουργίας των πειραμάτων τους σε συνθήκες αντίστροφης ώσμωσης δεν ήταν ρεαλιστικές. Πρέπει να τονισθεί ότι ο ακριβής ποσοτικός προσδιορισμός του ποσοστού εναπόθεσης στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης είναι εξαιρετικά δύσκολος. Παρόλα αυτά, στα πλαίσια της διατριβής, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού του συντελεστή επικάθησης, με τον υπολογισμό του λόγου της πραγματικής ποσότητας του ρυπαντή που επικάθεται στην επιφάνεια της μεμβράνης ως προς την θεωρητική της ποσότητα (δηλαδή αν ολόκληρη η ποσότητα μάζας των κολλοειδών επικάθονταν στη μεμβράνη). Για να προσδιοριστεί η ποσότητα της μάζας που πραγματικά συσσωρεύεται στην επιφάνεια της μεμβράνης ακολουθήθηκε η εξής διαδικασία: Οι μεμβράνες που είχαν υποστεί ρύπανση από τα χουμικά οξέα, το αλγινικό νάτριο και τα μίγματα τους εμβαπτίστηκαν σε διάλυμα 200 ml 0.1 N NaOH, αφού πρώτα τεμαχίστηκαν σε μικρότερα κομμάτια. Τα κομμάτια της μεμβράνης παρέμειναν στο διάλυμα για περίπου 24 h και στη συνέχεια μετρήθηκε η συγκέντρωση με τη βοήθεια της υπεριώδους ακτινοβολίας σε μήκος κύματος 254 nm, όπως επίσης και η τιμή του ολικού οργανικού άνθρακα. Με τον τρόπο αυτό, προσδιορίστηκε η συγκέντρωση (και κατ επέκταση η ποσότητα) των ρυπαντών που αποδεσμεύτηκε από το υδροξείδιο του νατρίου. Στην περίπτωση του οξειδίου του σιδήρου, για να εκτιμηθεί η ποσότητα που επικάθησε στην επιφάνεια της μεμβράνης χρησιμοποιήθηκε διάλυμα HCl. Στη συνέχεια, ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης του έγινε με τη βοήθεια φασματοφωτομέτρου ατομικής εκπομπής (ICP). Σε κάθε μέτρηση χρησιμοποιήθηκαν πολλαπλά κομμάτια μεμβρανών με σκοπό τη μείωση του πειραματικού σφάλματος. Η ποσότητα της μάζας 93

124 Κεφάλαιο 5 που θεωρητικά έπρεπε να έχει συγκεντρωθεί στην επιφάνεια των μεμβρανών υπολογίστηκε με βάση τον συνολικό όγκο του διηθήματος που διήλθε από κάθε μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης. Με τον τρόπο αυτόν, οι μέσες τιμές του συντελεστή εναπόθεσης που τελικά υπολογίστηκαν ήταν 0.6, 0.9, 0.9 και 1.0 για τις περιπτώσεις των χουμικών οξέων, του αλγινικού νατρίου, των μιγμάτων τους και του σιδήρου, αντίστοιχα. Οι παραπάνω τιμές των συντελεστών εναπόθεσης χρησιμοποιήθηκαν κατά τον υπολογισμό των τιμών της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας επικαθήσεων στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Παλαιότερη μελέτη (Yiantsios και Karabelas, 2002) που πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο ΕΦΕΜ/ΕΚΕΤΑ. με κολλοειδή σωματίδια οξειδίου του σιδήρου επιβεβαιώνει το γεγονός πως η μειωμένη εναπόθεση που εμφανίζουν τα μεγάλου μεγέθους συσσωματώματα του σιδήρου, δεν επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΧΟΥΜΙΚΑ ΟΞΕΑ Πειραματικές συνθήκες Για τη μελέτη της οργανικής ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα με χρήση χουμικών οξέων εδαφικής προέλευσης (Sigma Aldrich). Βασικές παραμέτρους της μελέτης ήταν η συγκέντρωση των χουμικών οξέων στην περιοχή των 5 20 mg/l, η αρχική ανηγμένη ροής του διηθήματος (δηλαδή η ροή πριν την εισαγωγή του ρυπαντή) στην περιοχή των L/m 2 h καθώς επίσης και η αλατότητα του νερού τροφοδοσίας (500, 2000, 5000 και mg/l NaCl). Σε όλα τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης η εφαπτομενική ταχύτητα στο κελί διήθησης διατηρείθηκε σταθερή (19 cm/s), έτσι ώστε να αποφευχθούν πιθανές μεταβολές των αποτελεσμάτων λόγω της επίδρασής της (Bowen et al., 1996; Seidel και Elimelech, 2002). Η πλειοψηφία των πειραματικών μετρήσεων πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεμβράνης Osmonics AG, ενώ για λόγους σύγκρισης χρησιμοποιήθηκε επίσης η μεμβράνη υψηλής πίεσης Osmonics SC. Η συγκέντρωση των χουμικών οξέων στο ρεύμα τροφοδοσίας προσδιορίστηκε με τη βοήθεια της υπεριώδους ακτινοβολίας σε μήκος κύματος 254 nm. Η καμπύλη βαθμονόμησης (UV 254 συναρτήσει της συγκέντρωσης) για την περιοχή τιμών συγκέντρωσης που μελετήθηκαν, παρατίθεται στο Παράρτημα Γ. 94

125 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης Στον πρώτο κύκλο πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε ως νερό τροφοδοσίας πόσιμο νερό, με αλατότητα περίπου 500 mg/l ενώ, η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος πριν την εισαγωγή του ρυπαντή ήταν περίπου 30 L/m 2 h. Στη συνέχεια, γινόταν εισαγωγή στο ρεύμα τροφοδοσίας ενός συμπυκνωμένου διαλύματος (18% κ.β.) NaCl, έτσι ώστε η αλατότητα της τροφοδοσίας να γίνει 2000 mg/l. Στην τιμή αυτή, πραγματοποιήθηκαν δύο κύκλοι πειραμάτων με δύο διαφορετικές τιμές αρχικής ανηγμένης ροής. Έτσι, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε σχετικά χαμηλή ανηγμένη ροή ( 25 L/m 2 h), αλλά και σε υψηλότερη ( 40 L/m 2 h) για τιμές συγκέντρωσης 5 20 mg/l. Στον τέταρτο κύκλο πειραμάτων η αλατότητα του ρεύματος τροφοδοσίας αυξήθηκε στα 5000 mg/l, ενώ η αρχική ανηγμένη ροή ήταν περίπου 25 L/m 2 h. Στον τελευταίο κύκλο πειραμάτων των χουμικών οξέων χρησιμοποιήθηκε η μεμβράνη υψηλής πίεσης Osmonics SC. Η αρχική ροή και η αλατότητα στον κύκλο αυτόν ήταν 25 L/m 2 h και 2000 mg/l, αντίστοιχα. Οι προσπάθειες για μετρήσεις με τιμή αλατότητας mg/l δεν ευοδώθηκαν, εξαιτίας των μειωμένων επικαθήσεων από χουμικά οξέα που παρατηρήθηκαν στην επιφάνεια της μεμβράνης. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στην αυξημένη τάση συσσωμάτωσης που εμφανίζουν τα χουμικά οξέα σε υψηλές τιμές αλατότητας που οδηγεί στο σχηματισμό συσσωματωμάτων μεγάλου μεγέθους, τα οποία όμως λόγω των ισχυρών διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στην επιφάνεια των μεμβρανών συμπαρασύρονται. Επίσης, η υψηλή αλατότητα της τροφοδοσίας συνεπάγεται την ανάπτυξη υψηλής ωσμωτικής πίεσης, με πιθανό αποτέλεσμα μικρές διακυμάνσεις της αλατότητας να επηρεάζουν σημαντικά τη ροή του διηθήματος και έτσι να γίνεται δύσκολη η σταθεροποίησή της. Σε προκαταρκτικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με την χρησιμοποίηση μόνο των χουμικών δεν παρατηρήθηκε ανιχνεύσιμη μεταβολή της του ρυθμού μεταβολής της ροής του διηθήματος. Έτσι στο ρεύμα τροφοδοσίας έγινε προσθήκη συμπυκνωμένου διαλύματος CaCl 2, έτσι ώστε η τελική συγκέντρωση των ιόντων ασβεστίου να είναι ίση με 2 mm. Εξάλλου, στη βιβλιογραφία (Jucker και Clark, 1994; Wang και Spenser, 1998) επισημάνεται ότι τα ιόντα ασβεστίου προωθούν τον σχηματισμό έσω και ένδομοριακών δεσμών με τα μόρια των οργανικών ενώσεων. 95

126 Κεφάλαιο 5 Πειράματα χαμηλής αλατότητας και χαμηλής ανηγμένης ροής Η αλατότητα στα πειράματα αυτής της κατηγορίας ήταν περίπου 500 mg/l, όση ήταν η αλατότητα του νερού που χρησιμοποιήθηκε ως νερό τροφοδοσίας, ενώ η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος ήταν περίπου 30 L/m 2 h. Στο Σχήμα 5 1 παρουσιάζονται τυπικά διαγράμματα που απεικονίζουν τη μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κατά τη σταθεροποίησης (setting) της μεμβράνης αλλά και κατά την προσθήκη των χουμικών οξέων στο ρεύμα τροφοδοσίας. Σημειώνεται πως η εισαγωγή του ρυπαντή γινόταν όταν ο ρυθμός μείωσης της ροής του διηθήματος γινόταν μικρότερος από 0.2% ανά ώρα. Υπενθυμίζεται επίσης, ότι η συγκέντρωση των χουμικών οξέων ήταν στην περιοχή των 5 20 mg/l J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων a) t (h) J (Lm -2 h -1 ) προσθηκη χουµικων οξεων b) t (h) Σχήμα 5 1: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων a) C=10 mg/l και P=181 psi και b) C=20 mg/l και P=162 psi. Πειραματικές συνθήκες: 500 mg/l NaCl και J 0 =30 L/m 2 h. 96

127 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης Πειράματα μέσης αλατότητας και χαμηλής ανηγμένης ροής Στα πειράματα του κύκλου αυτού, η αλατότητα του νερού τροφοδοσίας ρυθμίστηκε στα 2000 mg/l με την προσθήκη διαλύματος 18% κ.β. NaCl. Η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος με κατάλληλη ρύθμιση της πίεσης διατηρήθηκε περίπου στα 25 L/m 2 h. Τυπικά διαγράμματα της μεταβολής της ροής του διηθήματος πριν και κατά τη διάρκεια προσθήκης του ρυπαντή απεικονίζονται στο Σχήμα 5 2. Στα πειράματα αυτά η συγκέντρωση των χουμικών οξέων κυμάνθηκε στην περιοχή των 5 20 mg/l J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων 5 b) t (h) 60 Σχήμα 5 2: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων a)c=15 mg/l και P=116 psi και b)c=20 mg/l και P=116 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 =25 L/m 2 h. Πειράματα μέσης αλατότητας και υψηλής ανηγμένης ροής Σε αυτόν τον κύκλο πειραμάτων, η αλατότητα του ρεύματος τροφοδοσίας διατηρήθηκε στα 2000 mg/l, ωστόσο με αύξηση της πίεσης λειτουργίας, η ροή του διηθήματος πριν την εισαγωγή του ρυπαντή ρυθμίστηκε στα 40 LMH. Στο Σχήμα 5 3 παρουσιάζονται τυπικά διαγράμματα της ροής του διηθήματος συναρτήσει του χρόνου 97

128 Κεφάλαιο 5 για τις διάφορες συγκεντρώσεις χουμικών οξέων (περιοχή μελέτης 5 20 mg/l). Και σε αυτόν τον κύκλο πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε η μεμβράνη Οsmonics AG J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων 10 a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων 10 b) t (h) 50 Σχήμα 5 3: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων α)c=7.5 mg/l και P=165 psi, β)c=15 mg/l και P=155 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 =40 L/m 2 h. Πειράματα υψηλής αλατότητας και χαμηλής ανηγμένης ροής Με την αύξηση της παροχής του συμπυκνωμένου διαλύματος ΝaCl (18% κ.β) στο ρεύμα τροφοδοσίας, η αλατότητα στο ρεύμα τροφοδοσίας ρυθμίστηκε στην τιμή των 5000 mg/l. Όσον αφορά την αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος ήταν στο επίπεδο των 25 L/m 2 h. Η μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης έγινε και σ αυτό τον κύκλο πειραμάτων για τιμές συγκέντρωσης των χουμικών οξέων μεταξύ 5 και 20 mg/l, με χρήση της Οsmonics AG μεμβράνης. Στο Σχήμα 5 4 παρουσιάζονται τυπικά διαγράμματα της μεταβολής της ανηγμένης ροής του διηθήματος για αυτό τον κύκλο πειραμάτων. 98

129 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων b) t (h) 50 Σχήμα 5 4: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων a)c=5 mg/l και P=164 psi και b)c=20 mg/l και P=165 psi. Πειραματικές συνθήκες: 5000 mg/l NaCl και J 0 =25 L/m 2 h. Πειράματα με χρήση της μεμβράνης Osmonics SC Σε αυτή τη σειρά των πειραματικών μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε ένας διαφορετικός τύπος μεμβράνης (Osmonics SC) σε σχέση με τις προηγούμενα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Η μεμβράνη αυτή χαρακτηρίζεται από τη δυνατότητά της να λειτουργεί αποτελεσματικά σε υψηλές τιμές πιέσεων (έως 1200 psi) με αποτέλεσμα να χαρακτηρίζεται από υψηλότερη εσωτερική αντίσταση R m σε σχέση με μεμβράνη που χρησιμοποιήθηκε στις προηγούμενες μετρήσεις. Σημαντικό ωστόσο μειονέκτημα της μεμβράνης αυτής αποτελεί το ότι έχει υψηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις σε σχέση με τη μεμβράνη Οsmonics AG. Όσον αφορά την αλατότητα, αυτή διατηρήθηκε σταθερή και περίπου ίση με 2000 mg/l, ενώ η ανηγμένη ροή του παραγόμενου διηθήματος πριν την εισαγωγή του ρυπαντή ήταν 25 L/m 2 h. Στο Σχήμα 5 5 παρατίθενται τυπικά διαγράμματα μεταβολής της ροής του διηθήματος για δύο τιμές συγκέντρωσης των χουμικών οξέων. 99

130 Κεφάλαιο J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων 5 a) t (h) P= 202 psi P= 219 psi J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων 5 b) t (h) 50 Σχήμα 5 5: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου χρησιμοποιώντας την μεμβράνη Osmonics SC a)c=10 mg/l και P=200 psi και b)c=15 mg/l και P=219 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 =25 L/m 2 h Πειραματικά αποτελέσματα Στην παράγραφο αυτή αναλύονται τα δεδομένα που προέκυψαν από τα πειράματα των χουμικών οξέων με βάση τη διαδικασία και τις εξισώσεις που περιγράφονται στην Ενότητα 5.2. Από τα διαγράμματα της ανηγμένης ροής του διηθήματος γίνεται προφανές πως η προσθήκη των χουμικών οξέων οδηγεί σε έντονη μείωση της ροής του διηθήματος. Η μεταβολή της ροής μπορεί να προσομοιωθεί με μια γραμμική, ως προς τον χρόνο, εξίσωση με ιδιαίτερα καλή προσέγγιση. Η παραδοχή αυτή αποτελεί την βάση της ανάλυσης των πειραματικών δεδομένων. Επίσης, γίνεται η υπόθεση πως η πτώση της ροής του διηθήματος αποδίδεται στη στοιβάδα των επικαθήσεων που αναπτύσσεται στην επιφάνεια της μεμβράνης, γεγονός που ενισχύεται από την πλήρη συγκράτηση των κολλοειδών σωματιδίων από τις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης. 100

131 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης Στο Σχήμα 5 6 παρουσιάζεται ένα τυπικό διάγραμμα μεταβολής της ροής διηθήματος (Σχ. 5 6α) και το αντίστοιχο αδιαστατοποιημένο (normalized) διάγραμμα που περιλαμβάνει μόνο τμήμα (οι τελευταίες περίπου 10 h) τηs διαδικασίας σταθεροποίησης της μεμβράνης (Σχ. 5 6β). Στα διαγράμματα αυτά παρατηρείται η έντονη μείωση της ανηγμένης ροής του διηθήματος (γραμμικής μορφής) που προκαλεί η εισαγωγή του ρυπαντή. Από τις κλήσεις των δεδομένων του Σχήματος 5 6β) προσδιορίζονται οι συντελεστές αντίστασης R s και R d που αναφέρθηκαν στην Ενότητα 5 2. Γραμμική επίσης θεωρείται πως είναι η μεταβολή της ροής πριν την εισαγωγή του ρυπαντή, κατά το στάδιο σταθεροποίησης της μεμβράνης. Η ίδια γραμμικότητα στη μεταβολή της ροής του διηθήματος παρατηρείται για το σύνολο των πειραμάτων με τα χουμικά οξέα J (L/m 2 h) προσθηκη χουµικων οξεων t (h) a) b) Σχήμα 5 6: Αδιαστατοποιηµενη ροη, J/J o Πριν την προσθηκη των χουµικων Μετα την προσθηκη των χουµικων t (h) Γραφική παράσταση a) της ανηγμένης ροής του διηθήματος των χουμικών οξέων και b) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h, C=20 mg/l και P=155 psi. Στον Πίνακα Α 6 του παραρτήματος Α συνοψίζονται οι συνθήκες καθώς και οι τιμές των συντελεστών ρύπανσης R d, R s και Ι για όλα τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης με χουμικά οξέα, ενώ στο Σχήμα 5 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για το συντελεστή ρύπανσης συναρτήσει της συγκέντρωσης των χουμικών για τις διάφορες πειραματικές συνθήκες. Γίνεται σαφές ότι η επίδραση της συγκέντρωσης των χουμικών οξέων στο συντελεστή ρύπανσης Ι είναι σημαντική. Συγκεκριμένα, παρατηρείται πως σε κάθε κύκλο πειραματικών μετρήσεων υπό σταθερές συνθήκες αλατότητας και αρχικής ανηγμένης ροής, ο συντελεστής ρύπανσης εμφανίζει γραμμική εξάρτηση από τη συγκέντρωση των χουμικών οξέων. Η γραμμική αυτή σχέση είναι δυνατόν να προεκταθεί σε μικρότερες και πιο ρεαλιστικές αναφορικά με την πράξη τιμές 101

132 Κεφάλαιο TDS= 500 mg/l; Jo=30 LMH TDS= 2000 mg/l; Jo=25 LMH TDS= 2000 mg/l; Jo=40 LMH TDS= 5000 mg/l; Jo=25 LMH SC;TDS=2000 mg/l; Jo=25 LMH I (m -2 ) C b (mg/l) Σχήμα 5 7: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης Ι συναρτήσει της συγκέντρωσης των χουμικών οξέων. συγκέντρωσης, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η εκτίμηση της τάσης ρύπανσης των μεμβρανών στις συνθήκες αυτές. Τέλος, παρατηρείται ότι η αρχική ανηγμένη ροή επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την ρύπανση της μεμβράνης, δεδομένου ότι καθορίζει τον όγκο του διαλύματος τροφοδοσίας που θα διέλθει μέσα από τη μεμβράνη, αλλά και (άμεσα) την πτώση πίεσης διαμέσου της στοιβάδας. Από τις κλίσεις του Σχήματος 5 7 προκύπτει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος, τόσο εντονότερη είναι η ρύπανση της μεμβράνης για τις ίδιες συνθήκες αλατότητας. Όσον αφορά την επίδραση της αλατότητας, τα πειραματικά δεδομένα έδειξαν αύξηση της τάσης ρύπανσης με αύξηση της αλατότητας από τα 2000 στα 5000 mg/l NaCl. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στο ότι η αύξηση της αλατότητας οδηγεί σε εξουδετέρωση του φορτίου που εμφανίζουν τα μόρια των χουμικών οξέων, γεγονός που οδηγεί στη μείωση των απωστικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ των χουμικών, με αποτέλεσμα την μείωση της διπλοστοιβάδας κάθε σωματιδίου και τον σχηματισμό πιο συμπαγών συσσωματωμάτων. Το γεγονός ωστόσο ότι για την αλατότητα των mg/l, η μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κατά την προσθήκη των χουμικών οξέων ήταν αμελητέα, υποδηλώνει την ύπαρξη μιας μέγιστης τιμής αλατότητας πάνω από την οποία, παρατηρείται αντιστροφή του τρόπου επίδρασής της. Η αλλαγή στον τρόπο επίδρασης της αλατότητας αποδίδεται στη δημιουργία μεγαλύτερων συσσωματωμάτων, τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη περατότητα όπως 102

133 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης προβλέπεται και από την εξίσωση των Carman Kozeny (Carman, 1938). Επιπρόσθετα, τα συσσωματώματα με μεγάλο μέγεθος τείνουν να αποκολλώνται ευκολότερα από την επιφάνεια της μεμβράνης κατά την επίδραση της εφαπτομενικής ταχύτητας. Οι Lee και Elimelech (2007) προτείνουν μάλιστα για τον καθαρισμό των μεμβρανών, την χρησιμοποίηση διαλυμάτων υψηλής αλατότητας. Τέλος, σημειώνεται πως η μεμβράνη Osmonics SC εμφανίζει μεγαλύτερη τάση ρύπανσης σε σχέση με την Osmonics AG, το οποίο ίσως να οφείλεται στην πυκνότερη δομή της (μεγαλύτερη εσωτερική αντίσταση) και την υψηλότερη επιβαλλόμενη πίεση (για σταθερή ροή) αλλά και πιθανώς στη μεγαλύτερη τραχύτητα που παρουσιάζει η επιφάνεια της. Από τις εικόνες με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο των επικαθήσεων που έχουν σχηματιστεί στην επιφάνεια της μεμβράνης (Σχήμα 5 8) προκύπτει ότι το στρώμα των επικαθήσεων δεν είναι ομοιόμορφο, παρουσιάζοντας έντονη ανομοιογένεια. Ειδικότερα, παρατηρείται πως υπάρχουν περιοχές της μεμβράνης, όπου δεν σημειώθηκαν επικαθήσεις. Αυτό αποδίδεται αφενός στην παρουσία του ενθέτου στην επιφάνεια της μεμβράνης, το οποίο σε συνδυασμό με την εφαπτομενική ταχύτητα ενισχύουν τα φαινόμενα αποκόλλησης της στοιβάδας, και αφετέρου από την σχετικά χαμηλή συνεκτικότητα της στοιβάδας επικαθήσεων των χουμικών οξέων. a) b) Σχήμα 5 8: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση 10 mg/l χουμικών οξέων υπό πίεση 118 psi σε μεγέθυνση a) x 2000 και b) x

134 Κεφάλαιο ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΑΛΓΙΝΙΚΟ ΝΑΤΡΙΟ (100%) Πειραματικές συνθήκες Ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου ως τυπικός αντιπρόσωπος των εξωκυτταρικών πολυμερικών ενώσεων, αποτέλεσε τον επόμενο οργανικό ρυπαντή στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Για τη μελέτη της ρύπανσης που προκαλεί ο πολυσακχαρίτης στις μεμβράνες της αντίστροφης ώσμωσης πραγματοποιήθηκαν δύο σειρές μετρήσεων. Στα πειράματα αυτά μελετήθηκε η επίδραση: α) της αρχικής ανηγμένης ροής (στην περιοχή των 25 και 40 L/m 2 h ), β) της αλατότητας του ρεύματος τροφοδοσίας και γ) της συγκέντρωσης του ρυπαντή. Σε όλες τις μετρήσεις, η συγκέντρωση Ca 2+ στο ρεύμα τροφοδοσίας ήταν ίση με 2 mm, μετά από την προσθήκη διαλύματος CaCl 2. Στην πρώτη σειρά πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε νερό τροφοδοσίας, του οποίου η αλατότητα ήταν περίπου 500 mg/l. Η αρχική ανηγμένη ροή πριν την εισαγωγή του ρυπαντή στο σύστημα ήταν περίπου 40 L/m 2 h. Για τις παραπάνω πειραματικές συνθήκες μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του πολυσασκχαρίτη στο μέγεθος της ρύπανσης της μεμβράνης αντίστροφης ώσμωσης. Στη δεύτερη σειρά των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε προσθήκη συμπυκνωμένου διαλύματος NaCl (18% κ.β.) στο ρεύμα τροφοδοσίας, έτσι ώστε η τελική αλατότητά του να ανέλθει στα 2000 mg/l. Μετά την διαδικασία σταθεροποίησης της ροής της μεμβράνης, η ανηγμένη ροή του διηθήματος ήταν περίπου 25 L/m 2 h. Πειράματα χαμηλής αλατότητας και υψηλής ανηγμένης ροής Σε αυτή την σειρά των μετρήσεων, η αλατότητα του ρεύματος τροφοδοσίας και η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος ήταν περίπου 500 mg/l και 40 L/m 2 h, αντίστοιχα. Στο Σχήμα 5 9 παρουσιάζονται τυπικά διαγράμματα της συμπεριφοράς της μεμβράνης ως προς την ανηγμένη ροή του διηθήματος, πριν και μετά την εισαγωγή του ρυπαντή στο ρεύμα τροφοδοσίας. Αναλυτικά, τα πειραματικά αποτελέσματα της σειράς αυτής παρουσιάζονται στον Πίνακα Α 7 του παραρτήματος Α. Η συγκέντρωση των διαλυμάτων τροφοδοσίας του αλγινικού νατρίου κυμάνθηκε από 2.5 μέχρι 10 mg/l. 104

135 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J (L/m 2 h) προσθηκη αλγινικου νατριου 10 a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη αλγινικου νατριου 10 b) t (hr) Σχήμα 5 9: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου a)c=2.5 mg/l και P=125 psi και b)c=8 mg/l και P=125 psi. Πειραματικές συνθήκες: 500 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h. Πειράματα ενδιάμεσης αλατότητας και χαμηλής ανηγμένης ροής Σε αυτή την σειρά πειραμάτων η τελική αλατότητα του ρεύματος τροφοδοσίας διαμορφώθηκε στα 2000 mg/l, ενώ η ανηγμένη ροή του διηθήματος πριν την εισαγωγή του πολυσακχαρίτη ήταν περίπου 25 L/m 2 h. Τυπικά διαγράμματα της μεταβολής της ανηγμένης ροής του διηθήματος παρουσιάζονται στο Σχήμα Στα πειράματα μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του αλγινικού νατρίου για την περιοχή των mg/l. 105

136 Κεφάλαιο J (L/m 2 h) προσθηκη αλγινικου νατριου 5 a) t (hr) J (L/m 2 h) προσθηκη αλγινικου νατριου 5 b) t (hr) Σχήμα 5 10: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου. α)c=5 mg/l και P=117 psi, β)c=8 mg/l και P=108 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 27 L/m 2 h Πειραματικά αποτελέσματα Για την αξιολόγηση των πειραματικών δεδομένων με αλγινικό νάτριο κατασκευάστηκαν διαγράμματα της αδιαστατοποιημένης ανηγμένης ροής του διηθήματος, από τις κλίσεις των οποίων και με τη βοήθεια των εξισώσεων που περιγράφονται στην Ενότητα 5.2 υπολογίστηκαν ο συντελεστής ρύπανσης Ι της μεμβράνης καθώς και η ειδική αντίσταση α, της στοιβάδας των επικαθήσεων. Στο Σχήμα 5 11 παρατίθεται ένα τυπικό διάγραμμα της ροής του διηθήματος κατά την προσθήκη αλγινικού νατρίου καθώς επίσης και το διάγραμμα της αδιάστατης ροής του. Η μεταβολής της ροής του διηθήματος προσομοιώνεται επιτυχώς από μια γραμμική ως τον χρόνο μεταβολή, τόσο κατά τη διαδικασία σταθεροποίησης της ροής της μεμβράνης όσο και κατά την εισαγωγή του ρυπαντή. Σημειώνεται πως η γραμμική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος παρατηρείται στο σύνολο των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με ρυπαντή το αλγινικό νάτριο. 106

137 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J (L/m 2 h) προσθηκη αλγινικου νατριου t (h) a) b) Αδιαστατοποιηµενη ροη, J/J Πριν την προσθηκη του πολυσακχαριτη Μετα την προσθηκη του πολυσακχαριτη t (h) Σχήμα 5 11: Χρονική μεταβολή α) της ανηγμένης ροής του διηθήματος του αλγινικού νατρίου και β) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl, J o 40 L/m 2 h, C b =8 mg/l, P=125psi. Στον Πίνακα Α 7 του παραρτήματος Α παρουσιάζονται συγκεντρωτικά οι πειραματικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά μεγέθη ρύπανσης που έχουν υπολογιστεί από τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης του αλγινικού νατρίου. Στο Σχήμα 5 12, απεικονίζονται γραφικά οι τιμές του συντελεστή ρύπανσης συναρτήσει της συγκέντρωσης του πολυσακχαρίτη για τις δύο σειρές πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν. Από το διάγραμμα προκύπτει η ύπαρξη μιας γραμμικής σχέσης συσχετισμού μεταξύ των δύο μεγεθών. Η παραπάνω γραμμική σχέση μπορεί να χρησιμοποιηθεί (με προεκβολή) για την πρόβλεψη της ρύπανσης των μεμβρανών από φυσικά νερά, στα οποία οι συγκεντρώσεις των ρυπαντών είναι σημαντικά μικρότερες, με ικανοποιητικό βαθμό εμπιστοσύνης. Μια δεύτερη παρατήρηση αφορά στην επίδραση των παραγόντων της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος και της αλατότητας στην τάση ρύπανσης της μεμβράνης. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται πως η επίδραση της αλατότητας στον δείκτη ρύπανσης της μεμβράνης είναι σημαντικότερη έναντι της επίδρασης λόγω μεταβολής της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος. Έτσι, στο Σχήμα 5 12 παρατηρείται πως η σειρά των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν με την υψηλότερη τιμή αλατότητας οδηγεί σε μεγαλύτερους συντελεστές ρύπανσης της μεμβράνης, παρότι η ροή του διηθήματος είναι συγκριτικά μικρότερη. Τέλος, συγκρίνοντας τους δείκτες ρύπανσης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης για το αλγινικό νάτριο με τους αντίστοιχους δείκτες των χουμικών οξέων, (Σχήματα 5 7 και 5 12, Πίνακες 5 1 και 5 2) προκύπτει πως για τις ίδιες τιμές συγκέντρωσης, οι πρώτοι είναι μεγαλύτεροι σε όλες τις πειραματικές συνθήκες που έχουν μελετηθεί. Από τα παραπάνω εξάγεται το συμπέρασμα πως ο υδρόφιλος πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου προκαλεί 107

138 Κεφάλαιο TDS = 500 mg/l; J 0 = 40 LMH TDS=2000 mg/l; J 0 = 27 LMH I (m -2 ) C b (mg/l) Σχήμα 5 12: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης σε συνάρτηση της συγκέντρωσης του αλγινικού νατρίου. εντονότερη ρύπανση στις μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης από ότι τα σχετικά υδρόφοβα χουμικά οξέα. Η παρατήρηση αυτή είναι σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία (Lee και Elimelech, 2006; Lee et al., 2006), επιβεβαιώνοντας πως οι πολυσακχαρίτες αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες ρύπανσης των μεμβρανών κατά την επεξεργασία των αστικών λυμάτων αλλά και των επιφανειακών υδάτων. Στο Σχήμα 5 13 παρατίθενται εικόνες της ρύπανσης που προκαλεί το αλγινικό νάτριο στη μεμβράνη της αντίστροφης ώσμωσης. Εύκολα κανείς μπορεί να διακρίνει το ομοιόμορφο στρώμα του πηκτώματος που έχει επικαλύψει πλήρως την επιφάνεια της μεμβράνης. Όπως αναμένεται, η μορφή των επιφανειών των επικαθήσεων είναι όμοια με τη δομή των επικαθήσεων στις μεμβράνες υπερδιήθησης. a) b) Σχήμα 5 13: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση 10 mg/l αλγινικού νατρίου υπό πίεση 118 psi σε μεγέθυνση a) x 200 b) x

139 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης 5.6. ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΜΙΓΜΑΤΑ ΧΟΥΜΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΑΛΓΙΝΙΚΟΥ ΝΑΤΡΙΟΥ Πειραματικές συνθήκες Στην προσπάθεια μελέτης της οργανικής ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης μελετήθηκε επίσης η συμπεριφορά μιγμάτων χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου με αναλογία μαζών 3:1 και 1:1. Σε όλες τις μετρήσεις με τα μίγματα χρησιμοποιήθηκε η μεμβράνη αφαλάτωσης υφάλμυρου νερού ΑG της εταιρίας Osmonics. H μελέτη της επίδρασης συγκέντρωσης του μίγματος 3:1 αφορούσε τιμές στην περιοχή των 2 10 mg/l, ενώ η αλατότητα της τροφοδοσίας κυμάνθηκε μεταξύ 500 και 2000 mg/l. Η επίδραση της ανηγμένης ροής του διηθήματος στην ρύπανση των μεμβρανών εξετάστηκε για τις τιμές των 25 και 40 L/m 2 h. Στα πειράματα των μιγμάτων με αναλογία μαζών 1:1, η συγκέντρωση τους παρέμεινε σταθερή και ίση με 10 mg/l, ενώ η αλατότητα της τροφοδοσίας κυμάνθηκε μεταξύ mg/l NaCl. Για κάθε μία από τις τιμές αλατότητας πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τη μελέτη της επίδρασης της ανηγμένης ροής. Τέλος, σημειώνεται επίσης, πως το ph όλων των πειραματικών μετρήσεων με μίγματα χουμικών/πολυσακχαρίτη διατηρήθηκε ίσο με 7.0. Πειράματα χαμηλής αλατότητας Σε αυτή την σειρά των πειραμάτων η αλατότητα της τροφοδοσίας των μιγμάτων των χουμικών και του πολυσακχαρίτη στο ρεύμα τροφοδοσίας ήταν περίπου 500 mg/l. Στα πειράματα των μιγμάτων με την 3:1 αναλογία μαζών, η τιμή της ροής του διηθήματος πριν την εισαγωγή του μίγματος των ρυπαντών στην πειραματική διάταξη κυμάνθηκε κοντά στα 40 L/m 2 h, ενώ η συγκέντρωση τους ορίσθηκε σε συγκεκριμένες 2 10 mg/l. Αντίθετα, στην περίπτωση των 1:1 μιγμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε διαφορετικές τιμές αρχικής ανηγμένης, για σταθερή τιμή συγκέντρωσης (10 mg/l). Τυπικά διαγράμματα για τη διήθηση μιγμάτων και για τις δύο αναλογίες μαζών (1:1 και 3:1) παρουσιάζονται στο Σχήμα

140 Κεφάλαιο J (L/m 2 h) προσθηκη µιγµατος 3:1 10 a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη µιγµατος 1:1 b) t (h) Σχήμα 5 14: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος: a) 10 mg/l μίγματος χουμικών οξέων(75%) και αλγινικού νατρίου (25%) υπό πίεση 132 psi και b) 10 mg/l μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) υπό πίεση 150 psi. Αλατότητα πειραμάτων: 500 mg/l NaCl. Πειράματα μέσης αλατότητας Στα διαγράμματα που παρουσιάζονται στην συνέχεια, η αλατότητα του νερού τροφοδοσίας ρυθμίστηκε στα 2000 mg/l με την προσθήκη διαλύματος 18% κ.β. NaCl. Η συγκέντρωση των μιγμάτων με αναλογία μαζών 3:1 κυμάνθηκε, όπως και στα πειράματα χαμηλής αλατότητας, στην περιοχή των 2 10 mg/l, ενώ η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος ήταν περίπου 25 L/m 2 h. Αντίθετα, στα πειράματα των μιγμάτων 1:1, η συγκέντρωση ήταν σταθερή (10 mg/l), ενώ με αύξηση της πίεσης λειτουργίας μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής στην περιοχή των L/m 2 h. Στο Σχήμα 5 15 παρουσιάζονται τυπικά διαγράμματα της ροής του διηθήματος για την περίπτωση των μιγμάτων χουμικών και πολυσακχαρίτη. 110

141 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J (L/m 2 h) προσθηκη µιγµατος 3:1 5 a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη µιγµατος 1:1 5 b) t (h) 50 Σχήμα 5 15: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος: a) 8 mg/l μίγματος χουμικών οξέων(75%) και αλγινικού νατρίου (25%) υπό πίεση 132 psi και b) 10 mg/l μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) υπό πίεση 105 psi. Αλατότητα πειραμάτων: 2000 mg/l NaCl Πειραματικά αποτελέσματα Στο Σχήμα 5 16α) απεικονίζεται η μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κατά τη διάρκεια ενός πειράματος αντίστροφης ώσμωσης με μίγμα χουμικών οξέων και πολυσακχαρίτη. Όπως στα πειράματα των μεμονωμένων ρυπαντών, έτσι και αυτό περιλαμβάνει το στάδιο της σταθεροποίησης της ροής διαμέσου της μεμβράνης, το οποίο λαμβάνει χώρα σε συνθήκες αλατότητας και ph όμοιες με αυτές που επικρατούν κατά την εισαγωγή του ρυπαντή, καθώς και από το στάδιο προσθήκης του ρυπαντή στο δοχείο τροφοδοσίας. Στο συγκεκριμένο διάγραμμα, η σταθεροποίηση της μεμβράνης γίνεται σε χρονικό διάστημα περίπου 40 h, ενώ η προσθήκη του μίγματος των χουμικών οξέων και του πολυσακχαρίτη πραγματοποιείται για διάστημα περίπου 8 h. Από το Σχήμα 5 16α), γίνεται εύκολα αντιληπτό πως κατά τη διάρκεια εισαγωγής του ρυπαντή στην πειραματική διάταξη παρατηρείται μια σημαντική μείωση στην ροή του 111

142 Κεφάλαιο 5 J (L/m 2 h) προσθηκη µιγµατος t (h) a) b) Αδιαστατοποιηµενη ροη, J/J Πριν την προσθηκη του µιγµατος Μετα την προσθηκη του µγµατος t (h) Σχήμα 5 16: Χρονική μεταβολή a) της ανηγμένης ροής του διηθήματος μίγματος χουμικών οξέων (75%) και αλγινικού νατρίου (25%) και b) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h, C b =10 mg/l και P=132 psi. διηθήματος. Στο Σχήμα 5 16β) απεικονίζεται η αδιαστατοποιημένη μορφή της ανηγμένης ροής πριν και κατά τη διάρκεια προσθήκης του ρυπαντή. Ακολουθώντας την μέθοδο επεξεργασίας των πειραματικών δεδομένων που περιγράφηκε στην ενότητα 5.2 προκύπτουν οι τιμές των παραμέτρων R m, R s, R d, καθώς και του δείκτη ρύπανσης Ι. Τα αποτελέσματα καθώς και πειραματικές συνθήκες για την περίπτωση των μιγμάτων συνοψίζονται στον Πίνακα Α 8 του παραρτήματος Α. Στο Σχήμα 5 17 παρουσιάζεται η γραφική παράσταση του δείκτη ρύπανσης σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση για το μίγμα 3:1 των ρυπαντών όπως υπολογίστηκαν για τις δύο σειρές πειραμάτων. Όπως έχει σημειωθεί ήδη στην περίπτωση των μεμονωμένων ρυπαντών έτσι και στα μίγματα τους, η επίδραση της συγκέντρωσης στον δείκτη Ι είναι σημαντική, εμφανίζοντας μια γραμμική σχέση συσχέτισης μεταξύ των δύο μεγεθών, μολονότι παρατηρούνται μικρές διακυμάνσεις που αποδίδονται σε πειραματικά λάθη. Επιπλέον προκύπτει ότι, όπως και στην περίπτωση του πολυσακχαρίτη, η επίδραση της αλατότητας στον συντελεστή ρύπανσης υπερισχύει έναντι της επίδρασης της αρχικής ανηγμένης ροής. Ωστόσο, η επίδραση της αλατότητας φαίνεται ότι είναι ασθενέστερη σε σχέση με τις περιπτώσεις του πολυσακχαρίτη και των χουμικών. Εξάλλου, από τη σύγκριση των τιμών του δείκτη ρύπανσης των πειραμάτων του μίγματος και του πολυσακχαρίτη για τις ίδιες τιμές συγκέντρωσης, προκύπτει ότι δεν παρατηρείται συνέργεια στη δράση των δύο ρυπαντών, με αποτέλεσμα η τάση ρύπανσης των μιγμάτων να είναι μικρότερη από αυτή του αλγινικού νατρίου αλλά μεγαλύτερη από αυτή των χουμικών οξέων. 112

143 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης TDS = 500 mg/l; J 0 = 40 LMH TDS=2000 mg/l; J 0 = 27 LMH I (m -2 ) C (mg/l) b Σχήμα 5 17: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης συναρτήσει της συγκέντρωσης του μίγματος των χουμικών οξέων (75%) και του αλγινικού νατρίου (25%). Η παραπάνω συμπεριφορά είναι διαφορετική από την εικόνα των φαινομένων συνέργειας που παρατήρησαν οι Ang και Elimelech (2007), πραγματοποιώντας πειράματα αντίστροφης ώσμωσης με μίγματα πολυσακχαρίτη αλγινικού νατρίου και της πρωτεΐνης Bovine Serum Albumin (BSA). Η επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής είναι εμφανής στην περίπτωση των μιγμάτων (50%ΗΑ/50%SA). Έτσι, από τον Πίνακα Α 8 του παραρτήματος Α προκύπτει ότι η αύξηση της αρχικής ανηγμένης ροής (άρα και της επιβαλλόμενης πίεσης) προκαλεί αύξηση της παρατηρούμενης ρύπανσης των RO μεμβρανών. Επιπλέον, συγκρίνοντας τους δείκτες ρύπανσης για τις δύο αναλογίες ρυπαντών στις οποίες πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις, παρατηρείται ότι η αύξηση του ποσοστού του πολυσακχαρίτη στο μίγμα συνεπάγεται μεγαλύτερους συντελεστές ρύπανσης και επομένως εντονότερη ρύπανση των μεμβρανών. Η παρατήρηση αυτή αποδίδεται στην εντονότερη τάση ρύπανσης των μεμβρανών που παρουσιάζει ο πολυσακχαρίτης έναντι των χουμικών οξέων και έχει αναφερθεί από τους katsoufidou et al. (2008) σε μετρήσεις υπερδιήθησης. Τέλος, στο Σχήμα 5 18 παρατίθενται εικόνες, από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, των επικαθήσεων από μίγματα χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου. Στις εικόνες αυτές παρατηρείται πως η μεμβράνη της αντίστροφης ώσμωσης καλύπτεται πλήρως από το στρώμα των επικαθήσεων. Επιπρόσθετα, η επιφάνεια των επικαθήσεων 113

144 Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει σχετική ανομοιομορφία, πιθανότατα λόγω της παρουσίας των χουμικών οξέων στο πλέγμα του αλγινικού νατρίου. Συγκρίνοντας κανείς τις εικόνες των στοιβάδων του μίγματος των οργανικών ρυπαντών με αυτές των μεμονομένων συστατικών (Σχήματα 5 8 και 5 13) προκύπτει ότι ο πολυσακχαρίτης εμφανίζει την περισσότερο ομοιόμορφη δομή, λόγω των ισχυρών συμπλόκων, κυψελοειδούς διαμόρφωσης που δημιουργούνται μεταξύ των ιόντων ασβεστίου και του πολυσακχαρίτη. a) b) c) d) Σχήμα 5 18: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση μίγματος χουμικών οξέων (75%) και αλγινικού νατρίου (25%) σε μεγέθυνση a) x 2000 και b) x 5000 καθώς και μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) σε μεγέθυνση c) x 1000 και d) x

145 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης 5.7. ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΚΟΛΛΟΕΙΔΗ ΣΙΔΗΡΟ Πειραματικές συνθήκες Για τη μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης από ανόργανα κολλοειδή σωματίδια πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με την χρησιμοποίηση κολλοειδών σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου. Η επικινδυνότητα των κολλοειδών σωματιδίων για την ρύπανση των μεμβρανών της αντίστροφης ώσμωσης, αναδεικνύεται από το ότι οι κατασκευαστές μεμβρανών αφαλάτωσης προτείνουν συγκεκριμένα όρια της συγκέντρωσής του, στο ρεύμα τροφοδοσίας των μεμβρανών. Σε όλα τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης με κολλοειδή σίδηρο χρησιμοποιήθηκε η μεμβράνη Osmonics ΑG. Το ph του ρεύματος τροφοδοσίας διατηρήθηκε σταθερό (ph 7.0) με την προσθήκη διαλύματος HCl. Οι πειραματικές μετρήσεις κάλυψαν μια ευρεία περιοχή συγκεντρώσεων του σιδήρου (0.5 έως 7.5 mg/l), ενώ επίσης έγινε μελέτη της επίδρασης της αλατότητας για τις τιμές των 500 και 2000 mg/l NaCl. Επισημαίνεται ωστόσο, πως οι τιμές της συγκέντρωσης αναφέρονται στη συγκέντρωση των ιόντων Fe 3+.Πηγή των ιόντων σιδήρου αποτέλεσε ο τριχλωριούχος σιδήρου (FeCl 3 ). Επίσης, μελετήθηκε η συμβολή της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος στην τάση ρύπανση των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης. Συγκεκριμένα, οι τιμές αρχικής ανηγμένης ροής στις οποίες διεξήχθησαν μετρήσεις ήταν 25, 30 και 40 L/m 2 h. Για την μελέτη της επίδρασης του οξειδίου του σιδήρου πραγματοποιήθηκαν τρεις σειρές πειραμάτων υπό διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Πειράματα χαμηλής αλατότητας και μέσης ανηγμένης ροής Στην πρώτη σειρά πειραματικών μετρήσεων, η αλατότητα του ρεύματος τροφοδοσίας ρυθμίστηκε στα 500 mg/l, ενώ η αρχική ανηγμένη ροή του διηθήματος ήταν περίπου 30 L/m 2 h. Στις συνθήκες αυτές πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για την περιοχή των 1 4 mg/l των ιόντων του τρισθενούς σιδήρου. Στο Σχήμα 5 19 απεικονίζονται τυπικά διαγράμματα της ροής του διηθήματος του οξειδίου του σιδήρου. 115

146 Κεφάλαιο 5 J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl 3 a) t (h) 50 J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl 3 β) t (h) 50 Σχήμα 5 19: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κολλοειδούς σιδήρου a)c=3 mg/l και P=147 psi και b)c=4 mg/l και P=147 psi. Πειραματικές συνθήκες: 500 mg/l NaCl και J 0 30 L/m 2 h. Πειράματα μέσης αλατότητας και χαμηλής ανηγμένης ροής Στην επόμενη σειρά πειραματικών μετρήσεων αντίστροφης ώσμωσης με ρυπαντή το οξείδιο του σιδήρου, οι τιμές της αλατότητας τροφοδοσίας και της αρχικής ανηγμένης ροής ανέρχονταν στα 2000 mg/l και 25 L/m 2 h, αντίστοιχα. Η περιοχή μελέτης για τη συγκέντρωση του σιδήρου για την σειρά αυτή των μετρήσεων ήταν μεταξύ mg/l. Στο Σχήμα 5 20 παρουσιάζονται τυπικά διαγράμματα από πειράματα της κατηγορίας αυτής. 116

147 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl 3 a) t (h) 60 J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl 3 b) t (h) Σχήμα 5 20: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κολλοειδούς σιδήρου a)c=1 mg/l και P=115 psi και b)c=4 mg/l και P=132 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 25 L/m 2 h. Πειράματα μέσης αλατότητας και υψηλής ανηγμένης ροής Τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης με ρυπαντή τον κολλοειδή σίδηρο ολοκληρώθηκαν με μία τρίτη σειρά πειραμάτων με τις εξής συνθήκες: Η αλατότητα τροφοδοσίας διατηρήθηκε στα 2000 mg/l, ενώ με αύξηση της πίεσης, η αρχική ανηγμένη ροή διηθήματος σταθεροποιήθηκε στα περίπου 40 L/m 2 h. Το εύρος τιμών της συγκέντρωσης του ρυπαντή συγκέντρωσης του ρυπαντή σε αυτή τη σειρά των πειραμάτων ήταν mg/l. Τυπικά διαγράμματα των πειραμάτων παρουσιάζονται στο Σχήμα

148 Κεφάλαιο J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl 3 10 a) t (h) J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl 3 10 b) t (h) Σχήμα 5 21: Χρονική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος κολλοειδούς σιδήρου a)c=1 mg/l και P=150 psi και b)c=4 mg/l και P=175 psi. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J 0 40 L/m 2 h Πειραματικά αποτελέσματα Η επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων του σιδήρου για τον υπολογισμό της ειδικής αντίστασης καθώς και του συντελεστή ρύπανσης έγινε όπως με τους οργανικούς ρυπαντές, με βάση τη διαδικασία που έχει αναλυτικά περιγραφεί στην ενότητα 5.2. Έτσι, στο Σχήμα 5 22 παρουσιάζεται ένα τυπικό διάγραμμα της ροής του διηθήματος του σιδήρου καθώς και το αντίστοιχο διάγραμμα της αδιαστατοποιημένης ροής του. Από το σχήμα γίνεται προφανής η μείωση της ροής μετά την εισαγωγή του διαλύματος FeCl 3, ενώ αξίζει να σημειωθεί πως η ανηγμένη ροή αναφοράς, J 0 αντιστοιχεί στην ανηγμένη ροή του διηθήματος σε χρόνο t=40 h μετά την έναρξη του πειράματος. 118

149 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης J (L/m 2 h) προσθηκη FeCl t (h) a) b) 50 Αδιαστατοποιηµενη ροη, J/J Πριν την προσθηκη του FeCl 3 Μετα την προσθηκη του FeCl t (h) Σχήμα 5 22: Χρονική μεταβολή a) της ανηγμένης ροής του διηθήματος σιδήρου και b) της αδιάστατης ανηγμένης ροής συναρτήσει του χρόνου. Πειραματικές συνθήκες: 2000 mg/l NaCl και J o 40 L/m 2 h, C b =1 mg/l και P=150 psi. Στον Πίνακα A 9 του παραρτήματος Α παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με ρυπαντή το οξείδιο του σιδήρου. Επιπλέον, στο Σχήμα 5 23 απεικονίζονται οι τιμές του δείκτη ρύπανσης Ι, που έχουν υπολογιστεί ως συνάρτηση της συγκέντρωσης του σιδήρου για τα τρία κατηγορίες πειραμάτων του. Από το διάγραμμα προκύπτει πως τα αποτελέσματα χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη διασπορά σε σχέση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των οργανικών ρυπαντών. Η συμπεριφορά δικαιολογείται από το γεγονός ότι o σχηματιζόμενος κολλοειδής σίδηρος είναι περισσότερο ασταθής από τα χουμικά οξέα εμφανίζοντας μεγαλύτερη τάση συσσωμάτωσης TDS=500 mg/l; J 0 =30 L/m 2 h TDS=2000 mg/l; J 0 =25 L/m 2 h TDS=2000 mg/l; J 0 =40 L/m 2 h I (m -2 ) C b (mg/l) Σχήμα 5 23: Μεταβολή του δείκτη ρύπανσης συναρτήσει της συγκέντρωσης του σιδήρου. 119

150 Κεφάλαιο 5 Επιπρόσθετα, η πολυπλοκότητα του πεδίου των διατμητικών τάσεων σε συνδυασμό με την επίδραση της ιοντικής ισχύος είναι πιθανό να επηρεάζουν το μέγεθος αλλά και τη διαμόρφωση των συσσωματωμάτων. Σημειώνεται επίσης πως τα πειράματα του σιδήρου έχουν πραγματοποιηθεί σε δύο διαφορετικές χρονικές περιόδους, γεγονός που ενδέχεται να έχει συμβάλλει στην διασπορά των αποτελεσμάτων. Παρόλα αυτά, παρατηρείται μια έντονη εξάρτηση του συντελεστή ρύπανσης από τη συγκέντρωση του σιδήρου, μολονότι η επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής και της αλατότητας στο ρεύμα τροφοδοσίας δεν είναι δυνατόν να εντοπιστούν, λόγω της διασποράς των αποτελεσμάτων. Τέλος, στο Σχήμα 5 24 παρουσιάζονται εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο των επικαθήσεων του σιδήρου που έχουν σχηματιστεί πάνω σε μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα των εικόνων αυτών αποτελεί η εμφάνιση πολλών ρωγμών στο στρώμα των επικαθήσεων, γεγονός που αποδίδεται στην εκτεταμένη παρουσία μορίων νερού τα οποία απομακρύνθηκαν κατά την ξήρανση της μεμβράνης. a) b) c) d) Σχήμα 5 24: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης κατά τη διήθηση 4 mg/l ιόντων σιδήρου υπό πίεση 165 psi σε μεγέθυνση: a) x 500 b) x 1000 c) x 2000 και d) x

151 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης 5.8. ΣΥΝΟΨΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης από πρότυπους ρυπαντές (χουμικά οξέα, αλγινικό νάτριο και κολλοειδή σίδηρο), ενώ μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν επίσης με μίγματα των δύο οργανικών ρυπαντών σε διάφορες αναλογίες. Στα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ένα εύρος συγκεντρώσεων των ρυπαντών ( mg/l), ενώ μελετήθηκε επίσης και η επίδραση της αλατότητας και της αρχικής ανηγμένης ροής. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε με βάση τη θεωρία της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας για την αρχική περίοδο ρύπανσης όπου παρατηρείται γραμμική μεταβολή της ανηγμένης ροής του διηθήματος με τον χρόνο. Τα δεδομένα δείχνουν ότι η επίδραση των χουμικών οξέων στον συντελεστή ρύπανσης, Ι, είναι ιδιαίτερα σημαντική. Ειδικότερα, ο συντελεστής ρύπανσης παρουσιάζει γραμμική εξάρτηση από τη συγκέντρωση των χουμικών οξέων. Τα διαγράμματα επίσης της μεταβολής της ανηγμένης ροής των χουμικών οξέων δείχνουν ότι η αρχική ανηγμένη ροή επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τη ρύπανση της μεμβράνης, δεδομένου ότι καθορίζει τον όγκο του διαλύματος τροφοδοσίας που θα διέλθει μέσα από τη μεμβράνη (άμεσος τρόπος), αλλά και την πτώση πίεσης διαμέσου της στοιβάδας των επικαθήσεων (έμμεσος τρόπος). Όσον αφορά την επίδραση της αλατότητας, τα πειραματικά δεδομένα έδειξαν αύξηση της τάσης ρύπανσης με αύξηση της αλατότητας από τα 2000 στα 5000 mg/l NaCl, ενώ για την τιμή των mg/l κατά την εισαγωγή των χουμικών οξέων η ανηγμένη ροή του διηθήματος παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητη. Τέλος, η ρύπανση που παρατηρήθηκε σε μεμβράνη RO μεγαλύτερης εσωτερικής αντίστασης ήταν εντονότερη, για τις ίδιες πειραματικές συνθήκες. Στις μετρήσεις αντίστροφης ώσμωσης με τον πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου προέκυψε, όπως και για τα χουμικά οξέα, μια γραμμική σχέση μεταξύ του συντελεστή ρύπανσης και της συγκέντρωσης. Η γραμμική αυτή σχέση μπορεί να χρησιμοποιηθεί (με προεκβολή) για την πρόβλεψη της ρύπανσης των μεμβρανών από φυσικά νερά, στα οποία οι συγκεντρώσεις των ρυπαντών είναι γενικά μικρότερες, με ικανοποιητικό βαθμό εμπιστοσύνης. Η επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος και της αλατότητας στην τάση ρύπανσης των μεμβρανών ήταν αντίστοιχη με την τάση των πειραμάτων με τα χουμικά οξέα. Τέλος, συγκρίνοντας τις τιμές της ειδικής αντίστασης των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης για το αλγινικό νάτριο με την ειδική αντίσταση των χουμικών οξέων προκύπτει ότι για τις ίδιες τιμές συγκέντρωσης, οι πρώτες είναι 121

152 Κεφάλαιο 5 μεγαλύτερες σε όλες τις πειραματικές συνθήκες που μελετήθηκαν. Η παρατήρηση αυτή είναι σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία (Lee και Elimelech, 2006; Lee et al., 2006), επιβεβαιώνοντας πως οι πολυσακχαρίτες αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες ρύπανσης των μεμβρανών κατά την επεξεργασία νερού, περιλαμβανομένων των αστικών λυμάτων και των επιφανειακών υδάτων. Στην περίπτωση των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης με τα μίγματα των χουμικών οξέων και του πολυσακχαρίτη προκύπτει πάλι η γραμμική σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης και του συντελεστή ρύπανσης. Παράλληλα, παρατηρείται έντονη επίδραση της αλατότητας και λιγότερο σημαντική, σε σχέση με τους μεμονωμένους ρυπαντές, επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής του διηθήματος. Από τη σύγκριση της ειδικής αντίστασης των πειραμάτων με μίγματα και με τους μεμονωμένους ρυπαντές, για τις ίδιες τιμές συγκέντρωσης, προκύπτει ότι δεν παρατηρείται συνέργεια στη δράση των δύο ρυπαντών, με αποτέλεσμα η τάση ρύπανσης των μιγμάτων να είναι μικρότερη από αυτή του αλγινικού νατρίου αλλά μεγαλύτερη από αυτή των χουμικών οξέων. Παράλληλα, συγκρίνοντας τους δείκτες ρύπανσης για τις δύο αναλογίες ρυπαντών στις οποίες πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις, παρατηρείται ότι η αύξηση του ποσοστού του πολυσακχαρίτη στο μίγμα συνεπάγεται αύξηση του συντελεστή της ειδικής αντίστασης. Τα αποτελέσματα με τον κολλοειδή σίδηρο χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη διασπορά σε σχέση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των οργανικών ρυπαντών. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στο γεγονός ότι o σχηματιζόμενος κολλοειδής σίδηρος είναι περισσότερο ασταθής από τα χουμικά οξέα εμφανίζοντας μεγαλύτερη τάση συσσωμάτωσης. Παρόλα αυτά, παρατηρείται έντονη εξάρτηση του συντελεστή ρύπανσης από τη συγκέντρωση του σιδήρου, μολονότι η επίδραση της αρχικής ανηγμένης ροής και της αλατότητας στο ρεύμα τροφοδοσίας δεν είναι δυνατόν να εντοπιστούν, λόγω της διασποράς των αποτελεσμάτων. Τέλος, σημειώνεται ότι για τη διόρθωση των τιμών της ειδικής αντίστασης των ρυπαντών από τα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης έγινε προσδιορισμός του συντελεστή εναπόθεσης μάζας στη μεμβράνη αντίστροφης ώσμωσης για τον κάθε ρυπαντή. Οι τιμές της ειδικής αντίστασης που υπολογίστηκαν, φαίνεται ότι είναι ανεξάρτητες της συγκέντρωσης του ρυπαντή και θεωρείται ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό της ρύπανσης των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης. 122

153 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ 6.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για τη μελέτη της οργανικής και της ανόργανης κολλοειδούς ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα κατά μέτωπο διήθησης, σε διάταξη εργαστηριακής κλίμακας. Σκοπός των πειραμάτων αυτών αποτέλεσε η συλλογή αξιόπιστων και αντιπροσωπευτικών αποτελεσμάτων, τα οποία σε συνδυασμό με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης (RO), μπορούν να συμβάλουν στην βελτίωση των τεχνικών πρόβλεψης της ρύπανσης, ιδιαίτερα στα συστήματα RO. Στα πειράματα υπερδιήθησης χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιοι ρυπαντές με εκείνους των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση των αντιστάσεων λόγω ρύπανσης μεταξύ των δύο διεργασιών. Συνεπώς, στα πειράματα υπερδιήθησης χρησιμοποιήθηκαν τα χουμικά οξέα, ο πολυσακχαρίτης του αλγινικού νατρίου, μίγματα αυτών σε αναλογία 3:1 και 1:1 καθώς και το κολλοειδές οξείδιο του σιδήρου. Επίσης εκτιμήθηκε, η ρύπανση των μεμβρανών υπερδιήθησης για την περίπτωση δειγμάτων από φυσικά νερά. Οι μετρήσεις υπερδιήθησης έγιναν σε ρευστά, όμοια με εκείνα των πειραμάτων της αντίστροφης ώσμωσης. Έτσι το ph των διαλυμάτων τροφοδοσίας ρυθμίστηκε με την προσθήκη διαλύματος NaOH στο 7 (ph 7.0), ενώ η συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου σε όλες τις μετρήσεις ήταν 2 mm (δεν χρησιμοποιήθηκε ασβέστιο στα πειράματα του σιδήρου). Η προσθήκη ασβεστίου δικαιολογείται από την συχνή παρουσία του στα 123

154 Κεφάλαιο 6 φυσικά νερά, καθώς και από το γεγονός ότι το ασβέστιο ενισχύει και επιταχύνει τα φαινόμενα συσσωμάτωσης. Σε κάθε πείραμα υπερδιήθησης χρησιμοποιήθηκε διαφορετικό διάλυμα τροφοδοσίας, το οποίο παρασκευάζόταν με αραίωση των πρότυπων διαλυμάτων υψηλής συγκέντρωσης σε απιονισμένο νερό (Milli Q, αντίσταση <18,2 MΩcm), μέχρι την επιθυμητή τιμή συγκέντρωσης. Διαφορετική επίσης ήταν και η μεμβράνη που χρησιμοποιούνταν σε κάθε πείραμα. Για τη μελέτη της επίδραση της αλατότητας στη ρύπανση των μεμβρανών υπερδιήθησης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις στην περιοχή των 500 και 2000 mg/l σε ΝaCl, ενώ στην περίπτωση του κολλοειδούς σιδήρου έγιναν πειράματα και σε συνθήκες απουσίας NaCl. Επίσης, η πίεση λειτουργίας στο κελί διήθησης κυμάνθηκε μεταξύ 5 20 psi, ενώ στην περίπτωση του σιδήρου μελετήθηκε η ρύπανση για πίεση ίση με 40 psi. Τέλος, σημειώνεται πως όλα τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια ήταν εργαστηριακής καθαρότητας (analytical grade reagent) ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ Σύμφωνα με τη θεωρία της διήθησης (Ruth et al., 1933a, 1933b; Ruth, 1935), και τον νόμο του Darcy, η ροή ενός υγρού, στην περίπτωση των αντιστάσεων σε σειρά, υπολογίζεται από τη εξίσωση J = 1 dv A dt P = η R m R c ( + ) (6.1) όπου ΔP είναι η εφαρμοζόμενη πίεση, R m η αντίσταση της καθαρής μεμβράνης και R c η αντίσταση που προέρχεται από τη δημιουργούμενη στοιβάδα στην επιφάνεια της μεμβράνης. Το μέγεθος της αντίστασης πρόκειται μελετηθεί αναλυτικά στη συνέχεια της εργασίας. Με A συμβολίζεται η επιφάνεια της μεμβράνης, ενώ με η το δυναμικό ιξώδες του διαλύματος. Στην περίπτωση που ο σχηματισμός στοιβάδας αποτελεί τον κυρίαρχο μηχανισμό ρύπανσης, μπορεί να γίνει η παραδοχή ότι η αντίσταση της δημιουργούμενης στοιβάδας είναι ανάλογη της μάζας που επικάθεται στην επιφάνεια της μεμβράνης. Επιπλέον θεωρείται, ότι η διήθηση υπό σταθερή πίεση που οδηγεί στον σχηματισμό στοιβάδας χαρακτηρίζεται από μία μέση ειδική αντίσταση α, τέτοια ώστε αcbv Rc = (6.2) A 124

155 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης όπου C b είναι η συγκέντρωση του ρυπαντή στο διάλυμα τροφοδοσίας. Αντικαθιστώντας την Εξ. (6.2) στην Εξ. (6.1) και ολοκληρώνοντας, προκύπτει μια εξίσωση δευτέρου βαθμού ως προς τον όγκο του διηθήματος. ηαcb 2 ηrm V + V t = P A P A (6.3) Για την αξιολόγηση των πειραματικών δεδομένων η Εξ. (6.3) μετασχηματίζεται ως εξής t V ηrm ηαcb = + V 2 P A 2 P A (6.4) Από την εξίσωση αυτή γίνεται προφανές, ότι σε μια γραφική παράσταση του t/v συναρτήσει του V, η κλίση, λ, υπολογίζεται από τη σχέση ηαcb λ (6.5) 2 2 P A για το γραμμικό τμήμα της καμπύλης, το οποίο αποτελεί χαρακτηριστικό της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας. Οι Schippers και Verdow (1980) πρότειναν την χρησιμοποίηση του όρου λ, ως μέτρου της τάσης ρύπανσης ενός υδατικού διαλύματος, με την ονομασία τροποποιημένος δείκτης ρύπανσης (Modified Fouling Index). Επιπλέον, η ποσότητα, Ι, η οποία ορίζεται από την εξίσωση I = α C b (6.6) χαρακτηρίζεται ως δείκτης ρύπανσης και είναι ένας από τους πιο γνωστούς δείκτες αξιολόγησης και πρόβλεψης της τάσης ρύπανσης των υδατικών διαλυμάτων. Έχει αποδειχθεί εδώ και καιρό (Tiller, 1953) ότι κατά τη διήθηση, η ειδική αντίσταση της στοιβάδας επηρεάζεται από την εφαρμοζόμενη πίεση και η εμπειρική σχέση συσχετισμού (ως πρώτη προσέγγιση) που συνήθως χρησιμοποιείται είναι της μορφής n α = α o P (6.7) όπου α o είναι η ειδική αντίσταση της στοιβάδας σε μια πίεση αναφοράς και ΔP είναι η διαφορά πίεσης ανάμεσα στην εφαρμοζόμενη πίεση και μια πίεση αναφοράς. Ο εκθέτης n αναφέρεται συνήθως στη βιβλιογραφία (Boerlage et al., 2002, 2003, 2004) ως συντελεστής συμπιεστότητας, επειδή αποτελεί μέτρο αυτής. Η επίδραση της πίεσης στα δομικά χαρακτηριστικά της σχηματιζόμενης στοιβάδας αλλά και στον συντελεστή συμπιεστότητας, ιδιαίτερα για την περίπτωση των κολλοειδών διαλυμάτων, είναι ένα εξαιρετικά περίπλοκο φαινόμενο και αποτελεί αντικείμενο συνεχούς ερευνητικής δραστηριότητας (Wang et al., 2008). Έτσι, για τη διεργασία της υπερδιήθησης 125

156 Κεφάλαιο 6 θεωρείται (Green & Boger, 1997; Channel et al.,2000) ότι το κλάσμα όγκου των στερεών, φ (solid volume fraction) και το πορώδες της στοιβάδας μεταβάλλονται κατά μήκος της στοιβάδας. Συγκεκριμένα, έχει αποδειχθεί πως το κλάσμα των στερεών μεταβάλλεται μεταξύ της μέγιστης τιμής του (η οποία εξαρτάται από την πίεση και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του συστήματος) στην επιφάνεια της μεμβράνης, και της ελάχιστης τιμής, φ g, στη διεπιφάνεια στοιβάδας/υγρού. Η τελευταία, συνήθως αναφέρεται ως κλάσμα όγκου πηκτώματος (gelation volume fraction) και αντιπροσωπεύει τη μετάβαση από ένα αιώρημα (fluid like dispersion), στη δημιουργία επικαθήσεων στερεάς φύσης (solid like deposits). Για τον λόγο αυτόν, στην Εξ. 6.7 ο όρος (α) πρέπει να θεωρείται ότι αποτελεί μέτρο της μέσης ειδικής αντίστασης κατά το πάχος της στοιβάδας. Επίσης, οι στοιβάδες που δημιουργούνται κατά τη διήθηση κολλοειδών διαλυμάτων εμφανίζουν τάση διαρροής (compressive yield stress), που εύκολα μπορεί να προσδιορισθεί πειραματικά (Green & Boker,1997; Channell et al.,2000). Ως όριο διαρροής μιας στοιβάδας με συγκεκριμένο κλάσμα όγκου στερεών, φ i ορίζεται η τιμή της τάσης συμπίεσης, στην οποία στοιβάδα μεταβαίνει σε μια νέα, μη αντιστρέψιμη κατάσταση ισορροπίας, με μεγαλύτερο κλάσμα όγκου στερεών, φ, (δηλαδή φ > φ i ) ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗΣ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ Ο συντελεστής συγκράτησης των μεμβρανών υπερδιήθησης, δηλαδή το ποσοστό των διαλυμένων οργανικών και κολλοειδών ανόργανων ουσιών που κατακρατούνται από τη μεμβράνη αποτελεί σημαντική λειτουργική παράμετρο, η τιμή της οποίας επιρεάζει την τιμή της ειδικής αντίστασης των δημιουργούμενων στοιβάδων. Για το λόγο αυτό, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη κατά την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων της υπερδιήθησης. Στο Σχήμα 6 1 παρατίθεται η ολική συγκράτηση των χουμικών οξέων από τη μεμβράνη υπερδιήθησης για τις διάφορες συνθήκες πίεσης και συγκέντρωσης. Αξίζει να σημειωθεί πως η συντελεστής ολικής συγκράτησης έχει υπολογιστεί με προσδιορισμό της συγκέντρωσης των χουμικών οξέων στον τελικό όγκο του διηθήματος που συνολικά παράγεται σε κάθε πείραμα. 126

157 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης 100 P= 5 psi P=10 psi P=20 psi Συγκρατηση χουµικων (%) C (mg/l) b Σχήμα 6 1: Γραφική παράσταση της συγκράτησης των χουμικών οξέων συναρτήσει της συγκέντρωσης για τα πειράματα υπερδιήθησης, [Ca 2+ ]= 2 mm. Επίσης, στο Σχήμα 6 2 παρουσιάζεται ένα τυπικό διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του συντελεστή συγκράτησης της μεμβράνης υπερδιήθησης κατά τη διήθηση διαλύματος χουμικών οξέων. Από το σχήμα προκύπτει ότι η μεταβολή του συντελεστή κατά τη διάρκεια του πειράματος είναι μικρότερη από 10%, ωστόσο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αυξητική τάση που ο συντελεστής παρουσιάζει. Η συμπεριφορά αυτή οφείλεται στο ότι η στοιβάδα επικαθήσεων που δημιουργείται λειτουργεί ως μια νέα, εν δυνάμει μεμβράνη, με αποτέλεσμα τη συγκράτηση περισσοτέρων σωματιδίων. Επίσης, παρατηρείται πως οι τιμές συγκράτησης των χουμικών οξέων που προσδιορίστηκαν από πειραματικές μετρήσεις (Σχήμα 6 1) είναι σε συμφωνία με τα αποτελέσματα που αναμένονται με βάση την κατανομή των μοριακών βαρών που παρουσιάστηκε στο Σχήμα 3 7. Επιπρόσθετα, προκύπτει πως η μεταβολή της εφαρμοζόμενη πίεσης δεν επηρεάζει τον συντελεστή συγκράτησης, ενώ και η επίδραση της συγκέντρωσης των διαλυμάτων τροφοδοσίας είναι σχετικά μικρή. Όσον αφορά, το συντελεστή συγκράτησης του πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου, η μέση τιμή του στα πειράματα υπερδιήθησης με χρήση της μεμβράνης των 100 kda προσδιορίστηκε περίπου στο 0.8, ενώ η μέση τιμή του συντελεστή συγκράτησης της μεμβράνης ήταν ελαφρώς υψηλότερη (0.9) στην περίπτωση των μιγμάτων των χουμικών οξέων και του πολυσακχαρίτη. Τέλος, σύμφωνα με τα αποτελέσματα 127

158 Κεφάλαιο 6 πειραματικών μετρήσεων, η συγκράτηση του οξειδίου του σιδήρου από την μεμβράνη υπερδιήθησης ήταν πλήρης (περίπου 100%). 100 Συγκρατηση χουµικων (%) t (min) Σχήμα 6 2: Χρονική μεταβολή του συντελεστή συγκράτησης των χουμικών οξέων κατά τη διήθηση διαλύματος 10 mg/l υπό πίεση 20 psi. [Ca 2+ ]= 2 mm ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΧΟΥΜΙΚΑ ΟΞΕΑ Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Με χρήση μεμβράνης πολυακρυλονιτριλίου (polyacrylonitrile) της εταιρίας Osmonics (Ultrafilic,ονομαστικό μέγεθος πόρων 100 kda), πραγματοποιήθηκαν πειράματα υπερδιήθησης σε δύο τιμές αλατότητας (500 και 2000 mg/l) και για τιμές συγκέντρωσης χουμικών οξέων: 5,10,15 και 20 mg/l. Για να αυξηθεί η τάση συσσωμάτωσης των χουμικών, για να επιταχυνθούν οι πειραματικές διαδικασίες, στο διάλυμα τροφοδοσίας προστέθηκαν 2 mm Ca 2+, όπως ακριβώς συνέβη και στα πειράματα αντίστροφης ώσμωσης. Για τη μελέτη επίδρασης της εφαρμοζόμενης πίεσης, διεξήχθησαν μετρήσεις σε τρεις διαφορετικές τιμές πιέσεων: 5,10 και 20 psi. Στο Σχήμα 6 3 απεικονίζονται τα διαγράμματα του όγκου του διηθήματος που παράγεται σε συνάρτηση με τον χρόνο διεξαγωγής του πειράματος, για τις διάφορες τιμές πίεσης λειτουργίας. Από τα διαγράμματα αυτά, γίνεται φανερό πως η αύξηση της 128

159 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης συγκέντρωσης των χουμικών οξέων, οδηγεί σε μείωση της ποσότητας του διηθήματος που παράγεται σε ίσους πειραματικούς χρόνους, γεγονός που υποδηλώνει εντονότερη ρύπανση των μεμβρανών. Η παραπάνω συμπεριφορά είναι λιγότερο εμφανής σε χαμηλές τιμές πίεσης (Σχήμα 6 3α), λόγω του μικρού όγκου του διαλύματος που διέρχεται από την μεμβράνη. Επιπλέον, παρατηρείται πως για την ίδια συγκέντρωση ρυπαντή, η αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης οδηγεί σε μεγαλύτερες ποσότητες παραγόμενου διηθήματος και συνεπώς σε υψηλότερες τιμές ανηγμένης ροής διηθήματος, συμπεριφορά που συμφωνεί με την Εξ. (6.1). Τέλος, η αύξηση του όγκου του παραγόμενου διηθήματος με την αύξηση της πίεσης λειτουργίας, παρατηρείται για το σύνολο των διαλυμάτων με χουμικά οξέα. L ) (m V ppm 10 ppm 15 ppm 20 ppm 20 a) t(min) ppm 10 ppm 15 ppm 20 ppm V (ml) b) t (min) 129

160 Κεφάλαιο ppm 10 ppm 15 ppm 20 ppm V (ml) c) Σχήμα 6 3: t (min) Χρονική μεταβολή του διηθήματος από διαλύματα χουμικών οξέων για διάφορες συγκεντρώσεις σε πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα 500 mg/l, [Ca 2+ ]= 2 mm. Με στόχο τη μελέτη της επίδρασης της ιοντικής ισχύος στη ρύπανση των μεμβρανών υπερδιήθησης από χουμικά οξέα πραγματοποιήθηκε σειρά μετρήσεων υπό σταθερή συγκέντρωση (10 mg/l) και για αλατότητα 2000 mg/l (Σχήμα 6 4). Από το διάγραμμα προκύπτει, όπως άλλωστε αναμένεται, ότι η αύξηση της πίεσης λειτουργίας οδηγεί σε αυξημένους όγκους διηθήματος. Ωστόσο, η ταχύτερη μεταβολή του ρυθμού παραγωγής του διηθήματος κατά την αύξηση της πίεσης υποδηλώνει μεγαλύτερη ρύπανση της μεμβράνης σε συνθήκες υψηλής πίεσης psi 10 psi 20 psi 30 psi V (ml) t (min) Σχήμα 6 4: Χρονική μεταβολή του διηθήματος των χουμικών οξέων σε διάφορες πιέσεις λειτουργίας. Πειραματικές συνθήκες: Συγκέντρωση χουμικών 10 mg/l, αλατότητα 2000 mg/l, [Ca 2+ ]= 2 mm. 130

161 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Τα πειραματικά δεδομένα των χουμικών οξέων για τις δύο τιμές αλατότητας μετά την επεξεργασία τους σύμφωνα με την θεωρία της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας, παρουσιάζονται στα Σχήματα 6 5 και 6 6. Τα διαγράμματα αποκαλύπτουν πως για όλες τις συνθήκες πίεσης λειτουργίας και συγκέντρωσης των χουμικών, το μοντέλο της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας περιγράφει με πολύ καλή προσέγγιση τα πειραματικά δεδομένα. Η γραμμικότητα που παρατηρείται μεταξύ των μεγεθών (t/v) και (V) για το σύνολο σχεδόν των πειραματικών δεδομένων υποδεικνύει την κυριαρχία αυτού του μηχανισμού ρύπανσης. Εξαίρεση ωστόσο, αποτελούν οι αρχικοί χρόνοι κάθε πειράματος, κατά τους οποίους εκτιμάται πως επικρατούν μηχανισμοί εναπόθεσης ή απορρόφησης των μορίων των χουμικών οξέων στα εσωτερικά τοιχώματα των πόρων της μεμβράνης. Από τη μορφή επίσης των διαγραμμάτων της χαμηλής αλατότητας (500 mg/l) γίνεται σαφές, πως η συγκέντρωση του ρυπαντή επηρεάζει σημαντικά τη ρύπανση. Συγκεκριμένα, παρατηρείται πως η αύξησή της οδηγεί σε μεγαλύτερες κλίσεις των διαγραμμάτων (t/v) ως προς (V). Οι τιμές της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας, α και του δείκτης ρύπανσης, Ι, όπως αυτές προκύπτουν από τα πειραματικά δεδομένα με χρήση των εξισώσεων που αναφέρθηκαν στην Ενότητα 6.2 παρουσιάζονται αναλυτικά στον Πίνακα Α 1 στο παράρτημα Α. Θα πρέπει ωστόσο να τονιστεί, πως οι τιμές της μέσης ειδικής αντίστασης υπολογίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη μόνο το γραμμικό τμήμα των διαγραμμάτων των Σχημάτων 6 5 και 6 6. Από τις τιμές του Πίνακα Α 1 προκύπτει ότι η επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης στην ειδική αντίσταση της σχηματιζόμενης στοιβάδας είναι ιδιαίτερα σημαντική. Όσο η πίεση αυξάνει, τόσο μεγαλύτερες τιμές αποκτά η ειδική αντίσταση της στοιβάδας των επικαθήσεων. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στο γεγονός ότι λόγω των υψηλών πιέσεων που αναπτύσσονται, δημιουργούνται στοιβάδες περισσότερο συμπαγείς και με μικρότερη περατότητα. Για να προσδιοριστεί η εξάρτηση της ειδικής αντίστασης α, από την πίεση λειτουργίας συνήθως χρησιμοποιείται η Εξ. (6.7), η οποία και αποτελεί χαρακτηριστική εξίσωση των συμπιεστών υλικών. Επιπρόσθετα, από τον Πίνακα Α 1 προκύπτει, ότι η ειδική αντίσταση της στοιβάδας για σταθερή πίεση λειτουργίας είναι ανεξάρτητη της συγκέντρωσης των χουμικών οξέων, γεγονός που δηλώνει πως η 131

162 Κεφάλαιο 6 t/v (min/ml) ppm HA 10 ppm HA 15 ppm HA 20 ppm HA a) V (ml) t/v (min/ml) ppm HA 10 ppm HA 15 ppm HA 20 ppm HA b) V (ml) 2.5 t/v (min/ml) ppm HA 10 ppm HA 15 ppm HA 20 ppm HA Σχήμα 6 5: c) V (ml) Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης σύμφωνα με το μοντέλο σχηματισμού στoιβάδας (Εξ. (6.5)) για διάφορες συγκεντρώσεις χουμικών οξέων. Πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα διαλυμάτων: 500 mg/l. 132

163 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης t/v (min/ml) psi 10 psi 20 psi 30 psi V (ml) Σχήμα 6 6: Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης διαλυμάτων χουμικών οξέων σύμφωνα με το μοντέλο σχηματισμού στoιβάδας (Εξ. (6.5)) για διάφορες πιέσεις λειτουργίας. Πειραματικές συνθήκες: Συγκέντρωση χουμικών 10 mg/l, αλατότητα διαλυμάτων 2000 mg/l. παράμετρος της ειδικής αντίστασης μπορεί να περιγράψει την συμπεριφορά διαλυμάτων με μικρότερες και πιο ρεαλιστικές τιμές συγκέντρωσης. Στο Σχήμα 6 7 παριστάνεται γραφικά σε λογαριθμικές συντεταγμένες, οι τιμές της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας των χουμικών οξέων που σχηματίζεται στην επιφάνεια της μεμβράνης, συναρτήσει της εφαρμοζόμενη πίεσης για τις διάφορες τιμές συγκέντρωσης και αλατότητας UF 100 kda; TDS= 500 mg/l UF 100 kda; TDS=2000 mg/l UF 30 kda; TDS=2000 mg/l α (m/kg) y = 3.3e+13 * x^(0.70) R= P (kpa) Σχήμα 6 7: Ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης με χουμικά οξέα. 133

164 Κεφάλαιο 6 Από το διάγραμμα προκύπτει μια εκθετική σχέση συσχετισμού των δύο μεγεθών, ενώ ο συντελεστής συμπιεστότητας είναι περίπου 0.70, τιμή που υποδηλώνει ένα αρκετά συμπιεστό στρώμα επικαθήσεων. Επίσης, παρατηρείται πως η αύξηση της αλατότητας συνεπάγεται και μεγαλύτερες τιμές της ειδικής αντίστασης των χουμικών οξέων. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στη συμπίεση της διπλοστοιβάδας που περιβάλει τα οργανικά μόρια λόγω της έντονης παρουσίας κατιόντων, με αποτέλεσμα την έντονη συσσωμάτωση των χουμικών.τέλος, αν και στη βιβλιογραφία (Boerlage et al., 2003) έχει προταθεί εναλλακτικά ο συσχετισμός της ειδικής αντίστασης με την ανηγμένη ροή του διηθήματος, στην περίπτωση της εργασίας αυτής δεν προέκυψε κάποιος σαφής συσχετισμός ανάμεσα στα δύο μεγέθη. Στο Σχήμα 6 8 παρατίθενται εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (Scanning Electron Microscope), της στοιβάδας των χουμικών οξέων που δημιουργείται στην επιφάνεια της μεμβράνης. Οι εικόνες αποκαλύπτουν, σε υποστήριξη των έως τώρα αποτελεσμάτων, ότι η στοιβάδα των χουμικών οξέων εμφανίζει σχετικά ομοιόμορφη και μάλλον συμπαγή δομή. Η δομή αυτή είναι πιθανόν αποτέλεσμα της ισχυρής τάσης συμπλοκοποίησης που εμφανίζουν τα χουμικά οξέα όταν βρεθούν σε περιβάλλον με δισθενή ιόντα (κυρίως ιόντων ασβεστίου). a) b) Σχήμα 6 8: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση 10 mg/l χουμικών οξέων υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 100 και b) x

165 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης 6.5. ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΑΛΓΙΝΙΚΟ ΝΑΤΡΙΟ Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Η τάση ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης εξετάστηκε επίσης για την περίπτωση του πολυσακχαρίτη του αλγινικού νατρίου σε περιοχή πιέσεων 5 20 psi. Η επιλογή για τη χρησιμοποίηση του αλγινικού νατρίου ως ρυπαντή βασίστηκε στο γεγονός ότι ο πολυσακχαρίτης είναι τυπικός αντιπρόσωπος του υδρόφιλου κλάσματος της φυσικής οργανικής ύλης και απαντάται στα φυσικά νερά, στα επεξεργασμένα απόβλητα καθώς και στο θαλασσινό νερό. Οι πειραματικές συνθήκες συνοψίζονται στα εξής: η συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου ήταν 2 mm, η αλατότητα των διαλυμάτων τροφοδοσίας κυμάνθηκε μεταξύ 500 και 2000 mg/l, ενώ το ph των διαλυμάτων ήταν ουδέτερο (ph 7.0) σε όλες τις μετρήσεις. Αναφορικά με τη συγκέντρωση του πολυσακχαρίτη, αυτή κυμάνθηκε στην περιοχή των mg/l. Τα πειραματικά δεδομένα διήθησης διαλυμάτων του αλγινικού νατρίου παρουσιάζονται στο Σχήμα ppm 5 ppm 10 ppm 20 ppm V (ml) a) t (min) 135

166 Κεφάλαιο ppm 5 ppm 10 ppm 20 ppm 80 V (ml) b) t (min) ppm 5 ppm 10 ppm 20 ppm 80 V (ml) Σχήμα 6 9: c) t (min) Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος από διάλυμα αλγινικού νατρίου για διάφορες συγκεντρώσεις συναρτήσει του χρόνου, σε πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα 500 mg/l, [Ca 2+ ]= 2 mm. Και στα πειράματα υπερδιήθησης διαλυμάτων του αλγινικού νατρίου, η επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης αλλά και της συγκέντρωσης του ρυπαντή στον όγκο του παραγόμενου διηθήματος είναι ιδιαίτερα σημαντική. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται αύξηση της ποσότητας του διηθήματος με την αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης, ενώ αντίθετα η αύξηση της συγκέντρωσης του ρυπαντή συνεπάγεται μικρότερες ποσότητες διηθήματος. Τέλος, η ταύτιση των καμπυλών του διηθήματος για τις δύο χαμηλότερες τιμές συγκέντρωσης του πολυσακχαρίτη (δηλαδή για τις συγκεντρώσεις των 2.5 και 5 mg/l), αποδίδεται στην διαφορετική εσωτερική αντίσταση που εμφάνισαν ορισμένα κομμάτια μεμβράνης. 136

167 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης Αποτελέσματα Σχόλια Η επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων και του αλγινικού νατρίου έγινε με χρήση του μοντέλου της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας. Στο Σχήμα 6 10 απεικονίζεται το γραμμικό τμήμα των γραφικών παραστάσεων του όρου (t/v) σε συνάρτηση με τον όγκο του διηθήματος (V). Σύμφωνα με την θεωρία της ενότητας 6.2, από την κλίση του γραμμικού αυτού τμήματος των γραφικών παραστάσεων και με τη βοήθεια μαθηματικών σχέσεων είναι δυνατόν να προσδιοριστεί ο δείκτης ρύπανσης και η ειδική αντίσταση της στοιβάδας. 137

168 Κεφάλαιο ppm 5 ppm 10 ppm 20 ppm t/v (min/ml) a) V (ml) ppm 5 ppm 10 ppm 20 ppm t/v (min/ml) b) V (ml) ppm 5 ppm 10 ppm 20 ppm t/v (min/ml) c) V (ml) Σχήμα 6 10: Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης σύμφωνα με το μοντέλο σχηματισμού στοιβάδας για τις διάφορες συγκεντρώσεις αλγινικού νατρίου. Πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi,b) P=10 psi και c) P=20 psi. Αλατότητα διαλυμάτων: 500 mg/l. 138

169 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης Oι υψηλές τιμές του συντελεστή συσχέτισης (R> 0.98) επιβεβαιώνουν το γεγονός, ότι ο μηχανισμός της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας (cake filtration) αποτελεί τον κυρίαρχο μηχανισμό ρύπανσης κατά τη διάρκεια των πειραμάτων υπερδιήθησης διαλυμάτων πολυσακχαρίτη. Όπως έχει ήδη επισημανθεί από τα πρωτογενή πειραματικά δεδομένα του Σχήματος 6 9, η επίδραση της συγκέντρωσης του πολυσακχαρίτη είναι λιγότερο έντονη για τις χαμηλότερες τιμές της. Έτσι, στα Σχήματα 6 10a) και 6 10c) παρατηρείται σχεδόν ταύτιση των γραφικών παραστάσεων για τις τιμές συγκεντρώσεων 2.5 και 5 mg/l του αλγινικού νατρίου. Παρόλα αυτά, η γενική εικόνα που παρουσιάζει το σύνολο των πειραματικών δεδομένων, δείχνει πως όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του πολυσακχαρίτη τόσο επίσης αυξάνει και η κλίση των γραμμικών συναρτήσεων σύμφωνα με τις Εξ. (6.4) και (6.6), τόσο αυξάνονται οι τιμές του δείκτη ρύπανσης, Ι. Στον Πίνακα Α 2 του παραρτήματος Α παρουσιάζονται οι τιμές της ειδικής αντίστασης και του δείκτη ρύπανσης για τα πειράματα του αλγινικού νατρίου όπως προέκυψαν από την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων. Και στην περίπτωση του πολυσακχαρίτη, παρατηρείται πως η εφαρμοζόμενη πίεση επηρεάζει σημαντικά την τιμή της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας, ενώ αντίθετα η τελευταία δείχνει να μην επηρεάζεται από την μεταβολή της συγκέντρωσης. Στο Σχήμα 6 11 παρουσιάζεται η γραφική παράσταση της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας επικαθήσεων συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης για τις διάφορες τιμές συγκέντρωσης του αλγινικού νατρίου και αλατότητας. Από διάγραμμα προκύπτει και για τον πολυσακχαρίτη, μια εκθετική σχέση εξάρτησης της ειδικής αντίστασης του ρυπαντή και της εφαρμοζόμενης πίεσης, για την περιοχή πιέσεων που πραγματοποιήθηκε η μελέτη. Ο συντελεστής συμπιεστότητας της στοιβάδας του πολυσακχαρίτη υπολογίστηκε ότι είναι 0.40, ενώ σημειώνεται μεγαλύτερη διασπορά των τιμών της ειδικής αντίστασης, σε σχέση με αυτές των πειραμάτων με τα χουμικά οξέα, γεγονός που αντανακλάται στη μικρότερη τιμή του συντελεστή συσχέτισης. Παρατηρείται ωστόσο, πως η διασπορά των τιμών τείνει να μειώνεται με την αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης. Τέλος, στο Σχήμα 6 12 παρουσιάζονται εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης της στοιβάδας του πολυσακχαρίτη. Οι εικόνες 139

170 Κεφάλαιο α (m/kg) UF 100 kda;tds=500 mg/l UF 100 kda;tds=2000 mg/l UF 30 kda; TDS=2000 mg/l y = 4.2e+14 * x^(0.40) R= P (kpa) Σχήμα 6 11: Ειδική αντίσταση στοιβάδας α, του αλγινικού νατρίου συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης υπολογισμένη από τα πειράματα υπερδιήθησης. αποκαλύπτουν ένα ιδιαίτερα ομοιογενές και ομοιόμορφο στρώμα επικαθήσεων, χαρακτηριστικό του πηκτώματος (gel) που καλύπτει την επιφάνεια της μεμβράνης. H δομή της στοιβάδας είναι αποτέλεσμα των ισχυρών ενδομοριακών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων του πολυσακχαρίτη και των ιόντων του ασβεστίου. Έτσι τελικά δημιουργείται ένα ιδιαίτερα συνεκτικό μοριακό πλέγμα. Η συμπαγής δομή της στοιβάδας του πολυσακχαρίτη αντικατοπτρίζεται στη μικρότερη συμπιεστότητα της στοιβάδας αυτής έναντι της αντίστοιχης των χουμικών οξέων. a) b) 140

171 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης c) d) Σχήμα 6 12: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση 10 mg/l αλγινικού νατρίου υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 100 b) x 1000 και c,d) x ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΜΙΓΜΑTA ΧΟΥΜΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΑΛΓΙΝΙΚΟΥ ΝΑΤΡΙΟΥ Πειραματικές συνθήκες και καμπύλες διήθησης Στην κατηγορία αυτή πειραμάτων, μελετήθηκε η ρύπανση που προκύπτει από μίγματα των δύο οργανικών ρυπαντών, τα οποία είναι περισσότερο αντιπροσωπευτικά των ρυπαντών που απαντώνται στα φυσικά νερά, τα επεξεργασμένα αστικά απόβλητα και το θαλασσινό νερό. Η αναλογία όμως, με την οποία απαντώνται τα χουμικά και οι πολυσακχαρίτες στα φυσικά νερά και στα απόβλητα ποικίλει, ανάλογα με την προέλευσή τους ή τη διαδικασία επεξεργασίας που έχουν υποστεί (Barker & Stuckey, 1999; Rebhun & Manka, 1971) ενώ στη βιβλιογραφία υπάρχουν και δεδομένα για τις συγκεντρώσεις των δύο ρυπαντών στο θαλασσινό νερό (ΜcCarthy et al., 1993; Dalvi et al., 2000). Για το λόγο αυτό, μελετήθηκε η ρύπανση της μεμβράνης υπερδιήθησης από μίγματα σε δύο διαφορετικές αναλογίες χουμικών (ΗΑ)/πολυσακχαρίτη(SA), παρουσία 2 mm Ca 2+.Πιο συγκεκριμένα, οι αναλογίες των μιγμάτων στα πειράματα υπερδιήθησης ήταν 75% HA 25% SA και 50% HA 50% SA. Η μελέτη της συμπεριφοράς των μιγμάτων με αναλογία 75% 25% πραγματοποιήθηκε για τιμές συγκέντρωσης 6 20 mg/l, ενώ η αλατότητα τους κυμάνθηκε μεταξύ 500 και 2000 mg/l ΝaCl σε όλες τις πειραματικές μετρήσεις. Τέλος, οι τιμές της εφαρμοζόμενης πίεσης στις οποίες πραγματοποιήθηκαν 141

172 Κεφάλαιο 6 οι μετρήσεις ήταν τα 5, 10, 15 και 20 psi. Στο Σχήμα 6 13 παρουσιάζονται τα διαγράμματα του όγκου του διηθήματος συναρτήσει του χρόνου, για τις διάφορες τιμές πίεσης και συγκέντρωσης του μίγματος 75% HA 25% SA ppm 10 ppm 16 ppm 20 ppm V (ml) a) t (min) ppm 10 ppm 16 ppm 20 ppm V (ml) b) t (min) ppm 10 ppm 16 ppm 20 ppm V (ml) c) t(min) 142

173 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης ppm 10 ppm 16 ppm 20 ppm V (ml) d) t (min) Σχήμα 6 13: Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος από διαλύματα μίγματος χουμικών οξέων(75%) και αλγινικού νατρίου (25%) για διάφορες συγκεντρώσεις συναρτήσει του χρόνου, σε πίεση λειτουργίας: a) P=5 psi, b) P=10 psi, c)p=15 psi και d) P=20 psi. Από τις καμπύλες του Σχήματος 6 13 προκύπτει ότι η επίδραση της συγκέντρωσης αλλά και της πίεσης στην ποσότητα του παραγόμενου διηθήματος είναι όμοια με αυτήν που παρατηρήθηκε και στα πειράματα των μεμονωμένων ρυπαντών. Παρατηρείται λοιπόν, πως η αύξηση της συγκέντρωσης του μίγματος οδηγεί σε μειωμένες ποσότητες διηθήματος και συνεπώς σε συνθήκες εντονότερης ρύπανσης. Αντίστοιχα, σε αυξημένη τάση ρύπανσης οδηγεί και η αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης. Όσον αφορά τα πειράματα υπερδιήθησης των μιγμάτων με αναλογία 50% HA 50% SA αυτά περιλάμβαναν μετρήσεις με σταθερή συγκέντρωση (10 mg/l) και αλατότητα ( mg/l NaCl), ενώ η περιοχή των πιέσεων λειτουργίας ήταν μεταξύ 5 και 20 psi. Τα διαγράμματα της μεταβολής του διηθήματος με τον χρόνο, παρουσιάζονται στο Σχήμα

174 Κεφάλαιο P=5 psi P=10 psi P= 20 psi V (ml) a) t (min) P=5 psi P=10 psi P= 20 psi V (ml) b) t (min) Σχήμα 6 14: Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος από διαλύματα μίγματος χουμικών οξέων (50%) και αλγινικού νατρίου (50%) για διάφορες τιμές πίεσης συναρτήσει του χρόνου, σε αλατότητα: a) 500 και b) 2000 mg/l NaCl Αποτελέσματα Σχόλια Η επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων υπερδιήθησης των μιγμάτων των χουμικών οξέων και του πολυσασκχαρίτη έγινε βάσει της θεωρίας της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας. Για λόγους οικονομίας χώρου, τα διαγράμματα (t/v) συναρτήσει του (V) παρουσιάζονται στο παράρτημα. Από τις κλίσεις των διαγραμμάτων και σε συνδυασμό με τις Εξ. (6.5) και (6.6), προκύπτουν οι τιμές του συντελεστή ρύπανσης, Ι, καθώς και της ειδικής αντίστασης, α, της στοιβάδας που δημιουργείται στην επιφάνεια των μεμβρανών. Αναλυτικά, τα αποτελέσματα των πειραμάτων με τα μίγματα των χουμικών οξέων και του αλγινικού νατρίου παρουσιάζονται στους Πίνακες Α 3 και A 4 του παραρτήματος A, ενώ στο Σχήμα 6 15 απεικονίζεται η γραφική 144

175 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης παράσταση της ειδικής αντίστασης των μιγμάτων συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης, σε λογαριθμική κλίμακα. Παρατηρείται πως και για τις δύο αναλογίες των μιγμάτων προκύπτει μια εκθετική σχέση συσχετισμού ανάμεσα στην ειδική αντίσταση της στοιβάδας και στην εφαρμοζόμενη πίεση. Οι συντελεστές συμπιεστότητας που υπολογίστηκαν για τα μίγματα των χουμικών και του πολυσακχαρίτη για τιμές αλατότητας 2000 mg/l είναι παρόμοιες και βρίσκονται στα επίπεδα τιμών συμπιεστότητας του πολυσακχαρίτη. Η εικόνα αυτή ενισχύει την άποψη ότι οι πολυσακχαρίτες, κατά το σχηματισμό στοιβάδων από μίγματά τους με άλλες οργανικές ενώσεις (ακόμη και σε σχετικά μικρές αναλογίες), δρουν ως συνδετικά μέσα καθορίζοντας με τον τρόπο αυτό τις ιδιότητες τους (όπως είναι η περατότητα και η συμπιεστότητα). Ταυτόχρονα, γίνεται σαφές ότι η ειδική α (m/kg) α (m/kg) UF 100 kda;tds= 500 mg/l UF 100 kda;tds=2000 mg/l UF 30 kda;tds=500 mg/l UF 100 kda;tds= 500 mg/l UF 100 kda;tds=2000 mg/l P (kpa) P (kpa) a) b) Σχήμα 6 15: Η ειδική αντίσταση, α, συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης των πειραμάτων υπερδιήθησης με μίγμα a)75 % χουμικών οξέων 25% αλγινικού νατρίου και b)50% χουμικών οξέων 50% αλγινικού νατρίου. αντίσταση των στοιβάδων που δημιουργούνται είναι ανεξάρτητη της συγκέντρωσης των μιγμάτων, ενώ δεν παρατηρείται επίσης συσχετισμός ανάμεσα στην τιμή της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας και στην ανηγμένη ροή του διηθήματος, η οποία άλλωστε είναι χρονικά μεταβαλλόμενη. Μία σειρά εικόνων από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (Σχήμα 6 16) σε διαφορετικές μεγεθύνσεις, παρέχουν αρκετές πληροφορίες σχετικά με τη δομή των στοιβάδων που δημιουργούνται κατά την εναπόθεση μιγμάτων χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου στην επιφάνεια των μεμβρανών υπερδιήθησης. Οι εικόνες του σχήματος απεικονίζουν ένα λιγότερο ομοιόμορφο, σε σύγκριση με τον καθαρό πολυσακχαρίτη, στρώμα επικαθήσεων, με μειωμένο επίσης αριθμό ρωγμών. Οι 145

176 Κεφάλαιο 6 εικόνες φαίνεται ότι υποστηρίζουν (ποιοτικά) τη χαμηλή τιμή του συντελεστή συμπιεστότητας των μιγμάτων των δύο οργανικών ρυπαντών. a) b) c) d) Σχήμα 6 16: Εικόνες, από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση μίγματος 10 mg/l χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου (75% 25%) υπό πίεση 20 psi σε μεγέθυνση: a) x 100, b) x 2000 καθώς και μίγματος 10 mg/l χουμικών οξέων και αλγινικού νατρίου (50% 50%) υπό πίεση 20 psi σε μεγέθυνση: c) x 500 και d) x ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΚΟΛΛΟΕΙΔΗ ΣΙΔΗΡΟ Πειραματικές συνθήκες Για τη μελέτη της ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης από ανόργανα κολλοειδή σωματίδια πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τη χρήση σωματιδίων του σιδήρου. Η συγκέντρωση των ιόντων του τρισθενούς σιδήρου (Fe 3+ ) σε όλες τις μετρήσεις ήταν ίση με 10 mg/l, ενώ με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας ΝaCl στα διαλύματα τροφοδοσίας, μελετήθηκε η επίδραση της αλατότητας στην ρύπανση των μεμβρανών, στην περιοχή των mg/l NaCl. Οι τιμές της πίεσης λειτουργίας που εφαρμόστηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης ήταν στην περιοχή των 5 40 psi. Τα 146

177 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης πειραματικά δεδομένα μεταβολής του όγκου του παραγόμενου διηθήματος, για τις διάφορες τιμές πίεσης και αλατότητας απεικονίζονται στο Σχήμα P= 5 psi P= 10 psi P= 20 psi P= 40 psi V (ml) a) t (min) psi 10 psi 20 psi 40 psi V (ml) b) t (min) psi 10 psi 20 psi 40 psi V (ml) c) t (min) 147

178 Κεφάλαιο 6 Σχήμα 6 17: Γραφική παράσταση του όγκου του διηθήματος διαλύματος 10 mg/l κολλοειδούς σιδήρου (Fe 3+ ) για διάφορες πιέσεις συναρτήσει του χρόνου, για τιμές αλατότητας: a) TDS= 0 mg/l, b) TDS= 500 mg/l και c) TDS= 2000 mg/l. Από το σχήμα αυτό γίνεται προφανές ότι η αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης συνεπάγεται και μεγαλύτερες ποσότητες παραγόμενου διηθήματος. Επίσης, παρατηρείται πως η αύξηση της αλατότητας οδηγεί σε μείωση της επίδρασης της επιβαλλόμενης πίεσης, δεδομένου ότι καμπύλες των γραφικών παραστάσεων τείνουν να συγκλίνουν (Σχήμα 6 13c). Ωστόσο, ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με την συμπεριφορά του κολλοειδούς σιδήρου θα μπορέσουν να εξαχθούν μετά την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, οπότε και θα προσδιοριστούν οι τιμές των χαρακτηριστικών μεγεθών πρόβλεψης και αξιολόγησης της ρύπανσης που προκαλείται, δηλαδή του συντελεστή ρύπανσης Ι και της ειδικής αντίστασης α Αποτελέσματα Σχόλια Εφαρμόζοντας την ίδια διαδικασία για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων με εκείνη των πειραμάτων με τους οργανικούς ρυπαντές, κατασκευάζονται διαγράμματα του όρου (t/v) συναρτήσει του όγκου (V) του διηθήματος, για κάθε περιοχή αλατότητας. Τυπικές γραφικές παραστάσεις των μεγεθών αυτών, μετά την επεξεργασία σύμφωνα με τη θεωρία διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας, παρατίθενται στο Σχήμα Η γραμμική μορφή των διαγραμμάτων επιβεβαιώνει τη διήθηση με σχηματισμό στοιβάδας ως τον κυρίαρχο μηχανισμό ρύπανσης των 3.0 t/v (min/ml) P = 5 psi P = 10 psi P = 20 psi P = 40 psi 0.5 a) V (ml) 148

179 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης P = 5 psi P = 10 psi P = 20 psi P = 40 psi t/v (min/ml) b) V (ml) Σχήμα 6 18: Επεξεργασία των πειραμάτων δεδομένων υπερδιήθησης του οξειδίου του σιδήρου για διάφορες πιέσεις, σύμφωνα με το μοντέλο διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας. Η αλατότητα των πειραμάτων ήταν: a) TDS= 0 mg/l και b) TDS= 500 mg/l. των μεμβρανών υπερδιήθησης. Επίσης, εύκολα γίνεται αντιληπτή η επίδραση της πίεσης λειτουργίας στην ρύπανση της μεμβράνης, με δεδομένο ότι οδηγεί σε αυξημένες κλίσεις των διαγραμμάτων του Σχήματος Ωστόσο, οι κλίσεις που παρατηρούνται είναι μικρότερες, σε σχέση με τις αντίστοιχες κλίσεις των οργανικών ρυπαντών, γεγονός που συνεπάγεται μικρότερες τιμές της ειδικής αντίστασης και συνεπώς μικρότερη τάση ρύπανσης των μεμβρανών υπερδιήθησης. Στον Πίνακα Α 5 του παραρτήματος Α παρουσιάζονται οι τιμές του δείκτη ρύπανσης Ι και της ειδικής αντίστασης α της στοιβάδας του οξειδίου του σιδήρου. Ακολούθως, στο Σχήμα 6 19 απεικονίζεται η γραφική παράσταση της ειδικής αντίστασης του οξειδίου του σιδήρου συναρτήσει της επιβαλλόμενης πίεσης σε λογαριθμικές συντεταγμένες. Σημειώνεται, πως ο υπολογισμός των τιμών της ειδικής αντίστασης έγινε με βάση την συγκέντρωση ιόντων τρισθενούς σιδήρου και όχι των συνολικών σωματιδίων κολλοειδούς σιδήρου. Η αύξηση της ειδικής αντίστασης με την αύξηση της εφαρμοζόμενης πίεσης αναδεικνύει και στην περίπτωση του σιδήρου τη συμβολή της πίεσης στην ενίσχυση του φαινομένου της ρύπανσης των μεμβρανών. Πιο συγκεκριμένα, οι μετρήσεις έδειξαν πως η ειδική αντίσταση της δημιουργούμενης στοιβάδας του σιδήρου, συνδέεται με την επιβαλλόμενη πίεση μέσω μιας εκθετικής σχέσης. Όσον αφορά τον συντελεστή συμπιεστότητας του σιδήρου, ο οποίος προσδιορίστηκε για τιμές πιέσεων στην περιοχή των 5 40 psi, είναι σημαντικά μεγαλύτερος (n=1.7) έναντι των συντελεστών που προέκυψαν για τους οργανικούς 149

180 Κεφάλαιο 6 ρυπαντές. Η υψηλή τιμή του συντελεστή συμπιεστότητας συνεπάγεται σχετικά μεγάλες μεταβολές της τάσης ρύπανσης με μικρές μεταβολές της εφαρμοζόμενης πίεσης. Η συμπεριφορά αυτή πιθανόν να οφείλεται στο αυξημένο μέγεθος των συσσωματωμάτων των κολλοειδών σωματιδίων του σιδήρου. Αν και το αρχικό μέγεθος των σχηματιζόμενων κρυστάλλων του οξειδίου του σιδήρου είναι ιδιαίτερα μικρό (της τάξης των μερικών νανομέτρων σύμφωνα με τους Yiantsios & Karabelas, 2002), ωστόσο είναι πιθανόν να λαμβάνουν χώρα φαινόμενα έντονης συσσωμάτωσης που ενδέχεται να κυριαρχούν κατά τη διαδικασία σχηματισμού της στοιβάδας στην επιφάνεια της μεμβράνης υπερδιήθησης. Η παραπάνω υπόθεση, ενισχύεται επίσης από το γεγονός της πλήρους συγκράτησης των σωματιδίων του σιδήρου από την μεμβράνη υπερδιήθησης, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης του διηθήματος που πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της ατομικής απορρόφησης. Η υψηλή συγκράτηση του σιδήρου από τη μεμβράνη υπερδιήθησης ενδέχεται να οδηγεί στον σχηματισμό σωματιδίων με μεγαλύτερο μέγεθος, αλλά και με περισσότερο χαλαρές μοριακές δομές. Επίσης, από το Σχήμα 6 19 προκύπτει πως οι τιμές της ειδικής αντίστασης της δημιουργούμενης στοιβάδας φαίνεται να μην επηρεάζονται από την μεταβολή της πίεσης για χαμηλές τιμές πίεσης (34 και 69 kpa). Το γεγονός αυτό, πιθανόν να οφείλεται στο ότι σε χαμηλές πιέσεις διήθησης η διαφορά πίεσης από τη ροή μέσω της στοιβάδας, ΔP c, είναι αρκετά μικρή ώστε να μην είναι δυνατή η δημιουργία συμπαγούς στρώματος επικαθήσεων, αλλά αντίθετα υπάρχει μια σχετικά ρευστή στοιβάδα. Ειδικότερα, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, η χαμηλή πίεση διήθησης TDS= 2000 ppm TDS= 500 ppm No salt addition α (m/kg) α = 0.05 * P^(1.68) R= P (kpa) 150

181 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης Σχήμα 6 19: Ειδική αντίσταση στιβάδας α, του οξειδίου του σιδήρου συναρτήσει της εφαρμοζόμενης πίεσης υπολογισμένη από τα πειράματα υπερδιήθησης. (π.χ. επιβαλλόμενη πίεση 5 psi) είναι πιθανόν να είναι μικρότερη από την τιμή της κρίσιμης τάσης συμπίεσης, τιμή κατά την οποία η χαλαρή στοιβάδα μεταπίπτει στην στερεή φάση. Για τον λόγο αυτό, τα δεδομένα για την τιμή πίεσης των 5 psi δεν έχουν ληφθεί υπόψη στους υπολογισμούς των δεικτών ρύπανσης. Οι εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης του Σχήματος 6 20 φαίνεται ότι επιβεβαιώνουν (ποιοτικά) την υψηλή συμπιεστότητα των επικαθήσεων του οξειδίου του σιδήρου. Οι εικόνες απεικονίζουν τη στοιβάδα των επικαθήσεων που έχει δημιουργηθεί στην επιφάνεια της μεμβράνης υπερδιήθησης μετά την ξήρανση της μεμβράνης σε συνθήκες περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα, παρατηρείται ένας μεγάλος αριθμός ρωγμών, που προφανώς προέρχεται από νερό που υπήρχε πιθανότατα στη δομή της στοιβάδας και το οποίο εξατμίστηκε κατά την ξήρανση της μεμβράνης. a) b) Σχήμα 6 20: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) των επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν στη μεμβράνη υπερδιήθησης κατά τη διήθηση μίγματος 10 mg/l ιόντων Fe 3+ υπό πίεση20 psi, σε μεγέθυνση :a) x 20, b) x ΡΥΠΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΑ ΝΕΡΑ Στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα υπερδιήθησης με την χρησιμοποίηση δειγμάτων από φυσικά νερά, με στόχο να συγκριθεί η τάση ρύπανση τους με την αντίστοιχη τάση των πρότυπων ρυπαντών. Σε όλες τις μετρήσεις υπερδιήθησης, όπως και στις περιπτώσεις των πρότυπων ρυπαντών, χρησιμοποιήθηκε η μεμβράνη Ultrafilic (100 kda) της GE Osmonics, ώστε να είναι δυνατή η αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων. Για κάθε δείγμα φυσικού νερού υπολογίστηκε η τάση ρύπανσης της μεμβράνης του (προσδιορίζοντας τον δείκτη ρύπανσης Ι), ενώ εξετάστηκε επίσης η επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης στην περιοχή των 5 20 psi. 151

182 Κεφάλαιο Ρύπανση μεμβρανών από επεξεργασμένο θαλασσινό νερό Τα δείγματα του θαλασσινού νερού προήλθαν από σημεία συλλογής χαμηλού βάθους στον κόλπο του Θερμαϊκού, τα οποία χρησιμοποιούνταν από την βιομηχανική μονάδα TATE & LYLE για την κάλυψη των αναγκών της σε νερό ψύξης. Η επεξεργασία του θαλασσινού νερού, πριν αυτό χρησιμοποιηθεί στην εργαστηριακή διάταξη της υπερδιήθησης, περιλάμβανε τα παρακάτω στάδια: Αρχικά το νερό αποθηκεύονταν σε δεξαμενή πολυπροπυλενίου χωρητικότητας 250 L και στη συνέχεια με την βοήθεια μιας αντλίας μεταφέρονταν σε δοχείο ανάδευσης 10 L, όπου πραγματοποιούνταν η προσθήκη του κροκιδωτικού μέσου (polyaluminum chloride) για την αύξηση του ποσοστού απόρριψης των αιωρούμενων σωματιδίων. Στο επόμενο στάδιο, το νερό διέρχονταν από φίλτρα διπλής κλίνης άμμου ανθρακίτη με στόχο την συγκράτηση του οργανικού φορτίου και τον περιορισμό των αιωρούμενων στερεών (Mitrouli et al., 2008). Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του θαλασσινού νερού πριν την επεξεργασία του με τα φίλτρα κλινών παρατίθενται στον Πίνακα 6 1. Τα πειράματα υπερδιήθησης των δειγμάτων του θαλασσινού νερού για τον προσδιορισμό της τάσης ρύπανσής του, διεξήχθησαν σε τρεις διαφορετικές τιμές πίεσης: 5, 10 και 20 psi. Για τον υπολογισμό του δείκτη ρύπανσης Ι ακολουθήθηκε η ίδια υπολογιστική διαδικασία με αυτήν των πειραμάτων με τους πρότυπους ρυπαντές. Σημειώνεται πως στα πειράματα υπερδιήθησης με χρήση φυσικών υδάτων προσδιορίστηκε μόνο η τιμή του δείκτη ρύπανσης και όχι της ειδικής αντίστασης της στοιβάδας επικαθήσεων, λόγω του ότι σε αυτήν την κατηγορία πειραμάτων δεν είναι γνωστή η τιμή της συγκέντρωσης των Πίνακας 6 1: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του θαλασσινού νερού (Θερμαϊκός κόλπος). Παράμετροι Ιόντα, mg/l ph 8.1 Na Αγωγιμότητα, μs/cm K TDS, mg/l Ca Ολική σκληρότητα, 0 F Mg Ανθρακική σκληρότητα, 0 F 15.3 Cl Μη ανθρακική σκληρότητα, 0 F HCO 3 Μ Αλκαλικότητα, mg/l CaCO SO

183 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης Ρυπαντών. Επιπλέον, για κάθε δείγμα θαλασσινού νερού προσδιορίστηκε η τιμή του δείκτη SDI 15, σύμφωνα με το πρωτόκολλο που περιγράφεται στο American Society for Testing and Materials (ASTM) με αριθμό D (ASTM D ), όπως επίσης και ο ολικός οργανικός άνθρακας (ΤΟC) με τη βοήθεια αναλυτή ολικού οργανικού άνθρακα (TOC Schimanzu 5000 A analyzer). Αξίζει να σημειωθεί ότι από το σύνολο των δειγμάτων του θαλασσινού νερού (Πίνακας 6 2), το δείγμα με αύξοντα αριθμό 1 δεν έχει υποστεί κάποιας μορφή επεξεργασία. Το γεγονός αυτό δικαιολογεί το υψηλό οργανικό φορτίο (ΤΟC=11.4 mg/l) που το δείγμα εμφανίζει, αλλά και το ότι ο προσδιορισμός του δείκτη SDI 15 δεν κατέστη δυνατός (SDI 15 >6). Η μέση τιμή του συντελεστή συμπιεστότητας των δειγμάτων του θαλασσινού νερού υπολογίστηκε στα Συγκρίνοντας την τιμή αυτή με τις αντίστοιχες των πρότυπων ρυπαντών παρατηρείται πως αυτή βρίσκεται μεταξύ των τιμών των πρότυπων οργανικών ρυπαντών (από 0.4 έως 0.7) και της τιμής του ανόργανου σιδήρου (1.7). Όσον αφορά τον δείκτη ρύπανσης Ι, φαίνεται να μην εμφανίζει κάποιον σαφή συσχετισμό με τον εμπειρικό δείκτη ρύπανσης SDI 15, παρά μόνο μια ποιοτική συμφωνία. Αυτό οφείλεται στην αδυναμία του δείκτη SDI 15 να αναγνωρίζει μεταβολές της τάσης ρύπανσης όταν αυτές προέρχονται από σωματίδια με μέγεθος μικρότερο από το ονομαστικό μέγεθος πόρων της μεμβράνης μικροδιήθησης (0.45 μm) που χρησιμοποιείται στην διαδικασία προσδιορισμού του. Αντίθετα, ο δείκτης ρύπανσης Ι, εμφανίζει σημαντικά υψηλότερη ευαισθησία λόγω του ότι για τον υπολογισμό του χρησιμοποιούνται μεμβράνες υπερδιήθησης με σημαντικά μικρότερο μέγεθος πόρων (100 kda). Πίνακας 6 2: Χαρακτηριστικά μεγέθη υπολογισμένα από τα πειράματα υπερδιήθησης για το επεξεργασμένο θαλασσινό νερό. Α/Α SDI 15 TOC (mgl 1 ) I P=5 psi (m 2 ) I P=10 psi (m 2 ) I P=20 psi (m 2 ) n συμπιεστότητα

184 Κεφάλαιο 6 Η επίδραση της εφαρμοζόμενης πίεσης στον δείκτη ρύπανσης και στην περίπτωση του θαλασσινού νερού (Σχήμα 6 21) είναι αντίστοιχη με εκείνη των πειραμάτων με τους πρότυπους ρυπαντές. Πιο συγκεκριμένα, καταγράφεται μια εκθετική σχέση συσχετισμού μεταξύ των δύο μεγεθών. Η συμπεριφορά αυτή, αποδίδεται στη μεταβολή του πορώδους του στρώματος των επικαθήσεων που δημιουργείται στην επιφάνεια της μεμβράνης υπερδιήθησης κατά την αύξηση της πίεσης. Όσο αυξάνεται η πίεση λειτουργίας, τόσο το πορώδες της στοιβάδας μειώνεται, όπως επίσης συμβαίνει και με Fouling Index, I (m -2 ) SDI=19.1 SDI= 2.8 SDI= 3.2 SDI= 3.0 SDI= 3.0 SDI= 3.2 SDI= 2.6 SDI= 3.5 SDI= 3.7 SDI= ,000 Pressure (kpa) Σχήμα 6 21: Οι τιμές του δείκτη ρύπανσης σε διαφορετικές τιμές πίεσης των δειγμάτων θαλασσινού νερού. την περατότητά της, με αποτέλεσμα την μείωση του παραγόμενου διηθήματος. Τέλος, στο Σχήμα 6 22 παρατίθενται εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης που δείχνουν τη μεμβράνη υπερδιήθησης (Ultrafilic Osmonics) μετά την διέλευση δείγματος με θαλασσινό νερό. Οι εικόνες αποκαλύπτουν τη συσσώρευση στην επιφάνεια της μεμβράνης κολλοειδών αλλά και μεγαλύτερου μεγέθους σωματιδίων καθώς και την ύπαρξη μικροοργανισμών. 154

185 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης a) b) c) d) Σχήμα 6 22: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπίο σάρωσης (SEM) επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν κατά τη διήθηση θαλασσινού νερού υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 500, b) x 2000 και c,d) x Ρύπανση μεμβρανών από νερό γεώτρησης Έγινε μια σειρά πειραμάτων υπερδιήθησης με δείγματα νερού γεώτρησης από την περιοχή της Θέρμης. Το νερό χρησιμοποιείται για την κάλυψη των αναγκών σε πόσιμο νερό από Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης. Σημειώνεται επίσης πως οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν κατά τη θερινή περίοδο. Τα κύρια φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων από τον υπόγειο υδροφορέα παρουσιάζονται στον Πίνακα 6 3. Οι τιμές του πίνακα αυτού, σε συνδυασμό με το χαμηλό οργανικό φορτίο των δειγμάτων (o ολικός οργανικός άνθρακας των δειγμάτων ήταν μικρότερος από

186 Κεφάλαιο 6 mg/l), είναι ενδεικτικές της καταλληλότητάς του για την χρησιμοποίησή του ως πόσιμο νερό. Παράλληλα, για τα δείγματα του νερού από τον υπόγειο υδροφορέα προσδιορίστηκε η τιμή του δείκτη SDI 15. απ όπου προέκυψε πως η μέση τιμή του δείκτη ήταν περίπου 2. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία επεξεργασίας που εφαρμόστηκε σε όλα τα προηγούμενα πειράματα υπερδιήθησης υπολογίστηκαν οι τιμές του δείκτη ρύπανσης Ι (Σχήμα 6 23a). Σημειώνεται, ότι και σ αυτή την σειρά πειραμάτων υπερδιήθησης, ο κυρίαρχος μηχανισμός ρύπανσης των μεμβρανών είναι ο σχηματισμός στοιβάδας, όπως προκύπτει από τη γραμμικότητα των διαγραμμάτων (t/v) συναρτήσει του (V). Από τη μορφή του διαγράμματος στο Σχήμα 6 23a), προκύπτει πως και για αυτό το είδος νερού, ο δείκτης ρύπανσης Ι παρουσιάζει εκθετική σχέση συσχετισμού με την τιμή της επιβαλλόμενης πίεσης. Ο συντελεστής συμπιεστότητας των δειγμάτων του υπόγειου υδροφορέα εκτιμήθηκε ότι είναι 0.92, υποδεικνύοντας ότι το στρώμα των επικαθήσεων που δημιουργείται είναι αρκετά συμπιεστό. Στο Σχήμα 6 23b) εμφανίζονται οι τιμές του Πίνακας 6 3: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του νερού γεώτρησης Παράμετροι Ιόντα, mgl 1 ph 7.6 Na Αγωγιμότητα, μs/cm 680 K Ολική σκληρότητα, 0 F 22.8 Ca Ανθρακική σκληρότητα, 0 F 21.5 Mg P αλκαλικότητα, mmol/l 0.00 Cl 55.1 M αλκαλικότητα, mmol/l 4.30 HCO 3 SO δείκτη ρύπανσης τόσο του θαλασσινού νερού όσο και το νερού γεώτρησης. Παρατηρείται, ότι ο δείκτης ρύπανσης του θαλασσινού νερού είναι σημαντικά μεγαλύτερος (περίπου δύο τάξεις μεγέθους) από τον αντίστοιχο δείκτη του νερού γεώτρησης, ενώ σχεδόν όμοιοι εμφανίζονται οι συντελεστές συμπιεστότητας των δύο στοιβάδων που δημιουργούνται. Συμπεραίνει λοιπόν κανείς, πως η τάση ρύπανσης του θαλασσινού νερού είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή του νερού από τον υπόγειο υδροφορέα, όπως άλλωστε αναμενόταν. 156

187 Μελέτη ρύπανσης μεμβρανών υπερδιήθησης ειγµα 1ο ειγµα 2ο Θαλασσινο νερο Νερο γεωτρησης Fouling Index, I (m -2 ) Fouling Index, I (m -2 ) y = 1.7e+11 * x^(0.81) R= 0.86 a) y = 0.00 * x^(0.92) R= ,000 Pressure (kpa) b) y = 2.1e+09 * x^(0.92) R= ,000 Pressure (kpa) Σχήμα 6 23: Τιμές του δείκτη ρύπανσης, I των δειγμάτων a) μόνο του νερού γεώτρησης και b) του νερού γεώτρησης και του θαλασσινού νερού. Παρόλα αυτά, οι τιμές του δείκτη SDI 15 που υπολογίστηκαν πειραματικά για τις δύο κατηγορίες φυσικών υδάτων ήταν παραπλήσιες ( για το θαλασσινό νερό και περίπου 2 για το νερό γεώτρησης). Μολονότι λοιπόν η τάση ρύπανσης που εμφανίζει το θαλασσινό νερό είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την αντίστοιχη τάση του νερού γεώτρησης, εντούτοις ο δείκτης SDI 15 δεν είναι σημαντικά διαφοροποιημένες. Τα πειραματικά αποτελέσματα των δύο αυτών κατηγοριών φυσικών υδάτων είναι ενδεικτικά της έλλειψης ευαισθησίας του δείκτη SDI 15 αλλά και του ότι δεν αποτελεί αξιόπιστη τεχνική πρόβλεψης της ρύπανσης ενός υδατικού ρεύματος. Η αδυναμία πρόβλεψης της αυξημένης τάσης ρύπανσης του θαλασσινού από τον δείκτη SDI 15, αποδίδεται στην ύπαρξη σημαντικού οργανικού φορτίου (πιθανόν χαμηλού μοριακού βάρους), το οποίο διέρχεται χωρίς να μπορεί να ανιχνευθεί από τη μεμβράνη μικροδιήθησης (0.45 μm) που χρησιμοποιείται κατά την μέτρηση του SDI 15. Τέλος, στο Σχήμα 6 24 παρουσιάζονται εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης της μεμβράνης υπερδιήθησης μετά την διήθηση δειγμάτων νερού από τον υπόγειο υδροφορέα. Στις εικόνες αυτές, μπορεί να διακρίνει κανείς τα ανόργανα κολλοειδή σωματίδια που έχουν επικαθίσει στην επιφάνεια της μεμβράνης υπερδιήθησης. 157

188 Κεφάλαιο 6 a) b) c) d) Σχήμα 6 24: Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) επικαθήσεων που δημιουργήθηκαν κατά τη διήθηση νερού από υπόγειο υδροφορέα υπό πίεση 20 psi, σε μεγέθυνση: a) x 50, b) x 500 και c) x 2000 και d) x ΣΥΝΟΨΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Ο σκοπός των πειραμάτων υπερδιήθησης (UF) είναι η συλλογή δεδομένων για διήθηση με στοιβάδα, τα οποία σε συνδυασμό με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης (RO), μπορούν να συμβάλουν στην βελτίωση των τεχνικών πρόβλεψης της ρύπανσης. Οι μετρήσεις υπερδιήθησης πραγματοποιήθηκαν με τους ίδιους ρυπαντές και τα ίδια ρευστά με αυτά των πειραμάτων αντίστροφης ώσμωσης. Από τα πειραματικά δεδομένα υπολογίστηκαν ο συντελεστές ρύπανσης Ι και η μέση ειδική αντίσταση α για τις διάφορες πειραματικές συνθήκες. Σημειώνεται ότι προκειμένου να διορθωθεί η μέση ειδική αντίσταση έγινε προσδιορισμός του μέσου συντελεστή συγκράτησης του κάθε ρυπαντή από τις μεμβράνες υπερδιήθησης. Τα πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι για όλους τους ρυπαντές το μοντέλο της διήθησης με σχηματισμό στοιβάδας περιγράφει με πολύ καλή προσέγγιση τα 158

ΚΑΤΣΟΥΦΙΔΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός

ΚΑΤΣΟΥΦΙΔΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΤΣΟΥΦΙΔΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός Επεξεργασία νερού με μεμβράνες υπερδιήθησης για απομάκρυνση οργανικών

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Συμπύκνωση Τι είναι η συμπύκνωση Είναι η διαδικασία με την οποία απομακρύνουμε μέρος της υγρασίας του τροφίμου, αφήνοντας όμως αρκετή ώστε αυτό να παραμένει ρευστό (> 20-30%). Εφαρμόζεται

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΜΠΑΓΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΜΠΑΓΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΜΑΡΙΑΣ Ν. ΠΑΝΤΖΑΛΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ Α.Π.Θ. ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΜΠΑΓΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ

Διαβάστε περισσότερα

Forward Osmosis Προκλήσεις, οφέλη και εφαρμογές στην αφαλάτωση και επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Δρ. Στέλλα Πιτσαρή Environmental Specialist, MSc

Forward Osmosis Προκλήσεις, οφέλη και εφαρμογές στην αφαλάτωση και επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Δρ. Στέλλα Πιτσαρή Environmental Specialist, MSc Forward Osmosis Προκλήσεις, οφέλη και εφαρμογές στην αφαλάτωση και επεξεργασία υγρών αποβλήτων Δρ. Στέλλα Πιτσαρή Environmental Specialist, MSc Αφαλάτωση Χρήση σε πληθώρα πεδίων και εφαρμογών για την παραγωγή

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΑΝΗΓΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ ΔΙΗΘΗΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ ΑΠΟ ΑΛΓΙΝΙΚΕΣ ΣΤΙΒΑΔΕΣ

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΑΝΗΓΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ ΔΙΗΘΗΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ ΑΠΟ ΑΛΓΙΝΙΚΕΣ ΣΤΙΒΑΔΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΑΝΗΓΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ ΔΙΗΘΗΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΥΠΕΡΔΙΗΘΗΣΗΣ ΑΠΟ ΑΛΓΙΝΙΚΕΣ ΣΤΙΒΑΔΕΣ Δ. Χ. Σιουτόπουλος, Α. Ι. Καράμπελας Ινστιτούτο Χημικών Διεργασιών & Ενεργειακών

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΟΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΟΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΟΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ Καθηγ.. Α. Α Ι. Καράµπελας Εθνικό Κέντρο Ερευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης Ηµερίδα Συλλόγου Χηµικών Μηχανικών Ποιότητα πόσιµου νερού στην Κεντρική Μακεδονία

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ Διάχυση Η διάχυση είναι το κύριο φαινόμενο με το οποίο γίνεται η παθητική μεταφορά διαμέσου ενός διαχωριστικού φράγματος Γενικά στη διάχυση ένα αέριο ή

Διαβάστε περισσότερα

ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΓΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΩΝ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΓΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΩΝ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΓΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΩΝ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Καθηγ. ΑναστάσιοςΙ. Ι. Καράµπελας Ινστιτούτο Τεχνικής Χηµικών ιεργασιών Εθνικό Εθνικό Κέντρο Ερευναςκαι και Τεχνολογικής Ανάπτυξης Θεσσαλονίκη

Διαβάστε περισσότερα

Εφαρµογή τεχνολογίας Μεµβρανών σε προωθηµένη επεξεργασία αστικών αποβλήτων µε στόχο την επαναχρησιµοποίηση

Εφαρµογή τεχνολογίας Μεµβρανών σε προωθηµένη επεξεργασία αστικών αποβλήτων µε στόχο την επαναχρησιµοποίηση Εφαρµογή τεχνολογίας Μεµβρανών σε προωθηµένη επεξεργασία αστικών αποβλήτων µε στόχο την επαναχρησιµοποίηση έσποινα Φυτιλή, Χηµικός Μηχανικός MSc, MBA, Μελετήτρια Έργων Περιβάλλοντος ΣΚΟΠΙΜΟΤΗΤΑ ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ

Διαβάστε περισσότερα

1. Κατανάλωση ενέργειας

1. Κατανάλωση ενέργειας ΑΠΘ ΕΓΑΧΤ 1. Κατανάλωση ενέργειας 1α. Σ ένα αναδευόμενο δοχείο (Τ m, D 0.67 m, C 0.67 m, H m, N 90 RPM, με τέσσερις ανακλαστήρες), εφοδιασμένο με αναδευτήρα τύπου στροβίλου Rushton, αναδεύεται διάλυμα

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΥΓΡΗΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ Ελένη Παντελή, Υποψήφια Διδάκτορας Γεωργία Παππά, Δρ. Χημικός Μηχανικός

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. Πτυχιακή διατριβή

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. Πτυχιακή διατριβή ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Πτυχιακή διατριβή ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ ΝΙΤΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΝΙΤΡΩΔΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΣΕ ΝΕΡΟ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Διαβάστε περισσότερα

v = 1 ρ. (2) website:

v = 1 ρ. (2) website: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ρευστών Βασικές έννοιες στη μηχανική των ρευστών Μαάιτα Τζαμάλ-Οδυσσέας 17 Φεβρουαρίου 2019 1 Ιδιότητες των ρευστών 1.1 Πυκνότητα Πυκνότητα

Διαβάστε περισσότερα

Κροκίδωση - Συσσωµάτωση

Κροκίδωση - Συσσωµάτωση ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Αχαρνών 364 & Γλαράκι 10Β, Αθήνα, 11145 Τηλ: 211 1820 163-4-5 Φαξ: 211 1820 166 e-mail: enerchem@enerchem.gr web site: www.enerchem.gr Κροκίδωση - Συσσωµάτωση Πηγή:

Διαβάστε περισσότερα

Διαχωρισμός του Η 2 σε εμπορική μεμβράνη Pd-Cu/V

Διαχωρισμός του Η 2 σε εμπορική μεμβράνη Pd-Cu/V Διαχωρισμός του Η 2 σε εμπορική μεμβράνη Pd-Cu/V Δ. Κουτσονικόλας 1, Σ. Τόπης 3, Σ. Καλδής 2, Γ. Σκόδρας 1,2,3 και Γ.Π. Σακελλαρόπουλος 1,2,3 * 1 Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, Τμήμα Χημικών Μηχανικών,

Διαβάστε περισσότερα

Βασικές Διεργασίες Μηχανικής Τροφίμων

Βασικές Διεργασίες Μηχανικής Τροφίμων Βασικές Διεργασίες Μηχανικής Τροφίμων Ενότητα 5: Διαχωρισμός με Μεμβράνες, 2ΔΩ Τμήμα: Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής Του Ανθρώπου Σταύρος Π. Γιαννιώτης, Καθηγητής Μηχανικής Τροφίμων Μαθησιακοί Στόχοι

Διαβάστε περισσότερα

Θέμα: Έρευνα για την αλατότητα του νερού

Θέμα: Έρευνα για την αλατότητα του νερού Τίτλος: Έρευνα για την αλατότητα του νερού Θέμα: Έρευνα για την αλατότητα του νερού Χρόνος: 90 λεπτά (2 μαθήματα) Ηλικία: μαθητές 14 15 χρονών Διαφοροποίηση: Οι χαρισματικοί μαθητές καλούνται να καταγράψουν

Διαβάστε περισσότερα

Προσδιορισμός φυσικοχημικών παραμέτρων υγρών αποβλήτων και υδάτων

Προσδιορισμός φυσικοχημικών παραμέτρων υγρών αποβλήτων και υδάτων Προσδιορισμός φυσικοχημικών παραμέτρων υγρών αποβλήτων και υδάτων (DO - BOD - COD - TOC) Χ. Βασιλάτος Οργανική ύλη Αποξυγόνωση επιφανειακών και υπογείων υδάτων Οι οργανικές ύλες αποτελούν πολύ σοβαρό ρύπο,

Διαβάστε περισσότερα

Πρόλογος Το περιβάλλον Περιβάλλον και οικολογική ισορροπία Η ροή της ενέργειας στο περιβάλλον... 20

Πρόλογος Το περιβάλλον Περιβάλλον και οικολογική ισορροπία Η ροή της ενέργειας στο περιβάλλον... 20 Πίνακας περιεχομένων Πρόλογος... 7 1. Το περιβάλλον... 19 1.1 Περιβάλλον και οικολογική ισορροπία... 19 1.2 Η ροή της ενέργειας στο περιβάλλον... 20 2. Οι μικροοργανισμοί... 22 2.1 Γενικά... 22 2.2 Ταξινόμηση

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 3η. Μέθοδοι Διαχωρισμού. Τμήμα ΔΕΑΠΤ - Εργαστήριο Γενικής Χημείας

Άσκηση 3η. Μέθοδοι Διαχωρισμού. Τμήμα ΔΕΑΠΤ - Εργαστήριο Γενικής Χημείας Άσκηση 3η Μέθοδοι Διαχωρισμού 1 2 Θεωρητικό μέρος Χρήση των μεταβολών των φάσεων στην ανάλυση Οι ουσίες λειώνουν και βράζουν σε ορισμένες θερμοκρασίες, αλλάζοντας έτσι μορφή από στερεή σε υγρή ή από υγρή

Διαβάστε περισσότερα

Εφαρμογές βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR) για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων και προβλήματα έμφραξης. Π. Σαμαράς

Εφαρμογές βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR) για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων και προβλήματα έμφραξης. Π. Σαμαράς ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΤΡΟΦΗΣ ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Εφαρμογές βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR) για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων και προβλήματα

Διαβάστε περισσότερα

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΕΩΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ ΟΥΣΙΑΣ ΑΠΟ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΕΩΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ ΟΥΣΙΑΣ ΑΠΟ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΕΩΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ ΟΥΣΙΑΣ ΑΠΟ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Έννοιες που πρέπει να γνωρίζετε Ισορροπία φάσεων, εξίσωση Clauiu-Clapeyron Θέμα ασκήσεως Προσρόφηση ουσίας από αραιά διαλύματα. Προσδιορισμός ισόθερμων

Διαβάστε περισσότερα

Βασικές Διεργασίες Μηχανικής Τροφίμων

Βασικές Διεργασίες Μηχανικής Τροφίμων Βασικές Διεργασίες Μηχανικής Τροφίμων Ενότητα 5: Διαχωρισμός με Μεμβράνες, 2ΔΩ Τμήμα: Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής Του Ανθρώπου Σταύρος Π. Γιαννιώτης, Καθηγητής Μηχανικής Τροφίμων Μαθησιακοί Στόχοι

Διαβάστε περισσότερα

Αφαλάτωση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: Ανάπτυξη ενός υβριδικού συστήματος αντίστροφης όσμωσης για το νησί της Κρήτης

Αφαλάτωση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: Ανάπτυξη ενός υβριδικού συστήματος αντίστροφης όσμωσης για το νησί της Κρήτης 1 Αφαλάτωση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: Ανάπτυξη ενός υβριδικού συστήματος αντίστροφης όσμωσης για το νησί της Κρήτης Παρουσίαση διπλωματικής εργασίας 2 Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι

Διαβάστε περισσότερα

Mεταφορά διαλυμένου ρύπου σε κορεσμένο έδαφος: Μαθηματική περιγραφή

Mεταφορά διαλυμένου ρύπου σε κορεσμένο έδαφος: Μαθηματική περιγραφή Mεταφορά διαλυμένου ρύπου σε κορεσμένο έδαφος: Μαθηματική περιγραφή Βασικό ερώτημα: Πού θα πάει ο ρύπος; Παρουσίαση από 4 Μεταφορά λόγω μεταγωγής+διάχυσης+διασποράς Ροή μάζας λόγω μεταγωγής Ροή μάζας ρύπου

Διαβάστε περισσότερα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ:

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ: ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ οργανικών, οργανομεταλλικών και ανόργανων ουσιών. Ο ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΕΠΙΤΥΓΧΑΝΕΤΑΙ ΕΞΑΙΤΙΑΣ ΤΩΝ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗ ΣΥΓΓΕΝΕΙΑ ΤΩΝ

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. Πτυχιακή διατριβή

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. Πτυχιακή διατριβή ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Πτυχιακή διατριβή ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ ΤΩΝ ΟΞΕΙΔΙΩΝ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ (NO X

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 9 η : Διαλύματα & οι ιδιότητές τους. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής.

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 9 η : Διαλύματα & οι ιδιότητές τους. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων Ανόργανη Χημεία Ενότητα 9 η : Διαλύματα & οι ιδιότητές τους Οκτώβριος 2018 Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής Διαλύματα 2 Τα ομοιογενή μίγματα μπορούν να ταξινομηθούν

Διαβάστε περισσότερα

Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ ΥΓΡΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ

Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ ΥΓΡΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ ΥΓΡΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ Η υγρή εκχύλιση βρίσκει εφαρμογή όταν. Η σχετική πτητικότητα των συστατικών του αρχικού διαλύματος είναι κοντά στη

Διαβάστε περισσότερα

7 Διήθηση ( P) 7.1 Εισαγωγή

7 Διήθηση ( P) 7.1 Εισαγωγή 7 Διήθηση 7. Εισαγωγή Διήθηση καλείται η διεργασία διαχωρισμού στερεών αιωρουμένων σε ένα ρευστό, συνήθως υγρό, κατά τη διαβίβαση του αιωρήματος μέσα από στρώμα πορώδους υλικού (διάφραγμα ή ηθμός), που

Διαβάστε περισσότερα

Υδατικοί Πόροι -Ρύπανση

Υδατικοί Πόροι -Ρύπανση Υδατικοί Πόροι -Ρύπανση Γήινη επιφάνεια Κατανομή υδάτων Υδάτινο στοιχείο 71% Ωκεανοί αλμυρό νερό 97% Γλυκό νερό 3% Εκμεταλλεύσιμο νερό 0,01% Γλυκό νερό 3% Παγόβουνα Υπόγεια ύδατα 2,99% Εκμεταλλεύσιμο νερό

Διαβάστε περισσότερα

6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑEI ΠΕΙΡΑΙΑ(ΤΤ) ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ-ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΕΡΓ. ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΡΟΗ ΣΕ ΑΓΩΓΟ Σκοπός της άσκησης Σκοπός της πειραματικής

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Φασματοφωτομετρία

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Φασματοφωτομετρία 1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Φασματοφωτομετρία Ιωάννης Πούλιος Αθανάσιος Κούρας Ευαγγελία Μανώλη ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 54124

Διαβάστε περισσότερα

Λυμένες ασκήσεις: 36. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες;

Λυμένες ασκήσεις: 36. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; ΧΗΜΕΙΑ: Εισαγωγή στην Χημεία - από το νερό στο άτομο- από το μακρόκοσμο στον μικρόκοσμο 41 Λυμένες ασκήσεις: 36. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Το νερό χαρακτηρίζεται

Διαβάστε περισσότερα

Μεταπτυχιακή διατριβή

Μεταπτυχιακή διατριβή ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μεταπτυχιακή διατριβή ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΚΛΕΚΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΤΟΥ ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΠΡΟΣ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Βασιλική

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ

ΤΕΧΝΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΤΕΧΝΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ Η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας συναντά ορισμένα τεχνικά προβλήματα, Τα προβλήματα αυτά είναι: (α) ο σχηματισμός επικαθίσεων (ή καθαλατώσεις

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 5

ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 5 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 5 Μοντελοποίηση της ροής σε ένα πόρο μεταβλητής γεωμετρίας και σε τρισδιάστατα δίκτυα παρουσία νερού ή οργανικής φάσης Ε.Ε. 5.1. : Μοντελοποίηση της ροής σε ένα πόρο απλής και μεταβλητής

Διαβάστε περισσότερα

Σκοπός: Περιγραφή της συμπεριφοράς των νευρικών κυττάρων και ποσοτικά και ποιοτικά.

Σκοπός: Περιγραφή της συμπεριφοράς των νευρικών κυττάρων και ποσοτικά και ποιοτικά. Σκοπός: Περιγραφή της συμπεριφοράς των νευρικών κυττάρων και ποσοτικά και ποιοτικά. Τα νευρικά κύτταρα περιβάλλονται από μία πλασματική μεμβράνη της οποίας κύρια λειτουργία είναι να ελέγχει το πέρασμα

Διαβάστε περισσότερα

ΦΥΣΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΙΙΙ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΣΤΑΘΕΡΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ

ΦΥΣΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΙΙΙ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗ ΣΤΑΘΕΡΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ Γραφείο 211 Επίκουρος Καθηγητής: Δ. Τσιπλακίδης Τηλ.: 2310 997766 e mail: dtsiplak@chem.auth.gr url:

Διαβάστε περισσότερα

ΜΑΘΗΜΑ: Τεχνολογία Μετρήσεων ΙΙ

ΜΑΘΗΜΑ: Τεχνολογία Μετρήσεων ΙΙ ΜΑΘΗΜΑ: Τεχνολογία Μετρήσεων ΙΙ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Αν. Καθ. Δρ Μαρία Α. Γούλα ΤΜΗΜΑ: Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης 1 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative

Διαβάστε περισσότερα

4 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

4 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑEI ΠΕΙΡΑΙΑ(ΤΤ) ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ-ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΕΡΓ. ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 4 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΡΟΗ ΕΠΑΝΩ ΑΠΟ ΕΠΙΠΕΔΗ ΠΛΑΚΑ Σκοπός της άσκησης Η κατανόηση

Διαβάστε περισσότερα

«Επί πτυχίω» εξέταση στο μάθημα «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιανουάριος 2018

«Επί πτυχίω» εξέταση στο μάθημα «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιανουάριος 2018 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΘΕΜΑ 1 (25 μονάδες) (Καθ. Β.Ζασπάλης) Σε μια φυσική διεργασία αέριο υδρογόνο

Διαβάστε περισσότερα

Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών

Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών Κωστής Μαγουλάς, Καθηγητής Επαμεινώνδας Βουτσάς, Επ. Καθηγητής 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ . ΟΡΙΣΜΟΣ Οι διαχωρισμοί είναι οι πιο συχνά παρατηρούμενες διεργασίες

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΔΑΚΤΕΑ ΥΛΗ ΧΗΜΕΙΑΣ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 2015-16

ΔΙΔΑΚΤΕΑ ΥΛΗ ΧΗΜΕΙΑΣ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 2015-16 ΔΙΔΑΚΤΕΑ ΥΛΗ ΧΗΜΕΙΑΣ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 205-6 ΔΕΙΚΤΕΣ ΕΠΙΤΥΧΙΑΣ Οι μαθητές και οι μαθήτριες θα πρέπει να είναι σε θέση: ΔΕΙΚΤΕΣ ΕΠΑΡΚΕΙΑΣ Διδ. περ. Σύνολο διδ.περ.. Η συμβολή της Χημείας στην εξέλιξη του πολιτισμού

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Εισαγωγή Διαδικασία σχεδιασμού αντιδραστήρα: Καθορισμός του τύπου του αντιδραστήρα και των συνθηκών λειτουργίας. Εκτίμηση των χαρακτηριστικών για την ομαλή λειτουργία του αντιδραστήρα. μέγεθος σύσταση

Διαβάστε περισσότερα

τεκμηρίωση και συνειδητοποίηση επικινδυνότητας λυμάτων αυστηρή νομοθεσία διαχείρισης αποβλήτων Καθαρισμός αποβλήτων

τεκμηρίωση και συνειδητοποίηση επικινδυνότητας λυμάτων αυστηρή νομοθεσία διαχείρισης αποβλήτων Καθαρισμός αποβλήτων ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ τεκμηρίωση και συνειδητοποίηση επικινδυνότητας λυμάτων αυστηρή νομοθεσία διαχείρισης αποβλήτων Καθαρισμός αποβλήτων επαναχρησιμοποίηση πολύτιμων, εξαντλούμενων

Διαβάστε περισσότερα

Υπολογισµοί του Χρόνου Ξήρανσης

Υπολογισµοί του Χρόνου Ξήρανσης Η πραγµατική επιφάνεια ξήρανσης είναι διασπαρµένη και ασυνεχής και ο µηχανισµός από τον οποίο ελέγχεται ο ρυθµός ξήρανσης συνίσταται στην διάχυση της θερµότητας και της µάζας µέσα από το πορώδες στερεό.

Διαβάστε περισσότερα

Σύνοψη ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ Χημική αντίδραση : a 1. + α 2 Α (-a 1 ) A 1. +(-a 2

Σύνοψη ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ Χημική αντίδραση : a 1. + α 2 Α (-a 1 ) A 1. +(-a 2 ΠΑ- Σύνοψη ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ Χημική αντίδραση : a A + α Α +... ------------>...+a A ή σε μορφή γραμμικής εξίσωσης a A +...+(-a ) A +(-a ) A +... 0 a Στοιχειομετρικοί συντελεστές ως προς Α (

Διαβάστε περισσότερα

Σχέσεις εδάφους νερού Σχέσεις μάζας όγκου των συστατικών του εδάφους Εδαφική ή υγρασία, τρόποι έκφρασης

Σχέσεις εδάφους νερού Σχέσεις μάζας όγκου των συστατικών του εδάφους Εδαφική ή υγρασία, τρόποι έκφρασης Γεωργική Υδραυλική Αρδεύσεις Σ. Αλεξανδρής Περιγραφή Μαθήματος Σχέσεις εδάφους νερού Σχέσεις μάζας όγκου των συστατικών του εδάφους Εδαφική ή υγρασία, τρόποι έκφρασης Χαρακτηριστική Χ ή καμπύλη υγρασίας

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. Πτυχιακή εργασία

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. Πτυχιακή εργασία ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΣΧΟΛΗΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Πτυχιακή εργασία ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΚΙΝΔΥΝΟΥ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΒΙΟΤΟΠΟΥ ΤΗΣ ΑΛΥΚΗΣ ΛΑΡΝΑΚΑΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΑΠΟΡΡΟΗ

Διαβάστε περισσότερα

Φασματοφωτομετρία. Φασματοφωτομετρία είναι η τεχνική στην οποία χρησιμοποιείται φως για τη μέτρηση της συγκέντρωσης χημικών ουσιών.

Φασματοφωτομετρία. Φασματοφωτομετρία είναι η τεχνική στην οποία χρησιμοποιείται φως για τη μέτρηση της συγκέντρωσης χημικών ουσιών. Φασματοφωτομετρία Φασματοφωτομετρία είναι η τεχνική στην οποία χρησιμοποιείται φως για τη μέτρηση της συγκέντρωσης χημικών ουσιών. Το λευκό φως που φτάνει από τον ήλιο περιέχει φωτόνια που πάλλονται σε

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΟΡΜΗΣ ΡΕΟΛΟΓΙΑ. (συνέχεια) Περιστροφικά ιξωδόμετρα μεγάλου διάκενου.

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΟΡΜΗΣ ΡΕΟΛΟΓΙΑ. (συνέχεια) Περιστροφικά ιξωδόμετρα μεγάλου διάκενου. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΟΡΜΗΣ ΡΕΟΛΟΓΙΑ (συνέχεια) Περιστροφικά ιξωδόμετρα μεγάλου διάκενου. Στα ιξωδόμετρα αυτά ένας μικρός σε διάμετρο κύλινδρος περιστρέφεται μέσα σε μια μεγάλη μάζα του ρευστού. Για

Διαβάστε περισσότερα

Αρχές Επεξεργασίας Τροφίμων

Αρχές Επεξεργασίας Τροφίμων Αρχές Επεξεργασίας Τροφίμων Κατάψυξη τροφίμων Κατάψυξη Απομάκρυνση θερμότητας από ένα προϊόν με αποτέλεσμα την μείωση της θερμοκρασίας του κάτω από το σημείο πήξης. Ως μέθοδος συντήρησης βασίζεται: Στην

Διαβάστε περισσότερα

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΑΝΟΔΙΩΣΗ

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΑΝΟΔΙΩΣΗ Εισαγωγή ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΑΝΟΔΙΩΣΗ Το γαλβανικό κελί (γαλβανική διάβρωση) είναι μια ηλεκτροχημική αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής (redox), η οποία συμβαίνει όταν δύο ανόμοια μέταλλα

Διαβάστε περισσότερα

ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΡΟΗ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΑΓΩΓΟ

ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΡΟΗ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΑΓΩΓΟ Α.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ Τ.Τ. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΡΕΥΣΤΩΝ 8 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΡΟΗ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΑΓΩΓΟ Σκοπός του πειράματος είναι να μελετηθεί

Διαβάστε περισσότερα

ΒΑΡΙΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ (Λύσεις και αντιμετώπιση της ρύπανσης από βαριά μέταλλα) ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ σ.

ΒΑΡΙΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ (Λύσεις και αντιμετώπιση της ρύπανσης από βαριά μέταλλα) ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ σ. ΒΑΡΙΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ (Λύσεις και αντιμετώπιση της ρύπανσης από βαριά μέταλλα) ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ σ. 2 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΩΝ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ.σ.3 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΑΠΟ ΤΑ

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ. Περιεχόµενο & Χρησιµότητα. Στα πολλά ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ! Καλώς ήλθατε. της ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ! Έχετε κάποια ερώτηση?

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ. Περιεχόµενο & Χρησιµότητα. Στα πολλά ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ! Καλώς ήλθατε. της ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ! Έχετε κάποια ερώτηση? ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Περιεχόµενο & Χρησιµότητα Καλώς ήλθατε στο µάθηµα της ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ! Έχετε κάποια ερώτηση? ΝΑΙ..ΝΑΙ...ΝΑΙ.!! Σε τι διαφέρει από τα άλλα µαθήµατα της κατεύθυνσης??? Στα πολλά ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ!

Διαβάστε περισσότερα

Ανάλυση Τροφίμων. Ενότητα 6: Διαλύματα & οι ιδιότητές τους Τ.Ε.Ι. ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ακαδημαϊκό Έτος

Ανάλυση Τροφίμων. Ενότητα 6: Διαλύματα & οι ιδιότητές τους Τ.Ε.Ι. ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ακαδημαϊκό Έτος Ανάλυση Τροφίμων Ενότητα 6: Διαλύματα & οι ιδιότητές τους Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων Τ.Ε.Ι. ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ Ακαδημαϊκό Έτος 2018-2019 Δημήτρης Π. Μακρής PhD DIC Αναπληρωτής Καθηγητής Διαλύματα Τα ομοιογενή μίγματα

Διαβάστε περισσότερα

Απόβλητα. Ασκήσεις. ίνεται η σχέση (Camp) :

Απόβλητα. Ασκήσεις. ίνεται η σχέση (Camp) : ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Τομέας Περιβάοντος και Χρήσης Ενέργειας Εργαστήριο Τεχνοογίας Περιβάοντος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ (3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ)

Διαβάστε περισσότερα

5.3 Υπολογισμοί ισορροπίας φάσεων υγρού-υγρού

5.3 Υπολογισμοί ισορροπίας φάσεων υγρού-υγρού 5.3 Υπολογισμοί ισορροπίας φάσεων υγρού-υγρού Η αρχική εξίσωση που χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς της ΙΦΥΥ είναι η ικανοποίηση της βασικής θερμοδυναμικής απαίτησης της ισότητας των τάσεων διαφυγής

Διαβάστε περισσότερα

Άσκηση 3η. Μέθοδοι Διαχωρισμού. Τμήμα ΔΕΑΠΤ - Εργαστήριο Γενικής Χημείας

Άσκηση 3η. Μέθοδοι Διαχωρισμού. Τμήμα ΔΕΑΠΤ - Εργαστήριο Γενικής Χημείας Άσκηση 3η Μέθοδοι Διαχωρισμού 1 2 Θεωρητικό μέρος Χρήση των μεταβολών των φάσεων στην ανάλυση Οι ουσίες λειώνουν και βράζουν σε ορισμένες θερμοκρασίες, αλλάζοντας έτσι μορφή από στερεή σε υγρή ή από υγρή

Διαβάστε περισσότερα

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ Διευθυντής: Διονύσιος-Ελευθ. Π. Μάργαρης, Αναπλ. Καθηγητής ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ

Διαβάστε περισσότερα

Ερωτήσεις στο Κεφ. «Αρχές κατακάθισης ή καθίζησης»

Ερωτήσεις στο Κεφ. «Αρχές κατακάθισης ή καθίζησης» Ερωτήσεις στο Κεφ. «Αρχές κατακάθισης ή καθίζησης» 1) Ποιοι είναι οι κυριότεροι λόγοι για τη χρησιμοποίηση της κατακάθισης ως μεθόδου διαχωρισμού στερεών από ρευστά; ) Ποιοι είναι οι κυριότεροι στόχοι

Διαβάστε περισσότερα

Προχωρηµένη Ανόργανη Χηµεία - Εργαστηριακές Ασκήσεις

Προχωρηµένη Ανόργανη Χηµεία - Εργαστηριακές Ασκήσεις Γ. Κακάλη, Αν. Καθ. Ε.Μ.Π. Α. Γάκη, Χηµ. Μηχ. ΕΜΠ Προχωρηµένη Ανόργανη Χηµεία - Εργαστηριακές Ασκήσεις ΑΣΚΗΣΗ 6 Παρασκευή ασβεσταργιλικών ενώσεων µε τη µέθοδο πολυµερισµού αρχικών διαλυµάτων και τη χρήση

Διαβάστε περισσότερα

Αιωρήματα & Γαλακτώματα

Αιωρήματα & Γαλακτώματα Αιωρήματα & Γαλακτώματα Εαρινό εξάμηνο Ακ. Έτους 2014-15 Μάθημα 2ο 25 February 2015 Αιωρήματα Γαλακτώματα 1 Παρασκευή αιωρημάτων Οι μέθοδοι παρασκευής αιωρημάτων κατατάσσονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες

Διαβάστε περισσότερα

1. Ο ατμοσφαιρικός αέρας, ως αέριο μίγμα, είναι ομογενές. Άρα, είναι διάλυμα.

1. Ο ατμοσφαιρικός αέρας, ως αέριο μίγμα, είναι ομογενές. Άρα, είναι διάλυμα. 2.8 Διαλύματα Υπόδειξη: Στα αριθμητικά προβλήματα, τα πειραματικά μεγέθη που δίνονται με ένα ή δύο σημαντικά ψηφία θεωρούνται ότι πρακτικά έχουν 3 ή 4 σημαντικά ψηφία. 1. Ο ατμοσφαιρικός αέρας, ως αέριο

Διαβάστε περισσότερα

5 Μετρητές παροχής. 5.1Εισαγωγή

5 Μετρητές παροχής. 5.1Εισαγωγή 5 Μετρητές παροχής 5.Εισαγωγή Τρεις βασικές συσκευές, με τις οποίες μπορεί να γίνει η μέτρηση της ογκομετρικής παροχής των ρευστών, είναι ο μετρητής Venturi (ή βεντουρίμετρο), ο μετρητής διαφράγματος (ή

Διαβάστε περισσότερα

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΟΣΜΩΣΗΣ ΓΙΑ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΥ ΝΕΡΟΥ Διπλωματική Εργασία ΜΙΧΑΛΟΠΟΥΛΟΣ ΒΑΣΙΛΗΣ Επιβλέπουσα

Διαβάστε περισσότερα

Χημικές Διεργασίες: Εισαγωγή

Χημικές Διεργασίες: Εισαγωγή : Εισαγωγή Ορολογία Μοναδιαίες Διεργασίες ( Unit Processes ) - Οξείδωση - Υδρογόνωση - Αφυδρογόνωση - Πυρόλυση - Ενυδάτωση κλπ Ορολογία Μοναδιαίες Διεργασίες ( Unit Processes ) - Οξείδωση - Υδρογόνωση

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών. Εργασία 1 η : Πτώση πίεσης σε αγωγό κυκλικής διατομής

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών. Εργασία 1 η : Πτώση πίεσης σε αγωγό κυκλικής διατομής Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών Εργασία 1 η : Πτώση πίεσης σε αγωγό κυκλικής διατομής Ονοματεπώνυμο:Κυρκιμτζής Γιώργος Σ.Τ.Ε.Φ. Οχημάτων - Εξάμηνο Γ Ημερομηνία εκτέλεσης Πειράματος : 12/4/2000 Ημερομηνία

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 8 (ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ) ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 8 (ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ) ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 8 (ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ) ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Με τον όρο αυτό ονοµάζουµε την τεχνική ποιοτικής και ποσοτικής ανάλυσης ουσιών µε βάση το µήκος κύµατος και το ποσοστό απορρόφησης της ακτινοβολίας

Διαβάστε περισσότερα

Ειδική Ενθαλπία, Ειδική Θερµότητα και Ειδικός Όγκος Υγρού Αέρα

Ειδική Ενθαλπία, Ειδική Θερµότητα και Ειδικός Όγκος Υγρού Αέρα θερµοκρασία που αντιπροσωπεύει την θερµοκρασία υγρού βολβού. Το ποσοστό κορεσµού υπολογίζεται από την καµπύλη του σταθερού ποσοστού κορεσµού που διέρχεται από το συγκεκριµένο σηµείο. Η απόλυτη υγρασία

Διαβάστε περισσότερα

Η κίνηση του νερού εντός των φυτών (Soil-Plant-Atmosphere Continuum) Δημήτρης Κύρκας

Η κίνηση του νερού εντός των φυτών (Soil-Plant-Atmosphere Continuum) Δημήτρης Κύρκας Η κίνηση του νερού εντός των φυτών (Soil-Plant-Atmosphere Continuum) Δημήτρης Κύρκας Η Σεκόγια (Sequoia) «Redwood» είναι το ψηλότερο δέντρο στο κόσμο και βρίσκεται στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ 130 μέτρα ύψος

Διαβάστε περισσότερα

ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ. Εισαγωγή. 3.1 Γενικά για τη χημική κινητική και τη χημική αντίδραση - Ταχύτητα αντίδρασης

ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ. Εισαγωγή. 3.1 Γενικά για τη χημική κινητική και τη χημική αντίδραση - Ταχύτητα αντίδρασης 3 ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ 3 ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Εισαγωγή Στην μέχρι τώρα γνωριμία μας με τη χημεία υπάρχει μια «σημαντική απουσία»: ο χρόνος... Είναι λοιπόν «καιρός» να μπει και ο χρόνος ως παράμετρος στη μελέτη ενός

Διαβάστε περισσότερα

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ ΣΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΠΕΙΡΟΕΙ ΟΥΣ ΜΟΡΦΗΣ: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ Sc.

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ ΣΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΠΕΙΡΟΕΙ ΟΥΣ ΜΟΡΦΗΣ: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ Sc. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ ΣΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΠΕΙΡΟΕΙ ΟΥΣ ΜΟΡΦΗΣ: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ. Χ.Π. Κουτσού, Σ.Γ. Γιάντσιος, Α.Γ. Καράµπελας Τµήµα Χηµικών Μηχανικών,

Διαβάστε περισσότερα

Υπόγεια Υδραυλική και Υδρολογία

Υπόγεια Υδραυλική και Υδρολογία ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Ενότητα 2: ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ DARCY Καθηγητής Κωνσταντίνος Λ. Κατσιφαράκης Αναπληρωτής Καθηγητής Νικόλαος Θεοδοσίου ΑΠΘ Άδειες Χρήσης Το παρόν

Διαβάστε περισσότερα

Ανάκτηση φωσφόρου από επεξεργασμένα αστικά λύματα Αξιολόγηση εναλλακτικών διεργασιών

Ανάκτηση φωσφόρου από επεξεργασμένα αστικά λύματα Αξιολόγηση εναλλακτικών διεργασιών Ανάκτηση φωσφόρου από επεξεργασμένα αστικά λύματα Αξιολόγηση εναλλακτικών διεργασιών 1525-ΒΕΤ-2013 PhoReSΕ: Ανάκτηση φωσφόρου από τη δευτεροβάθμια εκροή εγκαταστάσεων επεξεργασίας αστικών λυμάτων ΠΡΑΞΗ

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στις Ετερογενείς Χημικές Αντιδράσεις

Εισαγωγή στις Ετερογενείς Χημικές Αντιδράσεις Στα ετερογενή συστήματα υπάρχουν δύο παράγοντες, οι οποίοι περιπλέκουν την ανάλυση και την περιγραφή τους, και οι οποίοι πρέπει να ληφθούν υπόψη επιπλέον αυτών που εξετάζονται στα ομογενή συστήματα. Καταρχήν

Διαβάστε περισσότερα

Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens. ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΥΓΡΟΥ ΥΓΡΟΥ Liquid Liquid Extraction

Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens. ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΥΓΡΟΥ ΥΓΡΟΥ Liquid Liquid Extraction Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΥΓΡΟΥ ΥΓΡΟΥ Liquid Liquid Extraction ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΓΙΑ ΜΕΡΙΚΩΣ ΑΝΑΜΙΞΙΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Περιοχές

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 10 η : Χημική κινητική. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής.

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 10 η : Χημική κινητική. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων Ανόργανη Χημεία Ενότητα 10 η : Χημική κινητική Οκτώβριος 2018 Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής Ταχύτητες Αντίδρασης 2 Ως ταχύτητα αντίδρασης ορίζεται είτε η αύξηση

Διαβάστε περισσότερα

Τύποι Διαρροών. Κίνηση Ρύπου. Ανίχνευση Ρύπου. Ρύπος. εμείς τι παίρνουμε χαμπάρι με χημικές αναλύσεις δειγμάτων νερού;

Τύποι Διαρροών. Κίνηση Ρύπου. Ανίχνευση Ρύπου. Ρύπος. εμείς τι παίρνουμε χαμπάρι με χημικές αναλύσεις δειγμάτων νερού; Ρύπος υγρός στερεός Υ 1 Υ 2 διαρροή σε διάλυμα διαρροή σε καθαρή φάση πχ οινόπνευμα, βενζίνη διαλυμένος σε οργανική ουσία διαλυμένος σε νερό σαν Υ 2a ή Υ 2b σαν Υ 1 Τύποι Διαρροών μεταφορά διαλυμένης ουσίας

Διαβάστε περισσότερα

BIO OXIMAT. Ολοκληρωμένο Σύστημα Καθαρισμού Υγρών Αποβλήτων Και Ανάκτησης Νερού Πλύσης Για Πλυντήρια Οχημάτων

BIO OXIMAT. Ολοκληρωμένο Σύστημα Καθαρισμού Υγρών Αποβλήτων Και Ανάκτησης Νερού Πλύσης Για Πλυντήρια Οχημάτων BIO OXIMAT Ολοκληρωμένο Σύστημα Καθαρισμού Υγρών Αποβλήτων Και Ανάκτησης Νερού Πλύσης Για Πλυντήρια Οχημάτων Περιγραφή συστήματος BIO OXIMAT Το σύστημα BIO OXIMAT KP του οίκου ENEKA ACTIVA είναι μια ολοκληρωμένη

Διαβάστε περισσότερα

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΑ Α ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗΣ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΜΗ ΕΝΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΑ Α ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗΣ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΜΗ ΕΝΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΑ Α ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗΣ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΜΗ ΕΝΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Πηγή: Mr.Matteo Villa HAR srl. Επιµέλεια: Κων/νος I. Νάκος SHIELCO Ltd Σελίδα 1/5 O οίκος HAR srl, Ιταλίας εξειδικεύεται στον σχεδιασµό

Διαβάστε περισσότερα

Προσδιορισμός της Γραμμομοριακής Μάζας ουσίας με την μέθοδο της Κρυοσκοπίας

Προσδιορισμός της Γραμμομοριακής Μάζας ουσίας με την μέθοδο της Κρυοσκοπίας Προσδιορισμός της Γραμμομοριακής Μάζας ουσίας με την μέθοδο της Κρυοσκοπίας ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΙ ΙΔΑΝΙΚΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ ΜΕΘ ΕΤΕΡΑΣ ΦΑΣΕΩΣ ΕΚ ΚΑΘΑΡΟΥ ΔΙΑΛΥΤΟΥ Προσδιορισμός μοριακού βάρους κρυοσκοπικώς Γραμμομοριακή

Διαβάστε περισσότερα

Εκμετάλλευση και Προστασία των Υπόγειων Υδατικών Πόρων

Εκμετάλλευση και Προστασία των Υπόγειων Υδατικών Πόρων ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Εκμετάλλευση και Προστασία των Υπόγειων Υδατικών Πόρων Ενότητα 6: Μεταφορά ρύπων σε υδροφορείς Αναπληρωτής Καθηγητής Νικόλαος Θεοδοσίου

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ. Πτώση πίεσης σε αγωγό σταθερής διατομής 2η εργαστηριακή άσκηση. Βλιώρα Ευαγγελία

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ. Πτώση πίεσης σε αγωγό σταθερής διατομής 2η εργαστηριακή άσκηση. Βλιώρα Ευαγγελία ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ Πτώση πίεσης σε αγωγό σταθερής διατομής 2η εργαστηριακή άσκηση Βλιώρα Ευαγγελία ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2014 Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι ο υπολογισμός της

Διαβάστε περισσότερα

Ανάθεση εργασίας για το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος «Μηχανική των Ρευστών»

Ανάθεση εργασίας για το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος «Μηχανική των Ρευστών» Ανάθεση εργασίας για το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος «Μηχανική των Ρευστών» : Στρωτή και τυρβώδης ροή σε λείο σωλήνα Συντάκτες: Α. Φιλιός, Κ. Μουστρής, Κ.-Σ. Νίκας 1 Αντικείμενο της εργαστηριακής άσκησης

Διαβάστε περισσότερα

1 IΔΑΝΙΚΑ ΑΕΡΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ

1 IΔΑΝΙΚΑ ΑΕΡΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ 1 1 IΔΑΝΙΚΑ ΑΕΡΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Θα αρχίσουμε τη σειρά των μαθημάτων της Φυσικοχημείας με τη μελέτη της αέριας κατάστασης της ύλης. Η μελέτη της φύσης των αερίων αποτελεί ένα ιδανικό μέσο για την εισαγωγή

Διαβάστε περισσότερα

σχηματική αναπαράσταση των βασικών τμημάτων μίας βιομηχανικής εγκατάστασης

σχηματική αναπαράσταση των βασικών τμημάτων μίας βιομηχανικής εγκατάστασης σχηματική αναπαράσταση των βασικών τμημάτων μίας βιομηχανικής εγκατάστασης Αρχές μεταφοράς μάζας Αρχές σχεδιασμού συσκευών μεταφοράς μάζας Διεργασίες μεταφοράς μάζας - Απορρόφηση - Απόσταξη - Εκχύλιση

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΑΠΟ ΤΑ ΣΤΡΑΓΓΙΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗΣ ΙΛΥΟΣ ΜΕΣΩ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΗΣ ΣΤΡΟΥΒΙΤΗ

ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΑΠΟ ΤΑ ΣΤΡΑΓΓΙΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗΣ ΙΛΥΟΣ ΜΕΣΩ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΗΣ ΣΤΡΟΥΒΙΤΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΑΠΟ ΤΑ ΣΤΡΑΓΓΙΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗΣ ΙΛΥΟΣ ΜΕΣΩ ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΗΣ ΣΤΡΟΥΒΙΤΗ Αλίκη Κόκκα και Ευάγγελος Διαμαντόπουλος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος Πολυτεχνείο Κρήτης PhoReSe: Ανάκτηση Φωσφόρου

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 11 η : Χημική ισορροπία. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής.

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 11 η : Χημική ισορροπία. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων Ανόργανη Χημεία Ενότητα 11 η : Χημική ισορροπία Οκτώβριος 2018 Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής Η Κατάσταση Ισορροπίας 2 Πολλές αντιδράσεις δεν πραγματοποιούνται

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών. Εργασία 2 η Κατανομή πίεσης σε συγκλίνοντα αποκλίνοντα αγωγό.

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών. Εργασία 2 η Κατανομή πίεσης σε συγκλίνοντα αποκλίνοντα αγωγό. Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών Εργασία 2 η Κατανομή πίεσης σε συγκλίνοντα αποκλίνοντα αγωγό. Κυρκιμτζής Γιώργος Σ.Τ.Ε.Φ. Οχημάτων - Εξάμηνο Γ Ημ/νία παράδοσης Εργασίας: Τετάρτη 24 Μαΐου 2 1 Θεωρητική Εισαγωγή:

Διαβάστε περισσότερα

ΔΠΘ - Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΦΥΤΩΝ ΠΡΟΣΛΗΨΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑ ΦΥΤΑ

ΔΠΘ - Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΦΥΤΩΝ ΠΡΟΣΛΗΨΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑ ΦΥΤΑ ΔΠΘ - Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΦΥΤΩΝ ΠΡΟΣΛΗΨΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑ ΦΥΤΑ Θερινό εξάμηνο 2011 Ο ρόλος του νερού στο φυτό Βασικότερο συστατικό των ιστών

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΙΙ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΙΙ PA0360 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΙΙ Τίτλος Μαθήματος Συντετμημένος Τίτλος: Πλήρης Τίτλος: ΤΕΜ-ΙΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΙΙ Κωδικός Μαθήματος: PA0360 Επίπεδο Μαθήματος: Προπτυχιακό Τύπος Μαθήματος: Υποχρεωτικό

Διαβάστε περισσότερα

Salinity Project: Ανακρίνοντας τo θαλασσινό νερό

Salinity Project: Ανακρίνοντας τo θαλασσινό νερό Salinity Project: Ανακρίνοντας τo θαλασσινό νερό Μέτρηση της Αλατότητας σε θάλασσες τις Αττικής Ε. Θαρουνιάτη ΠΕ03, Ε. Κοντογούλα ΠΕ04 & ΠΕ32, Καλλιτεχνικό Γυμνάσιο Γέρακα με Λ.Τ. Περιγραφή της Δραστηριότητας

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΜΑΖΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΙΙ

ΑΣΚΗΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΜΑΖΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΙΙ ΑΣΚΗΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΜΑΖΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΙΙ Τίτλος Εργαστηριακής Άσκησης: Προσδιορισμός Σχετικής Μοριακής Μάζας (Μ r ) Πρωτεΐνης με την Xρησιμοποίηση Φασματομετρίας Μάζας Ηλεκτροψεκασμού

Διαβάστε περισσότερα

ΥΔΡΟΧΗΜΕΙΑ. Ενότητα 2: Εισαγωγή στην Υδρο-γεωχημεία Υδατική Χημεία Ζαγγανά Ελένη Σχολή : Θετικών Επιστημών Τμήμα : Γεωλογίας

ΥΔΡΟΧΗΜΕΙΑ. Ενότητα 2: Εισαγωγή στην Υδρο-γεωχημεία Υδατική Χημεία Ζαγγανά Ελένη Σχολή : Θετικών Επιστημών Τμήμα : Γεωλογίας ΥΔΡΟΧΗΜΕΙΑ Ενότητα 2: Εισαγωγή στην Υδρο-γεωχημεία Υδατική Χημεία Ζαγγανά Ελένη Σχολή : Θετικών Επιστημών Τμήμα : Γεωλογίας Σκοποί ενότητας Εισαγωγή στην Υδροχημεία, Κατανόηση της έννοιας Υδρο-γεωχημεία.

Διαβάστε περισσότερα

Υφαλμύρινση Παράκτιων Υδροφορέων - προσδιορισμός και αντιμετώπιση του φαινομένου με συνδυασμό μοντέλων προσομοίωσης και μεθόδων βελτιστοποίησης

Υφαλμύρινση Παράκτιων Υδροφορέων - προσδιορισμός και αντιμετώπιση του φαινομένου με συνδυασμό μοντέλων προσομοίωσης και μεθόδων βελτιστοποίησης Υφαλμύρινση Παράκτιων Υδροφορέων - προσδιορισμός και αντιμετώπιση του φαινομένου με συνδυασμό μοντέλων προσομοίωσης και μεθόδων βελτιστοποίησης Καθ. Καρατζάς Γεώργιος Υπ. Διδ. Δόκου Ζωή Σχολή Μηχανικών

Διαβάστε περισσότερα

Υπόγεια Υδραυλική. 5 η Εργαστηριακή Άσκηση Υδροδυναμική Ανάλυση Πηγών

Υπόγεια Υδραυλική. 5 η Εργαστηριακή Άσκηση Υδροδυναμική Ανάλυση Πηγών Υπόγεια Υδραυλική 5 η Εργαστηριακή Άσκηση Υδροδυναμική Ανάλυση Πηγών Υδροδυναμική Ανάλυση Πηγών Η υδροδυναμική ανάλυση των πηγαίων εκφορτίσεων υπόγειου νερού αποτελεί, ασφαλώς, μια βασική μεθοδολογία υδρογεωλογικής

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΑΓΓΕΛΙΚΗΣ ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΕΙΟΥ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΑΓΓΕΛΙΚΗΣ ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ~ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΑΓΓΕΛΙΚΗΣ ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ~ ΠΕΡΙΛΗΨΗ H παρούσα Διδακτορική Διατριβή περιλαμβάνει συστηματική μελέτη για την ανάπτυξη τριοδικού καταλυτικού μετατροπέα (TWC) που να επιδεικνύει

Διαβάστε περισσότερα