title: Αλληλεπίδραση νανοσωματιδίων διοξειδίου του τιτανίου με μοντμοριλλονίτη
title: Ιnteraction of titanium dioxide nanoparticles with montmorillonite
Creators: name: Αρνογιαννακης Αλεξανδρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2020

description: Τα νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου (nTiO2) χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικά και καταναλωτικά προϊόντα. Ο ακριβής εντοπισμός και χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων αυτών τυγχάνει μείζονος σημασίας για την κατανόηση των ειδικών ιδιοτήτων, της συμπεριφοράς, της τύχης και του πιθανού τοξικού κινδύνου, τον οποίο ελλοχεύουν για το περιβάλλον. Ήτοι, υφίσταται υψηλή πιθανότητα διάδοσης των nTiO2, λόγω αυξανόμενης παραγωγής τους στους γεωλογικούς σχηματισμούς, οι οποίοι σε μεγάλο βαθμό αποτελούνται από ορυκτά και αργιλικά, όπως ο μοντμοριλλονίτης (ΜΜΤ). Η παρούσα εργασία μελετά την αλληλεπίδραση των nTiO2 με κολλοειδή ΜΜΤ, σε κινητικά πειράματα διαλείποντος έργου και πειράματα ροής σε στήλη. 
Ειδικότερα, οι παράμετροι, οι οποίες εξετάστηκαν στο σύνολο των πειραμάτων, ήταν τρεις διαφορετικές τιμές συγκέντρωσης, C, (50, 100, 200 mg/L) και τέσσερις διαφορετικές τιμές ιοντικής ισχύος, Is, (1, 25, 50, 100 mM), ενώ οι τιμές του pH και της θερμοκρασίας διατηρήθηκαν σταθερές στο 7 και στους 25οC αντίστοιχα. Εν συνεχεία, τα πειράματα ροής πραγματοποιήθηκαν σε στήλη, πληρωμένη με χαλαζιακή άμμο, με σκοπό τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών της μεταφοράς των nTiO2 και των κολλοειδών ΜΜΤ ξεχωριστά, αλλά και της συμμεταφοράς τους. Η άμμος επιστρατεύτηκε για την προσομοίωση του υπεδάφους, λόγω του ότι συναντάται στην πλειονότητα των εδαφικών σχηματισμών, ενώ πριν από κάθε πείραμα προηγήθηκαν μετρήσεις του ζ-δυναμικού και της υδροδυναμικής διαμέτρου, dp.
Ακολούθως, αφενός εκτελέστηκαν στατικά πειράματα διαλείποντος έργου, στα οποία μελετήθηκε η συμπεριφορά των nTiO2 και των κολλοειδών ΜΜΤ ξεχωριστά, υπό συνθήκες ηρεμίας σε πωματισμένους δοκιμαστικούς σωλήνες, καθώς και η κινητική της προσρόφησης των nTiO2 πάνω στα κολλοειδή ΜΜΤ, και αντίστροφα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, παρατηρήθηκε σημαντική προσρόφηση των nTiO2 στα κολλοειδή ΜΜΤ, εξάγεται δε και το συμπέρασμα ότι η μεταβολή της ιοντική ισχύος επιτρέπει μεγαλύτερες τιμές προσρόφησης συγκριτικά με την μεταβολή της συγκέντρωσης.
  Αφετέρου, υλοποιήθηκαν δυναμικά πειράματα διαλείποντος έργου, κατά τα οποία ερευνήθηκε η κινητική της προσρόφησης των nTiO2  στην άμμο και των κολλοειδών ΜΜΤ στην άμμο. Παράλληλα, εξετάστηκε η κινητική της προσρόφησης των nTiO2 στην άμμο με προσθήκη κολλοειδών ΜΜΤ, καθώς και η κινητική της προσρόφησης των κολλοειδών ΜΜΤ στην άμμο με προσθήκη nTiO2. Κατόπιν της διεξαγωγής του πειράματος, αξίζει να σημειωθεί ότι δεν είναι ξεκάθαρο αν κάποια από τις εξεταζόμενες παραμέτρους δύναται να βοηθήσει στην αύξηση της προσρόφησης. Τέλος, τα πειράματα ροής απέδειξαν ότι η παρουσία κολλοειδών ΜΜΤ επιταχύνει τη μεταφορά των νανοσωματιδίων TiO2 και μειώνει την ποσότητα των nTiO2, η οποία κατακρατείται στην άμμο. 

description:  Titanium dioxide nanoparticles (nTiO2) are widely used in industrial and consumer products. The accurate detection, characterization of nTiO2 is important for understanding the specific properties, behaviors, fate, and potential risk of nTiO2 they pose to the environment. Specifically, it is highly possible that, due to its increasing production, it will end up in the subsoils, which are mainly composed by fossils and clays, one of which is montmorillonite (MMT). Τhis particular thesis studies, the interaction between nTiO2 and MMT colloids, in kinetic batch and packed column experiments.
All experiments have examined the same parameters, three different values of concentration, C, (50, 100, 200 mg/L) and four different values of Ionic Strength, Is, (1, 25, 50, 100mM), whereas the values of pH and temperature were stable at 7 and 25oC respectively. Subsequently, column packed experiments took place, for pointing out the characteristics of the transport of nTiO2 and MMT colloids separately along with characteristics of their transport by advection. For the simulation of subsoil, quartz sand is used, since it is found on the majority of subsoil formations, while prior to each experiment, measurements of their ζ-potential and hydrodynamic diameter, dp, were taking place.
Afterwards, on the one hand, static batch experiments were conducted, in which the interaction between nTiO2 and MMT colloids was studied separately, under static conditions, as well as the adsorption kinetics of nTiO2 onto MMT colloids and the inverse. In accordance with the results, great amounts of nTiO2 are adsorbed onto MMT colloids, while at the same time the change of Ionic Strength enables for greater values of adsorption in contrast with the change of concentration.
On the other hand, dynamic batch experiments were conducted, in which the adsorption kinetic of nTiO2 onto sand and MMT colloid onto sand, were studied. Furthermore, the adsorption kinetic of nTiO2 onto sand with the presence of MMT colloids and the adsorption of MMT colloids onto sand with the presence of nTiO2 were investigated. It is worth noting that, it is not clear whether any of the parameters were able to intensify the adsorption kinetics. To conclude, the column packed experiments proofed that the presence of MMT colloids increases the transportation of nTiO2 and decreases the final quantity of nTiO2 that is detained in quartz sand.