title: Μελέτη της συμμεταφοράς του πολυμερούς nanochitosan παρουσία του εντομοκτόνου cyantraniliprole σε πορώδες μέσα υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες
title: Study of nanochitosan polymer cotransport in the presence of the insecticide cyantraniliprole in porous media under static and dynamic conditions
Creators: name: Παπαιωαννου Κωνσταντινος-Πανουργιας
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Το νερό αποτελεί μία από τις αναγκαίες προϋποθέσεις για την επιβίωση των οργανισμών, και η ζήτησή του έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τα ύδατα, είτε πρόκειται για επιφανειακά είτε για υπόγεια, έχουν υποστεί σοβαρή ρύπανση από βιομηχανικά απόβλητα, αστικά λύματα και απορροές από γεωργικές περιοχές. Σήμερα, οι περισσότερες τεχνολογίες που είναι διαθέσιμες δεν είναι αρκετά αποτελεσματικές για την απομάκρυνση των φυτοφαρμάκων και των χρωστικών από τα αγροκτήματα ώστε να αποφευχθεί η μεταφορά τους στο υπέδαφος.
Για να αποφορτιστεί η περιβαλλοντική πίεση που ασκείται λόγω της υπερβολικής χρήσης των συνηθισμένων φυτοφαρμάκων, είναι απαραίτητο να εξεταστεί η ύπαρξη ή η δημιουργία ενός νέου προϊόντος το οποίο να έχει φιλική δράση προς το περιβάλλον και να είναι πολυλειτουργικό. Το ενδιαφέρον αυξάνεται συνεχώς για πολυμερή υλικά όπως η Χιτοζάνη, καθώς και για τους τρόπους εφαρμογής του σε διάφορους τομείς της επιστήμης. Οι μοναδικές φυσικοχημικές, βιολογικές και οικολογικές ιδιότητες του συγκεκριμένου υλικού, όπως η βιοσυμβατότητα, η βιοαποικοδομησιμότητα, η μη τοξικότητα, σε συνδυασμό με τη φιλική του τιμή και την υψηλή ικανότητα απορρόφησης, καθιστούν επιβεβλημένη την εκτεταμένη χρήση του σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες.
Η ουσία cyantraniliprole (εμπορική ονομασία Exirel) είναι εντομοκτόνο το οποίο ευρέως χρησιμοποιείται στη γεωργία λόγω της αποτελεσματικότητάς του κατά των εντόμων. Ωστόσο, η διάχυσή του στο έδαφος και συνεπώς στον υδροφόρο ορίζοντα, μπορεί να προκαλέσει τοξικές επιπτώσεις στο περιβάλλον καθώς και προβλήματα στο οικοσύστημα. Η ανάγκη για την κατανόηση των βασικών διεργασιών και μηχανισμών που επιδρούν στην απορρόφηση αυτού του φυτοφαρμάκου από διάφορα εδαφικά συστήματα είναι επιτακτική. Επίσης, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη οι επιπτώσεις της συμπεριφοράς των φυτοφαρμάκων στα εδαφικά και υδρολογικά συστήματα, με γνώμονα την προστασία του περιβάλλοντος. Η έρευνα και η ευαισθητοποίηση σχετικά με αυτά τα ζητήματα θα πρέπει να αυξηθεί σημαντικά στις μέρες μας.
Η προσρόφηση αναγνωρίζεται πλέον ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία η οποία έχει την ικανότητα να απομακρύνει τα φυτοφάρμακα, τις χρωστικές και άλλους ρύπους που περιέχουν τα λύματα. Μάλιστα η προσρόφηση συγκρινόμενη με τις υπόλοιπες μεθόδους που υπάρχουν για τον καθαρισμό και την επεξεργασία των υγρών λυμάτων δηλαδή τις φυσικοχημικές ή βιολογικές μεθόδους, προτιμάται ως τεχνική, χάριν στην απλότητα, την ευελιξία της, το μοναδικό σχεδιασμό και τη λειτουργία της. Το πλεονέκτημα της προσρόφησης έγκειται στο γεγονός ότι δύναται να μειώσει στο ελάχιστο ή και να εξαλείψει τα παραγόμενα τοξικά υποπροϊόντα ενώ ταυτόχρονα η όλη διαδικασία δεν απαιτεί υψηλά κόστη επένδυσης και λειτουργίας.
Στην τρέχουσα μελέτη εξετάζεται η ικανότητα του Nanochitosan να προσροφά cyantraniliprole (εμπορική ονομασία Exirel) μέσω ενός πορώδους υλικού, προκειμένου να αναζητηθεί μια καινοτόμα εναλλακτική λύση για τον καθαρισμό του περιβάλλοντος και να μελετηθεί η μεταφορά του ρύπου στο έδαφος. Για τη συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκαν τρία σειριακά πειράματα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα "Batch" σε στατικές και δυναμικές συνθήκες, προκειμένου να εξεταστεί η αλληλεπίδραση του Nanochitosan με το Exirel. Στη συνέχεια, επαναλήφθηκε η ίδια πειραματική διάταξη με την προσθήκη χαλαζιακής άμμου, υλικού που προσομοιάζει το εδαφικό υπόστρωμα. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων διαλείποντος έργου, επιλέχθηκαν διάφορες παράμετροι, προκειμένου να καλυφθεί μια ευρεία ποικιλία συνθηκών που συναντώνται στο φυσικό περιβάλλον.
Πιο λεπτομερώς, πραγματοποιήθηκε η παρασκευή διαφόρων διαλυμάτων Exirel σε διάφορες ποσότητες (37,5 μL, 75 μL ,150 μL) με τη συγκέντρωση του Nanochitosan να παραμένει σταθερή (50 mg/L) σε όλα τα πειράματα. Στη συνέχεια, προσαρμόστηκε η τιμή του pH (4, 6.5, 8) και παρασκευάστηκαν διαλύματα με διάφορες ιοντικές δυνάμεις (1mM, 50mM, 100mM), διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή στους 25 °C. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα υπό συνθήκες πληρωμένης στήλης με διάφορα επίπεδα χαλαζιακής άμμου και ταχύτητα νερού στους πόρους, με σκοπό να εξεταστεί η επίδραση αυτών των παραγόντων στη μεταφορά του Nanochitosan και του Exirel.
Για τη διαμόρφωση μιας ολοκληρωμένης άποψης σχετικά με το θέμα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα τόσο με τα δύο υλικά όσο και ξεχωριστά, προκειμένου να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά μεταφοράς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το διάλυμα που περιείχε και τα δύο υλικά επέδειξε την καλύτερη απόδοση, επιβεβαιώνοντας τη σημαντική συμβολή του πολυμερούς Nanochitosan στην προσρόφηση του εντομοκτόνου Exirel (cyantraniliprole) στο έδαφος. Για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων   χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ColloidFit (V. Kattzourakis, C. Chrysikopoulos), το οποίο προσομοίωνε τα δεδομένα σύμφωνα με το κινητικό μοντέλο προσρόφησης δεύτερης τάξης. Κατά συνέπεια σημειώνεται ότι το φαινόμενο το οποίο επικράτησε σε όλα τα πειράματα ήταν η χημική προσρόφηση.
description: Water is one of the most valuable elements for the survival of organisms, and its demand has increased significantly in recent years. During this period, water, whether surface or groundwater, has been severely polluted by industrial waste, urban sewage and run-off from agricultural areas. Currently, most technologies available are not effective enough to remove pesticides and dyes from farms to prevent their transport to the subsoil.
In order to alleviate the environmental pressure caused by the excessive use of conventional pesticides, it is necessary to consider the existence or creation of a new product that is environmentally friendly and multifunctional. There is a growing interest in polymeric materials such as Nanochitosan, as well as in ways of its application in various fields of science. The unique physicochemical, biological and ecological properties of this material, such as biocompatibility, biodegradability, non-toxicity, combined with its friendly price and high absorption capacity, make its extensive use in various industrial processes imperative.
Cyantraniliprole (trade name Exirel) is an insecticide which is widely used in agriculture because of its effectiveness against insects. However, its diffusion into the soil and thus into the water table can cause toxic effects on the environment as well as problems for the ecosystem. There is an urgent need to understand the basic processes and mechanisms involved in the uptake of this pesticide by different soil systems. It is also important to take into account the effects of the pesticide's behaviour on soil and hydrological systems, with a view to protecting the environment. Research and awareness on these issues should be significantly increased nowadays.
Adsorption is now recognized as a promising technology which has the capacity to remove pesticides, pigments and other pollutants contained in wastewater. In fact, compared to the other methods available for the purification and treatment of wastewater. physico-chemical or biological methods, adsorption is preferred as a technique due to its simplicity, flexibility, unique design and operation. The advantage of adsorption lies in the fact that it can minimize or even eliminate the toxic by-products produced while at the same time the whole process does not require high investment and operating costs.
In the current study, the ability of Nanochitosan to adsorb cyantraniliprole (trade name Exirel) through a porous material is investigated in order to seek an innovative alternative for environmental clean-up and to study the transfer of the contaminant to the soil. Three serial experiments were carried out to collect data. Initially, "Batch" experiments were conducted under static and dynamic conditions in order to investigate the interaction of Nanochitosan with Exirel. Then, the same experimental setup was repeated with the addition of quartz sand, a material that simulates the soil substrate. To conduct the intermittent work experiments, various parameters were chosen to cover a wide variety of conditions encountered in the natural environment.
In more detail, various Exirel solutions were prepared at different concentrations (37.5 μL, 75 μL , 150 μL) with the concentration of Nanochitosan remaining constant (50 mg/L) in all experiments. Then, the pH value (4, 6.5, 8) was adjusted and solutions with different ionic strengths (1mM, 50mM, 100mM) were prepared, keeping the temperature constant at 25 °C. Finally, experiments were carried out under packed column conditions with different levels of quartz sand and water velocity in the pores, in order to examine the effect of these factors on the transport of Nanochitosan and Exirel.
To form a comprehensive view on the subject, experiments were conducted both with the two materials and separately to study the transport characteristics. The results showed that the solution containing both materials showed the best performance, confirming the significant contribution of the polymer Nanochitosan to the adsorption of the insecticide Exirel (cyantraniliprole) in soil. ColloidFit software (V. Kattzourakis, C. Chrysikopoulos) used to process the experimental data, which simulated the data according to the second-order kinetic model of adsorption. It is therefore noted that the phenomenon that prevailed in all experiments was chemical adsorption.