Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία είχε σαν στόχο την ανάλυση ενός συστήματος που αποτελείται από νανοσωματίδια στοιχειακού σιδήρου (nano Zero Valent Iron, nZVI), εντός της κατιονικής ρητίνης Amberlyst 15 H+, τα οποία χρησιμοποιούνται για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Ο κύριος στόχος της εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που να περιγράφει τις φυσικοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτό το σύστημα και ο έλεγχος της αξιοπιστίας του μοντέλου σε σύγκριση με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα.
Το πειραματικό μέρος περιλάμβανε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση αφορούσε την παρασκευή του νανοσύνθετου υλικού, δηλαδή την ενσωμάτωση του νανοσιδήρου στη μήτρα της κατιονικής ρητίνης, με την εφαρμογή μιας ‘πράσινης’ μεθόδου. Η μέθοδος βασιζόταν στην χρήση φυτικών πολυφαινολών για την αναγωγή του προσροφημένου Fe(III) στην μηδενική βαθμίδα. Η δεύτερη φάση περιλάμβανε τα πειράματα αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου. Οι κύριες παράμετροι που εξετάσθηκαν ήταν το μέγεθος των κόκκων της ρητίνης, η συγκέντρωση του Cr(VI) και η ποσότητα της ρητίνης.
Το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε έλαβε υπόψη του δύο αλλολοσυσχετιζόμενες διεργασίες: (α) την διάχυση του ρύπου διαμέσου του δικτύου των πόρων και (β) την χημική αντίδραση μεταξύ του ρύπου και των νανοσωματιδίων σιδήρου που βρίσκονται ομοιογενώς διεσπαρμένα μέσα στους πόρους. Το μοντέλο περιλάμβανε δύο άγνωστες παραμέτρους, τον συντελεστή διάχυσης, De, και την κινητική σταθερά της χημικής αντίδρασης, k2p. Αυτές οι παράμετροι προσδιορίστηκαν αρχικά με προσαρμογή του μοντέλου στα δεδομένα μίας δοκιμής, και στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία για την περιγραφή της κινητικής στο σύνολο των άλλων δοκιμών που είχαν διεξαχθεί σε διαφορετικές συνθήκες.
(EL)
The present thesis deals with the analysis of a system, consisting of Zero Valent Iron nanoparticles (nZVI) incorporated in the matrix of the cationic resin Amberlyst 15 H+, which was used for the reduction of hexavalent Chromium (Cr6+). The main objective of the work was to develop a mathematical model describing the physicochemical processes taking place in the system and validate this model by comparing the model predictions with available experimental data.
The experimental part of the work was carried out in two phases. The first phase involved the synthesis of the nanocomposite material, i.e. the incorporation of nZVI in the matrix of the cationic resin, which was carried out applying a “green” procedure. This procedure was based on the use of plant polyphenols, in order to reduce the adsorbed Fe(III) to the elemental state. The second phase included the experiments carried out for the reduction of Cr(VI). The main investigated parameters were the particle size of nZVI loaded resin beads (R-nFe), the concentration of Cr(VI) and the amount of R-nFe per volume of solution.
The mathematical model which was developed to describe the reduction kinetics, took into consideration two interrelated processes: (a) the diffusion of contaminant inside the network of pores and (b) the chemical reaction between the contaminant and iron nanoparticles which are homogenously dispersed inside the porous beads. The model included two unknown parameters, the effective diffusion coefficient, De, and the kinetic constant of the chemical reaction, k2p. These parameters were initially determined by fitting the model equations to an initial set of experimental data, and then were successfully used to predict the kinetics under different experimental conditions.
(EN)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
