Φυσικοχημική μελέτη της δράσης επιφανειοδραστικών ουσιών στην ανταλλαγή αερίων ρύπων μεταξύ υδάτινου και ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος
Authors: Σεβαστός Δημήτριος 
Published: August 2021

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.