- / -

- / -

- / -

Πολλοί μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν βιοφίλμ στη διεπιφάνεια μεταξύ ενός υδατικού διαλύματος και ενός άλλου ρευστού, στερεού ή πορώδους υλικού. Η ανάπτυξη βιοφίλμ σε πορώδη υλικά έχει σημαντικό ρόλο σε πληθώρα διεργασιών, όπως η βιοαποδόμηση ρύπων στο έδαφος και η βιολογικά ενισχυμένη απόληψη πετρελαίου από ταμιευτήρες. Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα φαινόμενα μεταφοράς και η δυναμική συμπεριφορά της ανάπτυξης μικροβιακών βιοφίλμ κατά τη βιοαποδόμηση οργανικών ενώσεων σε πορώδη υλικά. Οι κύριοι στόχοι και τα αποτελέσματα της διατριβής εντάσσονται σε τρεις άξονες. Ο πρώτος άξονας περιλαμβάνει τη διεξαγωγή πειραμάτων ανάπτυξης βιοφίλμ σε γυάλινα δοκίμια πορώδους μέσου για την αποσαφήνιση των μηχανισμών φραξίματος στην κλίμακα των πόρων και την συσχέτιση πορώδους-διαπερατότητας στην κλίμακα του πορώδους μέσου. Ο δεύτερος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τη μαθηματική περιγραφή: α) της διεργασίας μεταφοράς μάζας δια μοριακής διαχύσεως, και β) της διεργασίας μεταφοράς ορμής κατά τη ροή του εξωκυτταρικού υδατικού διαλύματος, σε κυτταρικά βιολογικά υλικά (βιοφίλμ, μικροβιακά συσσωματώματα, ιστοί). Η μεθοδολογία συνδυάζει τη μέθοδο χωρικής στάθμισης δια συνάρτησης βάρους για την ανάπτυξη των διεπουσών εξισώσεων, με μοντέλα μοναδιαίων κελιών για τον υπολογισμό των συντελεστών που υπεισέρχονται στις διέπουσες εξισώσεις. Ο τρίτος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός νέου, ιεραρχικού, υβριδικού εξομοιωτή της δυναμικής συμπεριφοράς μικροβιακών βιοφίλμ σε πορώδη υλικά. Ο εξομοιωτής προβλέπει: α) τη δομική και βιολογική ετερογένεια στην κλίμακα του βιοφίλμ, β) τη μορφή και το ρυθμό ανάπτυξης του βιοφίλμ μέσα στους πόρους ρεαλιστικών πορωδών δομών, και γ) τη συζυγή μεταβολή του πεδίου ροής και της χωρικής κατανομής των συγκεντρώσεων διαλελυμένων χημικών ειδών. / Numerous bacteria are able to form biofilms at the interface between an aqueous solution and another fluid, solid or porous material. Biofilm growth in porous media is of key importance in a variety of processes, such as the biodegradation of pollutants in soil and biologically enhanced oil recovery from subsurface reservoirs. In the present work, the transport phenomena and the dynamics of biofilm growth during the biodegradation of organic pollutants in porous media are studied. The main goals and results of the dissertation are developed along the following axes. The first axis involves the conduction of experiments of biofilm growth in glass models of porous media for the elucidation of the clogging mechanism on the pore scale and the permeability-porosity correlation on the scale of the porous medium. The second axis involves the development of a methodology for the mathematical description of: (a) the diffusive mass transfer process, and, (b) the momentum transfer during the flow of the extra-cellular aqueous solution in cellular biological media (biofilms, microbial flocs, tissues). The methodology combines the spatial averaging method via a weight function for the formulation of the governing equations, with unit cell models for the calculation of the coefficients that enter the governing equations. The third axis involves the development of a novel, hierarchical, hybrid simulator of the dynamic behavior of microbial biofilms in porous materials. The simulator predicts: (a) the structural and biological heterogeneity on the biofilm scale, (b) the pattern and rate of growth rate of biofilms in the pores of realistic porous structures, and (c) the conjugate alteration of the flow field and the spatial distribution of the concentration of solutes.

- / -

- / -

- / -

Στα πλαίσια της έλλειψης της μελέτης του φαινομένου της ΑΘΝ σε περιφερειακές Ελληνικές πόλεις, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει και αναλύει τα αποτελέσματα της μελέτης του φαινομένου της ΑΘΝ σε δύο μικρές πόλεις της περιφέρειας, το Αγρίνιο και τα Ιωάννινα. Στόχος της εργασίας είναι να μελετήσει την ύπαρξη της ΑΘΝ, καθώς και να προσδιορίσει την ένταση και τη μορφή της. Για το σκοπό αυτό ένα δίκτυο αισθητήρων θερμοκρασίας σε συνδυασμό με μετεωρολογικούς σταθμούς αναπτύχθηκε στις δύο πόλεις και θερμοκρασιακά δεδομένα συλλέχθηκαν για το σχηματισμό του θερμικού τους προφίλ. Τα αποτελέσματα δείχνουν έντονη παρουσία του φαινομένου κυρίως κατά τις βραδινές ώρες και ένταση θερμικής νησίδας που φτάνει και τη μέση τιμή των 3.8 οC το μήνα Αύγουστο στο Αγρίνιο ενώ στα Ιωάννινα για την ίδια περίοδο το φαινόμενο έχει πιο ήπια μορφή (1.5 οC). Για την αντιμετώπιση του φαινομένου, την εξοικονόμηση ενέργειας καθώς και τη βελτίωση της θερμικής άνεσης των κτιρίων πόλεων που αντιμετωπίζουν πρόβλημα με την ΑΘΝ, μελετήθηκε η περίπτωση χρήσης υδρόφιλων ενεργειακών υλικών ως επικάλυψη οροφών, για μείωση της ροής θερμότητας από την οροφή με εξατμιστικό δροσισμό καθώς και τα δευτερεύοντα ενεργειακά κέρδη από μια πιθανή εγκατάσταση φωτοβολταϊκών οροφής. Η μελέτη περιλάμβανε την ανάπτυξη πειραματικής διάταξης αεροσήραγγας για τη δοκιμή των υλικών, με προσομοίωση των καιρικών συνθηκών της πόλης κατά του καλοκαιρινούς μήνες, όπου και το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας είναι πολύ έντονο, καθώς και ανάπτυξη φωτοβολταϊκών σε ταράτσα πανεπιστημιακού κτιρίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο εξατμιστικός δροσισμός μπορεί να αποτελέσει μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για την αντιμετώπιση της ΑΘΝ, ενώ η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών μπορεί να συνεισφέρει επίσης στην εξοικονόμηση ενέργειας για δροσισμό τους καλοκαιρινούς μήνες, επιπλέον της παραγωγής ενέργειας. / Due to the lack of research on the field of the UHI effect in minor Greek cities, this thesis presents and analyzes the results of studying the UHI phenomenon in two small cities of the Greek province, Agrinio and Ioannina. Our aim was to study the existence of the UHI phenomenon as well as to determine its intensity and its type. In order to achieve that, a network of thermal sensors and meteorological stations was set on the two cities and temperature data were collected in order to define their thermal profile. The results point severe presence of the phenomenon especially during the nocturnal hours while the intensity of the phenomenon reaches up to 3.8 οC during August in Agrinio while in Ioannina at the same period the phenomenon is softer (1.5 οC). To mitigate the problem, save energy and improve the thermal capacity of the urban buildings in cities where the UHI occurs, the use of hydrophilic materials as a layer sheathing the roof was developed, in order to control the thermal flow from the roof by evaporative cooling. Furthermore, secondary energy benefits from a possible photovoltaics roof installation were investigated. Our research included the developing of an experimental set-up of a wind tunnel where sample materials were tested, by simulating the weather conditions of the city during the summer months, exactly the period of the high UHI intensity, as well as the installation of photovoltaics on a terrace of the university. The results indicate that evaporative cooling might be a very promising method in the field of the UHI phenomenon confrontation while the installation of photovoltaics can contribute in power saving for cooling during the summer months, in addition to electricity production.

Ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι εταιρείες άντλησης πετρελαίου στα φρεάτια εξόρυξης είναι η συμπαραγωγή άμμου μαζί με το πετρέλαιο. Το φαινόμενο παρατηρείται κυρίως σε περιοχές άντλησης όπου το πετρέλαιο βρίσκεται εγκλωβισμένο σε αμμώδεις περιοχές (ψαμμιτικοί ταμιευτήρες). Το αντλούμενο πετρέλαιο συμπαρασύρει μαζί του κόκκους άμμου, οι οποίοι εισχωρούν στον μηχανολογικό εξοπλισμό της εξόρυξης προκαλώντας βλάβες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την επιβράδυνση της παραγωγής πετρελαίου καθώς επίσης και την αύξηση του κόστους. Σε μερικές περιπτώσεις έχουν καταγραφεί και φαινόμενα κατάρρευσης των τοιχωμάτων του φρεατίου λόγω υπερβολικής διείσδυσης άμμου στα φρεάτια. Το κίνητρο της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μιάς εναλλακτικής και ταυτόχρονα οικονομικής μεθόδου ελέγχου συμπαραγωγής της άμμου. Η μέθοδος στηρίζεται στην εναπόθεση, μέσω της επιτόπου καταβύθισης, ενός δυσδιάλυτου ανόργανου άλατος επάνω στην επιφάνεια των κόκκων άμμου, οι οποίοι μέσω της κρυσταλλικής τους ανάπτυξης σχηματίζουν «γέφυρες» με γειτονικούς κόκκους με αποτέλεσμα την συσσωμάτωση τους. Ένα πολύμορφο του φωσφορικού ασβεστίου, ο υδροξυαπατίτης (ΗΑΡ, Ca10(PO4)6(OH)2) σε συνδυασμό με φορτισμένα οργανικά μακρομόρια (κολλαγόνο, πρωτείνες), είναι το κύριο συστατικό των οστών και των δοντιών, δηλαδή περιοχών του σώματος όπου απαιτούνται υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Για τον λόγο αυτό, το φωσφορικό ασβέστιο επιλέχθηκε ως το πλέον κατάλληλο γι’αυτή την διεργασία. Προκειμένου να μειώσουμε το κόστος καθώς επίσης και να προσεγγίσουμε περισσότερο της συνθήκες σχηματισμού του στους έμβιους οργανισμούς, αντί για κολλαγόνο ή πρωτείνες εισάγαγαμε χαμηλού κόστους πολυηλεκτρολύτες οι οποίοι περιέχουν στη δομή τους τις ίδιες χαρακτηριστικές ομάδες (αμινομάδες, καρβοξυλομάδες). Οι πολυηλεκτρολύτες που επιλέχθηκαν ήταν το πολυακρυλικό οξύ (ΡΑΑ), η πολυαλλυλαμίνη (ΡΑΗ) και η πολυαιθυλενιμίνη (ΡΕΙ). Η παρούσα έρευνα εστιάστηκε κυρίως στον προσδιορισμό των συνθηκών καταβύθισης του ΗΑΡ, καθώς επίσης και στην επίδραση που επιφέρει η παρουσία των τριών πολυηλεκτρολυτών (ΡΑΑ, ΡΑΗ, ΡΑΗ) στην δυνατότητα εναπόθεσης του στην επιφάνεια των κόκκων άμμου. Οι πολυηλεκτρολύτες αλληλεπιδρούν και με την επιφάνεια του υποστρώματος (πυριτική άμμος) και με το σχηματιζόμενο φωσφορικό ασβέστιο. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές μελετήθηκαν κυρίως μέσω πειραμάτων ρόφησης και πειραμάτων διαλείποντος έργου σε συνθήκες χαμηλού υπερκορεσμού προκειμένου να ερευνηθεί ο μηχανισμός επίδρασης των πολυηλεκτρολυτών στον σχηματισμό του φωσφορικού ασβεστίου. Η επίδραση των πολυηλεκτρολυτών στις μηχανικές ιδιότητες των καταβυθιζόμενων κρυστάλλων μελετήθηκε μέσω πειραμάτων διαλείποντος έργου σε συνθήκες υψηλού υπερκορεσμού. Τέλος, με βάση τα εξαγόμενα συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση των πολυηλεκτρολυτών στην εναπόθεση του φωσφορικού ασβεστίου στους κόκκους άμμου, πραγματοποιήθηκαν πειράματα συσσωμάτωσης σε κλίνες πληρωμένες με άμμο προκειμένου να διαπιστώσουμε την αποτελεσματικότητα της παρούσας μεθόδου. / The objective goal of the present work is the formation of complex deposits of calcium phosphate salts and polymers on grain surfaces of a nonconsolidated material in order a strong consolidated medium to be obtained. In nature, interactions between calcium phosphate salts and organic macromolecules control important functions such as formation of bones and teeth. These organic macromolecules primarily consist of proteins, which usually contain carboxyl and amino groups on their molecular structure. In a series of laboratory experiments the nature mechanisms are mimed by replacing the proteins with a typical polyelectrolyte, such us polyacrylic acid and polyethylenimine, which contain carboxyl and amino groups respectively, phosphate salts and. As unconsolidated porous medium a granular sandpack was used. The effect polyacrylic acid, polyallylamine hydrochloride and polyethylenimine on the formation kinetics as well as the effect on the morphology of the precipitated crystals was investigated through a series of batch experiments. The kinetic study was performed via an in-situ monitoring of the pH, because the formation of calcium phosphate is accompanied with changes of the pH value. The morphology as well as the crystallinity of the precipitated crystals where analyzed using different techniques, such us powder XRD and SEM. Study of the mechanical properties of the precipitated salts at high concentration batch experiments, where performed in a mechanical stress device (MTS) and compressive strengths up to 500 atm were observed.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε o ρυθμός ροής υδατικών διαλυμάτων, σε διάφορα pH περιβάλλοντος, διαμέσου ενός νανοπορώδους υλικού τροποποιημένου με πολυμερικές ψήκτρες. Ειδικότερα, ερευνήθηκε το σύστημα του σύνθετου υλικού πορώδους ανοδικής αλουμίνας με πολυμερικές ψήκτρες του γραμμικού δισυσταδικού συμπολυμερούς πολύ(Ισοπρένιου)–b–πολυ(Ακρυλικού Οξέους) (ΙΑΟ). Η προσρόφηση καθώς και η κινητική προσρόφησης του IAO στο νανοπορώδες υλικό διερευνήθηκε κυρίως μέσω τεχνικών δονητικής φασματοσκοπίας. Πιο συγκεκριμένα με τεχνικές υπερύθρου μετασχηματισμού κατά Φουριέ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy ή FT-IR), εγγύ υπερύθρου (N-IR) και Αποσβεννύμενη Ολική Ανάκλαση στο μέσο υπέρυθρο (ATR-IR). Ακόμη, με σκοπό την ποσοτικοποίηση της προσροφημένης ποσότητας του ΙΑΟ εφαρμόστηκε η τεχνική της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA). Τέλος, για την απόκτηση μιας λεπτομερούς εικόνας σχετικά με τη δομή του σύνθετου νανο-πορώδους υλικού τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν και με ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM/EDS). / In the present study the flow rate of aqueous solutions of different pH values through a nanoporous material functionalized with polymeric brushes was investigated using spectroscopic and thermogravimetric methods. In particular, the system under study was a composite material of porous anodic alumina with polymeric brushes of the diblock copolymer poly(Isoprene)–b–poly(Acrylic Acid) (IAO). The adsorption and adsorption kinetics of the IAO onto nanoporous alumina were explored mainly through techniques of vibrational spectroscopy. More specifically Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FT-IR), Near Infrared (N-IR) and Attenuated Total Reflectance (ATR-IR) were employed for this purpose. Moreover, for the quantification of the adsorbed amount of IAO, thermogravimetric analysis was applied (TGA). Finally, to obtain a comprehensive picture of the structure of the nanoporous composite materials used in this study, samples were additionally characterized by electron microscopy (SEM/EDS).