ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ- ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ, ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ, ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΟΥ ΕΠΙΔΡΟΥΝ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗΣ ΣΤΟ ΝΕΡΟ ΓΟΥΓΟΥΤΣΑ ΧΡΥΣΗ, ΧΗΜΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: ΚΑΘ. Κ. ΦΥΤΙΑΝΟΣ 1

ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2014 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΟΥΓΟΥΤΣΑ ΧΡΥΣΗ, ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΕΛΕΤΗ, ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ, ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΟΥ ΕΠΙΔΡΟΥΝ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗΣ ΣΤΟ ΝΕΡΟ εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ελέγχου Ρύπανσης Περιβάλλοντος του Τομέα Φυσικής, Αναλυτικής και Περιβαλλοντικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καθηγητής ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΦΥΤΙΑΝΟΣ Eπιβλέπων Καθηγητής Αναπλ. Καθηγήτρια ΒΟΥΤΣΑ ΔΗΜΗΤΡΑ- Μέλος εξεταστικής επιτροπής Λέκτορας ΛΑΜΠΡΟΠΟΥΛΟΥ ΔΗΜΗΤΡΑ- Μέλος εξεταστικής επιτροπής Η τριμελής εξεταστική επιτροπή που ορίστηκε σύμφωνα με τη Γ.Σ.Ε.Σ. 261/25-10-2013, για τη κρίση της Διπλωματικής Εργασίας της Γουγουτσά Χρυσής, Χημικού, συνήλθε σε συνεδρίαση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης την /2014, όπου παρακολούθησε την υποστήριξη της εργασίας με τίτλο ΜΕΛΕΤΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ 2

ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΟΥ ΕΠΙΔΡΟΥΝ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΠΑΡΑΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗΣ ΣΤΟ ΝΕΡΟ και την ενέκρινε με βαθμό «ΑΡΙΣΤΑ» ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η ερευνητική εργασία για την απόκτηση διπλώματος ειδίκευσης εκπονήθηκε στο πλαίσιο του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών με τίτλο : «Χημική Ανάλυση- Περιβάλλον». Η πειραματική εργασία με την χρήση του οργάνου Purge and Trap σε σύζευξη με Αέρια Χρωματογραφία, πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ελέγχου Ρύπανσης Περιβάλλοντος του Τμήματος Χημείας ΑΠΘ. Θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον υπεύθυνο καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Φυτιάνο για την υποστήριξή που μου προσέφερε καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στον Χριστοφορίδη Χριστόφορο για την άψογη συνεργασία μας αλλά και τις πολύτιμες συμβουλές του κατά την διεξαγωγή της διπλωματικής εργασίας. Στον Κωνσταντίνο Ζαχαρή για την άριστη και ουσιαστικής σημασίας προσφορά του για την εκπαίδευσή μου στο σύστημα Purge & Trap σε συνδυασμό με την Αέρια Χρωματογραφία. Στα υπόλοιπα μέλη του εργαστηρίου. Στην αγαπημένη μου οικογένεια που με στηρίζει σε κάθε επίπεδο και ενθαρρύνει την κάθε μου προσπάθεια. 3

Γουγουτσά Χρυσή, Θεσσαλονίκη, Φεβρουάριος 2014 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή 1 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ..4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗ ΠΟΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ...5 1.1 Γενικά...5 1.1.1 Σχηματισμός παραπροϊόντων απολύμανσης.8 1.2 Χλωρίωση \πόσιμου νερού..10 1.3 Παραπροϊόντα χλωρίωσης...12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΠΤΗΤΙΚΕΣ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ.14 2.1 Γενικά..14 2.2 Τριαλογονομεθάνια.16 2.3 Ευρωπαϊκή και διεθνής νομοθεσία.19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΠΤΗΤΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ..21 3.1 Γενικά..21 3.2 Τεχνικές προκατεργασίας..22 3.3 Τεχνική Purge & Trap.23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ 28 4.1 Γενικά..28 4

4.2 Βασική οργανολογία GC 29 4.2.1 Φέρον αέριο.30 4.2.2 Εισαγωγή του δείγματος..31 4.2.3. Στήλες αέριας χρωματογραφίας..33 4.3 Ανιχνευτές...34 4.4 Αέρια χρωματογραφία συζευγμένη με φασματογράφο μάζας...36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΣΚΟΠΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 39 Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ...40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ...41 6.1 Αντιδραστήρια και υλικά 41 6.2 Οργανολογία...41 6.3 Πειράματα χλωρίωσης...42 6.3.1 Πειράματα χλωρίωσης κατά τον σχεδιασμό Plackett-Burman 43 6.3.2 Πειράματα χλωρίωσης κατά τον σχεδιασμό Κεντρικής Σύνθεσης,CCD 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ..46 7.1 Γενικά.46 7.2 Βελτιστοποίηση..47 7.3 Ορολογία πειραματικού σχεδιασμού..49 7.4 Είδη πειραματικών σχεδιασμών.50 7.4.1 Πλήρως παραγοντικοί σχεδιασμοί...50 7.4.2 Κλασματικοί παραγοντικοί σχεδιασμοί...50 7.5 Μεθοδολογία επιφανειακής απόκρισης Response surface methodology 51 7.6 Σχεδιασμός κεντρικής σύνθεσης Central Composite Design..52 5

7.7 Σχεδιασμός Plackett-Burman..54 7.8 Σχεδιασμός Box-Behnken...55 7.9 Σχεδιασμός Doehlert...56 7.10 Βιβλιογραφική ανασκόπηση πειραματικών μοντέλων THMs..57 7.11 Πειραματικός σχεδιασμός της παρούσας εργασίας..61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ- ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΜΕΘΟΔΟΥ.62 8.1 Παράμετροι μεθοδολογίας GC-MS 62 8.1.1 Θερμοκρασιακό πρόγραμμα στήλης..62 8.1.2 Παράμετροι SIM- Selected Ion Monitoring...63 8.1.3 Βελτιστοποίηση split ratio..70 8.2 Αναλυτικά χαρακτηριστικά μεθοδολογίας.72 8.2.1 Γραμμικότητα της μεθόδου και όρια ανίχνευσης 72 8.2.2 Έλεγχος επαναληψιμότητας της μεθόδου (intra-day precision)..74 8.3 Συνθήκες Purge and Trap 76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΡΙΑΛΟΓΟΝΟΜΕΘΑΝΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΧΛΩΡΙΩΣΗΣ..78 9.1 Αποτελέσματα προκαταρκτικού πειραματικού σχεδιασμού Plackett Burman design 80 9.1.1 Συνολικά αποτελέσματα για τα ολικά χλωριωμένα τριαλογονομεθάνια- Plackett Burman 118 9.1.2 Συνολικά αποτελέσματα για τα ολικά βρωμιωμένα τριαλογονομεθάνια Plackett Burman 156 9.2 Αποτελέσματα κεντρικού σχεδιασμού παραγωγής χλωριωμένων και βρωμιωμένων οργανικών ενώσεων 159 9.2.1 Αποτελέσματα κεντρικού σχεδιασμού παραγωγής ολικών χλωριωμένων τριαλογονομεθανίων...159 9.2.1.1 Συνολικά αποτελέσματα σχεδιασμού κεντρικής σύνθεσης για την παραγωγή των ολικών χλωριωμένων τριαλογονομεθανίων 208 6

9.2.2 Αποτελέσματα κεντρικού σχεδιασμού παραγωγής ολικών βρωμιωμένων τριαλογονομεθανίων...212 9.2.2.1 Συνολικά αποτελέσματα σχεδιασμού κεντρικής σύνθεσης για την παραγωγή των ολικών βρωμιωμένων τριαλογονομεθανίων..249 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...253 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..257 ΠΕΡΙΛΗΨΗ..263 ABSTRACT.265 7

Εισαγωγή Η απολύμανση του πόσιμου νερού είναι μία κοινή πρακτική σε παγκόσμιο επίπεδο, που εφαρμόζεται για την καταπολέμηση των παθογόνων μικροοργανισμών, οι οποίοι εν δυνάμει προκαλούν αρνητικές επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία (Singh et. al 2012, Golfinopoulos et. al 2005, Liu et. al 2011, Uyak et. al 2006). Κατά καιρούς έχουν προταθεί και εφαρμοστεί διάφορες μέθοδοι απολύμανσης, όπως είναι η χλωρίωση με υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl), η χλωρίωση με διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ), η απολύμανση με όζον (O 3 ), η απολύμανση με ακτινοβολία υπεριώδους (UV), η χλωραμίνωση αλλά και η απολύμανση με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας (Gopal et. al 2007, Goslan et. al 2009, Xue et. al 2009, Chowdhury et. al 2009, Sorlini et. al 2005, Malato et. al 2009). Ωστόσο, η πιο διαδεδομένη είναι η χλωρίωση με υποχλωριώδες νάτριο καθώς παρέχει αρκετά πλεονεκτήματα όπως είναι η υπολειμματική της δράση στο δίκτυο διανομής νερού, το υψηλό δυναμικό οξείδωσης, το χαμηλό της κόστος αλλά και η αποτελεσματική της δράσης έναντι των παθογόνων μικροοργανισμών (Xue et. al 2009, Kim 2009, Gan et. al 2013). Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα της χλωρίωσης με υποχλωριώδες νάτριο, ο σχηματισμός παραπροϊόντων όπως είναι τα τριαλογονομεθάνια (THMs), έχει εγείρει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία 30 χρόνια από την στιγμή της ανίχνευσής τους στο πόσιμο νερό (Rook, 1974). Πιο συγκεκριμένα, τα τριαλογονομεθάνια αποτελούν μία κατηγορία πτητικών οργανικών ενώσεων, τα οποία σχηματίζονται κατά την χλωρίωση του πόσιμου νερού παρουσία φυσικής οργανικής ύλης, ο ρόλος της οποίας έχει διερευνηθεί εκτενώς ως προς τον σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων (Navalon et. al 2008, Lui et. al 2011). Τα τριαλογονομεθάνια απαρτίζονται από τις εξής ενώσεις: Χλωροφόρμιο (CF), διβρωμοχλωρομεθάνιο (DBCM), βρωμοδιχλωρομεθάνιο (BDCM) και βρωμοφόρμιο (BF), ενώ ο γενικός χημικός τους τύπος είναι ο CHX 3 ), όπου Χ: χλωριούχα ή βρωμιούχα ιόντα ή ο συνδυασμός τους (Pavon et. al 2008, Lara-Gonzalo et. al 2008, Aguilera-Herrador et. al 2008, Gallard et. al 2002). Οι κυριότερες παράμετροι που επιδρούν στο σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων είναι τα χαρακτηριστικά των φυσικών νερών, όπως είναι η φυσική οργανική ύλη, το ph και η συγκέντρωση των βρωμιούχων ιόντων, όπως επίσης και οι συνθήκες χλωρίωσης, δηλαδή η δόση του υποχλωριώδους νατρίου, η θερμοκρασία και ο χρόνος επαφής με το μέσο απολύμανσης (Lu et. al 2009, Nikolaou et. al 2004, Ye et. al 2009, Ikem 2010, Hong et. al 8

2007, Baytak et. al 2008). Σε αρκετές δημοσιευμένες εργασίες έχει διερευνηθεί ο ρόλος των πρόδρομων ενώσεων που οδηγούν στην παραγωγή των τριαλογονομεθανίων, όπως είναι οι υδρογονάνθρακες (Navalon et. al 2008), η οργανική ύλη προερχόμενη από μικροφύκη (Lui et. al 2011) αλλά και τα διάφορα κλάσματα της φυσικής οργανικής ύλης που επιδρούν στην κινητική της χλωρίωσης (Gallard et. al 2002). Συνεπώς, ο προσδιορισμός τόσο των επιμέρους παραμέτρων που επιδρούν στον σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων, όσο και ο συνδυασμός τους κρίνεται απαραίτητος, για τον έλεγχο των επιπέδων των ΤΗΜs στο πόσιμο νερό (Singh et. al 2012). Τα τριαλογονομεθάνια είναι δυνητικώς ή πιθανώς καρκινογόνοι και μεταλλαξιογόνοι παράγοντες για τον άνθρωπο γι αυτό η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει ως ανώτατο όριο τα 100 μg L -1 για τα ολικά τριαλογονομεθάνια στο πόσιμο νερό, ενώ η Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ τα 80 μg L -1. Εξαιτίας των αρνητικών τους επιδράσεων στην ανθρώπινη υγεία, διάφορες μελέτες έχουν γίνει σχετικά με τις παραμέτρους που επιδρούν στον σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων και έχουν αναπτυχθεί διάφορα μαθηματικά μοντέλα με στόχο την πρόβλεψη και την εκτίμηση της παραγωγής τους κατά την χλωρίωση (Nikolaou et. al 2004, Chowdhury et. al 2010, Uyak et. al 2007, Abdullah et. al 2009). Τα τελευταία χρόνια έχουν δημοσιευτεί εργασίες γύρω από την εκτίμηση των κύριων παραγόντων προς παραγωγή χλωριωμένων και βρωμιωμένων πτητικών ενώσεων κατά τη διάρκεια πειραμάτων χλωρίωσης (Hong et. al 2007, Singh et. al 2012, Platikanov et. al 2010, Chowdhury et. al 2010, Rodrigues et. al 2007). Με τη βοήθεια της μεθοδολογίας επιφανειακής απόκρισης (RSM), είναι δυνατός ο προσδιορισμός των σημαντικότερων παραγόντων και των αλληλεπιδράσεών τους. Οι βασικοί στόχοι της παρούσας εργασίας είναι: α) η ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας εκκαθάρισης βασιζόμενη στον πειραματικό σχεδιασμό Plackett-Burman οκτώ παραγόντων (TOC, δόση χλωρίου, χρόνος επαφής με το υποχλωριώδες νάτριο, ph, χλωριούχα ιόντα, βρωμιούχα ιόντα, ιόντα ασβεστίου, ιόντα μαγνησίου), για τον προσδιορισμό και την εκτίμηση των σημαντικότερων επιδράσεων κατά την παραγωγή χλωριωμένων και βρωμιωμένων τριαλογονομεθανίων, μέσω μίας σειράς πειραμάτων χλωρίωσης σε δείγματα προσομοιωμένου νερού και β) η εφαρμογή του πειραματικού σχεδιασμού Κεντρικής Σύνθεσης (CCD) σε συνδυασμό με τη μεθοδολογία επιφανειακής απόκρισης τόσο για την μαθηματική περιγραφή του σχηματισμού THMs όσο και για την βελτιστοποίηση των 9

επιπέδων των σημαντικότερων επιδράσεων, με στόχο τον έλεγχο των συγκεντρώσεων των THMs κάτω από τα ανώτατα επιτρεπτά όρια. 10

Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗ ΠΟΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ 1.1 Γενικά Η απολύμανση του πόσιμου νερού δικαίως θεωρείται ως ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα του εικοστού αιώνα, για την προστασία της ανθρώπινης υγείας. Πριν την ευρέως διαδεδομένη εφαρμογή της, εκατομμύρια ανθρώπων έχαναν τη ζωή τους από μολυσματικές ασθένειες που μεταδίδονταν μέσω της κατάποσης του πόσιμου νερού. Πλέον, στις ανεπτυγμένες χώρες, με τη συνεχή παρακολούθηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού, η μετάδοση μολυσματικών ασθενειών έχει εξαλειφθεί. Ωστόσο, η απολύμανση με χημικά κυρίως μέσα, ενέχει σοβαρούς κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία, μέσω των παραπροϊόντων που σχηματίζονται. Η πιθανότητα εμφάνισης καρκίνου, προβλήματα αναπαραγωγής αλλά και ανάπτυξης (πρόωρες αποβολές και γενετικές ανωμαλίες), αποδίδονται σύμφωνα με επιστημονικές έρευνες στα παραπροϊόντα απολύμανσης (Richardson and Postigo 2012). Τα χημικά μέσα απολύμανσης, όπως είναι το υποχλωριώδες οξύ (HOCl) και τα άλατά του (υποχλωριώδες ασβέστιο και μαγνήσιο), το όζον (O 3 ), οι χλωραμίνες και το διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ), εφαρμόζονται για την καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών που υπάρχουν στο πόσιμο νερό, εξασφαλίζοντας την ασφαλή του χρήση. Τα διάφορα μέσα απολύμανσης εκτός της απενεργοποίησης των παθογόνων μικροοργανισμών, εμφανίζουν και άλλα λειτουργικά χαρακτηριστικά (Sadiq R., et.al 2004), τα οποία είναι: Λειτουργία τους ως οξειδωτικά μέσα κατά την κατεργασία του πόσιμου νερού Απομάκρυνση χρώματος και οσμών Οξείδωση σιδήρου και μαγγανίου Βελτίωση της αποτελεσματικότητας της κροκίδωσης και της διήθησης Παρεμπόδιση ανάπτυξης αλγών στις δεξαμενές κατακάθισης και στα φίλτρα Παρεμπόδιση βιολογικής επανάπτυξης στο δίκτυο διανομής πόσιμου νερού Παρόλα αυτά, τα απολυμαντικά μέσα παρουσιάζουν ισχυρή οξειδωτική δράση, και είναι δυνατή η χημική τους αντίδραση με τη φυσική οργανική ύλη, η οποία προέρχεται κυρίως από αποσυντιθέμενα φύλλα και φυτική ύλη και με τα βρωμιούχα και ιωδιούχα ιόντα που 12

υπάρχουν στα φυσικά νερά (λίμνες, ποτάμια, υπόγεια ύδατα). Η φυσική οργανική ύλη η οποία απαρτίζεται κυρίως από χουμικά και φουλβικά οξέα, λειτουργεί ως η βασικότερη πρόδρομη ένωση για τον σχηματισμό των παραπροϊόντων απολύμανσης. Εκτός της φυσικής οργανικής ύλης είναι δυνατή η αντίδραση των διάφορων μέσων απολύμανσης με ανθρωπογενείς ρύπους, προς σχηματισμό παραπροϊόντων. Η είσοδος των ρύπων αυτών στο πόσιμο νερό λαμβάνει χώρα μετά από την προκατεργασία των αποβλήτων αλλά και μέσω αγροτικών απορροών (Richardson and Postigo 2012). Το υποχλωριώδες οξύ (και τα υποχλωριώδη άλατά του), το όζον, το διοξείδιο του χλωρίου και οι χλωραμίνες, αποτελούν τα πιο κοινά απολυμαντικά μέσα και το καθένα από αυτά παράγει διαφορετικά παραπροϊόντα απολύμανσης στο πόσιμο νερό. Μη χημικά μέσα απολύμανσης τα οποία έχουν κερδίσει έδαφος τα τελευταία χρόνια είναι η απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία (UV) και οι μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης (Reverse Osmosis Membranes), που υπόσχονται ελάττωση των επιπέδων των παραπροϊόντων απολύμανσης από τις χημικές μεθόδους στο πόσιμο νερό. Ωστόσο, οι παραπάνω μη χημικές μέθοδοι ενέχουν μειονεκτήματα. Για παράδειγμα, μεσαίας έντασης ακτινοβολία UV μπορεί να αντιδράσει με τη φυσική οργανική ύλη προς σχηματισμό υψηλότερων επιπέδων παραπροϊόντων απολύμανσης μετά από κατεργασία με χλώριο. Όσον αφορά στις μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης που χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, τίθενται προβλήματα απόθεσης των παραγόμενων αποβλήτων άλμης. Στον πίνακα 1, παρουσιάζονται οι διάφορες μέθοδοι απολύμανσης με τα χαρακτηριστικά τους, όπως το κόστος, η αποτελεσματικότητά τους ως απολυμαντικά μέσα, καθώς και η σταθερότητά τους στο δίκτυο διανομής πόσιμου νερού. Όπως φαίνεται από τον πίνακα 1, η χλωρίωση με υποχλωριώδες οξύ, αποτελεί πολύ αποτελεσματική μέθοδο, τόσο ως προς την οξειδωτική της ικανότητα όσο και ως προς το κόστος και την υπολειμματική της δράση. 13

Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά μεθόδων απολύμανσης Χλωρίωση (υποχλωριώδες Χλωραμίνες Διοξείδιο του χλωρίου Όζον Ακτινοβολί α UV οξύ) Εφαρμογή Πιο κοινή Κοινή Περιστασιακ ή Κοινή Έκτακτη χρήση Κόστος Χαμηλότερο Μεσαίο Υψηλό Υψηλό Υπερβολικά υψηλό Αποτελεσματικότητ Εξαιρετική Καλή Καλή έως Καλή έως Καλή α απολύμανσης εξαιρετική εξαιρετικ ή Επανάπτυξη μικροοργανισμών Καμία Καμία Πιθανή Αρκετά πιθανή Αρκετά πιθανή Υπολειμματικά όρια 4 mg L -1 4 mg L -1 0,8 mg L -1 - - Σχηματισμός Τριαλογονομεθάνια Ίχνη Χλωρικά Βρωμικά Κανένα παραπροϊόντων (με θεσπισμένα όρια), αλογονοοξικά οξέα τριαλογονομεθανίω ν και αλογονοοξικών οξέων Οξειδωτική δράση Ισχυρή Ασθενής Εκλεκτική Πολύ Καμία ισχυρή Απομάκρυνση Εξαιρετική Καλή Εξαιρετική Ελάχιστη Καμία οσμών και γεύσης έως καλή Σταθερότητα στο δίκτυο διανομής Σταθερή Σταθερή Ασταθής Ασταθής Ασταθής Όσον αφορά την αποτελεσματικότητα της απολύμανσης των διάφορων απολυμαντικών μέσων, αυτή εξαρτάται από φυσικοχημικούς και βιολογικούς παράγοντες, ενώ είναι δυνατός ο προσδιορισμός της μέσω της συγκέντρωσης (C) του παραγόμενου υπολειμματικού απολυμαντικού μέσου και του χρόνου επαφής (t) του με το νερό. Σε γενικές γραμμές, η απενεργοποίηση των παθογόνων μικροοργανισμών αυξάνει με την αύξηση της παραμέτρου Ct. Η παράμετρος αυτή, η οποία διαφέρει ανάλογα με το εφαρμοζόμενο μέσο απολύμανσης, αποτελεί σημαντικό κριτήριο κατά τον σχεδιασμό συστημάτων διανομής νερού. Η αποτελεσματικότητα απολύμανσης επηρεάζεται επίσης από το είδος και τη φύση των μικροοργανισμών αλλά και από τις συνθήκες κατεργασίας του πόσιμου νερού, όπως είναι το ph και η θερμοκρασία (Chowdhury et. al 2009). 14

1.1.1. Σχηματισμός παραπροϊόντων απολύμανσης Κατά την απολύμανση του πόσιμου νερού, όπως παραδείγματος χάριν κατά την χλωρίωση, η μεγαλύτερη ποσότητα του υποχλωριώδους οξέος αντιδρά με τη φυσική οργανική ύλη (ΝΟΜ) που προϋπάρχει στα φυσικά νερά. Το υποχλωριώδες οξύ αντιδρά επίσης με μία πληθώρα ανόργανων ενώσεων, όπως είναι η αμμωνία προς σχηματισμό χλωραμινών, ιόντα σιδήρου Fe 2+, μαγνησίου Mg 2+, θειούχα S -1, βρωμιούχα Br -1, βιοφιλμ, υλικά σωληνώσεων κ.τ.λ. Κατά συνέπεια, η φυσική οργανική ύλη καθώς και τα ανόργανα ιόντα στο νερό αντιδρούν με τα διάφορα μέσα απολύμανσης, όπως είναι το υποχλωριώδες οξύ, οι χλωραμίνες, το διοξείδιο του χλωρίου και το όζον, σχηματίζοντας τα παραπροϊόντα απολύμανσης (Chowdhury et. al 2009). Στον πίνακα 2, φαίνεται πως το μεγαλύτερο ποσοστό των τριαλογονομεθανίων και των αλογονοοξικών οξέων σχηματίζονται κατά την χλωρίωση του πόσιμου νερού, ενώ μικρότερες ποσότητες των παραπάνω καθώς και άλλων παραπροϊόντων σχηματίζονται με χλωραμίνωση, με διοξείδιο του χλωρίου και με οζονισμό. Όμως, αρκετά παραπροϊόντα απολύμανσης που δημιουργούνται με τα προαναφερθέντα μέσα απολύμανσης είναι πιο τοξικά σε σχέση με αυτά που σχηματίζονται κατά την χλωρίωση. Για παράδειγμα, η Ν-νιτρωδοδιμεθυλαμίνη (NDMA) και τα βρωμικά, τα οποία σχηματίζονται κατά την χλωραμίνωση και τον οζονισμό, αντίστοιχα, παρουσιάζουν πιο τοξική δράση από τα τριαλογονομεθάνια και τα αλογονοοξικά οξέα (Chowdhury et. al 2009). 15

Πίνακας 2. Κατηγορίες παραπροϊόντων απολύμανσης Κύρια κατηγορία παραπροϊόντων Ενώσεις Ακρωνύμιο Κύριο απολυμαντικό μέσο Τριαλογονομεθάνια (THMs) Χλωροφόρμιο TCM Χλωρίωση Βρωμοδιχλωρομεθανιο BDCM Χλωρίωση Βρωμοφόρμιο TBM Χλωρίωση, Όζον Διβρωμοχλωρομεθάνιο DBCM Χλωρίωση Αλογονοοξικά οξέα (HAAs) Βρωμοχλωροοξικό οξύ BCAA Χλωρίωση Βρωμοδιχλωροοξικό οξύ BDCAA Χλωρίωση Χλωροδιβρωμοοξικο οξύ CDBAA Χλωρίωση Διβρωμοοξικό οξύ DBAA Χλωρίωση Διχλωροοξικό οξύ DCAA Χλωρίωση Μονοβρωμοοξικό οξύ MBAA Χλωρίωση Μονοχλωροοξικό οξύ MCAA Χλωρίωση Τριβρωμοοξικό οξύ TBAA Χλωρίωση Τριχλωροοξικό οξύ TCAA Χλωρίωση Αλογονοακετονιτρίλια (HANs) Βρωμοχλωροακετονιτρίλιο BCAN Χλωρίωση Διβρωμοακετονιτρίλιο DBAN Χλωρίωση Διχλωροακετονιτρίλιο DCAN Χλωρίωση Τριχλωροακετονιτρίλιο TCAN Χλωρίωση Αλοακετόνες (HKs) 1,1-διχλωροπροπανόνη DCP Χλωρίωση 1,1,1-τριχλωροπροπανόνη TCP Χλωρίωση Αλδεύδες Φορμαλδεύδη Όζον, χλωρίωση Ακεταλδεύδη Όζον, χλωρίωση Γλυοξάλη Όζον, χλωρίωση Μεθυλική γλυοξάλη Όζον, χλωρίωση Καρβοξυλικά οξέα Φορμικό Όζον Οξικό Όζον Οξαλικό Όζον Νιτροζαμίνες Ν-νιτρωδοδιμεθυλαμίνη NDMA Χλωραμίνες Cyanogen halides Cyanogen chloride Χλωραμίνες Cyanogen bromide Χλωραμίνες 16

Chloral hydrate CH Χλωρίωση Βρωμικά Όζον Χλωρικά (Chlorate) Διοξείδιο του χλωρίου Chlorite Διοξείδιο του χλωρίου Πηγή: Chowdhury et. al 2009 1.2 Χλωρίωση πόσιμου νερού Η χλωρίωση, ως μέθοδος απολύμανσης του πόσιμου νερού, χρονολογείται από το 1902 όπου εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στο Βέλγιο, ενώ στη συνέχεια το 1906 στη Νίκαια της Γαλλίας χρησιμοποιήθηκε η απολύμανση με όζον. Στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής εισήχθη για πρώτη φορά η χλωρίωση το 1908 στο Σικάγο και στο Νιου Τζέρσει, ενώ στον Καναδά το 1916. Πλέον, τόσο στη Βόρεια Αμερική όσο και στην Ευρώπη, η χλωρίωση του πόσιμου νερού αποτελεί την πιο διαδεδομένη μέθοδο απολύμανσης, ενώ οι χλωραμίνες, το όζον, το διοξείδιο του χλωρίου και η ακτινοβολία υπεριώδους UV, αποτελούν εναλλακτικές μεθόδους. Η χλωρίωση αποτελεί την πλέον συνηθισμένη μέθοδο απολύμανσης του πόσιμου νερού, δεδομένης τόσο της αποτελεσματικής της δράσης ενάντια σε παθογόνους μικροοργανισμούς όσο και του χαμηλού της κόστους (πίνακας 1). Το κυριότερο μειονέκτημα είναι η δημιουργία παραπροϊόντων χλωρίωσης, όπως είναι τα τριαλογονομεθάνια (Chowdhury et. al 2009, Nallanthigal et.al 2012, Pavon et. al 2008). Οι συνθήκες ph οι οποίες ευνοούν και κατ επέκταση αυξάνουν την αποτελεσματικότητα της χλωρίωσης είναι στην όξινη περιοχή. Συνεπώς, σε υψηλότερες θερμοκρασίες νερού, απαιτείται χαμηλότερη τιμή της παραμέτρου Ct για την απενεργοποίηση των παθογόνων μικροοργανισμών. Έτσι, για ένα συγκεκριμένο χρόνο επαφής κατά τους χειμερινούς μήνες, απαιτείται μεγαλύτερη δόση χλωρίου σε αντίθεση με τους θερινούς μήνες. Αντίθετα, κατά τους θερινούς μήνες, η μικροβιακή δραστηριότητα είναι εντονότερη κατά μήκος του δικτύου διανομής νερού έναντι της χειμερινής περιόδου. Κατά συνέπεια, οι υπολειμματικές συγκεντρώσεις του υποχλωριώδους οξέος καταναλώνονται ραγδαία, όταν η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλή, κάτι που δεν επιτρέπει την διατήρηση ελάχιστων υπολειμματικών 17

συγκεντρώσεων στα μεγαλύτερα δίκτυα διανομής κατά τους θερινούς μήνες, ειδικότερα στα extremities. Έτσι, κατά τους θερινούς μήνες προστίθενται μεγαλύτερες δόσης χλωρίου, για την διατήρηση των υπολειμματικών συγκεντρώσεων (Chowdhury et. al 2009). Σε γενικές γραμμές, οι συνθήκες που επιδρούν στην αποτελεσματικότητα της απολύμανσης αλλά και οι απαιτήσεις για την διατήρηση της υπολειμματικής δράσης του απολυμαντικού μέσου, επηρεάζουν ταυτόχρονα τον σχηματισμό παραπροϊόντων απολύμανσης (Disinfection by products, DBPs). Το χλώριο υδρολύεται στο νερό σχηματίζοντας υποχλωριώδες οξύ (HOCl), σύμφωνα με την αντίδραση (1) : Cl 2 + H 2 O HOCl + Cl - + H + (1) Το υποχλωριώδες οξύ με τη σειρά του είναι ασθενές οξύ το οποίο διίσταται μερικώς στα υδατικά διαλύματα (αντίδραση 2) : HOCl ClO - + H + (2) Η σταθερά διάστασης της παραπάνω ισορροπίας (αντίδραση 2) είναι ίση με K= 2,9 10-8 (pka = 7,54 στους 25 o C). Σε τιμές ph 6-9 που είναι τυπικές για τις συνθήκες κατεργασίας του νερού, τόσο το υποχλωριώδες οξύ και τα χλωριώδη ιόντα, αποτελούν τις κυρίαρχες μορφές (Acero et al 2013). Κατά την κατεργασία του πόσιμου νερού, το υποβρωμιώδες οξύ (HOBr) καθώς και το υποβρωμιώδες ιόν ( - OBr), σχηματίζονται κατά την αντίδραση του χλωρίου με τα βρωμιούχα ιόντα. Η δράση του υποβρωμιώδους οξέος είναι ισχυρότερη έναντι του υποχλωριώδους και ο ρόλος του στο σχηματισμό των παραπροϊόντων χλωρίωσης είναι ανάλογος του υποχλωριώδους οξέος. (Chang et. al 2001). Πιο συγκεκριμένα, το υποβρωμιώδες οξύ αντιδρά ταχύτερα με τη φυσική οργανική ύλη, σε σχέση με το υποχλωριώδες οξύ και ο λόγος HOBr/HOCl, παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων (THMs) και των αλογονοοξικών οξέων (HAAs), καθώς τα βρωμιούχα ιόντα ευνοούν τον σχηματισμό των βρωμιωμένων παραπροϊόντων, όπως είναι το βρωμοδιχλωρομεθάνιο, το διβρωμοχλωρομεθάνιο και το βρωμοφόρμιο. Σύμφωνα με τους Uyak et. al 2007, η δράση του υποβρωμιώδους οξέος με τη φυσική οργανική ύλη είναι 20 φορές μεγαλύτερη από ότι με το υποχλωριώδες οξύ, κατά την χλωρίωση του πόσιμου νερού. Σε γενικές γραμμές, η κατανομή τόσο των χλωριωμένων όσο και των βρωμιωμένων παραπροϊόντων απολύμανσης 18

επηρεάζεται από τους λόγους HOCl/Br -, Br - /NOM και Br - /ελεύθερου χλωρίου (Chang et. al 2001). 1.3 Παραπροϊόντα χλωρίωσης Όπως έχει προαναφερθεί, η χλωρίωση του πόσιμου νερού ως τεχνική απολύμανσής του, έχει περιορίσει σε σημαντικό βαθμό τις ασθένειες οι οποίες προκαλούνται από παθογόνους μικροοργανισμούς κατά την κατάποση του πόσιμου νερού. Παρόλα αυτά, ο σχηματισμός ενός μεγάλου αριθμού παραπροϊόντων χλωρίωσης, αποτελεί απειλή για τη δημόσια υγεία, καθώς ορισμένα από αυτά παρουσιάζουν τον κίνδυνο εμφάνισης καρκίνου όπως επίσης οξείες και χρόνιες αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Μέχρι και το έτος 2009, μέσω τοξικολογικών και επιδημιολογικών ερευνών έγινε η μελέτη των επιδράσεων περίπου τριάντα παραπροϊόντων χλωρίωσης τόσο στην ανθρώπινη υγεία όσο και σε πειραματόζωα. Μετά την ανίχνευση τον τριαλογονομεθανίων στο πόσιμο νερό το 1974 από τον Rook, ακολούθησε η μελέτη ενός μεγάλου αριθμού παραπροϊόντων χλωρίωσης (πίνακας 2) όπως είναι τα αλογονοοξικά οξέα (HAAs), τα αλογονομένα ακετονιτρίλια (HANs) και οι αλογονοακετόνες (HKs) (Chowdhury et al 2009). Στον πίνακα 3, παρουσιάζονται οι επιδράσεις και η τοξική δράση των διάφορων παραπροϊόντων χλωρίωσης με υποχλωριώδες οξύ, στην ανθρώπινη υγεία και σε πειραματόζωα (Chowdhury et. al 2009). 19

Πίνακας 3. Επιπτώσεις και τοξική δράση ορισμένων παραπροϊόντων απολύμανσης με υποχλωριώδες οξύ Επιδράσεις Κύρια Κατηγορία Ενώσεις * Πειραματόζωα Τοξικότητα στον άνθρωπο Ανθρώπινη υγεία (IARC) Rfd SF Τριαλογονομεθάνια TCM όγκος στο συκώτι Β-2 0,01 0,01 BDCM όγκος στα νεφρά Β-2 0,02 0,062 Όγκος παχέος TBM εντέρου C 0,02 0,0079 DBCM όγκος στο συκώτι C 0,02 0,0084 Αλογονοοξικά οξέα BCAA όγκος στο συκώτι BDCAA CDBAA DBAA όγκος στο συκώτι όγκος στο συκώτι DCAA όγκος στο συκώτι Β-2 0,004 0,05 MBAA MCAA TBAA TCAA όγκος στο συκώτι C Αλογονοακετονιτρίλ ια BCAN θάνατος εμβρύων DBAN DCAN όγκος στο δέρμα θάνατος εμβρύων TCAN θάνατος εμβρύων C Υποσημείωση. * τα ονόματα των ενώσεων παρουσιάζονται αναλυτικά στον πίνακα 2, Β-2 : δυνατή καρκινογόνος δράση, C : πιθανή καρκινογόνος δράσης, Rfd : ημερήσια δόση αναφοράς (mg/kg ημέρα), SF: Slope factor (mg/kg day) -1 20

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΠΤΗΤΙΚΕΣ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ 2.1 Γενικά Οι πτητικές οργανικές ενώσεις αποτελούν ένα από τα κύρια ζητήματα στο περιβάλλον και η ευρεία τους κατανομή έχει αυξήσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Οι πτητικές οργανικές ενώσεις αντιστοιχούν σε μία κατηγορία οργανικών οι οποίες χαρακτηρίζονται από την υψηλή πτητική τους φύση σε συνθήκες περιβάλλοντος. Τα χημικά τους χαρακτηριστικά, όπως η χαμηλή τους διαλυτότητα στο νερό, η υψηλή τους διαλυτότητα στα λιπίδια, η ημι- πτητικότητά τους καθώς και η ικανότητά τους να διαπερνούν τις βιολογικές μεμβράνες και να συσσωρεύονται στους λιπαρούς ιστούς, τις καθιστούν ενώσεις ιδιαίτερου περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος (Nallanthigal et.al., 2012). Διάφοροι ορισμοί έχουν αποδοθεί για τις πτητικές οργανικές ενώσεις. Σύμφωνα με την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των Ηνωμένων Πολιτειών (USEPA), οι πτητικές οργανικές ενώσεις ορίζονται ως οι χημικές ενώσεις οι οποίες συνεισφέρουν στη δημιουργία του φωτοχημικού όζοντος, ενώ σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή οδηγία για τους διαλύτες, οι πτητικές οργανικές ενώσεις ορίζονται ως οι οργανικές ενώσεις με τάση ατμών 10Pa στους 20 o C. Υπάρχουν κι άλλοι ορισμοί οι οποίοι χαρακτηρίζουν τις πτητικές οργανικές ενώσεις ως τις ενώσεις εκείνες με τάση ατμών μικρότερη από 13,3 Pa στους 25 o C (Nallanthigal et al 2012). Οι κύριες υποκατηγορίες των VOCs περιλαμβάνουν αλογονομένες οργανικές ενώσεις, μονοκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, οργανικά σουλφίδια και σουλφοξείδια, BTEXs, τριαλογονομεθάνια, ακετόνη και εστέρες. Οι πηγές των VOCs μπορεί να είναι βιογενείς ή ανθρωπογενείς, όμως οι ανθρωπογενείς πηγές είναι μεγαλύτερης ανησυχίας. Οι κυριότερες ανθρωπογενείς πηγές των VOCs στο υδατικό περιβάλλον περιλαμβάνουν βαφές και επιστρώσεις, βενζίνη, διαλύτες, βιομηχανικά και αστικά απόβλητα, αστικές και αγροτικές απορροές καθώς και ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα (Nallanthigal et al., 2012). Οι πτητικές οργανικές ενώσεις συσσωρεύονται στο περιβάλλον, χαρακτηρίζονται ως παραμένοντες οργανικοί ρύποι και συμβάλλουν στην αύξηση του φαινομένου του θερμοκηπίου και στην τρύπα του όζοντος. Σε μη ρυπασμένα νερά, από τον ολικό διαλυτό οργανικό άνθρακα οι πτητικές οργανικές ενώσεις αποτελούν περίπου ένα ποσοστό της τάξεως του 10%, ενώ οι συγκεντρώσεις τους στα φυσικά νερά είναι πολύ πιο αυξημένες κάτι 21

που αποδίδεται σε διαφορετικές ανθρωπογενείς πηγές (Huybrechts et. al, 2005) Με την μεταφορά τους στο νερό, οι πτητικές οργανικές ενώσεις παρουσιάζουν συμπεριφορά η οποία εξαρτάται από τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, όπως η αραίωση, οι τοξικολογικές μεταβολές και η βιοδιάσπασή τους η οποία παίζει σημαντικό ρόλο στην σταθερότητα και στις συγκεντρώσεις τους στα νερά. Περαιτέρω, όσον αφορά στις αλογονομένες πτητικές οργανικές ενώσεις, η υποκατάσταση των αλογόνων επιδρά στις χημικές και τοξικολογικές ιδιότητες στο νερό (Nallanthigal et al., 2012). Παρά τους υψηλούς συντελεστές κατανομής αέρα νερού, οι πτητικές οργανικές ενώσεις είναι ευρέως διαδεδομένες στα φυσικά νερά. Επίπεδα συγκεντρώσεων της τάξεως των ng L -1 - μg L -1, έχουν ανιχνευθεί σε υπόγεια νερά, ποτάμια, εκβολές ποταμών, παράκτια ύδατα και στην ανοιχτή θάλασσα. Επίσης, πτητικές οργανικές ενώσεις όπως, το τετραχλωρομεθάνιο, το τριχλωροαιθένιο και το τετραχλωροαιθένιο, έχουν ανιχνευθεί σε πολύ χαμηλά επίπεδα της τάξεως των ng L -1 σε θαλάσσινο νερό της Ανταρκτικής, σε φρέσκα νερά και σε πάγο. Ακόμη, δεδομένα από προγράμματα παρακολούθησης εκτίμησης επικινδυνότητας στην περιοχή της Βόρειας θάλασσας έδειξαν πως πτητικές οργανικές ενώσεις όπως το 1,1,1-τριχλωροαιθάνιο, το χλωροβενζόλιο και το 1,4-διχλωροβενζόλιο, δεν παρουσιάζουν κανέναν κίνδυνο στο υδάτινο περιβάλλον/. Η παρουσία των VOCs σε απομακρυσμένες περιοχές, όπως είναι η Ανταρκτική ή η ανοιχτή θάλασσα, αποδίδεται κυρίως στην ατμοσφαιρική μεταφορά, η οποία αποτελεί την κυριότερη αιτία της παγκόσμιας κατανομής των VOCs. Υψηλά επίπεδα αλογονομένων ανθράκων και αλογονομένων βενζολίων σε υπόγεια νερά, ποτάμια, εκβολές ποταμών καθώς και σε παράκτια ύδατα, έχουν συσχετισθεί με βιομηχανικές και αγροτικές δραστηριότητες και με πυκνοκατοικημένες περιοχές. Επιπροσθέτως, αλογονομένα μεθύλια και τριαλογονομεθάνια έχουν ως φυσική πηγή τους διάφορα είδη θαλάσσιων μακρο και μικροαλγών. (Dewulf et.al., 2006) 22

2.2 Τριαλογονομεθάνια Τα τριαλογονομεθάνια THMs αποτελούν μία κατηγορία πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs), τα οποία κατατάσσονται στα παραπροϊόντα απολύμανσης (Disinfection By-Products- DBPs). Για πρώτη φορά ανιχνεύθηκαν από τον Rook (1974) και σχηματίζονται κατά την χλωρίωση του πόσιμου νερού, μέσω της αντίδρασης του χλωρίου με την φυσική οργανική ύλη που υπάρχει στο νερό, η οποία απαρτίζεται κυρίως από χουμικά και φουλβικά οξέα. Τα THMs έχουν γενική μορφή CHX 3, όπου το X μπορεί να είναι οποιοδήποτε αλογόνο ή συνδυασμός τους. Παρόλα αυτά ο όρος αναφέρεται κυρίως στις ενώσεις που περιέχουν χλώριο ή βρώμιο, επειδή τα χλωριούχα και βρωμιούχα ιόντα ανιχνεύονται πιο συχνά στο χλωριωμένο νερό. (Pavon et. al 2008, WHO 2005). Σύμφωνα με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, τα τριαλογονομεθάνια απαντούν σε υγρή μορφή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Είναι σχετικά έως αρκετά πτητικές ενώσεις, με τάσεις ατμών να κυμαίνονται από 0,80 kpa για το βρωμοφόρμιο έως τα 23,33 kpa για το χλωροφόρμιο, στους 25 o C. Επίσης, ο λογάριθμος του συντελεστή κατανομής οκτανόληςνερού, κυμαίνεται από 1,97 για το χλωροφόρμιο έως 2,38 για το βρωμοφόρμιο (WHO, 2005) Σχήμα 1. Μηχανισμός σχηματισμού χλωροφορμίου 23

Στο σχήμα 1, δίνεται ο μηχανισμός σχηματισμού του χλωροφορμίου. Τα χουμικά οξέα που αντιδρούν με το HOCl για να σχηματίσουν χλωροφόρμιο, είναι υδατοδιαλυτές ενώσεις, μη βιοαποικοδομήσιμες και συστατικά αποσυντιθέμενης φυτικής ύλης. Ιδιαίτερης σημασίας είναι εκείνα τα χουμικά οξέα που περιέχουν 1,3-διυδροξυβενζόλιο. Το άτομο του άνθρακα που βρίσκεται ανάμεσα στα 2 υδροξύλια είναι ήδη χλωριωμένο από το HOCl (Σχήμα 1). Στη συνέχεια, διασπάται ο δακτύλιος ανάμεσα στο C-2 και C-3 και σχηματίζεται RCOCHCl 2. Παρουσία HOCl, το τελικό άτομο άνθρακα γίνεται τριαλογονομένο και η ομάδα CCl 3 αντικαθίσταται από το OH - στο νερό, οπότε σχηματίζεται χλωροφόρμιο σύμφωνα με την αντίδραση RCOCHCl 2 +HOCl RCOCCl 3 +OH - RCOOH+CHCl 3. Κατ ανάλογο τρόπο παράγεται και το βρωμοφόρμιο, το βρωμοδιχλωρομεθάνιο και το διβρωμοχλωρομεθάνιο από την επίδραση του υποβρωμιώδους οξέος HOBr με την χουμική ύλη (Φυτιάνος Κ., Σαμαρά-Κωνσταντίνου Κ., 2009). Οι κύριες παράμετροι που επιδρούν στο σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη αφορά στα φυσικά ποιοτικά χαρακτηριστικά, όπως είναι η παρουσία φυσικής οργανικής ύλης, το ph και η συγκέντρωση των βρωμιούχων ιόντων, ενώ η δεύτερη αφορά στις συνθήκες κάτω από τις οποίες λαμβάνει χώρα η χλωρίωση, όπως είναι η δόση του χλωρίου, η θερμοκρασία και ο χρόνος επαφής (Lu et. al 2009; Nikolaou et. al 2004; Ye et. al 2009; Ikem et. al 2010; Hong et. al 2007; Baytak et. al 2008). Ο ρυθμός σχηματισμού των τριαλογονομεθανίων αυξάνει συναρτήσει της συγκέντρωσης του χλωρίου και των χουμικών οξέων, της θερμοκρασίας του ph και της συγκέντρωσης των βρωμιούχων ιόντων. Κατά τη χλωρίωση του πόσιμου νερού, το χλωροφόρμιο αποτελεί το πιο κοινό παραπροϊόν, ενώ παρουσία βρωμιούχων ιόντων σχηματίζονται κυρίως τα βρωμιωμένα τριαλογονομεθάνια, ενώ η συγκέντρωση του χλωροφορμίου μειώνεται. Σε γενικές γραμμές, οι συγκεντρώσεις των τριαλογονομεθανίων στο χλωριωμένο νερό ακολουθούν τη σειρά : χλωροφόρμιο > βρωμοδιχλωρομεθάνιο> διβρωμοχλωρομεθάνιο > βρωμοφόρμιο. (Pavon et. al 2008). Αν και η χλωρίωση του πόσιμου νερού παρέχει αρκετά πλεονεκτήματα, εντούτοις τα τριαλογονομεθάνια παραμένουν επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία. Για τον λόγο αυτό ο 24

Διεθνής Οργανισμός Έρευνας για τον Καρκίνο ( IARC), μετά από εκτενείς έρευνες πάνω σε πειραματόζωα, έχει κατατάξει το χλωροφόρμιο και το βρωμοδιχλωρομεθάνιο ως πιθανούς καρκινογόνους ρύπους, ενώ το διβρωμοχλωρομεθάνιο και το βρωμοφόρμιο ως λιγότερο πιθανούς καρκινογόνους ρύπους (Pavon et. al 2008). Τα ανώτατα επιτρεπτά όρια των THMs στο πόσιμο νερό τα οποία έχουν θεσπιστεί από την EPA και τον WHO, παρουσιάζονται στον πίνακα 4. Η συνολική έκθεση προέρχεται κυρίως από τέσσερις πηγές οι οποίες είναι η κατάποση του πόσιμου νερού και της τροφής, η εισπνοή του αέρα εσωτερικών χώρων καθώς επίσης και η εισπνοή και η δερματική επαφή κατά τη διάρκεια του ντους. Τα τριαλογονομεθάνια έχουν ανιχνευθεί σε διάφορα υδατικά υποστρώματα όπως σε νερό βρύσης, πισίνας, απεσταγμένο και υπερκάθαρο νερό αλλά και σε νερά που δεν έχουν υποστεί χλωρίωση όπως είναι τα υπόγεια και μεταλλικά νερά, το χιόνι, το νερό της βροχής και τα νερά των ποταμών και της θάλασσας. Παρόλα αυτά οι συγκεντρώσεις των τριαλογονομεθανίων σε μη χλωριωμένα νερά είναι πολύ μικρότερες σε σχέση με το νερό της βρύσης και τα επίπεδα τους είναι δυνατό να οφείλονται σε διάφορες αιτίες. Στην περίπτωση όπου παρατηρείται η σειρά χλωροφόρμιο> βρωμοδιχλωρομεθάνιο > διβρωμοχλωρομεθάνιο > βρωμοφόρμιο, η προέλευση των τριαλογονομεθανίων οφείλεται πιθανώς στη διήθηση του χλωριωμένου νερού. Οι κυριότερες πηγές χλωριωμένου νερού σε υπόγεια ύδατα περιλαμβάνουν την υπεράντληση νερού για άρδευση, διαρροές από τις σωληνώσεις διανομής και αποχέτευσης αλλά και τις βιομηχανικές απορροές. Στην περίπτωση του μεταλλικού νερού η παρουσία των τριαλογονομεθανίων πιθανολογείται πως προέρχεται από την απολύμανση με χλώριο των σωλήνων μεταφοράς στα εργοστάσια εμφιάλωσης νερού. Σε άλλες περιπτώσεις, η παρουσία των ενώσεων αυτών αποδίδεται σε φυσικές πηγές, αφού ένα ποσοστό της τάξεως του 90% της ροής του χλωροφορμίου στο περιβάλλον είναι φυσικής προέλευσης. Οι κύριες φυσικές πηγές του χλωροφορμίου κατά σειρά σπουδαιότητας είναι το υπεράκτιο θαλασσινό νερό μέσω μιας απροσδιόριστης βιολογικής διαδικασίας, παράκτιες 25

πηγές από μακροφύκη, μύκητες εδάφους καθώς και ηφαιστειακές και γεωλογικές εκπομπές (Nallanthigal et. al 2012, Pavon et. al 2008). 2.3 Ευρωπαϊκή και διεθνής Νομοθεσία Κατά την πρώτη φάση του σχετικού Κανόνα για τα παραπροϊόντα απολύμανσης (EPA 2001), ο Οργανισμός Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ έθεσε ανώτατα όρια τόσο για την υπολειμματική συγκέντρωση των μέσων απολύμανσης όσο και για το σύνολο των ολικών τριαλογονομεθανίων στα 80 μg L -1. Οι ανώτατες υπολειμματικές συγκεντρώσεις των διαφόρων μέσων απολύμανσης στα δίκτυα διανομής πόσιμου νερού είναι : υποχλωριώδες οξύ (4mg L -1 ως Cl 2 ), χλωραμίνες (4mg L -1 ως Cl 2 ) και διοξείδιο του χλωρίου (0,8mg L -1 ). Τα μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης απαιτείται να ρυθμίζουν τη συγκέντρωση των ολικών τριαλογονομεθανίων στα 100μg L -1, σύμφωνα με την Οδηγία του Συμβουλίου της Ευρωπαϊκής Ένωσης από το 1998. Τα διάφορα Κράτη-Μέλη έχουν την διακριτική ευχέρεια να εγκαθιδρύουν άλλα πρότυπα ή να ορίζουν κατώτατα όρια από τα μέγιστα επιτρεπτά της Ευρωπαϊκής Οδηγίας, όπως φαίνεται και στον πίνακα 4. 26

Πίνακας 4. Ανώτατα επιτρεπτά όρια τριαλογονομεθανίων Ανώτατα Επιτρεπτά Όρια συγκεντρώσεων μg.l -1 Ένωση Χημικός Τύπος Ε.E. USEPA WHO HC 2007 Auz-Nz 2004 UK (2000) Ger. It. Χλωροφόρμιο CHCl 3 300 Βρωμοδιχλωρο μεθάνιο CHCl 2 Br 60 16 Βρωμοφόρμιο CHBr 3 100 Διβρωμοχλωρο μεθάνιο CHClBr 2 100 Ολικά Τριαλογονομεθ άνια ΤΤΗΜs 100 80 100 250 100 100 300 Υποσημείωση USEPA : Οργανισμός Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ, WHO : Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας, HC: Health Canada, Auz-Nz: Οδηγία Αυστραλίας-Νέας Ζηλανδίας, UK: Ηνωμένο Βασίλειο, Ger: Γερμανία, It: Ιταλία Έτσι, με στόχο την προστασία της δημόσιας υγείας από τις πιθανές αρνητικές επιπτώσεις όπως είναι η εμφάνιση καρκίνου, Ο Οργανισμός Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ (US EPA), έχει θεσπίσει ανώτατα επιτρεπτά όρια (MCL) για την ολική συγκέντρωση των τριαλογονομεθανίων (TTHMs), η οποία ανέρχεται στα 80 μg L -1 (Πίνακας 4). Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (WHO), στις οδηγίες για την ποιότητα του πόσιμου νερού, έθεσε ανώτατα επιτρεπτά όρια συγκεντρώσεων για κάθε μία ένωση ξεχωριστά και όχι για το σύνολο των τριαλογονομεθανίων στο πόσιμο νερό, ενώ προτείνει μία μαθηματική εξίσωση για την εγκαθίδρυση ενός προτύπου για τα ολικά τριαλογονομεθάνια, όπου C : η συγκέντρωση και GV: η παραμετρική τιμή (WHO, 2005, Pavon et. al 2008). C GV bromoform bromoform C GV dibromochloromethane dibromochloromethane C GV bro modichloromethane bro modichloromethane C GV chloroform chloroform 1 27

Στην Αυστραλία από το 2004 έχουν ορισθεί οδηγίες για τα ανώτατα επιτρεπτά όρια των TTHMs στο πόσιμο νερό, στα 250μg L -1 (Wright et. al 2005) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΠΤΗΤΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ 3.1 Γενικά Ο προσδιορισμός των τριαλογονομεθανίων στο νερό γίνεται κυρίως με την αέρια χρωματογραφία σε συνδυασμό με ανιχνευτές δέσμευσης ηλεκτρονίων (ECD) ή φασματόμετρα μάζα (MS). Καθώς τα επίπεδα συγκέντρωσης των ενώσεων αυτών τόσο στα φυσικά όσο και στα πόσιμα νερά κυμαίνονται από ng L -1 έως μg L -1, κρίνεται απαραίτητο κάποιο στάδιο προκατεργασίας πριν την ανάλυση, ώστε να επιτευχθεί η προσυγκέντρωση τους (Pavon et. al 2008). Η προκατεργασία ενός δείγματος αποτελεί το πιο κρίσιμο στάδιο στην περιβαλλοντική ανάλυση των VOCs, τα επίπεδα των οποίων στο πόσιμο νερό είναι πολύ χαμηλά και τα οποία κυμαίνονται από ng L -1 -μg L -1 (Nallanthigal et. al 2012, Pavon et. al 2008). Στο στάδιο αυτό οι ενώσεις που ενδιαφέρουν απομονώνονται από το υπόστρωμα και προσυγκεντρώνονται, έτσι ώστε να βελτιστοποιηθεί η ευαισθησία, η εκλεκτικότητα, η αξιοπιστία, η ακρίβεια και η επαναληψιμότητα της αναλυτικής μεθόδου που αναπτύσσεται (Pavon et. al 2008). Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί νέες τεχνικές προκατεργασίας, οι οποίες χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη ταχύτητα και υψηλότερη εκλεκτικότητα με παράλληλη χρήση μικρότερων όγκων διαλυτών και αντιδραστηρίων. Η σύγχρονη τάση της αναλυτικής χημείας είναι η υιοθέτηση της γενικής ιδεολογίας που καλείται «πράσινη χημεία», όπου γίνεται χρήση μικρότερων όγκων διαλυτών ή απουσία διαλυτών σε μεθόδους προκατεργασίας δειγμάτων, όπως είναι η μικροεκχύλιση, η εκχύλιση με μεμβράνες και τεχνικές υπερκείμενου χώρου, Headspace (Nallanthigal et. al 2012). 28

Η εισαγωγή του δείγματος καθώς και οι τεχνικές προσυγκέντρωσης που βρίσκουν εφαρμογή στον ποσοτικό προσδιορισμό των VOCs σε υδατικά υποστρώματα είναι οι ακόλουθες: Άμεση εισαγωγή δείγματος Υγρή Υγρή εκχύλιση Τεχνικές υπερκείμενου χώρου Στατικές : Μικροεκχύλιση στερεάς φάσης SPME Δυναμικές : Purge and Trap 3.2 Τεχνικές προκατεργασίας Άμεση εισαγωγή δείγματος (Direct aqueous injection): Αποτελεί την πιο απλή τεχνική καθώς γίνεται άμεση εισαγωγή του δείγματος στο χρωματογραφικό σύστημα χωρίς να προηγηθεί η προκατεργασία του. Ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος απώλειας των πτητικών συστατικών και η πιθανότητα επιμόλυνσης του δείγματος. Το κυριότερο μειονέκτημα της τεχνικής είναι η περιορισμένη ευαισθησία της. Υγρή- Υγρή Εκχύλιση (Liquid-Liquid Extraction): Αποτελεί την πιο κοινή μέθοδο προκατεργασίας ενός υδατικού δείγματος. Σε αντίθεση με τις κλασικές τεχνικές LLE, οι οποίες απαιτούν μεγάλους όγκους οργανικών διαλυτών (5-100mL), για τον προσδιορισμό των ΤΗΜs ελαχιστοποιούνται οι απαιτούμενες ποσότητες οι οποίες κυμαίνονται από 0,5-2mL. Παρά τα πλεονεκτήματα της LLE ως προς την απλότητά της, τείνει να είναι χρονοβόρα. Επιπλέον, ο χειρισμός των δειγμάτων είναι μεγάλος με αποτέλεσμα την απώλεια των πτητικών συστατικών. Τεχνικές Υπερκείμενου χώρου (Headspace) : Εφαρμόζονται ευρύτατα για τον προσδιορισμό των ΤΗMs και άλλων πτητικών συστατικών σε δείγματα νερού. Διακρίνονται στις στατικές και στις δυναμικές τεχνικές (Purge and Trap). Στις στατικές μεθόδους, ένα μέρος της αέριας φάσης που βρίσκεται στο φιαλίδιο σε ισορροπία με το δείγμα, οδηγείται στο ρεύμα του φέροντος αερίου, με αποτέλεσμα τη μεταφορά του δείγματος στην αναλυτική στήλη. Στις δυναμικές μεθόδους, η εκχύλιση του 29

αερίου λαμβάνει χώρα με τη συνεχή απομάκρυνση της αέριας φάσης. Έτσι, η συνολική ποσότητα των πτητικών συστατικών απομακρύνεται από το δείγμα. Το κυριότερο πλεονέκτημα των τεχνικών υπερκείμενου χώρου, έγκειται στην έλλειψη παρεμποδίσεων από το μη πτητικό υπόστρωμα. Ο χειρισμός των δειγμάτων είναι ελάχιστος, με αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων. Είναι δυνατός ο on-line συνδυασμός τους με χρωματογραφικά συστήματα, ενώ αποτελούν αξιόπιστες αυτοματοποιημένες τεχνικές προκατεργασίας, επιτυγχάνοντας υψηλές ανακτήσεις και μεγάλη επαναληψιμότητα. Το σημαντικό μειονέκτημα των στατικών τεχνικών σχετίζεται με την χαμηλή ευαισθησία, ενώ των δυναμικών τεχνικών με την πολυπλοκότητα της οργανολογίας. Μικροεκχύλιση Στερεάς Φάσης (HS-SPME) : Η τεχνική αυτή έχει εφαρμοστεί επιτυχώς στον διαχωρισμό των THMs από δείγματα νερού και χαρακτηρίζεται από απλότητα, αξιοπιστία, ενώ η ευαισθησία της εξαρτάται από το υλικό επικάλυψης το οποίο είναι συνήθως κάποιο πολυμερές. Εκτός από την επιλογή του πολυμερούς, παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη είναι ο όγκος του υπερκείμενου χώρου, η προσθήκη άλατος, η ανάδευση του δείγματος, ο χρόνος και η θερμοκρασία εκχύλισης και εκρόφησης. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, η ανάδευση του δείγματος και η προσθήκη άλατος που αυξάνει την ιονική ισχύ του διαλύματος, βελτιώνουν την απομάκρυνση των πτητικών ενώσεων προς τον υπερκείμενο χώρο. 3.3 Τεχνική Purge &Trap Πρόσφατες εφαρμογές της τεχνικής purge&trap χρονολογούνται στην δεκαετία του 1960 με την ανάλυση βιολογικών δειγμάτων, ενώ κατά την δεκαετία του 1970, η τεχνική έγινε ιδιαίτερα διαδεδομένη, εξαιτίας των αυξανόμενων απαιτήσεων κατά την ανάλυση πτητικών αλογονομένων υδρογονανθράκων στο πόσιμο νερό. Η ανάλυση του πόσιμου νερού για τον προσδιορισμό ενός μεγάλου αριθμού των ενώσεων αυτών σε ποσότητες μικρότερες του 1 μg L -1, κατέστη δυνατή μόνο μέσω της διαδικασίας προσυγκέντρωσης, η οποία αποτελεί τμήμα της συνδυασμένης τεχνικής Purge& Trap με Αέρια Χρωματογραφία. Η τελευταία βρίσκει εφαρμογή στις μέρες μας, στην ανίχνευση υπολειμμάτων πτητικών οργανικών ενώσεων στο περιβάλλον και στην ανάλυση τροφίμων και ποτών, ενώ και σε 30

συνδυασμό με το φασματογράφο μάζας, επιτρέπει την ανάλυση ενός πολύ μεγάλου αριθμού δειγμάτων, καθώς αποτελεί αυτοματοποιημένη τεχνική (Hubschmann 2009) Αποτελεί δυναμική τεχνική υπερκείμενου χώρου η οποία χρησιμοποιείται για την απομόνωση πτητικών συστατικών από υγρά, στερεά και δείγματα ιζημάτων. Είναι η πιο διαδεδομένη πρότυπη μέθοδος (USEPA 524.2) για την ανάλυση των THMs, καθώς επιτυγχάνονται χαμηλά όρια ανίχνευσης, υψηλή ευαισθησία και ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος απώλειας των πτητικών συστατικών, αφού η προκατεργασία τους γίνεται σε κλειστό on-line σύστημα. Είναι κατάλληλη τεχνική για ανάλυση ιχνοποσοτήτων με όρια ανίχνευσης της τάξεως των μg L -1 -ng L -1. Οι βασικές λειτουργίες του Purge and Trap είναι τρεις: α) Εκχύλιση (Purging), β) Προσρόφηση (Trapping) και γ) Θερμική εκρόφηση (Thermal desorption). Τα THMs, απομακρύνονται από το υδατικό δείγμα, μέσω της διέλευσης ρεύματος αδρανούς αερίου (άζωτο ή ήλιο) από το δείγμα. Στη συνέχεια, το ρεύμα αερίου, το οποίο έχει εμπλουτιστεί με τα πτητικά συστατικά οδηγείται στην παγίδα προσυγκέντρωσης, όπου τα δεύτερα προσροφούνται στο ροφητικό υλικό της παγίδας. Τέλος, με θερμική εκρόφηση της παγίδας οδηγούνται στην αναλυτική στήλης του αέριου χρωματογράφου, όπου και αναλύονται (Kou and Mitra, 2005). Η ταχύτητα της ανάλυσης αλλά και το γεγονός ότι η μέθοδος γίνεται online, αυξάνουν τα εργαστηριακά αποτελέσματα και παρέχουν τα απαραίτητα στοιχεία για τον έλεγχο και προσδιορισμό των THMs στα νερά σε ιχνοποσότητες (Nallanthigal et. al 2012). Στην εικόνα 1, παρουσιάζεται το σύστημα Purge&Trap που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία. 31

Εικόνα 1. Οργανολογία συστήματος Purge & Trap Η δυναμική τεχνική υπερκείμενου χώρου Purge & Trap, είναι μία διαδικασία κατά την οποία λαμβάνει χώρα η συνεχής εκδίωξη οργανικών ενώσεων υψηλής ή μέτριας πτητικότητα, από κάποιο υπόστρωμα και η επακόλουθη προσυγκέντρωσή τους σε κάποια προσροφητική παγίδα. Στη συνέχεια, οι ενώσεις προς ανάλυση οδηγούνται στον αέριο χρωματογράφο με θερμική εκρόφηση, όπου τελικά διαχωρίζονται και ανιχνεύονται (Hubschmann 2009). Οι τρεις βασικές διαδικασίες οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την ανάλυση με την τεχνική Purge & Trap, είναι οι εξής: I. Εκδίωξη με ταυτόχρονη προσυγκέντρωση (purge) II. III. Εκρόφηση (desorption) Καθαρισμός με ψήσιμο (bake out) 32

I. Φάση εκδίωξης Κατά τη φάση αυτή, οι πτητικές οργανικές εκδιώκονται από το δείγμα με τη βοήθεια ρεύματος αερίου (He ή Ν 2 ) και διέρχονται μέσα από μία ειδική φρίτα στη βάση ενός γυάλινου σωλήνα, σχήματος U (Σχήμα 2). Η επιφάνεια του υγρού αυξάνει δραματικά παρουσία φυσαλίδων αερίου, ενώ μεγιστοποιείται και η επαφή μεταξύ του υγρού δείγματος και του φέροντος αερίου. Σχήμα 2. Γυάλινος σωλήνας όπου λαμβάνει χώρα η εκδίωξη των πτητικών συστατικών μέσω της ροής αερίου καθαρισμού 33

Οι αναλύτες, με το ρεύμα του φέροντος αερίου, απομακρύνονται από το δείγμα και οδηγούνται στην παγίδα όπου και προσυγκεντρώνονται, ενώ το φέρον αέριο εξέρχεται από μία οπή (vent) της βαλβίδας 6 θέσεων (6-port valve). Στη συνέχεια, το αέριο εκρόφησης, το οποίο εισέρχεται από την παροχή του GC, εισέρχεται στην στήλη του αέριου χρωματογράφου όπου διατηρεί τη ροή του σε σταθερά επίπεδα. Η συνολική ποσότητα των πτητικών οργανικών ενώσεων που απομακρύνονται από το δείγμα εξαρτάται από τον όγκο εκδίωξης (purge volume), ο οποίος αποτελεί απόρροια του ρυθμού ροής και του χρόνου εκδίωξης. Η ανάλυση της πλειονότητας των περιβαλλοντικών δειγμάτων γίνεται σε όγκο εκδίωξης 440 ml, δηλαδή σε χρόνο εκδίωξης 11 min με ρυθμό ροής 40 ml min -1, καθώς στην τιμή αυτή επιτυγχάνεται η βέλτιστη αποτελεσματικότητα εκδίωξης (purge efficiency). Η αποτελεσματικότητα εκδίωξης ορίζεται ως η ποσότητα των αναλυτών που εκδιώκεται από το δείγμα με ορισμένη ποσότητα αερίου και εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως είναι : ο όγκος εκδίωξης, η θερμοκρασία του δείγματος, η φύση του sparger (needle or frit), η φύση των ενώσεων και του υποστρώματος προς ανάλυση. Τέλος, η αποτελεσματικότητα εκδίωξης επιδρά άμεσα στην εκατοστιαία ανάκτηση, δηλαδή στην ποσότητα των αναλυτών που καταφθάνουν στον ανιχνευτή. II. Φάση θερμικής εκρόφησης Κατά τη φάση θερμικής εκρόφησης λαμβάνει χώρα η θέρμανση της παγίδας με αντιρροή φέροντος αερίου. Καθώς ο χρόνος και η θερμοκρασία της εκρόφησης επιδρούν στις χρωματογραφικές συνθήκες των αναλυτών, ο χρόνος εκρόφησης θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν ελάχιστος αλλά επαρκής, για την ποσοτική μεταφορά των αναλυτών στην στήλη της αέριας χρωματογραφίας. Γενικά, ο χρόνος εκρόφησης ανέρχεται στα 4 min, αν και οι περισσότεροι αναλύτες, οδηγούνται στην στήλη της αέριας χρωματογραφίας κατά το πρώτο 34

λεπτό της εκρόφησης. Όσον αφορά στη θερμοκρασία εκρόφησης, αυτή εξαρτάται από το είδος του προσροφητικού υλικού της παγίδας. Το πιο διαδεδομένο προσροφητικό υλικό είναι το Tenax, στο οποίο η θερμική εκρόφηση λαμβάνει χώρα στους 180 o C, χωρίς τη δημιουργία προϊόντων διάσπασής του. Το σχήμα των κορυφών που εκλούονται στην αρχή μπορεί να βελτιστοποιηθεί με την εισαγωγή ενός σταδίου προθέρμανσης της εκρόφησης (desorb preheat). Η παγίδα VOCARB, που βρίσκει εφαρμογή κατά την ανάλυση πτητικών αλογονομένων υδρογονανθράκων, έχει υψηλότερη θερμική αντοχή από την Tenax, καθώς οι θερμοκρασίες εκρόφησης μπορεί να φτάσουν μέχρι και τους 290 o C. Ωστόσο σε υψηλότερες θερμοκρασίες, είναι δυνατή η καταλυτική διάσπαση των συστατικών του υλικού προσρόφησης. III. Καθαρισμός παγίδας με ψήσιμο (bake) Κατά τη φάση αυτή, η παγίδα υπόκειται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία, μετά το στάδιο της θερμικής εκρόφησης, με στόχο τον καθαρισμό από τυχόν επιμολύνσεις. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΑΕΡΙΑ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ 4.1 Γενικά Η αέρια χρωματογραφία εισήχθη για πρώτη φορά το 1952 από τους James και Martin, η οργανολογία της οποίας, επιτρέπει τον διαχωρισμό των συστατικών ενός μίγματος, συναρτήσει του χρόνου (Kitson et. al 1999). Η βασική αρχή στηρίζεται στην αεριοποίηση (volatilization) ενός δείγματος στον υψηλής θερμοκρασίας εισαγωγέα, στον διαχωρισμό των συστατικών του μίγματος σε μία ειδική στήλη και στην ανίχνευση του κάθε συστατικού μέσω ενός ανιχνευτή. Ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνικής είναι η χρήση του φέροντος αερίου, όπως υδρογόνο ή 35

ήλιο, το οποίο μεταφέρει το δείγμα από τον εισαγωγέα στην στήλη διαχωρισμού και από εκεί στον ανιχνευτή. Η αναλυτική στήλη της αέριας χρωματογραφίας αποτελείται από κάποιο υλικό επικάλυψης μίας στατικής φάσης. Ο διαχωρισμός των συστατικών λαμβάνει χώρα μέσω της κατανομής τους μεταξύ του φέροντος αερίου (κινητή φάση) και της στατικής φάσης. Έτσι, ένα συστατικό το οποίο συγκρατείται ελάχιστη ώρα στην στατική φάση, εκλούεται ταχύτερα. Η αέρια χρωματογραφία είναι κατάλληλη τεχνική για θερμικά σταθερές πτητικές ενώσεις οι οποίες δεν αποσυντίθενται κατά την αεριοποίηση. Τα βασικά χαρακτηριστικά της αέριας χρωματογραφίας είναι τα συστήματα θέρμανσης του εισαγωγέα, ο ανιχνευτής, οι γραμμές μεταφοράς (transfer lines) και το θερμοκρασιακό πρόγραμμα της αναλυτικής στήλης. (Kitson et al 1996) 4.2 Βασική Οργανολογία Αέριας Χρωματογραφίας Η βασική οργανολογία ενός συστήματος αέριας χρωματογραφίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, απαρτίζεται από τη φιάλη αερίου, τον εισαγωγέα, την αναλυτική στήλη που είναι τοποθετημένη σε φούρνο, τον ανιχνευτή και το σύστημα καταγραφής των δεδομένων (Παπαδογιάννης Ι., Σαμανίδου Β., 2001). 36

Σχήμα 3. Βασική οργανολογία αέριας χρωματογραφίας Το φέρον αέριο περνά μέσα από τον προθερμασμένο εισαγωγέα όπου εγχύεται μία μικρή ποσότητα του δείγματος, το οποίο εξατμίζεται και μεταφέρεται με τη βοήθεια του αερίου μέσα στην αναλυτική στήλη όπου λαμβάνει χώρα ο διαχωρισμός των συστατικών. Η αναλυτική στήλη είναι τοποθετημένη μέσα σε φούρνο θερμοστατικά ελεγχόμενο, κι έτσι τα συστατικά παραμένουν στην αέρια φάση. Μετά τον διαχωρισμό, τα κλάσματα των συστατικών παρασύρονται από το φέρον αέριο και οδηγούνται στον ανιχνευτή, ενώ τα σήματα αποθηκεύονται στο σύστημα δεδομένων ενός υπολογιστή. 4.2.1 Φέρον αέριο Το φέρον αέριο πρέπει να πληροί τις παρακάτω προϋποθέσεις : (α) να είναι αδρανές (β) να μην προσροφάται από την στατική φάση της αναλυτικής στήλης (γ)να είναι απαλλαγμένο από υγρασία και (δ) να μην περιέχει οξυγόνο, καθώς οξειδώνεται η στατική φάση ιδιαίτερα στην περίπτωση των τριχοειδών στηλών όπου η στατική φάση είναι ελάχιστη. (Kitson, 1999, Παπαδογιάννης Ι., Σαμανίδου Β., 2001). Το πλέον διαδεδομένο φέρον αέριο που χρησιμοποιείται είναι το ήλιο, αλλά σε συγκεκριμένες εφαρμογές χρησιμοποιούνται το 37