Το θειικό βάριο είναι ένα κρυσταλλικό στερεό το οποίο απαντάται ως ορυκτό. Οι χρήσεις του στην βιομηχανία είναι πολλές, καθώς χρησιμοποιείται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών από την κατασκευή πυράντοχων βαφών έως την βιομηχανία παραγωγής πετρελαίου για την αποφυγή αύξησης της πίεσης κατά την διάρκεια των γεωτρήσεων. Ωστόσο, κατά τη χρήση του στην άντληση πετρελαίου, η χρήση του έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό επικαθίσεων οι οποίες είναι δύσκολο να απομακρυνθούν λόγω της μικρής τους διαλυτότητας. Για την απομάκρυνση των επικαθίσεων θειικού βαρίου δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν κοινά οξέα, καθώς το θειικό βάριο αφενός είναι δυσδιάλυτο σε αυτά αλλά παράλληλα δημιουργούν σοβαρά προβλήματα διάβρωσης του εξοπλισμού (σωληνώσεις, reservoir αποθήκευσης νερού). Για την αντιμετώπιση των καθαλατώσεων αυτού του είδους, χρησιμοποιούνται υδατοδιαλυτές ενώσεις οι οποίες προστίθενται στα ρευστά στα οποία λαμβάνει χώρα καταβύθιση του θειικού βαρίου και έχουν την ικανότητα να παρεμποδίσουν ή να επιβραδύνουν το σχηματισμό του θειικού βαρίου. Ενώσεις αυτού του τύπου είναι οι πολύ-φωσφονικές, πολυηλεκτρολύτες όπως τα πολύ-καρβοξυλικά, πολυσουλφονικά οξέα κ.τ.λ., με ορισμένες από αυτές να είναι αρκετά δραστικές και να μπορούν να περιορίσουν σε μεγάλο βαθμό τον σχηματισμό επικαθίσεων του θειικού βαρίου. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η κινητική της καταβύθισης του θειικού βαρίου σε υδατικά υπέρκορα διαλύματά του, στα οποία η αναλογία πλεγματικών ιόντων Ba:SO4 1:1 στους 25οC, απουσία και παρουσία πρόσθετων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα αυθόρμητης καταβύθισης για την εύρεση του εύρους της μετασταθούς ζώνης με την τεχνική “free drift”. Από την συσχέτιση του χρόνου επαγωγής που μετρήθηκε, συναρτήσει του υπερκορεσμού και βάσει της κλασσικής θεωρίας της πυρηνογένεσης υπολογίσθηκε ότι η επιφανειακή ενέργεια του θειικού βαρίου ήταν 17,4 mJ•m-2. Η τιμή αυτή, η οποία είναι σημαντικά διαφορετική από τις τιμές οι οποίες αναφέρονται στην βιβλιογραφία, αντανακλά τη σημασία του τρόπου παρασκευής των υπέρκορων διαλυμάτων στις μετρήσεις αυτές. Στη σταθερή περιοχή των υπέρκορων διαλυμάτων, και προκειμένου να διερευνηθεί ο μηχανισμός κρυσταλλικής ανάπτυξης του θειικού βαρίου, έγινε σειρά πειραμάτων στα οποία μετρήθηκε ο ρυθμός κρυσταλλικής ανάπτυξης του θειικού βαρίου σε κρυσταλλικά φύτρα θειικού βαρίου. Στα υπέρκορα διαλύματα, η αναλογία πλεγματικών ιόντων Ba:SO4 1:1 στους 25oC. Οι μετρήσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν με την τεχνική διατήρησης σταθερού του υπερκορεσμού κατά την διάρκεια της καταβύθισης. Ως παράμετρος παρακολούθησης της εξέλιξης της κρυσταλλικής ανάπτυξης χρησιμοποιήθηκε η ειδική αγωγιμότητα των υπέρκορων διαλυμάτων, η οποία εμετρείτο με τον αντίστοιχο αισθητήρα, το σήμα από τον οποίο, ενεργοποιούσε αυτόματο τιτλοδότη για την προσθήκη αντιδραστηρίων κατάλληλης συγκέντρωσης. Οι μετρήσεις του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης έδειξαν παραβολική εξάρτηση από τον υπερκορεσμό των αντίστοιχων διαλυμάτων ενώ δεν παρουσιάστηκε εξάρτηση του ρυθμού από την συγκέντρωση των φύτρων για τις συγκεντρώσεις κρυστάλλων μεταξύ 0,026 – 0,19 mg.L. Η εξάρτηση του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης του θειικού βαρίου από τον υπερκορεσμό των αντίστοιχων διαλυμάτων έδειξε ότι ο μηχανισμός καθορίζεται από την επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων. Οι αναστολείς που χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη στην επίδραση της παρουσίας τους στα υπέρκορα διαλύματα στο ρυθμό της κρυσταλλικής ανάπτυξης φύτρων θειικού βαρίου ήταν το βενζοϊκό- 1,3,5 τρις φωσφονικό οξύ (BTP) και το άμινο τρις-μεθυλενοφωσφονικό οξύ (AMP). Η κυριότερη διαφορά των δυο ενώσεων έγκειται στη μοριακή τους γεωμετρία: Το πρώτο χαρακτηρίζεται από σχετική ακαμψία των δεσμών ενώ το δεύτερο από ευκινησία . Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων αυτών διαπιστώθηκε ότι η παρουσία των αναστολέων στα υπέρκορα διαλύματα είχε σημαντική επίδραση (αύξηση) στη διαλυτότητα του θειικού βαρίου, ενώ ταυτόχρονα παρατηρήθηκε μείωση των ρυθμών κρυσταλλικής ανάπτυξης. Το AMP βρέθηκε ότι ήταν περισσότερο αποτελεσματικό στην αναστολή της καταβύθισης του θειικού βαρίου, προκαλώντας μείωση στο ρυθμό σε ποσοστό μεγαλύτερο του 90% σε συγκεντρώσεις της τάξης των 30 ppm. Το BTP ήταν και αυτό αρκετά αποτελεσματικό, παρατηρήθηκε όμως ότι η αποτελεσματικότητα της παρουσίας του ήταν αρκετά υψηλή (>50%) σε χαμηλές (10 ppm) και σε υψηλές συγκεντρώσεις (>50 ppm) συγκεντρώσεις, ενώ στις ενδιάμεσες συγκεντρώσεις η αποτελεσματικότητά του ήταν σημαντικά μικρότερη. Επιπλέον, το AMP είχε ανασταλτική δράση στο ρυθμό καταβύθισης του θειικού βαρίου τόσο σε αλκαλικές (pH=9,5) όσο και σε όξινες (pH=3,6) τιμές pH στα υπέρκορα διαλύματα. Η αποτελεσματικότητα του AMP ήταν αρκετά υψηλή, μεγαλύτερη από 70%, σε συγκεντρώσεις >30 ppm. / Barium sulfate is a crystalline solid encountered as mineral and precipitated in numerous applications from analytical chemistry to the of fire resistant paints up to the oil industry to avoid the pressure increase during the drilling. However, in oil industry form deposits which are difficult to remove due to the low solubility. The removal of barium sulfate scale deposits is not possible through the use of common acids, because the solubility of this salt does not change significantly with increasing acid concentration. Moreover the use of mineral acids result in the severe corrosion of the metal parts of the equipment involved (pipes, water storage reservoir). Alternative descaling and scale prevention techniques have been desighed and are widely applied. In these techniques, a number of compounds have been used which, when added at very low concentrations in scale prone aquatic media result in the inhibition or cancellation of the formation of barium sulfate scale deposits. In these compounds which include poly-phosphonates or polyelectrolytes with sulfonated or carboxyl functional groups, have shown impressive results. The issue of structure of the additive molecules both in solution but most important upon adsorption on the surface of the nuclei of the crystalline deposit forming under the favorable friving force created by the solution supersaturation, is very important for obtaining a better understanding of the factors underlying the efficiency of inhibition of inorganic scale formation. In the present work, we investigate the kinetics of precipitation of barium sulfate from supersaturated solutions both in the absence and in presence of additives was investigated. The kinetics of crystal growth were investigated using the seeded growth techiwue at sustained supersaturation. The molar ratio of total barium : sulfate (Ba:SO4) in the supersaturated solutions was 1:1 and all experiments were done at 25oC in the absence and presence of additives. The width of the metastable zone for the barium sulfate system was determined from spontaneous precipitation experiments involving unstable supersaturated solutions with the “free drift” technique. From the dependence of the inhibition times preceding precipitation on the solution supersaturation and using the classical nucleation theory (CNT) models the surface energy of the precipitated phase was estimated. The kinetics of crystallization of barium sulfate were investigated in stable supersaturated solutions which were seeded with well-aged and characterized barium sulfate crystals prepared from slow mixing of equimolar barium chloride and sodium sulfate solutions. The molar ratio Ba:SO4 was in these experiments 1:1. The rates of crystal growth were measured at conditions of constant supersaturation using a specific conductivity probe, which through the synchronized burettes of an automatic titrator triggered the addition of equimolar barium chloride and sodium sulfate solutions. The added titrants had the appropriate composition to compensate for the respective quantities transferred to the solid phase forming. The rate of titrants addition yieleded the rates of crystal growth at the respective conditions. The measured crystal growth rates showed parabolic dependence on the solution supersaturation suggesting the prevalence of a surface diffusion controlled mechanism. Moreover, the independence of the measured crystal growth rates (moles precipitated per unit time and seed crystals surface area) on the mass of the seed crystals. Confirmed that crystal growth took place exclusively on the seed crystals. The effect of the presence of benzene-1,3,5-triyltris phosphonic acid (BTP) and amino-tris(methylenephosphonic) acid (AMP) in the supersaturated solutions on the rates of crystal growth of barium sulfate was investigated by measurements of the respective crystal growth rates at sustained supersaturation as in the additives free solutions. The main structural difference of the two molecules tested is that the former has a flat conformation because of the aromatic ring while the latter has a significantly higher freedom of motion. The presence of the test additives in the supersaturated solutions had a significant effect on the solubility of barium sulfate. The modified solubilities were calculated from measurements of the concentrations of free Ba2+ and SO42- ions concentrations and solution supersaturations were calculated accordingly. The presence of the test additives resulted in the significant reduction of the respective crystal growth rates. The presence of AMP in the ssupersaturated solutions caused reduction of the crystal growth rates as high as 90% at 30 ppm. BTP was efficient as well in inhibiting barium sulfate crystallization. However, it was found that rates were reduced by more than 50% at concentrations as low as 10 ppm and high concentrations in the range of 50 ppm. At intermediate concentration (20-30 ppm) the efficiency of BTP in the reduction of crystal growth of barium sulfate was significantly lower. AMP inhibited barium sulfate scale not only at alkaline pH (pH=9,5) values and at acidic values (pH=3,6). At pH=3,6 and for AMP conentrations of 30 ppm the rates of crystal growth of barium sulfate were reduced by 70% with respect to the values in its absence.

Η κρυστάλλωση και η διάλυση αλάτων αποτελούν σημαντικές διεργασίες οι οποίες συνεισφέρουν στην φθορά των μνημείων της πολιτιστικής μας κληρονομιάς, τα οποία έχουν κατά κύριο λόγο κατασκευασθεί από δομικά υλικά όπως ο ασβεστόλιθoς και το μάρμαρο. Η κρυστάλλωση ευδιάλυτων αλάτων (π.χ. θειϊκό νάτριο, θειϊκό μαγνήσιο, χλωριούχο νάτριο) σε πορώδη υλικά έχει καταστροφικές επιπτώσεις τόσο στις ιστορικές όσο και στις σύγχρονες κατασκευές από σκυρόδεμα. Το πιο κατεστρεπτικό άλας για την ακεραιότητα των κατασκευών έχει αποδειχθεί, ότι είναι το θειίκό νάτριο. Η κατανόηση του μηχανισμού κρυστάλλωσης του άλατος αυτού είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τον περιορισμό ή τον έλεγχο του σχηματισμού του σε ατμοσφαιρικές συνθήκες. Για τον σκοπό αυτό, έγινε συστηματική μελέτη της κρυσταλλικής ανάπτυξης του δεκαένυδρου θειϊκού νατρίου (Μιραμπιλίτης) σε υπέρκορα διαλύματά του. Αναπτύχθηκε μεθοδολογία βασισμένη στον εξώθερμο χαρακτήρα της κρυσταλλικής ανάπτυξης του μιραμπιλίτη. Η πειραματική μελέτη περιορίσθηκε στην ετερογενή κρυσταλλική ανάπτυξη τόσο σε φύτρα Μιραμπιλίτη, όσο και σε ξένα υποστρώματα. Τα υποστρώματα τα οποία μελετήθηκαν περιλάμβαναν ασβεστόλιθο από την Γρανάδα (ασβεστιτικός κυρίως) καθώς και ψαμμόλιθο (Πράγα, Τσεχίας) πυριτικής κατά κύριο λόγο σύστασης. Η μελέτη της κινητικής της κρυσταλλικής ανάπτυξης του Μιραμπιλίτη, έδειξε ότι το καθορίζον την ταχύτητα στάδιο είναι η διάχυση των δομικών μονάδων στην επιφάνεια των κρυσταλλικών φύτρων του Μιραμπιλίτη. Το συμπέρασμα αυτό οδήγησε στην δοκιμή οργανοφωσφορικών ενώσεων, ως προς την επίδρασή τους στην κινητική της κρυσταλλικής ανάπτυξης του μιραμπιλίτη. Οι ενώσεις αυτές ιονίζονται και αλληλεπιδρούν αποτελεσματικά με την κρυσταλλική επιφάνεια δηλητηριάζοντας τα ενεργά κέντρα κρυστάλλωσης. Ο βαθμός ιονισμού βρέθηκε ότι είναι καθοριστικός για την ανασταλτική τους δράση. Πειράματα ταχείας καταβύθισης ευδιάλυτων αλάτων ηλεκτρολυτών σε ασβεστολιθικά και ψαμμιτικά δοκίμια τα οποία έγιναν τόσο με εμβάπτιση, όσο και με έκθεση σε θάλαμο αλατονέφωσης επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα της μελέτης της κινητικής της κρυστάλλωσης του Μιραμπιλίτη και της σχετικής αποτελεσματικότητος των αναστολέων που χρησιμοποιήθηκαν. Πλην της κρυσταλλικής ανάπτυξης ευδιάλυτων αλάτων, σημαντική συνεισφορά στην αποδόμηση των δομικών υλικών παίζει και η διάλυση του ανθρακικού ασβεστίου, το οποίο και αποτελεί τη βασική συστατική τους ένωση. Για τη μελέτη της διεργασίας της κρυσταλλικής ανάπτυξης και διάλυσης του ανθρακικού ασβεστίου τόσο απουσία όσο και παρουσία ανιόντων όπως τα θειϊκά και τα ανιόντα φθορίου χρησιμοποιήθηκε η μικροσκοπία ατομικής δύναμης,η οποία έδωσε την δυνατότητα in situ μέτρησης του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης και διάλυσης σε συνθήκες σταθερού κορεσμού. Η παρουσία θειϊκών ανιόντων έδειξε ότι η κρυσταλλική ανάπτυξη του ανθρακικού ασβεστίου αναστέλλεται ενώ η παρουσία φθορίου επιταχύνει τη διάλυση. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων της κινητικής των διεργασιών έδειξαν ότι οι επιμολύνσεις στα υπέρκορα διαλύματα δρούν στην κινητική λόγω προσρόφησης και δέσμευσης των ενεργών κέντρων κρυσταλλικής ανάπτυξης διάλυσης. / The research made in the present PhD Thesis entitled “Crystallization and dissolution study of electrolyte salts”. The objective of the dissertation concerned both crystallization and dissolution processes of soluble sodium sulfate and insoluble calcium carbonate electrolyte salts approached by different experimental aspects but directly connected to environmental and scientific issues. Salt crystallization is an important cause for the weathering and damage of historical and cultural heritage artifacts and ornamental stones. Soluble salts (i.e. sodium sulfate, magnesium sulfate, sodium chloride) have also a damaging and fateful impact on civil engineering structures of roads and building foundations. Most damaging salt for such built frameworks is proven to be sodium sulfate salt. Only when we have a better understanding of sodium sulfate crystallization in an unconstrained fluid medium can we progress to a study of sodium sulfate crystallization in porous building materials. At the beginning of this study batch crystallization experiments of sodium sulfate salt were conducted. Additionally potential organic inhibitors (i.e. organophosphonate, polyacrylates) were tested in the same batch experimental system. Popular and applicable limestone building material is of uniform composition consisting mainly calcium (calcitic material). Granada’s calcarenite has been selected as one of the target material to study. This natural stone is representative of the building material utilized in construction material monuments and susceptible to salt crystallization. In situ AFM experiments of both calcite crystal growth and dissolution were performed in the presence of different electrolyte solutions (i.e. sodium sulfate and sodium fluoride). Nanoscale phenomena during the growth of solid solutions on calcite surfaces were performed in the presence of sodium sulfate electrolyte solutions. Further molecular-scale surface processes during both growth and dissolution of calcite in the presence of sodium fluoride electrolyte solutions were carried out. In all cases significant kinetic data and reaction mechanisms were extracted. Accelerated degradation of Granada’s limestone and Czech sandstone experiments were executed. Tested materials were exposed and impregnated in concentrated solutions of soluble salts (i.e. sodium sulfate, magnesium sulfate and sodium chloride). Immersed limestone type material showed susceptibility to sodium sulfate and sandstone type material to sodium chloride salt solution. Different pre-treatments of limestone specimens with organophosphonate compounds resulted in limiting material damage from sodium sulfate influence. The use of such organic compounds may direct towards a potential implication of conserving building frameworks. Finally suspended limestone rods were subjected to sodium sulfate spray chamber. Pre-treatment of limestone rods with organophosphonate compounds were completed. Again applications of organophosphonate compounds to exposure of limestone material in salt spray chamber may work towards a case of preventing porous material from salt damage and protect building stones.