title: Μελέτη της συμμεταφοράς του πολυμερούς chitosan παρουσία του εντομοκτόνου λ-cyhalothrin σε πορώδη μέσα υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες
title: Study on the cotransport of the polymer chitosan in the presence of the insecticide λ-cyhalothrin in porous media under static and dynamic conditions

Creators: name: Ξενου Ευαγγελια-Αποστολια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: Το πόσιμο νερό είναι μια από τις ζωτικές ανάγκες για την επιβίωση των οργανισμών και η ζήτησή του αυξάνεται ραγδαία. Τις τελευταίες δεκαετίες τα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα έχουν ρυπανθεί σε μεγάλο βαθμό από βιομηχανικά, αστικά λύματα και από απορροές γεωργικών περιοχών. Οι περισσότερες από τις διαθέσιμες σήμερα τεχνολογίες είναι ανεπαρκείς για την απομάκρυνση των φυτοφαρμάκων και των χρωστικών τους από τις καλλιεργούμενες εκτάσεις και στη συνέχεια την αποφυγή μεταφοράς τους στο υπέδαφος. Για την ανακούφιση της περιβαλλοντικής πίεσης από την υπερβολική χρήση των συμβατικών φυτοφαρμάκων, η μελέτη ενός νέου φιλικού προς το περιβάλλον και πολύ-λειτουργικού σκευάσματος είναι επείγουσα.
Το ενδιαφέρον για τα πολυμερή όπως το Chitosan, καθώς και οι μέθοδοι εφαρμογής του σε διάφορους τομείς της επιστήμης αυξάνονται αδιάκοπα. Λόγω των μοναδικών φυσικοχημικών, βιολογικών, οικολογικών ιδιοτήτων του, όπως η βιοσυμβατότητα, η βιοαποικοδομησιμότητα, η μη τοξικότητα, η οικονομική προσιτότητα, και οι υψηλές ιδιότητες απορρόφησης, δικαιολογούν την ευρέως διαδεδομένη χρήση του σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες. Το λ-Cyhalothrin είναι ένα υδρόφοβο εντομοκτόνο που ανήκει στην κατηγορία των πυρεθροειδών και συναντάται πολύ συχνά στο χώρο της γεωργίας, λόγω των υψηλών του αποδόσεων. Ωστόσο, η διασπορά του στο υπέδαφος και κατά επέκταση στον υδροφόρο ορίζοντα  ενδέχεται να επιφέρει τοξικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο και άλλες οικολογικές οχλήσεις. 
Η αναζήτηση της γνώσης των θεμελιωδών δυνάμεων και μηχανισμών, που ευθύνονται για την απορρόφηση σε διάφορα συστήματα εδάφους και παρασιτοκτόνων συνεχίζεται, και η ανάγκη να ληφθούν υπόψη οι συνέπειες  στη συμπεριφορά των φυτοφαρμάκων σε συστήματα εδάφους και νερού έχει αυξηθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια. Η προσρόφηση έχει αναγνωριστεί ως δυνητική τεχνολογία για την απομάκρυνση φυτοφαρμάκων, χρωστικών και άλλων ρύπων από τα λύματα. Σε σύγκριση με άλλες φυσικές, χημικές και βιολογικές μεθόδους που είναι διαθέσιμες για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, η προσρόφηση είναι η πλέον προτιμώμενη τεχνική λόγω του απλού και ευέλικτου σχεδιασμού και της ομαλής λειτουργίας της. Η διαδικασία προσρόφησης μπορεί να παράγει λίγους ή καθόλου τοξικούς ρύπους και συνεπάγεται με  χαμηλό αρχικό κόστος κεφαλαίου και μετέπειτα λειτουργίας.
Στη παρούσα μελέτη εξετάζεται η προσροφητικότητα του Chitosan ως προς το λ-Cyhalothrin διαμέσου πορώδους μέσου, καθώς θα μπορούσε να αποτελέσει μια καινοτόμα εναλλακτική λύση εξυγίανσης του περιβάλλοντος και να γίνει κατανοητή η συμμεταφορά του ρύπου στο υπέδαφος. Για την εξαγωγή δεδομένων λάβαν χώρα τρεις σειρές πειραμάτων. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα Διαλείποντος Έργου (Batch) σε στατικές και δυναμικές συνθήκες ώστε να μελετηθεί η αλληλεπίδραση του Chitosan και του λ-Cyhalothrin. Έπειτα, μελετήθηκε η ίδια πειραματική διάταξη με διαφορά τη προσθήκη χαλαζιακής άμμου, υλικό που προσομοιάζει μεγάλο μέρος του εδαφικού στρώματος. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων διαλείποντος έργου επιλέχθηκαν διάφορες παράμετροι ώστε να καλυφθεί ένα μεγάλο εύρος συνδυασμών που συναντάται στη φύση. Πιο αναλυτικά, παρασκευάστηκαν διάφορες συγκεντρώσεις του λ-Cyhalothrin (25mg/L, 50mg/L, 100mg/L), ενώ η συγκέντρωση του Chitosan ήταν σταθερή σε όλα τα πειράματα (100mg/L). Έπειτα έγινε μεταβολή της μεταβλητής pH (5, 6.5, 8) και τέλος παρασκευάστηκαν διαλύματα με διαφορετικές ιοντικές ισχύεις (1mM, 50mM, 100mM), όπου η θερμοκρασία παρέμενε σταθερή καθ’ όλη τη διάρκεια στους 25 °C. Σε όλα τα παραπάνω πειράματα λαμβάνονταν τιμές για το μέγεθος και το ζήτα δυναμικό των συσσωματωμάτων για να υλοποιηθεί περαιτέρω σύγκριση των παραμέτρων. Τέλος πραγματοποιήθηκαν Πειράματα Πληρωμένης Στήλης υπό συνθήκες κορεσμού, ώστε να γίνει μελέτη της επίδρασης της χαλαζιακής άμμου και της ταχύτητας του νερού των πόρων στη μεταφορά Chitosan και λ-Cyhalothrin. Για να διαμορφωθεί μια σφαιρική άποψη επί του θέματος, εκτός από τη διεξαγωγή πειραμάτων με συνδυασμό των δύο υλικών, έγιναν και ξεχωριστά πειράματα για τη μελέτη των χαρακτηριστικών μεταφοράς. Πράγματι το διάλυμα που απαρτίζονταν και από τα δύο υλικά, είχε το βέλτιστο αποτέλεσμα, γεγονός που επικυρώνει ότι το πολυμερές Chitosan διαδραματίζει σπουδαίο ρόλο ως προς τη προσρόφηση του εντομοκτόνου λ-Cyhalothrin στο υπέδαφος.  
Για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιήθηκε το Λογισμικό ColloidFit, όπου τα δεδομένα προσομοιώνονταν σε πολύ μεγάλο βαθμό σύμφωνα με το κινητικό μοντέλο προσρόφησης ψευδό-δεύτερης τάξης. Επομένως υποδηλώνεται ότι το φαινόμενο που επικρατούσε σε όλες τις σειρές πειραμάτων ήταν εκείνο της χημικής προσρόφησης.

description: Potable water is one of the vital needs for the survival of organisms and its demand is growing rapidly. In recent decades, surface and groundwater have been heavily polluted by industrial, urban wastewater and agricultural runoff. Most of the currently available technologies are inadequate to remove pesticides and their pigments from cropland and then avoid their transport to the subsoil. To alleviate the environmental pressure from the overuse of conventional pesticides, the study of a new environmentally friendly and multi-functional formulation is urgent. The interest in polymers such as Chitosan, as well as its application methods in various fields of science, is growing steadily. Due to its unique physicochemical, biological, ecological properties such as biocompatibility, biodegradability, non-toxicity, affordability, and high absorption properties, justify its widespread use in various industrial processes. λ-Cyhalothrin is a hydrophobic insecticide belonging to the pyrethroid class and is very often found in agriculture because of its high yields. However, its dispersion in the subsoil and thus in the aquifer may result in toxic environmental impact and other ecological nuisances. The search for knowledge of the fundamental forces and mechanisms responsible for uptake in different soil and pesticide systems continues, and the need to consider the consequences for the behavior of pesticides in soil and water systems has increased rapidly in recent years. Adsorption has been identified as a potential technology for the removal of pesticides, dyes and other contaminants from wastewater. Compared to other physical, chemical and biological methods available for wastewater treatment, adsorption is the most preferred technique due to its simple and flexible design and smooth operation. The adsorption process can produce little or no toxic pollutants and involves low initial capital and subsequent operating costs.
In this study, the absorptivity of Chitosan to l-Cyhalothrin through porous media is investigated as it could be an innovative alternative for environmental remediation and to understand the contribution of the contaminant to the subsurface. Three series of experiments were carried out to extract data. Firstly, Batch experiments were carried out under static and dynamic conditions to study the interaction of Chitosan and l-Cyhalothrin. Then, the same experimental setup was studied with the difference of adding quartz sand, a material that simulates a large part of the soil layer. Various parameters were chosen to conduct the intermittent work experiments to cover a wide range of combinations found in nature. More specifically, different concentrations of l-Cyhalothrin (25mg/L, 50mg/L, 100mg/L) were prepared, while the concentration of Chitosan was constant in all experiments (100mg/L). Then the pH variable was varied (5, 6.5, 8) and finally solutions with different ionic strengths (1mM, 50mM, 100mM) were prepared, where the temperature was kept constant throughout at 25 °C. In all the above experiments, values for the size and zeta potential of the aggregates were obtained to implement further comparison of the parameters. Finally, Packed Column Experiments under saturation conditions were carried out to study the effect of quartz sand and pore water velocity on Chitosan and l-Cyhalothrin transport. In order to form a comprehensive view on the subject, apart from conducting experiments with a combination of the two materials, separate experiments were carried out to study the transport characteristics. Indeed, the solution composed of both materials had the optimal result, which validates that the Chitosan polymer plays an important role in the adsorption of the insecticide l-Cyhalothrin in the subsoil. The ColloidFit software was used to process the experimental data, where the data were simulated very closely according to the pseudo-second order adsorption kinetic model. It is therefore suggested that the predominant phenomenon in all series of experiments was that of chemical adsorption.