Φυσικοχημική μελέτη της δράσης επιφανειοδραστικών ουσιών στην ανταλλαγή αερίων ρύπων μεταξύ υδάτινου και ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος

Abstract

The Reversed Flow Gas Chromatography (R.F.G.C) technique was used for studying interactions between gaseous pollutants and aquatic environment. For the gaseous pollutants SO2 and NO2 adsorption and dilution in the water environment were investigated by calculating physicochemical parameters such as diffusion coefficient of the gaseous pollutant in the liquid phase, DL, rate constant for the chemical reaction of the pollutant with the water, kR, and distribution coefficient, K = KL / Kg, for the gaseous pollutant between the liquid and the gas phase. For the evaporation process of the gaseous pollutants SO2 and CH3SCH3 from the water environment the determined physicochemical parameter was the mass coefficient kc. The coefficient kc refers to the rate of the mass transport of the pollutant from the water to the gaseous phase. All the above parameters can be calculated by applying experimental results on appropriate mathematical models. After the determination of the physicochemical parameters, a mechanism for the interaction (adsorption or evaporation) between gaseous pollutants and water environment (triple distilled water or artificial sea water) can be proposed. Also, the adsorption process of the gaseous pollutants SO2 and NO2 in the water environment studied at various temperatures and pH values of the bulk phase, in the presence of surfactants. The results of the DL and kR values in various temperatures lead to the conclusion that kinetic process was enhanced, but at the same time, from the lowered values of the distribution coefficient, the total mass of the pollutant dissolved in the water phase was decreased, something that can be described by the Henry’s law of dilution. The pH of the water’s phase, was studied as a parameter for the adsorption process of SO2 and NO2 at various temperatures. It proved that only the distribution coefficient affected in all experimental cases. The physicochemical parameters DL and kR , didn’t shown any difference between the two pollutants. More specifically, for the adsorption of SO2 the higher DL values was measured at the lower pH values. Also the DL values affected by the temperature change by the same change rate. In the NO2 adsorption the same parameter didn’t affected by the temperature change except for the intermediate pH values at higher temperatures. In contrast the kR parameter for the NO2 was affected in all temperatures and pH values. For SO2 the kR values enhanced by the pH increasement, but didn’t affected by the temperature change. By adding surfactants in the water solution (triple distilled water and artificial sea water), the role of the interphase in the interaction process can be studied. From the DL and the K =KL/Kg values the result that the CTAB surfactant (cationic) contributes to the SO2 adsorption can be extracted. For the NO2 adsorption the CTAB’s action is reversed. The surfactants SDS (anionic) and Triton X – 100 (non ionic) showed reversed actions in the adsorption of these two gaseous pollutants from the CTAB actions mentioned. The differences of the gaseous pollutant kind, dissolved in the water phase can be investigated also from the surfactant FL – 70 addition. For SO2, the adsorption process is prevented only in the lower surfactant concentrations but for the NO2 this happens in significant amount, only at higher concentrations of the surfactant. For the evaporation of SO2 as well as the less chemical reactive CH3SCH3, from water phase the physicochemical parameter of kc is increased by the temperature enhancement. This happens because the mean kinetic energy of the evaporating molecules is increased as the temperature increases. This fact can also be shown from the water phase pH value affection in the SO2 evaporation. From the experimental results we see that the higher kc values, obtained only in the lower pH scale where the evaporating SO2 molecule is the most abundance chemical specie. For the evaporation process was also studied the influence of the surfactants (Triton X-100, SDS, CTAB) in the water phase. As proved for the adsorption process the kc values depend not only from the concentration and the kind of surfactant, but also from the evaporated pollutant. From experimental results only the Triton X-100 increases the kc values of SO2 evaporation, especially in the higher concentrations. In the case of CH3SCH3 evaporation the SDS is the only surfactant that gives an enhancement of kc values as the concentration increase.

Η τεχνική της Αέριας Χρωματογραφίας Αναστρεφόμενης Ροής (Α.Χ.Α.Ρ.), χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης αερίων ρύπων με το υδάτινο περιβάλλον. Για την περίπτωση της προσρόφησης των αέριων ουσιών SO2 και NO2 στο υδάτινο περιβάλλον, οι φυσικοχημικές παράμετροι που προσδιορίζονται είναι ο συντελεστής διάχυσης του ρύπου στην υδάτινη φάση, DL, η σταθερά ταχύτητας για την αντίδραση του ρύπου με το νερό, kR, και ο συντελεστής κατανομής, K = KL / Kg, μεταξύ υδάτινης και αέριας φάσης. Για την περίπτωση όμως της εξάτμισης των SO2 και CH3SCH3 από το υδάτινο περιβάλλον η προσδιοριζόμενη παράμετρος είναι ο συντελεστής kc, ο οποίος αφορά τη ταχύτητα μεταφοράς μάζας του ρύπου από την υδάτινη στην αέρια φάση. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων γίνεται από την εξαγωγή του μαθηματικού μοντέλου της αλληλεπίδρασης, το οποίο συνδέεται με το πειραματικά μετρούμενο μέγεθος που είναι το ύψος των κορυφών δειγματοληψίας. Αναστρέφοντας τη ροή του φέροντος αερίου, ανά τακτά χρονικά διαστήματα, λαμβάνουμε τις κορυφές δειγματοληψίας οι οποίες επικάθονται στη συνεχή καμπύλη έκλουσης και από τη μέτρησή τους μας δίνεται η δυνατότητα ανάλυσης της διεργασίας. Στη παρούσα εργασία, από τον προσδιορισμό των προαναφερθέντων παραμέτρων μας δίνεται η δυνατότητα μελέτης του μηχανισμού τόσο για την προσρόφηση όσο και για την εξάτμιση μιας αέριας ουσίας από υδάτινο περιβάλλον. Ως υδάτινη φάση χρησιμοποιήθηκε τριπλά απεσταγμένο νερό και τεχνητό θαλασσινό νερό. Για την προσρόφηση των αερίων ρύπων SO2 και NO2 οι παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν η θερμοκρασία, η τιμή του pH του μέσου και η παρουσία επιφανειοδραστικών ουσιών. Από την ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων βρέθηκε ότι η κινητική της προσρόφησης επιταχύνεται από την αύξηση της θερμοκρασίας (αύξηση DL και kR), όμως το συνολικό ποσό του διαλυόμενου ρύπου μειώνεται (μείωση συντελεστή κατανομής), υπακούοντας στο νόμο διάλυσης του Henry. Στη μελέτη επίδρασης της τιμής του pH του υδάτινου μέσου στη προσρόφηση των ρύπων SO2 και NO2 σε υδάτινο περιβάλλον, μόνο ο συντελεστής κατανομής έδειξε ότι επηρεάζεται για όλες τις θερμοκρασίες που μελετήθηκαν. Οι παράμετροι DL και kR δεν έδειξαν ανάλογες μεταβολές κατά τη μελέτη των δύο αυτών ρύπων. Πιο συγκεκριμένα για τη διάλυση του ρύπου SO2, βρέθηκε ότι το DL επηρεάζεται από τη τιμή του pH του μέσου καθώς επίσης και από τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Στη διάλυση του NO2 η μεταβολή της τιμής του pH δεν έδωσε σημαντικές μεταβολές στο DL, εκτός από την ουδέτερη περιοχή της κλίμακας του pH και για μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας. Το kR, για τη διάλυση του NO2, βρέθηκε ότι επηρεάζεται τόσο από τη μεταβολή της τιμής του pH όσο και από τη θερμοκρασία, ενώ για την προσρόφηση του SO2 παρατηρούμε να επηρεάζεται μόνο από το pH και πιο συγκεκριμένα να ευνοείται στις μεγαλύτερες τιμές pH. Από τη χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών τόσο σε διαλύματα τριπλά απεσταγμένου νερού όσο και τεχνητού θαλασσινού νερού, μας δίνεται η δυνατότητα μελέτης του ρόλου της διεπιφάνειας στη προσρόφηση αερίων ρύπων. Από τις τιμές των παραμέτρων του DL και του K = KL / Kg παρατηρούμε ότι το απορρυπαντικό CTAB (κατιονικό), με αύξηση της συγκέντρωσής του, επιταχύνει τη διεργασία διάλυσης του SO2. Η συγκεκριμένη επίδραση του CTAB αντιστρέφεται για την περίπτωση διάλυσης του NO2. Για τα άλλα δύο απορρυπαντικά [SDS (ανιονικό και Triton X-100 (μη ιονικό)] έχουμε τις αντίθετες επιδράσεις από αυτές που αναφέρθησαν για το CTAB στους συγκεκριμένους ρύπους. Η επίδραση του χημικού είδους του ρύπου στη διεργασία της διάλυσης, επιβεβαιώνεται και από τη μελέτη της προσθήκης του απορρυπαντικού FL-70 (μείγμα διαφόρων τύπων απορρυπαντικών). Για το SO2 η διάλυση εμποδίζεται σημαντικά μόνο στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις του απορρυπαντικού, ενώ για το NO2 αυτό συμβαίνει σε ικανοποιητικά ποσοστά μόνο στις υψηλότερες συγκεντρώσεις. Για τη διεργασία της εξάτμισης αερίων ρύπων από υδάτινο περιβάλλον παρατηρούμε ότι τόσο για τον χημικά δραστικό ρύπο SO2, όσο και για τον σχετικά πιο αδρανή CH3SCH3, η παράμετρος του kc αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η συγκεκριμένη μεταβολή του kc οφείλεται στην αύξηση της μέσης κινητικής ενέργειας των μορίων του ρύπου, ως αποτέλεσμα αύξησης της θερμοκρασίας, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από τη μελέτη της παραμέτρου της τιμής του pH για το SO2. Κατά τη μελέτη της επίδρασης του pH της υδάτινης φάσης, το kc λαμβάνει τις μεγαλύτερες τιμές του στις μικρότερες τιμές του pH, όπου έχουμε και τη μεγαλύτερη αφθονία από σχηματισθέντα μόρια του ρύπου. Για τη διεργασία της εξάτμισης μελετήθηκε επίσης και η επίδραση διαφόρων επιφανειοδραστικών ουσιών. Όπως και στη διεργασία της προσρόφησης οι επιδράσεις των ουσιών αυτών (Triton X-100, SDS, CTAB) εξαρτώνται από τη συγκέντρωση και το είδος της επιφανειοδραστικής ουσίας, καθώς επίσης και από τον εξατμιζόμενο ρύπο. Για την εξάτμιση του SO2 παρατηρούμε ότι μόνο το Triton X-100, και ιδιαίτερα στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις του, επιφέρει αύξηση του συντελεστή kc, ενώ για τη περίπτωση εξάτμισης του CH3SCH3, μόνο το SDS δίνει μία τάση αύξησης στις τιμές του συντελεστή με την αύξηση της συγκέντρωσης του απορρυπαντικού.