Μελέτη, αξιολόγηση, μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση των παραμέτρων που επιδρούν στο σχηματισμό παραπροϊόντων απολύμανσης στο νερό:
Creators: name: Γουγουτσά, Χρυσή Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Απολύμανση
Τριαλογονομεθάνια
Πειραματικός Σχεδιασμός
Disinfection
Trihalomethanes
Experimental Design

description: Ο σχηματισμός των τριαλογονομεθανίων κατά την χλωρίωση του νερού είναι συνυφασμένος με διάφορες φυσικοχημικές παραμέτρους. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι α) η ανάπτυξη του πειραματικού σχεδιασμού Plackett-Burman οκτώ (8) παραγόντων (TOC, δόση υποχλωριώδους νατρίου, χρόνος επαφής με το χλώριο, pH, χλωριούχα ιόντα, βρωμιούχα ιόντα, ασβέστιο, μαγνήσιο), για την εκτίμηση των σημαντικότερων παραμέτρων που οδηγούν στο σχηματισμό των τριαλογονομεθανίων σε δείγματα προσομοιωμένου νερού, κατά τη διάρκεια πειραμάτων χλωρίωσης, β) η εφαρμογή της μεθοδολογίας επιφανειακής απόκρισης (σχεδιασμός κεντρικής σύνθεσης) για την μαθηματική περιγραφή και την βελτιστοποίηση σχηματισμού των τριαλογονομεθανίων. Σύμφωνα, με τον πειραματικό σχεδιασμό Plackett-Burman, διεξήχθη πως οι σημαντικότεροι παράγοντες που επιδρούν στο σχηματισμό των ολικών χλωριωμένων τριαλογονομεθανίων είναι η δόση χλωρίου (Α) και η συγκέντρωση του TOC (B), με ποσοστιαία συνεισφορά 27,28%- 50,59% και 15,29%-32,31%, αντίστοιχα. Ενώ, η συγκέντρωση των βρωμιούχων ιόντων (D) αποτέλεσε τον σημαντικότερο παράγοντα στον σχηματισμό των ολικών βρωμιωμένων τριαλογονομεθανίων με ποσοστιαία συνεισφορά 24,81%-59,82%. Με βάση τα παραπάνω, αναπτύχθηκαν δύο πειραματικοί σχεδιασμοί κεντρικής σύνθεσης σε συνδυασμό με τη μεθοδολογία επιφανειακής απόκρισης, για την λεπτομερή ανάλυση των κυριότερων παραμέτρων καθώς και τον αλληλεπιδράσεών τους με τις αποκρίσεις υπό μελέτη. Η σημαντικότητα του μοντέλου επικυρώθηκε στατιστικά μέσω του λόγου διακύμανσης Fisher, ενώ η εκτίμηση των σημαντικών παραμέτρων πιστοποιήθηκε μέσω της τιμής κανονικής κατανομής (p-) για επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Η συσχέτιση των πειραματικών τιμών με τις θεωρητικά προβλεπόμενες ήταν υψηλή τόσο για τα χλωριωμένα όσο και για τα βρωμιωμένα τριαλογονομεθάνια, αφού οι τιμές του γραμμικού συντελεστή συσχέτισης R2 είχαν εύρος, 0,9836-1 και 0,9995-0,9999, αντίστοιχα. Με την αύξηση του χρόνου επαφής ευνοήθηκε ο σχηματισμός των ολικών χλωριωμένων τριαλογονομεθανίων. Κατά την βελτιστοποίηση του συστήματος, παρατηρήθηκε πως παρουσία ελάχιστης ποσότητας οργανικής ύλης και επαρκούς συγκέντρωσης υποχλωριώδους νατρίου, είναι δυνατός ο σχηματισμός των ολικών χλωριωμένων τριαλογονομεθανίων. Σε μεγάλους χρόνους επαφής, επικράτησε η υπολειμματική δράση του απολυμαντικού μέσου και η σταθερότητα των χλωριωμένων παραπροϊόντων. Αυξητική τάση των ολικών βρωμιωμένων τριαλογονομεθανίων παρατηρήθηκε με την αύξηση της δόσης χλωρίου και της συγκέντρωσης των βρωμιούχων ιόντων. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις των ολικών βρωμιωμένων τριαλογονομεθανίων παρατηρήθηκαν στην πειραματική σειρά με την υψηλότερη συγκέντρωση βρωμιούχων ιόντων (351,78 μg L-1) και δόσης χλωρίου στα 5,5 mg L-1, για χρόνο επαφής από 6 έως 18 ώρες. Στις 24 ώρες, οι υψηλότερες συγκεντρώσεις παρατηρήθηκαν στην πειραματική σειρά με συγκέντρωση βρωμιούχων ιόντων στα 300 μg L-1 και με δόση χλωρίου 10 mg L-1. Η ίδια τάση παρατηρήθηκε και στους χρόνους επαφής από 48 έως 72 ώρες. Στους τελευταίους χρόνους, παρατηρήθηκε ανταγωνιστική δράση όπου ευνοείται ο σχηματισμός των ολικών χλωριωμένων τριαλογονομεθανίων.
description: Trihalomethanes formation during water disinfection is directly linked to various physicochemical parameters. This work is focusing a) on the development of a screening methodology based on Placket- Burman experimental design of eight factors (TOC, chlorine dose, chlorine contact time, pH, chloride, bromide, calcium, magnesium), to determine the main experimental variables affecting THMs formation in simulated drinking water during chlorination experiments and b) the application of response surface methodology (central composite design) for the mathematical description and optimization of THM formation. According to Plackett-Burman experimental design, it was concluded that chlorine dose (A) and TOC (B) represent the main factors that affect the formation of total chlorinated THMs with total percent contribution 27.28%-50.59% and 15.29-32.31%, respectively, while bromide concentration (D) was the main factor to affect total brominated THMs, with total percent contribution 24.81%- 59.82%. Based on that, two Central Composite Designs with Response Surface Methodology were applied for the detailed analysis of the main effects and their interactions with the responses and each other. The significance of the model was validated statistically by the F-test (Fisher variation ratio), while model terms were estimated based on probability (P-value) with 95% confidence level. The correlation of the experimental data with the theoretically predicted ones was generally high for both chlorinated and brominated VOCs, with R2 values range, 0.9836-1 and 0.9995-0.9999, respectively. Longer contact time with sodium hypochlorite, promoted a rise in chlorinated VOCs concentration. Optimization revealed that even with a minimal amount of organic matter chlorinated trihalomethanes can be formed under sufficient hypochlorite concentrations, thus being a controlling factor of the process. Residual effect at higher contact times and stability of the chlorinated VOCs were predominant at higher contact times. A rising trend of the brominated VOCs was observed as the concentrations of the two main factors inclined. Highest concentrations of brominated VOCs were observed in the experimental series with the highest concentration of bromide ions at 351.78 μg L-1 and chorine dose 5.5 mg L-1, from 6 to 18 hours of reaction. In 24 hours of contact time, highest concentration occurred in the experimental series with a concentration of bromide ions of 300 μg L-1 and chlorine dose of 10 mg L-1. The same pattern appeared from 48 hours to 72 hours period of time. There seems to be a competitive effect that favors the generation of chlorinated THMs during these time intervals.