Study of the formation and the presence of regulated and emerging polar disinfection byproducts in drinking water

 
This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share



PhD thesis (EN)

2011 (EN)
Μελέτη του σχηματισμού και της παρουσίας συμβατικών και αναδυόμενων αλογονομένων πολικών παραπροϊόντων απολύμανσης σε πόσιμα ύδατα
Study of the formation and the presence of regulated and emerging polar disinfection byproducts in drinking water

Kargaki, Sophia
Καργάκη, Σοφία Κωνσταντίνου

Στεφάνου, Ευριπίδης

Οι ανάγκες του ανθρώπου σε νερό καλύπτονται από επιφανειακά και υπόγεια ύδατα. Η χρήση διαφόρων απολυμαντικών μέσων, όπως είναι το χλώριο επιτρέπουν την μετατροπή των υδάτων αυτών σε ασφαλές πόσιμο νερό. Κύριο μειονέκτημα των χημικών μεθόδων απολύμανσης των υδάτων είναι ο σχηματισμός αλογονωμένων παραπροϊόντων απολύμανσης (DBPs). Οι ενώσεις αυτές κατηγοριοποιούνται ως καρκινογόνες ενώσεις και υπάρχει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον για το σχηματισμό και την παρουσία τους στα πόσιμα ύδατα. Οι κατηγορίες ενώσεων που μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή αφορούν οργανικά παραπροϊόντα απολύμανσης, όπως είναι τα τριαλογονωμένα μεθάνια (ΤΗΜs), τα αλογονωμένα ακετονιτρίλια (ΗΑΝs), οι αλογονωμένες κετόνες (HKs), τα αλογονωμένα οξικά οξέα (HAAs) και ανόργανα παραπροϊόντα όπως είναι τα βρωμικά (BrO3‐) και χλωρικά (ClO3‐) ανιόντα. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν αναλυτικές μέθοδοι υψηλής ευαισθησίας κι εκλεκτικότητας για τον προσδιορισμό των παραπροϊόντων που σχηματίζονται κατά την απολύμανση των υδάτων. Οι αναλυτικές μέθοδοι οι οποίες χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για την ανάλυση των οργανικών DBPs και ιδιαίτερα για τα HAAs, υστερούν όσον αφορά τον προσδιορισμό των ενώσεων αυτών σε χαμηλά επίπεδα συγκέντρωσης. Για την επίτευξη της ανίχνευσης και του ποσοτικού προσδιορισμού τόσο των οργανικών όσο και των ανόργανων DBPs, αναπτύχθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν μέθοδοι ανάλυσης όπως είναι: η αέρια χρωματογραφία σε συνδυασμό με ανιχνευτή σύλληψης ηλεκτρονίων (Gas Chromatography‐Electron Capture Detection, GC‐ECD), η αέρια χρωματογραφία σε συνδυασμό με φασματογραφία μάζας (Gas Chromatography‐Mass Spectrometry, GC‐MS), η ιοντική χρωματογραφία σε συνδυασμό με φασματογραφία μάζας (Ion Chromatography‐ Mass Spectrometry, IC‐MS), η ιοντική χρωματογραφία σε συνδυασμό με αγωγιμομετρικό ανιχνευτή (Ion Chromatography‐Conductivity Detection, IC‐CD). Τα όρια ανίχνευσης για τον προσδιορισμό των πτητικών DBPs (THMs, HANs, HKs) κυμαίνονται από 0,2 μg/L έως 0,8 μg/L, ενώ για τα μη πτητικά (ΗAAs) κυμαίνονται από 3,0 ng/L έως 1,8 μg/L. Οι αναλυτικές αυτές μέθοδοι επέτρεψαν τον αξιόπιστο προσδιορισμό των DBPs, ακόμα και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, σε δείγματα πόσιμων και κολυμβητικών υδάτων. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε μελέτη της ιοντικής σύστασης και των επιπέδων οργανικού άνθρακα στα δείγματα αυτά. Η συγκέντρωση του διαλυτού οργανικού άνθρακα (DOC) κυμάνθηκε μεταξύ 30 μg/L και 4,8 mg/L για τα πόσιμα ύδατα και 0,2 mg/L και 33,0 mg/L για τα κολυμβητικά ύδατα. Η ανάλυση υπογείων πόσιμων υδάτων από την περιοχή του Ηρακλείου (ΤΤΗΜs: 0,004‐44,28 μg/L, HAAs: δ.α.‐2,32 μg/L) και επιφανειακών από την περιοχή της Αθήνας (ΤΤΗΜs: 18,94‐38,25 μg/L, HAAs: 2,28‐28,17 μg/L) και της Βαρκελώνης (ΤΤΗΜs: 10,45‐135,44 μg/L, HAAs: δ.α.‐35,86 μg/L) κατέδειξε διαφοροποιήσεις τα επίπεδα συγκέντρωσης των υπό μελέτη ενώσεων στα δείγματα αυτά. Τα DBPs προσδιορίστηκαν σε υψηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης στα ύδατα επιφανειακής απ’ ότι υπόγειας προέλευσης. Σε περιοχές μάλιστα οι οποίες δέχονται την επίδραση της θάλασσας, λόγω διείσδυσης των θαλασσίων υδάτων στον υδροφόρο ορίζοντα, η παρουσία των βρωμιούχων ιόντων ευνοεί το σχηματισμό των βρωμιωμένων έναντι των χλωριωμένων οργανικών ενώσεων κατά τη διαδικασία της απολύμανσης. Κατά τη μελέτη υδάτων από εσωτερικές και εξωτερικές κολυμβητικές δεξαμενές ανιχνεύτηκαν υψηλά επίπεδα συγκέντρωσης των DBPs σε σχέση με τα πόσιμα ύδατα. Σε αυτή την αύξηση συμβάλλουν σημαντικά οι υψηλές συγκεντρώσεις οργανικού υλικού στα κολυμβητικά ύδατα, το οποίο είναι ανθρωπογενούς προέλευσης. Η παρουσία μάλιστα αζώτου σ’ αυτό το οργανικό υλικό, συμβάλλει στο σχηματισμό αζωτούχων οργανικών παραπροϊόντων απολύμανσης, όπως είναι τα HANs (0,4‐21,7 μg/L). Στα κολυμβητικά ύδατα, μεγαλύτερη αφθονία εμφάνισαν τα HAAs (0,2‐709,7 μg/L) σε σχέση με τα THMs (8,1‐57,4 μg/L), τα οποία αποτελούν την κύρια κατηγορία παραπροϊόντων των πόσιμων υδάτων. Έλεγχος της χημικής σύστασης και των επιπέδων DBPs στα πόσιμα και στα κολυμβητικά ύδατα κατέδειξε σημαντικές διαφοροποιήσεις. Οι διαφορές αυτές επικεντρώνονται στην ιοντική σύσταση, στα επίπεδα οργανικού άνθρακα, στην συγκέντρωση των DBPs και στην κατανομή τους μεταξύ των δύο κατηγοριών υδάτων. Στις κολυμβητικές δεξαμενές μάλιστα ευνοείται ο σχηματισμός των χλωριωμένων παραγώγων, σε σχέση με τα αντίστοιχα πόσιμα ύδατα όπου τα βρωμιωμένα παράγωγα εμφανίζουν μεγαλύτερη αφθονία. Τέλος, στα κολυμβητικά ύδατα ανιχνεύθηκαν και ανόργανα παραπροϊόντα απολύμανσης όπως είναι τα χλωρικά ανιόντα, των οποίων η συγκέντρωση κυμάνθηκε μεταξύ 6,1 ‐ 327,2 mg/L. (EL)
Surface and underground fresh waters are used to supply our need for drinking water. Chlorine is the most common drinking water disinfectant, among various chemicals, used to eliminate hazardous microorganisms present in fresh waters. The main problem occurring from the use of chemical disinfectants is the formation of the disinfection by‐products (DBPs) occurring through their reaction with the organic matter content of raw water. Since many DBPS have been classified as probable carcinogens, there is a growing interest to study their occurrence and formation mechanisms during the disinfection process. The main compound classes studied in this thesis are the organic DBPs produced by the use of chlorine, namely the halogenated organic compounds thrihalomethanes (THMs), haloacetonitriles (HANs), haloacetic acids, and the inorganic DBPs formed by the use of chlorine dioxide and ozone specifically chlorate (ClO3‐) and bromate (BrO3‐) ions respectively. In the present study, sensitive and selective analytical methods were developed and/or optimized to determine the above‐mentioned DBPs in drinking water samples. The current methods for the analysis of organic DBPs and especially of the HAAs are not suitable for the determination of these compounds at low concentration levels. In this work, the following analytical methods were developed, optimized and then applied for the analysis of DBPs in various drinking waters: Gas Chromatography/Electron Capture Detector (GC/ECD) and Gas Chromatography/ Mass Spectrometry (GC/MS) in electron and negative chemical ionization modes (EI and NCI respectively) with on column injection, Ion Chromatography/ Electrospray Ionization Mass Spectrometry (IC/ESI‐MS), and Ion Chromatography/Conductivity Detector (IC/CD). The detection limits for volatile compounds (THMs, HANs, HKs) analyzed with GC‐ECD method were obtained at ranges from 0.2 up to 0.8 μg/L. The corresponding detection limits for HAAs analyzed with the GC‐NCI‐MS method ranged from 3.0 ng/L up to 1.8 μg/L. These methods allowed a reliable determination of DBPs, even at very low concentration in drinking and swimming pool waters. At the same time, the ionic content and organic carbon levels were also in the studied drinking water and swimming pool water samples. Dissolved organic carbon concentration levels ranged between 30 μg/L‐4.8 mg/L for drinking waters and 0.2‐33.0 mg/L for swimming pool waters. The analysis of drinking water from Heraklion (supplied from groundwater), from Athens and Barcelona (supplied from surface fresh water) revealed important differences in their corresponding DBPs content. DBPs were determined in higher concentration levels in Barcelona (ΤΤΗΜs: 10.45‐135.44 μg/L, HAAs: δ.α.‐35.86 μg/L) and Athens (ΤΤΗΜs: 18.94‐38.25 μg/L, HAAs: 2.28‐28.17 μg/L) than in Heraklion samples (ΤΤΗΜs: 0.004‐44.28 μg/L, HAAs: δ.α.‐2.83 μg/L). The brominated THMs, HANs and HAAs dominated the chlorinated analogues in the Heraklion samples, in comparison with the samples from Athens and Barcelona, due to the presence of high concentration of bromide ions in the groundwater. The high levels of organic matter in indoor and outdoor swimming pools, originating from swimmers, contributed to their higher DBPs content in the corresponding water samples. In swimming pools, the formation of chlorinated DBPs was favored in comparison to the brominated ones, which were detected in their water at higher levels than in the drinking water of the same area. The presence of nitrogen in the human related organic matter contributed to the relatively higher concentration of HANs (0.4‐21.7 μg/L) in swimming pools than in the related drinking water. The HAAs were also determined in higher abundance (0.2‐709.7 μg/L) compared to the THMs (8.1‐57.4 μg/L), which was the main category of DBPs in the drinking water supplying the swimming pools. Additionally, inorganic DBPs such as chlorates were detected in swimming pool waters between 6.1 and 327.2 mg/L. (EN)

Τύπος Εργασίας--Διδακτορικές διατριβές
text

disinfection byproducts
halogenated organic compounds
Αλογονομένα οξικά οξέα
Ανάπτυξη αναλυτικών μεθόδων
Χλωρίωση
Water disinfection
water analysis
Αλογονωμένες οργανικές ενώσεις
development of analytical methods
thihalomethanes
Απολύμανση νερού
Τριαλογονωμένα μεθάνια
haloacetic acids
Παραπροϊόντα απολύμανσης
Ανάλυση νερού
chlorination

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

Greek

2011-06-01


Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Χημείας--Διδακτορικές διατριβές



*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)