Κατασκευή μεταλλικών αφρών από χαλκό, από σίδηρο και από κράματα χαλκού με στόχο τη δέσμευση του εξασθενούς χρωμίου από το πόσιμο νερό
Creators: name: Ρούντου, Ραφαηλία Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Μεταλλικοί αφροί
Εξασθενές χρώμιο
Πόσιμο νερό
Metal foams
Hexavalent chromium
Drinking water

description: Το πρώτο βήμα της μελέτης ήταν η κατασκευή μέσω κονιομεταλλουργίας, με χρήση ακατέργαστης καστανής ζάχαρης από ζαχαροκάλαμο ως πληρωτικό μέσο, μεταλλικών αφρών από χαλκό, από σίδηρο, αλλά και από δύο διαφορετικά κράματα χαλκού – ψευδαργύρου, με περιεκτικότητες 70% και 65% σε χαλκό. Οι αφροί χαλκού με θεωρητικά πορώδη 72% ήταν πιο πολλά υποσχόμενοι από αυτούς με πορώδη 80%, όσον αφορά τη δέσμευση εξασθενούς χρωμίου. Κατά την κατασκευή των αφρών χαλκού – ψευδαργύρου, προσδιορίστηκε η βέλτιστη αναλογία της σκόνης του κράματος και της ζάχαρης και η βέλτιστη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης για κάθε κράμα και για κάθε αναλογία των δύο κοκκομετριών ζάχαρης. Κατά την παραγωγή των αφρών σιδήρου εντοπίστηκε η βέλτιστη αναλογία των συστατικών του μείγματος, αλλά και οι βέλτιστες συνθήκες όσον αφορά τα στάδια της ανάμειξης, της συμπίεσης και της υδατοδιάλυσης. Επίσης, εξήχθη ένα συμπέρασμα για το χρόνο και τη θερμοκρασία που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση του νερού από τα δοκίμια πριν την πυροσυσσωμάτωση. Στη συνέχεια διεξήχθη δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός των αφρών μέσω περίθλασης ακτίνων Χ και διαφόρων τεχνικών μικροσκοπίας. Από το δομικό χαρακτηρισμό προέκυψε ότι όλοι οι αφροί, πλην του πρώτου που κατασκευάστηκε, ήταν από πλευράς σύστασης ικανοί να δεσμεύσουν το εξασθενές χρώμιο. Από τις εικόνες οπτικής μικροσκοπίας εξήχθησαν συμπεράσματα για τα μεταλλικά τοιχώματα των αφρών, ενώ από τις ψηφιακές φωτογραφίες που λήφθηκαν μέσω του στερεοσκοπίου, και από τις εικόνες SEM αντλήθηκαν ποιοτικές πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά των πόρων των αφρών. Ποσοτικές πληροφορίες για τη μορφολογία των πόρων, προέκυψαν από την επεξεργασία των εικόνων SEM μέσω του λογισμικού matlab, κατά την οποία οι πόροι προσομοιώθηκαν με ελλείψεις και υπολογίστηκαν οι τιμές της επιφάνειας, της ισοδύναμης διαμέτρου και των δύο αξόνων των ελλείψεων. Αφ’ ενός έγινε στατιστική ανάλυση των προαναφερθέντων δεδομένων και αφ’ ετέρου κατασκευάστηκαν για κάθε δείγμα τα ιστογράμματα της επιφάνειας, της ισοδύναμης διαμέτρου και του λόγου του ελάσσονα προς τον κύριο άξονα των ελλείψεων και εντοπίστηκε η συνάρτηση που προσέγγιζε με μεγαλύτερη ακρίβεια κάθε ιστόγραμμα. Οι μεταλλικοί αφροί δοκιμάστηκαν ως φίλτρα σε πειράματα δέσμευσης εξασθενούς χρωμίου, όπου προσδιορίστηκαν μέσω της μεθόδου diphenylcarbazide οι υπολειμματικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου των διαλυμάτων, μετά τη διέλευσή τους από τους αφρούς, υπό συνθήκες υψηλής και χαμηλής παροχής. Αρκετοί εκ των αφρών μπόρεσαν να ανάγουν το εξασθενές χρώμιο σε τρισθενές και άρα να το απομακρύνουν από το πόσιμο νερό. Ήταν ξεκάθαρη, όμως, η υπεροχή των αφρών σιδήρου, έναντι των αφρών χαλκού και χαλκού – ψευδαργύρου, όσον αφορά τη δέσμευση του καρκινογόνου εξασθενούς χρωμίου, καθώς ήταν τα μόνα δείγματα που εξασφάλισαν υπολειμματική συγκέντρωση του Cr(VI) αρκετά μικρότερη των 50 μg/l. Εξήχθη, λοιπόν, το συμπέρασμα ότι οι αφροί σιδήρου πιθανότητα μπορούν να καταστήσουν τη συγκέντρωση του ολικού χρωμίου μικρότερη των 50 μg/l και άρα να εξασφαλίσουν ότι θα πληρείται το ανώτατο επιτρεπτό όριο των 50 μg/l για τη συγκέντρωση του ολικού χρωμίου στο πόσιμο νερό, σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή και την Ελληνική νομοθεσία. Τέλος, κατασκευάστηκε και μια διάταξη με στόχο τη ρύθμιση της παροχής του αρχικού διαλύματος διά μέσου των αφρών σιδήρου. Για τις μικρότερες τιμές της παροχής επιτεύχθηκαν και πάλι πολύ χαμηλές υπολειμματικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου
description: Using cane sugar as a space holder, metal foams were created by powder metallurgy. These foams consist of copper, iron, and two different kinds of copper – zinc alloys: one containing 70% copper and the second containing 65% copper. Copper foams with 72% theoretical porosity turned out to be more promising than those with 80% porosity in terms of hexavalent chromium binding. With regard to the production of copper-zinc foams, the optimal ratio of powder alloy and sugar as well as the optimal sintering temperature were determined for each alloy and for each ratio of two granules of sugar. During the production process of the iron foams, useful information was extracted about the proportion of the components of the mixture and about the conditions regarding the stages of mixing, compaction and water dissolution in order to be optimized. Furthermore, a conclusion was drawn regarding the temperature and time required to completely remove the water from the specimens before sintering. As the next step, the structural and morphological characterization of the foams was performed using X-ray diffraction and microscopy techniques. Thus, from the structural characterization came the conclusion that all metal foams, except the first one that was developed, were able to bind hexavalent chromium in terms of formulation. According to the optical microscope images, conclusions were drawn about the metal walls of the foams, whereas the digital photos taken through the stereoscope, as well as the SEM images, provided qualitative information about the foam pores. The values of each porous’ surface, equivalent diameter and elliptical axes were calculated using the matlab simulations representing the porous as elliptical shapes. A statistical analysis was performed along with the creation of the histograms of every specimen’s pore area, equivalent diameter and ratio between minor and major elliptical axis. Finally, for each histogram, the best fitting function describing it, was calculated. These metal foams were used as filters in experiments to evaluate their hexavalent chromium removal capabilities using the dyphenylcarbazide method, by measuring the residual concentration of hexavalent chromium in the solutions after they’ve passed through these filters, under high and low inflow conditions. Many of these foams were able to reduce the hexavalent chromium to trivalent thus, removing it from drinking water, however, the advantage the iron foams had in effectively removing the carcinogen hexavalent chromium, was uncanny. Verily, the samples passed through the iron foams were the only ones with a residual concentration of Cr(VI) lower than 50 μg/l. According to the research findings, iron foams are able to ensure that drinking water won’t surpass the maximum chromium concentration level of 50 μg/l as European and Greek law dictates. Finally, a set-up was built aimed to regulate the flow through the iron foams. Switching to lower flow levels resulted ones more in small residual concentration levels of hexavalent chromium