Σύνθεση και χρήση νανοϋλικών για την αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων

Abstract

A novel “green” method was studied for the synthesis and stabilization of nanoparticles of Zero Valent Iron (nZVI) using plant extracts and juices. This innovative method of nZVI production involves mixing of plant extracts and juices with ferric solutions to produce stable dispersions of iron nanoparticles. The selected plant extracts, with a high polyphenol content, act as (a) reducing agents, converting aqueous Fe(III) to ZVI colloidal nanoparticles and (b) surface coating compounds, which are adsorbed on the surface of nanoparticles and create a protective layer, inhibiting thus agglomeration and preventing rapid oxidation of nZVI. The use of nZVI has been proven effective for the treatment of water or soils contaminated with a wide range of contaminants including chlorinated solvents and heavy metals in numerous studies. In the present Thesis, apart from nZVI synthesis from plant extracts and juices, the synthesis of iron nanoparticles and bimetallic nanoparticles of iron / copper by the conventional sodium borohydride method was also studied. The effectiveness of nZVI and nano- Fe/Cu particles to remove high concentration of nitrates in groundwater was evaluated.The present Thesis includes the following: 1) Synthesis of nano-Fe/Cu and nZVI particles and their application for the reduction of nitrates, 2) Synthesis of nZVI with plant extracts and evaluation of the performance of alternative plant extracts, 3) Evaluation of nZVI suspensions effectiveness for Cr(VI) reduction in batch tests, 4) Evaluation of nZVI infiltration and Cr(VI) reduction in column tests and 5) Assessment of iron nanoparticles transport and effectiveness for Cr(VI) reduction in pilot tank tests.

Στη διδακτορική διατριβή μελετήθηκε μια εναλλακτική «πράσινη» μέθοδος για τη σύνθεση νανοσωματιδίων σιδήρου, nZVI, που βασίζεται στη χρήση φυτικών εκχυλισμάτων. Η καινοτόμος αυτή μέθοδος παραγωγής νανοσιδήρου περιλαμβάνει την αναγωγή διαλύματος τριχλωριούχου σιδήρου με φυτικά εκχυλίσματα. Τα φυτικά εκχυλίσματα είναι πλούσια σε πολυφαινόλες, οι οποίες έχουν διπλή δράση: (α) ενεργούν ως αναγωγικά μέσα για την μετατροπή υδατικών ιόντων Fe(III) σε νανοσωματίδια σιδήρου και (β) προσροφώνται στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων και δημιουργούν ένα προστατευτικό στρώμα, το οποίο αναστέλλει τη συσσωμάτωση και εμποδίζει την ταχεία οξείδωση του nZVI. Τα νανοσωματίδια σιδήρου έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικά αναγωγικά μέσα για μια ευρεία ποικιλία ρύπων συμπεριλαμβανομένων των χλωριωμένων οργανικών ενώσεων και των βαρέων μετάλλων. Παράλληλα με τη σύνθεση του νανοσιδήρου με φυτικά εκχυλίσματα και χυμούς, εξετάστηκε και η σύνθεση νανοσωματιδίων του σιδήρου και διμεταλλικών νανοσωματιδίων σιδήρου/χαλκού με την εφαρμογή της συμβατικής μεθόδου με χρήση βοροϋδριδίου το νατρίου. Τα σωματίδια αυτά ελέγχθηκαν ως προς την αποτελεσματικότητα τους για την αναγωγή των νιτρικών ιόντων στα υπόγεια ύδατα.Η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια: 1) Σύνθεση νανοσωματιδίων σιδήρου και διμεταλλικών σωματιδίων σιδήρου/χαλκού και χρήση τους για την αναγωγή νιτρικών ιόντων, 2) Σύνθεση αιωρημάτων νανοσιδήρου με φυτικά εκχυλίσματα και αξιολόγηση της απόδοσης διαφόρων φυτικών εκχυλισμάτων, 3) Αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας nZVI για την αναγωγή διαλύματος εξασθενούς χρωμίου σε δοκιμές παρτίδας, 4) Μελέτη της διεισδυτικότητας του αιωρήματος nZVI και δοκιμές αναγωγής εξασθενούς χρωμίου σε στήλες, και 5) Η αξιολόγηση της διασποράς και της μεταφοράς των νανοσωματιδίων σιδήρου σε ένα εδαφικό υλικό σε πιλοτική κλίμακα και η αξιολόγηση του ως προς την αναγωγή και αποκατάσταση ρυπασμένων υδάτων με εξασθενές χρώμιο.