title: Αλληλεπίδραση νανοσωματιδίων TiO₂​ με χαλαζιακή άμμο
title: Interaction of TiO₂ nanoparticles with quartz sand
Creators: name: Παπαϊωαννου Αλεξανδρος-Αναστασιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: Τα νανοσωματίδια διοξειδίου ή οξειδίου του τιτανίου (TiO₂) αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο μηχανικά κατασκευασμένο νανοϋλικό (Engineered Nanomaterial-ENM) με εφαρμογές στην τεχνολογία, την αποθήκευση ενέργειας, τη φαρμακολογία και την ηλεκτροκατάλυση. Το ενδιαφέρον που έχει επιδείξει η βιομηχανία για τα ENMs έχει οδηγήσει στην διαρκώς αυξανόμενη παραγωγή τους και μεταξύ άλλων και των νανοσωματιδίων του διοξειδίου του τιτανίου. Ως αποτέλεσμα αυτού τα νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου δύνανται να καταλήξουν στο περιβάλλον, γεγονός που έχει αυξήσει το ενδιαφέρον της ακαδημαϊκής κοινότητας για την κατανόησης της περιβαλλοντικής τύχης και των τρόπων μεταφοράς τους. Τόσο η μεταβολή των διάφορων ιδιοτήτων των αιωρημάτων του διοξειδίου του τιτανίου, όπως η συσσωμάτωση, αλλά και η μεταφορά των νανοσωματιδίων του, σε κορεσμένα πορώδη μέσα έχουν παρατεθεί με σχετικά άρθρα στη βιβλιογραφία. Σύμφωνα με αυτά, τα νανοσωματίδια του διοξειδίου του τιτανίου παρουσιάζουν μεγάλη κινητικότητα σε κορεσμένα πορώδη μέσα. Το ενδιαφέρον για την τύχη και τη μεταφορά των νανοσωματιδίων του διοξειδίου του τιτανίου για τον κλάδο της Περιβαλλοντικής Μηχανικής είναι καταφανές, δεδομένου ότι το έδαφος κατά τόπους αποτελεί κορεσμένο πορώδες μέσο.
Προκειμένου να εκτιμηθεί σε πρώτο στάδιο η αλληλεπίδραση των νανοσωματιδίων του διοξειδίου του τιτανίου με χαλαζιακή άμμο, εδαφικό υλικό που συναντάται στην πλειονότητα των εδαφικών σχηματισμών ανά τον κόσμο, εκτελέστηκαν κινητικά πειράματα διαλείποντος έργου (batch experiments) στα οποία μελετήθηκε η προσρόφηση του διοξειδίου του τιτανίου σε χαλαζιακή άμμο, η οποία χρησιμοποιήθηκε με σκοπό να προσομοιάσει το υπέδαφος. Τα πειράματα εκτελέστηκαν σε πωματισμένους δοκιμαστικούς σωλήνες (vials), οι οποίοι προσομοίαζαν αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch reactors), τόσο σε στατικές όσο και σε δυναμικές συνθήκες για τρεις διαφορετικές τιμές ιονικής ισχύος, Iₛ, 2 mM, 6 mM και 20 mM σε pH=7, για τρεις διαφορετικές τιμές pH, 4, 7 και 10 σε ιονική ισχύ Iₛ=2 mM, καθώς και για τρεις διαφορετικές τιμές πειραματικής θερμοκρασίας Tₑₓₚ, 8 ⁰C, 13 ⁰C και 25 ⁰C. Επιδιώχθηκε επίσης η κατάρτιση κατάλληλης μεθόδου για την παρασκευή θερμοδυναμικά σταθερών αιωρημάτων νανοσωματιδίων TiO₂, ενώ με μετρήσεις του δυναμικού-ζ και της υδροδυναμικής διαμέτρου, dₚ, μελετήθηκε η τάση συσσωμάτωσής τους. Τέλος, επιχειρήθηκε να προταθεί ένα μοντέλο συσσωμάτωσης για νανοσωματίδια, το οποίο λαμβάνει υπόψη του τρεις σημαντικές παραμέτρους για τη σταθερότητα των νανοσωματιδίων, την ιονική ισχύ Iₛ, το pH και τη θερμοκρασία.
description: Titanium dioxide or titanium oxide nanoparticles are a highly promising engineered nanomaterial (ENM) with applications in technology, energy storage, pharmacology and electro-catalysis. Industry's interest in ENMs has led to their ever-increasing production, and inter alia nanoparticles of titanium dioxide (TiO₂). As a result, TiO₂ nanoparticles can end up in environment, which has increased the interest of the academic community towards the understanding of their environmental fate and modes of transport. Both the variation in the various properties of TiO₂ suspensions, such as agglomeration, but also the transport of TiO₂ nanoparticles in saturated porous media have been cited with related articles in the literature. Accordingly, nanoparticles of TiO₂ are highly mobile in saturated porous media. The interest for the fate and transfer of TiO₂ nanoparticles for the field of Environmental Engineering is obvious, since locally the soil constitutes a saturated porous medium.
In order to assess in the first instance the interaction of TiO₂ nanoparticles with quartz sand, a common soil material, kinetic batch experiments were conducted, in which it was studied the adsorption of titanium dioxide nanoparticles into quartz sand, with the latter being used in order to simulate the subsoil. The experiments were performed on capped glass tubes (vials), which represented batch reactors, both in static and dynamic conditions for three different values of ionic strength, Iₛ, 2 mM, 6 mM and 20 mM at pH=7, for three different pH values, 4, 7 and 10 at Iₛ=2 mM, and three different values of experimental temperature, Tₑₓₚ, 8 ⁰C, 13 ⁰C and 25 ⁰C at Iₛ=2 mM. It is also attempted to propose a suitable preparation method for thermodynamically stable suspensions of TiO₂ nanoparticles, while nanoparticles’ tendency for aggregation was studied with measurements of their ζ-potential and hydrodynamic diameter, dₚ. Finally, an aggregation model for nanoparticles was waged, which takes into account three important parameters of the stability of nanoparticles, the ionic strength Iₛ, pH and temperature.