Τα υπόγεια νερά μπορούν να μολυνθούν με παθογόνα βιοκολλοειδή (ιοί, βακτήρια και πρωτόζωα) από νερό κοπρανώδους μόλυνσης, π.χ. από σηπτικές δεξαμενές ή αποχετευτικούς σωλήνες που εμφανίζουν διαρροή. Το επιφανειακό νερό μολύνεται με παθογόνους μικροοργανισμούς, που οφείλονται κυρίως στη διάθεση υγρών αποβλήτων και στην απορροή λιπασμάτων από τα γεωργικά εδάφη. Αυτά τα παθογόνα μπορούν να προκαλέσουν ένα εύρος γαστροεντερικών και άλλων σοβαρών ασθενειών. Τα υπόγεια και επιφανειακά νερά μπορούν να προστατευθούν από τη μόλυνση με παθογόνους μικροοργανισμούς μέσω των λύσεων που προσφέρει η εφαρμοσμένη μηχανική. Οι κατάλληλες στρατηγικές για την επίτευξη ασφαλούς πόσιμου νερού στηρίζονται στη γνώση των πιθανών διαδικασιών και συνθηκών μεταφοράς των παθογόνων βιοκολλοειδών. Για το σκοπό αυτό και λόγω μερικών περιορισμών, όπως η περιορισμένη ευαισθησία μεθόδων μέτρησης παθογόνων ιών και βακτηρίων, είναι λογικό να χρησιμοποιηθούν υποκατάστατα. Συγκεκριμένα, στη παρούσα Διδακτορική Διατριβή, οι βακτηριοφάγοι χρησιμοποιούνται ως υποκατάστατα για τους παθογόνους ιούς. Η μετακίνηση κολλοειδών στα πορώδη μέσα είναι επίσης ανησυχητική λόγω της διευκολυμένης από το κολλοειδές μεταφοράς των παθογόνων ιών που προσροφούνται πάνω σε αυτά τα σωματίδια και μετακινούνται σε μεγάλες αποστάσεις. Ειδικότερα, η εστίαση αυτής της έρευνας είναι στη μεταφορά των βιοκολλοειδών (βακτηριοφάγων και βακτηρίων) και των παραγόντων που επιδρούν σε αυτή μέσω των κορεσμένων πορωδών μέσων. Αρχικά ένα εύρος στατικών και δυναμικών πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες (4 και 25 °C) για να ερευνηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας και της ανάδευσης στην προσρόφηση των ιών (βακτηριοφάγων) πάνω στις αργίλους οι οποίες βρίσκονται συχνά στα φυσικά νερά και τα υγρά απόβλητα. Κατάλληλες ισόθερμες προσρόφησης προσδιορίστηκαν. Τα ηλεκτροκινητικά χαρακτηριστικά των βακτηριοφάγων και των αργίλων ποσοτικοποιήθηκαν για διαφορετικό pH και ιοντική ισχύ (IS). Επιπλέον, οι ενέργειες αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιών και των αργίλων υπολογίστηκαν για τις πειραματικές συνθήκες αλλά και για διαφορετικές φυσικοχημικές συνθήκες με την εφαρμογή της θεωρίας DLVO. Στη συνέχεια εξετάστηκε η μεταφορά τριών υδατογενών μικροοργανισμών (Escherichia coli, MS2, και ΦX174), δεικτών κοπρανώδους μόλυνσης, σε εργαστηριακές x στήλες με πληρωτικό υλικό καθαρή χαλαζιακή άμμο. Εξετάστηκαν τρία διαφορετικά μεγέθη κόκκων και τρείς ενδοπορώδεις ταχύτητες. Η συμπεριφορά σύνδεσης των Escherichia coli, MS2, και ΦX174 πάνω στην άμμο αναλύθηκε περαιτέρω. Ο συνολικός συντελεστής σύλληψης η0 και ο συντελεστής απόδοσης συγκρούσεων α, υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας την κλασσική θεωρία διήθησης κολλοειδών (CFT). Επίσης διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση των ιών (βακτηριοφάγων MS2 και ΦX174) με τα κολλοειδή αργίλων (καολινίτη KGa-1b και μοντμοριλλονίτη STx-1b) σε πειράματα προσκόλλησης διαλείποντος έργου αλλά και κατά την ταυτόχρονη μεταφορά τους σε κορεσμένες στήλες με πληρωτικό υλικό σφαιρίδια γυαλιού. Επιπλέον εξετάστηκε η επίδραση τριών ενδοπορωδών ταχυτήτων U στη μεταφορά των ιών, όπως επίσης και στη συμμεταφορά τους με τα κολλοειδή αργίλων. Εκτεταμένοι-DLVO υπολογισμοί της ενέργειας αλληλεπίδρασης εξηγούν ότι η προσκόλληση των ιών στα κολλοειδή αργίλων κατά κύριο λόγο προκαλείται από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η παρουσία κολλοειδών είχε σημαντική επίδραση στην κατάσταση και το μέγεθος της μη αναστρέψιμης απόθεσης των ιών στα σφαιρίδια γυαλιού στις συνθήκες που ερευνήθηκαν. Η θεωρία DLVO και η υδροδυναμική εφαρμόστηκε στα πειραματικά δεδομένα σε μια προσπάθεια ποσοτικής περιγραφής των συνθηκών που απαιτούνται για την έναρξη της αποκόλλησης των κολλοειδών από τα πορώδη μέσα (διαφορετικούς συλλέκτες) κάτω από διαφορετικές φυσικοχημικές συνθήκες (ταχύτητα και ιοντική ισχύ). Τέλος, πειράματα σε κατακόρυφα και διαγώνια τοποθετημένες στήλες με πληρωτικό υλικό σφαιρίδια γυαλιού πραγματοποιήθηκαν για τη μεταφορά και συγκράτηση ιών και κολλοειδών αργίλων αλλά και τη συμμεταφορά αυτών με την κατεύθυνση της ροής προσανατολισμένη ενάντια στη βαρύτητα (προς τα πάνω) αλλά και με κατεύθυνση ροής προς την ίδια κατεύθυνση με τη βαρύτητα (προς τα κάτω). Προβλέψεις των μοντέλων μοναδιαίων κελιών διαφορετικής γεωμετρίας συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα. / Groundwater may be accidentally contaminated with infective human enteric viruses from human and animal sewage through wastewater discharges, sanitary landfills, septic tanks, and agricultural practices or by artificial groundwater recharge, which is often used to reverse the rapid depletion of aquifers. To predict the presence of pathogens in water and wastewater, microorganisms known as indicator organisms-biocolloids (e.g. bacteria Escherichia coli, and coliphages MS2 and ΦX174), which are commonly associated with fecal contamination, are monitored. We examined the interaction of microorganisms with soil, sand, gravel or other model granular materials have been conducted using laboratory-scale columns under well-controlled environmental conditions. Theoretical and experimental studies have examined the effect of pore water solution chemistry, fluid velocity, matrix structure, moisture content, temperature, grain size, and presence of surface coatings on microbial transport and retention in porous media. Quartz sand, either clean or coated, as well as glass beads have all been employed as model granular materials in such studies. Some researchers have also investigated the transport of microorganisms through columns packed with excavated soils or undisturbed soil cores, and provided valuable information regarding the influence of soil chemistry and matrix structure on microbial transport and retention.

Στόχος της μεταπτυχιακής διατριβής αποτέλεσε η πειραματική μελέτη φαινομένων μεταφοράς μάζας από υγρά μη υδατικής φάσης (NAPLs) σε δισδιάστατα πορώδη δοκίμια. Τα υγρά μη υδατικής φάσης αποτελούνται από υδρογονάνθρακες οι οποίοι διαλύονται μερικώς στο νερό. Αποτελούν τη συχνότερα εμφανιζόμενη πηγή μόλυνσης των υπόγειων υδροφορέων και είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για τον άνθρωπο. Ο κύριος διαχωρισμός των NAPLs σε κατηγορίες γίνεται με βάση την πυκνότητά τους σε σύγκριση με αυτή του νερού. Έτσι, υπάρχουν τα Light NAPLs (LNAPLs), τα οποία είναι ελαφρύτερα από το νερό με αποτέλεσμα να επιπλέουν στην επιφάνειά του και τα Dense NAPLs (DNAPLs), τα οποία είναι βαρύτερα από το νερό και διαπερνούν τη μάζα του μέχρι να συναντήσουν κάποιο αδιαπέραστο στρώμα. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε αποτελούνταν από γυάλινα δισδιάστατα πορώδη δοκίμια που είχαν κατασκευαστεί με τη λιθογραφική μέθοδο. Με τη βοήθεια αντλίας τα δοκίμια τροφοδοτούνταν με σταθερή παροχή και σε κατάλληλη χρονική στιγμή γινόταν η εισαγωγή του ρύπου στο δοκίμιο. Στη συνέχεια με τη βοήθεια φωτογραφικής μηχανής λαμβάνονταν στιγμιότυπα σε καθορισμένες χρονικές στιγμές και με γραφικές μεθόδους υπολογιζόταν η μεταφορά μάζας. Στο πρώτο κεφάλαιο, περιέχονται εισαγωγικά στοιχεία για τη δομή και τη φύση των υγρών μη υδατικής φάσης καθώς και οι επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Επίσης, γίνεται μια σύντομη αναφορά στο φαινόμενο της διαχύσεως και στο πρώτο πείραμα που παρατηρήθηκε η διάχυση από τον Dalton και περιγράφεται με συντομία το πείραμα που διεξήχθη. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής περιγραφή όλων των στοιχείων των υγρών μη υδατικής φάσης και αναλύεται η κίνηση των υγρών αυτών σε όλα τα είδη εδάφους. Επίσης, εξηγείται η διαφορετική συμπεριφορά που αυτά εμφανίζουν στα διάφορα μέσα με βάση τις φυσικές τους ιδιότητες και επίσης παρουσιάζονται οι πρώτες μαθηματικές σχέσεις που δικαιολογούν την κίνησή τους αυτή. Στο τέλος του κεφαλαίο αναφέρονται και χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στο υπέδαφος και επηρεάζουν την κίνηση των NAPLs. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το φαινόμενο μεταφοράς μάζας στο νερό αλλά και σε πορώδη μέσα. Αναφέρονται και περιγράφονται οι σημαντικότεροι και απαραίτητοι τύποι που περιγράφουν τη μεταφορά μάζας και αναλύονται όλοι οι όροι που παίρνουν μέρος στη σύνταξη των τύπων αυτών. Τέλος, αναφέρονται κάποια πειράματα στα οποία χρησιμοποιήθηκαν οι τύποι που περιέχονται στη θεωρία. Στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφεται η προετοιμασία της πειραματικής διαδικασίας και αναφέρεται ο τεχνικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή της. Περιγράφονται όλα τα στάδια του πειράματος με λεπτομέρειες στις διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για τη κατασκευή και τον υπολογισμό των ιδιότητων των δοκιμίων. Επίσης, γίνεται περιγραφή της λειτουργίας του προγράμματος Comsol που χρησιμοποιήθηκε κατά το σχεδιασμό των δοκιμίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων. Τα αποτελέσματα αναλύονται και περιγράφονται με λεπτομέρεια προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Τέλος εξάγονται συμπεράσματα και γίνονται υποδείξεις για την περαιτέρω διερεύνηση του φαινομένου. / The aim of this Master thesis was the experimental study of mass transfer phenomena of non-aqueous phase liquids (NAPLs) in two-dimensional porous specimens. The liquid non-aqueous phase consisting of hydrocarbons which partially dissolve in the water. Are the most frequently occurring source of contamination of aquifers and is particularly harmful to humans. The main distinction of NAPLs into categories is based on the density compared to that of water. Thus, there are the Light NAPLs (LNAPLs), which is lighter than water so that float on the surface and Dense NAPLs (DNAPLs), which are heavier than water and penetrate the mass of up to meet a impermeable layer . The experimental setup used consisted of two-dimensional porous glass specimens were manufactured with lithographic method. With the pump cores fed with a constant flow and at an appropriate time was the introduction of the pollutant in the essay. Then with the help of camera footage taken at fixed times and graphical methods estimated the mass transfer. In the first chapter, contained introduction to the structure and nature of the non-aqueous phase liquids and their impact on the environment. Also, there is a brief reference to the effect of diffusion in the first experiment observed the diffusion of the Dalton and briefly describes the experiment conducted. The second chapter is a detailed description of all elements of non-aqueous phase liquids and analyzed the movement of fluids across all kinds of terrain. It also explains the different behavior they show in various media based on physical properties and also presents the first mathematical relationships that justify this movement. At the end of the chapter lists and chemical processes occurring in the soil and affect the movement of NAPLs. The third chapter describes the phenomenon of mass transfer in water and in porous media. Listed and described the most important and necessary formulas describing mass transfer and analyze all terms that take part in the preparation of these types. Finally, some experiments indicated that used types contained in the theory. The fourth chapter describes the preparation of the experimental procedure and specifying the equipment used to conduct it. Describes all stages of the experiment in detail the various methods used to construct and calculate the properties of the samples. Also, there is a description of the operation of the program Comsol used in the design of essays. The fifth chapter presents the results of the experimental procedure in the form of tables and diagrams. The results are analyzed and described in detail problems encountered in conducting the experiments. Finally conclusions are drawn and suggestions are made for further investigation of the phenomenon.

Στην παρούσα διατριβή, ερευνάται αν οι διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης είναι δυνατό να παράσχουν ποσοτική πληροφορία που αφορά τη χωρική κατανομή της διαβροχής σε πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης της ελαϊκής φάσης από υδατική υπό σταθερή παροχή σε πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής. Τα πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής κατασκευάστηκαν με τυχαία ανάμιξη γυάλινων και πλαστικών (PTFE) σφαιρών, απαράλλαχτης διαμέτρου, έτσι ώστε η γεωμετρία των πόρων να διατηρηθεί αναλλοίωτη. Η χωρική κατανομή των διαφορετικών ειδών σφαιρών διέφερε ακόμη και όταν τα σχετικά τους κλάσματα ήταν ίδια. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων λαμβάνονταν μετρήσεις της μεταβατικής απόκρισης της τριχοειδούς πίεσης και στιγμιότυπα της εκτόπισης ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης σε πορώδη μέσα που ήταν ενδιάμεσα υδατοδιαβρεκτά και ισχυρά ελαιοδιαβρεκτά. Τα ληφθέντα σήματα τριχοειδούς πίεσης, αναλύθηκαν με τη μέθοδο των κυματιδίων (wavelet) και συσχετίσθηκαν με τα γεγονότα ροής που ελάμβαναν χώρα. Η διαβροχή των περιοχών των πορωδών μέσων που εισδύονταν από υδατική φάση περιγράφηκε μέσω ενός εμπειρικού δείκτη διαβροχής ο οποίος συσχετίστηκε με τα φάσματα λεπτομέρειας που προέκυψαν από την ανάλυση των σημάτων. Στην περίπτωση ομοιόμορφης και ενδιάμεσης υδατοδιαβροχής ευνοούνται γεγονότα ροής που συνοδεύονται από σημαντικές διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης ώστε να καθίσταται δύσκολη η παραπάνω συσχέτιση. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης με χρήση ενός δεύτερου ζεύγους ρευστών. Τα πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής ως προς το δεύτερο ζεύγος ρευστών ήταν υδατοδιαβρεκτά και ισχυρά ελαιοδιαβρεκτά. Στην περίπτωση του δεύτερου ζεύγους ρευστών, τα σήματα τριχοειδούς πίεσης χαρακτηρίζονταν από αργές και μικρές σε ύψος διακυμάνσεις. Αυτή η διαφορετικότητα επέβαλλε τη βελτίωση της μεθόδου ανάλυσης των σημάτων ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα σήματα που ελήφθησαν στα πειράματα εκτόπισης της παρούσας εργασίας. Υιοθετήθηκαν πλέον δύο εμπειρικοί δείκτες διαβροχής: ο πρώτος δείκτης, Λ, δηλώνει τη διαβροχή της ενεργούς διεπιφάνειας και ο δεύτερος δηλώνει τη διαβροχή της επιφάνειας του πορώδους μέσου που γεμίζει με υδατική φάση όταν κινηθεί η προαναφερθείσα διεπιφάνεια. Οι δύο δείκτες διαβροχής συσχετίστηκαν με την «ενέργεια» των σημάτων, τη «συχνότητα» των φασμάτων λεπτομερειών του βέλτιστου επιπέδου ανάλυσης των σημάτων και τις χρονομέσες τιμές τριχοειδούς πίεσης. / A transparent porous medium of controlled fractional wettability is fabricated by mixing water-wet glass microspheres with strongly oil-wet polytetrafluouroethylene microspheres and packing them between two transparent glass plates. The displacement experiments performed for two pairs of fluids: a) silicon oil and water and b) paraffin oil and water. The growth pattern is video recorded and the transient response of the pressure drop across the pore network is measured for various fractions of oil-wet particles. The measured global capillary pressure fluctuates as the result of the variation of the equilibrium curvature of menisci between local maxima and local minima. By using wavelet transform on the capillary pressure signal, the best level detail spectrum arises and its peaks indict the parts of the original signal with the most important fluctuations, each of those is analyzed again. The best level detail coefficients give the “energy” of the analyzed part of the capillary pressure signal while the number of the most important fluctuations of the best level detail spectrum to the time interval they took place gives the “frequency” of the best level detail spectrum. The time averaged capillary pressure, the “energy” and the “frequency” are associated with the frontal wettability of the interface separating the two fluids before the invasion step and one number which denotes the regional wettability of the invaded area.