Η ανεπαρκής πρόσβαση ενός μεγάλου μέρους του παγκόσμιου πληθυσμού σε ασφαλές πόσιμο νερό, αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα της εποχής μας. Η αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος απαιτεί την βελτιστοποίηση των συμβατικών διεργασιών επεξεργασίας του νερού, με σκοπό την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας και της ενεργειακής απόδοσης αυτών.
Απολύμανση του νερού ορίζεται η απαλλαγή του σε μεγάλο ποσοστό από παθογόνους μικροοργανισμούς και πραγματοποιείται με τη θανάτωση των μικροοργανισμών ή και με τον περιορισμό της ανάπτυξης και της αναπαραγωγής τους.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι απολύμανσης όπως είναι η χλωρίωση, η οζόνωση, η απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία UV, τρόποι συνηθισμένοι και πετυχημένοι πλην όμως δαπανηροί και αντιοικολογικοί. Αυτό οδήγησε στην αναζήτηση νέων, φιλικών προς το περιβάλλον, τρόπων απολύμανσης όπως της αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω του μηχανισμού της φωτοκατάλυσης.
Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήθηκε εργαστηριακά η αποτελεσματικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας παρουσία καταλύτη (ηλιακή φωτοκατάλυση), της χλωρίωσης αλλά και της ακτινοβολίας UVC ως μεθόδων απολύμανσης. Οι μικροοργανισμοί που εξετάσθηκαν βρίσκονταν, ξεχωριστά ο καθένας, μέσα σε υδατικό διάλυμα. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν έχοντας προκαθορίσει την ένταση της ακτινοβολίας UVC, τη δόση του χλωρίου όπως και τη συγκέντρωση των μικροοργανισμών, την ποσότητα του καταλύτη και τον όγκο του τελικού διαλύματος. Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν είναι η Escherichia coli, η Klebsiella pneumoniae και o Staphylococcus aureus, ενώ οι καταλύτες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το τιτανικό μαγνήσιο (〖MgTiO〗_3) και ο τιτανικός ψευδάργυρος (Zn〖TiO〗_3) (περοβσκίτες).
Τέλος, μέσα από την υπεροξείδωση των λιπιδίων της μεμβράνης των κυττάρων των βακτηρίων ελέγχθηκε πόσο δραστική ήταν η κάθε μέθοδος απολύμανσης που εξετάστηκε. Ο προσδιορισμός της οξείδωσης των λιπιδίων μέσω της τιμής της σχηματιζόμενης malondialdehyde (MDA), έγινε με τη μέθοδο του θειοβαρβιτουρικού οξέος.
Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, η μέθοδος που αποδείχθηκε πιο αποτελεσματική για όλα τα βακτήρια είναι η ακτινοβολία UVC, αφού η τάξη μείωσης των βακτηριακών πληθυσμών ήταν 6 Logs σε περίπου 1 min. Όσον αφορά στη μέθοδο της χλωρίωσης, σχετικά καλά αποτελέσματα μας έδωσαν και οι δύο συγκεντρώσεις, όπου η τάξη μείωσης των βακτηριακών πληθυσμών ήταν 4 Logs σε χρόνο 60 min. Η μέθοδος της ηλιακής ακτινοβολίας με καταλύτη 〖ZnTiO〗_3 ήταν πιο αποτελεσματική για το βακτήριο Staphylococcus aureus αφού η τάξη μείωσης των βακτηριακών πληθυσμών ήταν 6 Logs για 50mg/L και 5 Logs για 25mg/L στις 4 h, ενώ για τα άλλα δύο βακτήρια ήταν 4 Logs και για τις δύο συγκεντρώσεις στις 4 h. Όσον αφορά τον καταλύτη 〖MgTiO〗_3, χρησιμοποιήθηκε μόνο για την αδρανοποίηση του βακτηρίου Escherichia coli. Η αποτελεσματικότερη συγκέντρωση ήταν 50mg/L σε χρόνο 3 h, όπου η τάξη μείωσης είναι 6 Logs.
Τέλος, ελέγχοντας την ποσότητα της μηλονικής διαλδεΰδης που παράχθηκε μέσω της οξείδωσης των λιπιδίων, παρατηρούμε πως η πιο αποδοτική μέθοδος είναι η απολύμανση με ακτινοβολία UVC. Η ποσότητα της MDA που παράχθηκε στη συγκεκριμένη μέθοδο ήταν περισσότερη από οποιαδήποτε άλλη μέθοδο, ειδικά για το βακτήριο S.aureus, αφού ήταν αυξημένη κατά 57% από την αμέσως επόμενη.
(EL)
Inadequate access of a large part of the world's population to safe drinking water is one of the major environmental problems of our time. Addressing this problem requires the optimization of conventional water treatment processes, in order to enhance their effectiveness and energy efficiency.
Water disinfection is defined as its release from pathogenic micro-organisms and is carried out by killing the micro-organisms or by restricting their growth and reproduction.
There are various ways of disinfection such as chlorination, ozonation, UV disinfection, common and successful but costly and uneconomic ways. This has led to the search for new, environmentally friendly ways of disinfection such as utilizing solar radiation through the mechanism of photocatalysis.
In this thesis, the efficacy of solar radiation in the presence of catalyst, chlorination and UVC as disinfection methods was studied in the laboratory. The micro-organisms tested were, each, in water solution. Experiments were performed by predetermining the intensity of UVC radiation, the chlorine dose as well as the concentration of microorganisms, the amount of catalyst and the volume of the final solution. The microorganisms studied were Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae and Staphylococcus aureus, while the catalysts used were magnesium titanium (MgTiO3) and zinc titanium (ZnTiO3) (perovskites).
Finally, the lipid peroxidation of the bacterial cell membrane tested how effective each disinfection method was. Determination of lipid oxidation by the value of the formed malondialdehyde (MDA) was done by the thiobarbituric acid method.
According to the experimental results, the method that proved to be most effective for all bacteria is UVC radiation, since the reduction order of bacterial population was 6 Logs in about 1 min. Regarding the chlorination method, both concentrations yielded relatively good results, with the reduction order of bacterial population being 4 Logs at 60 min. The solar radiation method with ZnTiO3 catalyst was more effective for Staphylococcus aureus bacteria as the reduction of bacterial population was 6 Logs for 50mg/L and 5 Logs for 25mg/L in 4 h, while for the other two bacterias it was 4 Logs for both concentrations at 4 h. For the catalyst MgTiO3, it was used only to inactivate the bacterium Escherichia coli. The most effective concentration was 50mg/L at 3 h, with a reduction order of 6 Logs.
Finally, by controlling the amount of malondialdehyde produced through lipid oxidation, we observe that the most efficient disinfection method is UVC radiation. The amount of MDA produced in this method was more than any other method, especially for the bacterium S.aureus, as it was increased by 57% from the next method.
(EN)
