Η παρούσα μελέτη διερευνά την ικανότητα των πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων να (PAHs), όπως είναι το φαινανθρένιο και το ανθρακένιο, να επάγουν συνθήκες stress (stress syndrome) σε ιστούς (π.χ. βράγχια) του είδους Mytilus galloprovincialis. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης, τα μύδια τα οποία εκτέθηκαν για 7 ημέρες σε PH και/ή AN (τελικής συγκέντρωσης 0,1 mg/L σε κάθε περίπτωση) καθώς και σε μίγμα αυτών των οργανικών ρύπων (τελικής συγκέντρωσης 0,2 mg/L), παρουσίασαν αυξημένη συχνότητα εμφάνισης πυρηνικών ανωμαλιών, όπως είναι οι μικροπυρήνων (MN), και επαγωγή νευρολογικών διαταραχών, πράγμα που υποδεικνύεται από την μέτρηση της δραστικότητας της ακετυλχολινεστεράσης (AChE). Επιπλέον, τα αυξημένα επίπεδα της MDA στα βράγχια των εκτιθέμενων ατόμων καθώς και η μείωση του χρόνου ημιζωής (LT50) των μυδιών που εκτέθηκαν στον αέρα (τεχνική Stress on Stress), αντανακλούν στις οξειδωτικές επιπτώσεις που επάγουν οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονανθράκες στους ιστούς των εκτιθέμενων στον αέρα μυδιών, πράγμα που οδηγεί στην επαύξηση των τοξικών επιδράσεων, σε διαφορετικά επίπεδα της λειτουργίας του οργανισμού. / This study investigates the ability of certain polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), such as phenanthrene (PH) and anthracene (AN), to induce stress conditions (stress syndrome) in tissues (e.g. gills) of mussel Mytilus galloprovincialis. According to the results of this study, mussels exposed for 7 days to PH and/or AN (at a final concentration of 0,1mg/L in each case) as well as to a mixture of these organic pollutants (at a final concentration of 0,2 mg/L) showed increased frequencies of nuclear abnormalities, such as the presence of micronuclei (MN), and induction of neurological disorders, as shown by measuring the activity of acetylcholinesterase (AChE). Furthermore, increased levels of MDA in the gills of exposed individuals, and the reduction of the lethal time (LT50) of challenge mussels superimposed in air (Stress on Stress technique), merely reflect PAHs-induced oxidative effects on tissues of challenge mussels, thus leading to the enhancement of toxic effects to different levels of organism function.

Ο στόχος την παρούσας εργασίας είναι η αποδόμηση των PAHs με χρήση όζοντος.Για το σκοπό αυτό επιλέξαμε το φαινανθρένιο ως ένωση-μοντέλο σε οργανικό διαλύτη, με απώτερο στόχο την επεξεργασία επικίνδυνων αποβλήτων. / The perpose of this study is the degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons with ozon. For this reason we use phenanthrene like model-compound in organic solution.

Μέχρι σήμερα η επίδραση της αλατότητας στη διεργασία της ρόφησης των οργανικών ρύπων σε στερεούς ροφητές έχει μελετηθεί θεωρώντας ότι η ρόφηση είναι μία γραμμική διεργασία που εξαρτάται από το κλάσμα του οργανικού άνθρακα. Μελέτες της τελευταίας δεκαετίας έχουν αποδείξει ότι η ρόφηση των οργανικών στο περιβάλλον δεν είναι απαραίτητα μία γραμμική διεργασία. Για ιζήματα και εδάφη με σωματιδιακούς ανθρακούχους ρύπους, όπως είναι τα σωματίδια της αιθάλης ή των εξανθρακωμάτων, έχουν παρατηρηθεί ισόθερμες καμπύλες οργανικών ρύπων με μεγάλη έλλειψη γραμμικότητας. Προκαταρκτικές μελέτες έχουν δείξει ότι πράγματι η αλατότητα επηρεάζει τη ρόφηση ανάλογα με το μηχανισμό που παρατηρείται για κάθε είδος ροφητή. Αλλιώς επηρεάζεται η ρόφηση από την αλατότητα, όταν λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια του ροφητή, και αλλιώς στους πόρους στο εσωτερικό του ροφητή. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία περιλαμβάνει πειραματική μελέτη της ισορροπίας της ρόφησης ενός οργανικού ρύπου (του φαινανθρενίου) σε διάφορους ροφητές από το γλυκό και το θαλασσινό νερό. Οι ροφητές περιλαμβάνουν ανθρακούχα σωματίδια και ετερογενή υλικά, όπως γαιάνθρακα, λιγνίτη και θαλάσσια ιζήματα από την περιοχή του Αλιβερίου, του Λαυρίου και του Σαρωνικού κόλπου (Λουτρόπυργος) που έχουν ρυπανθεί από τα παραπάνω ανθρακούχα σωματίδια. Η αλατότητα φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά τη ρόφηση του φαινανθρενίου σε σωματίδια λιθάνθρακα όταν τα πειράματα διεξάγονται σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις (<200 μg/L). / Until recently sorption of organic compounds onto sediments was believed to be a linear process dependent on the organic carbon fraction content. Non linear sorption and heterogeneous behavior based has been recognized the last decade. Due to salinity, various effects are observed for the different carbonaceous materials on the capacity and also on the degree of nonlinearity. Each material presents a different sorption pattern and various effects due to salinity are observed (e.g. coal sorption isotherm becomes linear in the presence of salinity whereas for lignite no significant difference is observed). In the present work, we study the sorption behavior of phenanthrene onto different sorbents in salt water. Sorbents used include carbonaceous materials, coal, lignite, and marine sediments from Aliveri, Laurio, and Saronikos gulf that are polluted with carbonaceous particles. Salinity seems to affect significantly the sorption of phenanthrene onto coal particles if the experiments are performed at concentrations lower than 200 μg/L.

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η κατανόηση του μηχανισμού ρόφησης του φαινανθρενίου σε δείγματα γαιανθράκων και των αντίστοιχων χουμικών τους οξέων και η διερεύνηση της καταλληλότητας τους ως ροφητικών υλικών για την απορρύπανση ποτάμιων και λιμναίων συστημάτων, στα οποία υπάρχει πρόβλημα ρύπανσης από πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού μελετήθηκαν τέσσερα δείγματα λιγνίτη και δύο δείγματα τύρφης και τα αντίστοιχα δείγματα των χουμικών οξέων. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την απομόνωση των χουμικών οξέων βασίστηκε στην τροποποιημένη μεθοδολογία, που προτείνεται από την IHSS (International Humic Substances Society). Για τη μελέτη της ρόφησης φαινανθρενίου κατασκευάστηκαν οι ισόθερμες καμπύλες ρόφησης, ύστερα από την πραγματοποίηση πειραμάτων ρόφησης με συγκεντρώσεις φαινανθρενίου σε υδατικά διαλύματα 30, 50, 100, 300 και 500 μg/l. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ρόφηση στα περισσότερα δείγματα των χουμικών οξέων είναι μεγαλύτερη από ό,τι στα αντίστοιχα δείγματα των μητρικών τους γαιανθράκων. Επίσης στα δείγματα των γαιανθράκων παρατηρείται μεγαλύτερη ρόφηση στις χαμηλές συγκεντρώσεις φαινανθρενίου από ό,τι στις υψηλές, με αποτέλεσμα η ρόφηση να μην είναι γραμμική. Σχετικά με τη χρήση τους ως ροφητικά υλικά για απορρύπανση για δυο δείγματα λιγνίτη προτείνεται η χημική τους επεξεργασία, προκειμένου να χρησιμοποιηθούν ως ροφητικά υλικά, ενώ για τα υπόλοιπα δείγματα η διαφορά στη ροφητική ικανότητα μεταξύ των μητρικών γαιανθράκων και των παραγόμενων χουμικών οξέων δεν είναι τόσο σημαντική, με αποτέλεσμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας το μητρικό υλικό / The scope of this study is the determination of the phenanthrene sorption mechanism for some Greek lignite and peat samples, as well as for their extracted humic acids. The scope is to assess their suitability for application in remediation of fresh water environments from polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) For the extraction of the humic acids, the methodology provided by the IHHS (International Humic Substances Society) with some alterations, was applied. The sorption experiments were conducted by mixing 0,004 g of the sorbent within water solutions of phenanthrene at different concentrations of 30, 50, 100, 300 and 500 μg/l. The results show that phenanthrene sorption is higher in the humic acid samples rather than in the original lignite and peat. The original samples display higher sorption at low phenanthere concentration solutions (30 μg/l) than at the denser phenanthrene concentration solution (500 μg/l). Thus, the sorption in these samples is non-linear. In order to use these materials as sorbents, the TH4 and MT6 samples might have to be treated, because sorption is higher in the humic acid fraction than in the source material. The rest of the samples display lower variation in the sorption capacity between the humic acid samples and the original samples, thus there is no need for chemical treatment.

Η απορρύπανση των υδάτων αποτελεί αναγκαία και καθιερωμένη από δεκαετίες πρακτική. Η απορρύπανση με τη μέθοδο της ρόφησης είναι μία από την πληθώρα των τεχνικών που εφαρμόζονται. Το περισσότερο διαδεδομένο ροφητικό υλικό είναι ο ενεργός άνθρακας, του οποίου όμως το υψηλό κόστος παραγωγής, οδήγησε την επιστημονική έρευνα στην αναζήτηση εναλλακτικών, υλικών χαμηλότερου κόστους. Για το σκοπό αυτό, το επιστημονικό ενδιαφέρον έχει στραφεί σε πολλά υλικά κυρίως οργανικής προέλευσης, αλλά και σε ανόργανα υλικά, όπως τα οξείδια των μετάλλων, τα οποία αφθονούν στη φύση. Στην παρουσα εργασία έγινε μελέτη της ροφητικής ικανότητας φυσικών οξειδίων, για τη ρόφηση αρωματικών οργανικών ενώσεων και βαρέων μετάλλων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο μηχανισμός της ρόφησης του φαινανθρενίου, της 2-ναφθόλης και του υδραργύρου από οξείδια αργιλίου, τιτανίου, αργιλίου/πυριτίου και σιδήρου, με σκοπό την αξιολόγηση των υλικών αυτών ως ροφητικών υλικών και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά της ρόφησης των αντίστοιχων ρύπων από υλικά που παρασκευάζονται από την πυρόλυση πρώτης ύλης βιολογικής προέλευσης. Για τη μελέτη της κινητικής της ρόφησης του φαινανθρενίου και της 2-ναφθόλης πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε θαλασσινό και γλυκό συνθετικό νερό, με διαφορετικές ποσότητες ροφητικού υλικού (χωρίς χημική επεξεργασία) και για διαφορετικό χρόνο επαφής. Από τα πειράματα αυτά μετρήθηκε η κινητική της ρόφησης καθώς και το ποσοστό απομάκρυνσης των ρύπων από το διάλυμα. Από τις μετρήσεις που έγιναν, προέκυψε ότι το ποσοστό απομάκρυνσης του φαινανθρενίου από το διάλυμα αυξάνεται αυξανομένης της ποσότητας του ροφητικού υλικού. Η σταθερά της ρόφησης Kd, κυμάνθηκε σε ένα εύρος τιμών από 1 έως 10 L/Kg, τιμές 2 έως 4 τάξεις μεγέθους μικρότερες από αυτές άλλων ροφητικών υλικών βιολογικής προέλευσης, ή προϊόντων πυρόλυσης. Τη μεγαλύτερη ικανότητα ρόφησης φαινανθρενίου επέδειξε η γ-αλούμινα με ειδική επιφάνεια 270 m2/g, με μέγιστη απομάκρυνση φαινανθρενίου το 55 % της αρχικής συγκέντρωσης έπειτα από 8 ημέρες, ενώ τη μικρότερη ικανότητα ρόφησης η γ-αλούμινα με ειδική επιφάνεια 120 m2/g, με μέγιστη απομάκρυνση το 14 % της αρχικής συγκέντρωσης, έπειτα από 10 ημέρες. Η τιτάνια, με ειδική επιφάνεια 120 m2/g, είχε ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση του 52 % της αρχικής συγκέντρωσης φαινανθρενίου, σε 8 ημέρες. Από τα πειράματα ρόφησης της 2-ναφθόλης από την γ-αλούμινα, δεν προέκυψε μετρήσιμη ρόφηση. Η ρόφηση του υδραργύρου από την γ-αλούμινα (ειδική επιφάνεια 131 m2/g), και τα οξείδια σιδήρου μελετήθηκε με πειράματα στους 25 °C, σε pH 5 και με χρόνο εξισορρόπησης τις 24 h. Από τα πειράματα προέκυψε ισόθερμη καμπύλη και έγινε προσπάθεια προσαρμογής της σε μοντέλα ρόφησης. Παρατηρήθηκε αύξηση του ποσοστού απομάκρυνσης του υδραργύρου, με αύξηση της μάζας της γ-αλούμινας. Το μέγιστο ποσοστό απομάκρυνσης, ήταν το 93 % της αρχικής συγκέντρωσης και επιτεύχθηκε με μάζα γ-αλούμινας ίση και μεγαλύτερη από 1 g. Για τιμή Ce=15 mg/L, μετρήθηκε qe=0,91 mg/g, τιμή 1 έως 2 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτές άλλων ροφητικών υλικών βιολογικής προέλευσης ή προϊόντων πυρόλυσης. Τα οξείδια σιδήρου, παρότι είχαν ειδική επιφάνεια 55 m²/g, δεν παρουσίασαν μετρήσιμη ροφητική ικανότητα για κανέναν από τους ρύπους, που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι τα ανόργανα υλικά που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, παρόλο που παρουσιάζουν μεγάλες τιμές ειδικής επιφάνειας, δεν μπορούν να χαρακτηρισθούν ως αξιόλογα ροφητικά υλικά, τόσο για τη ρόφηση των οργανικών ρύπων φαινανθρένιο και 2-ναφθόλη, όσο και για τη ρόφηση του υδραργύρου. / Water treatment is a necessary and standard practice since decades. Adsorption technology in water treatment is one of many techniques being used. Activated carbon is the most widely applied adsorbent in water treatment, however its high production cost has led scientific research to investigate alternative low cost sorbent materials. This need has developed scientific interest towards novel materials most of them derived from biomass, but also inorganic oxides that are abundant in nature. The present study focuses on the investigation of the capacity of natural oxides to adsorb aromatic organic compounds and heavy metals. Specifically, sorption of phenanthrene, 2-naphthol and mercury onto aluminum, titanium, silicon and ferric oxides was examined, for the evaluation of these materials as sorbents, compared to pyrolized biomaterials. For the study of sorption of phenanthrene and 2-naphthol, batch experiments were conducted at room temperature, using artificial seawater and fresh water, different mass of sorbent material at different contact time. Sorption kinetics and the pollutant removal percentages were determined. The proportion of phenanthrene removal increased with the increase of the mass of the sorbent material. Sorption distribution coefficient Kd ranged between 1 and 10 L/Kg. These values are 2 to 4 orders of magnitude lower than the respective values shown for biomaterials and for pyrolysis products, respectively. Maximum sorption capacity of phenanthrene (55 % proportion removal) was shown by γ-alumina, with a specific surface area equal to 270 m2/g, after 8 days. Minimum sorption capacity (14 % proportion removal) was shown by γ-alumina, with a specific surface area equal to 120 m2/g, after 10 days. Titania, with a specific surface area equal to 120 m2/g, adsorbed a proportion of 52 % of the initial concentration of phenanthrene, after 8 days. Sorption experiments of 2-naphthol from γ-alumina, did not show a measurable sorption. Sorption of mercury from γ-alumina and ferric oxides was studied, conducting batch experiments at 25 °C, pH 5, 24 h contact time. The experiments resulted to an isotherm curve that was evaluated using different sorption isotherm models. An increase of the proportion of mercury removal, with the increase of the mass of γ-alumina was observed. Maximum proportion of mercury removal (93% of the initial concentration) was observed with the addition of γ-alumina of 1 g or more. At Ce=15 mg/L, qe=0,91 mg/g was measured. This value is 1 to 2 orders of magnitude lower, than the respective values shown for biomaterials and for pyrolysis products, respectively. Even though ferric oxides’ specific surface area was estimated at 55 m²/g, they did not show a measurable sorption capacity for any of the pollutants tested in the present study. Even though the materials examined in the present study, were of large specific surface area, their sorptive properties shown, are not competitive with the respective properties of biomaterials. Thus, they cannot be considered as promising sorbents for the removal of phenanthrene, 2-naphthol, or mercury from water.