Η ανάπτυξη πρωτεϊνικών κρυστάλλων, κατάλληλων για κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ, είναι γνωστό ότι είναι το βασικό στοιχείο του προσδιορισμού της πρωτεϊνικής δομής. Οι κρυσταλλογράφοι αντιμετωπίζουν σε καθημερινή βάση προβλήματα όπως η ποσότητα της πρωτεΐνης, η διαθεσιμότητα της υψηλής ποιότητας κρυστάλλων πρωτεΐνης και ο έλεγχος του μεγέθους του κρυστάλλου. Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για να βελτιωθεί η διαδικασία κρυστάλλωσης με τη χρήση των μαγνητικών πεδίων, της ηλεκτρό-εστίασης, και των εσωτερικών ή εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων. Τα ηλεκτρικά πεδία αποτελούν μια σημαντική μεθοδολογική πρόοδο και έχουν χρησιμοποιηθεί προκειμένου να ενισχυθεί η δημιουργία και ανάπτυξη πυρήνων κρυστάλλωσης. Σε αυτή την εργασία διερευνήθηκε η επίδραση της ασύρματης μεταγωγής ρεύματος κατά την κρυστάλλωση της λυσοζύμης, της ριβονουκλεάσης Α και της ινσουλίνης χρησιμοποιώντας μια πρωτότυπη συσκευή παραγωγής ιόντων. Η μέθοδος διάχυσης ατμών χρησιμοποιήθηκε σε όλες τις πειραματικές διατάξεις. Η ποιότητα των κρυστάλλων και η τρισδιάστατη δομή των πρωτεϊνών που καλλιεργήθηκαν με και χωρίς την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου αναλύθηκαν μέσω της περίθλασης ακτίνων-Χ. Οι κρύσταλλοι εμφανίστηκαν νωρίτερα στα δείγματα που εκτέθηκαν στο ηλεκτρικό πεδίο σε σχέση με τα μη εκτεθειμένα δείγματα κάτω από ταυτόσημες συνθήκες. Επιπλέον, οι κρύσταλλοι πρωτεΐνης που ελήφθησαν σε μικρότερους χρόνους ήταν μεγαλύτεροι σε μέγεθος. Αρκετά ενδιαφέρον ήταν ότι η ποιότητα των κρυστάλλων που αναπτύχθηκαν στις εκτεθειμένες σταγόνες ήταν η ίδια, αν όχι καλύτερη από, εκείνη των κρυστάλλων που αναπτύχθηκαν στις μη εκτεθειμένες σταγόνες σε κάποιο ηλεκτρικό πεδίο. Η διαδικασία πυρήνωσης φαίνεται να διαφέρει μετά από την έκθεση σε κάποιο ηλεκτρικό πεδίο από ότι η μη έκθεση σε αυτό υπό ταυτόσημες συνθήκες. Η χρήση της πρωτότυπης συσκευής ασύρματης μεταγωγής ρεύματος φαίνεται να επάγει τον προσανατολισμό των πολικών μορίων της πρωτεΐνης, ευνοώντας έτσι την κρυστάλλωση. Η χρήση της συσκευής προσφέρει το πλεονέκτημα ότι παρέχει φορτισμένα σωματίδια πάνω σε ολόκληρη την εκτεθειμένη επιφάνεια του διαλύματος κρυστάλλωσης, ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο μόλυνσης. Επίσης, η συσκευή αυτή είναι πολύ απλούστερη και ευκολότερη στη χρήση από ό,τι άλλες συσκευές με κλασικά ηλεκτρόδια. / The growth of protein crystals, suitable for X-ray crystallography is known to be the basic element of the protein structure determination. Crystallographers face problems such as the amount of the protein, the availability of high-quality protein crystals and the control of the crystal size in a daily basis. Many efforts have been made to improve crystallization process with the use of magnetic fields, electro–focusing, and internal or external electric fields. The electric fields consist a significant methodological advancement and have been used in order to enhance nucleation and crystal growth. In this work, the influence of a non-contact current transfer upon the crystallization of Lysozyme, Rnase A and Insulin was investigated using a prototype ion-generator device. The vapor diffusion method was used in both hanging and sitting drop setups. The crystal quality and the three-dimensional structure of lysozyme grown with and without the EF influence were analyzed by means of X-ray diffraction. Crystals appeared earlier in samples exposed to NCCT than in non-exposed samples under identical conditions. Furthermore, protein crystals that were obtained after shorter times were larger in size when grown after exposure to NCCT device. More interestingly, the quality of the crystals grown in NCCT-exposed drops was the same as, if not better than, that of the crystals grown in the control drops. The nucleation process after exposure to NCCT differs from that after exposure to an ion-free gas stream under identical conditions. The use of the NCCT prototype device appears to induce the orientation of the polar protein molecules, thereby favoring crystallization. The use of NCCT offers the advantage of delivering charged particles onto the entire exposed surface of the crystallization solution, while at the same time minimizes the risk of contamination. Also, the use of this device is much simpler and easier to use than other devices with classic electrodes.

Μεταξύ των χρήσιμων συστατικών των παραπροϊόντων των υγρών εκροών ενός ελαιοτριβείου είναι οι φαινολικές ουσίες οι οποίες χαρακτηρίζονται από την υψηλή αντιοξειδωτική τους δράση. Οι φαινολικές ενώσεις, εφόσον ανακτηθούν, είναι δυνατόν να αξιοποιηθούν εμπορικά, αφού μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύ σημαντικούς τομείς όπως στην προστασία της υγείας του ανθρώπου (προστασία από τον διαβήτη, τον καρκίνο), στην βιομηχανία τροφίμων, στην κοσμετολογία κλπ.. Στην παρούσα εργασία, εξετάστηκε ο διαχωρισμός και η ανάκτηση των φαινολικών ενώσεων με τη μέθοδο της κρυστάλλωσης με ψύξη, από υδατικά διαλύματα. Οι φαινολικές ενώσεις που επιλέχθηκαν για μελέτη ήταν η φαινόλη κινναμικό οξύ [trans-cinnamic acid (TCA)] και η φαινόλη φερουλικό οξύ [ferulic acid (FA)]. Η επιλογή τους έγινε γιατί η χαμηλή διαλυτότητα τους, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες της τυροσόλης και της υδροξυτυροσόλης, καθιστά πιο εύκολη τη διερεύνηση της επιλεκτικής τους κρυστάλλωσης στην ψυχόμενη επιφάνεια. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιούταν σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου όγκου, με διπλότοιχα τοιχώματα σε σταθερή θερμοκρασία η οποία ρυθμιζόταν με την βοήθεια θερμοστάτη ανακυκλοφορίας. Το προς κρυστάλλωση διάλυμα εισαγόταν στον αντιδραστήρα και θερμαινόταν σε σταθερή θερμοκρασία. Η κρυστάλλωση λάμβανε χώρα πάνω σε μια ψυχόμενη κυλινδρική επιφάνεια ανοξείδωτου χάλυβα που εμβαπτιζόταν στο διάλυμα. Η θερμοκρασία στην κυλινδρική επιφάνεια διατηρούνταν σταθερή. Ακολούθως, μετά το πέρας του κύκλου κρυστάλλωσης, οι κρύσταλλοι συλλέγονταν για την περαιτέρω ανάλυσή τους. Τα ποσοστά ανάκτησης των πολυφαινολών που επιτεύχθηκαν στην παρούσα εργασία, ήταν ιδιαίτερα υψηλά και ειδικότερα στα πειράματα που περιλάμβαναν διαλύματα υψηλού υπερκορεσμού και χαμηλής θερμοκρασίας ψυχόμενης επιφάνειας. Η παρακολούθηση της μεταβολής της θερμοκρασίας από την ψυχρή επιφάνεια προς τα τοιχώματα του αντιδραστήρα (στην ακτινική διεύθυνση) ως συνάρτηση του χρόνου, δίνει πληροφορίες για το σημείο έναρξης και για την ολοκλήρωση της διεργασίας της κρυσταλλικής ανάπτυξης. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η κατάστρωση και επίλυση των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας καθώς και ο προσδιορισμός (θεωρητικός και πειραματικός) του πάχους του αποτιθέμενου στερεού στην ψυχόμενη επιφάνεια. Η επίλυση των μερικών διαφορικών εξισώσεων δίνει αναλυτικές λύσεις για την κατανομή του προφίλ της υπέρψυξης και της συγκέντρωσης ως προς τα φαινολικά κλάσματα κατά μήκος του αντιδραστήρα. Δεδομένου ότι η υπέρψυξη αποτελεί και την κινούσα δύναμη για την κρυσταλλική ανάπτυξη, παρατηρήθηκε ότι ήταν δυνατή η αριστοποίηση της ανάκτησης των φαινολικών ενώσεων από υπέρθερμα διαλύματα με τη μέθοδο της κρυστάλλωσης με ψύξη. Το ποσοστό ανάκτησης που επιτεύχθηκε ήταν περίπου . Παράλληλα εξετάστηκε επίδραση της συναγωγής στην κρυσταλλική ανάπτυξη. Αυξανομένης της γωνιακής ταχύτητας, ευνοείται η κρυστάλλωση στο κυρίως διάλυμα και παρουσιάζεται μια μείωση στο τελικό ανακτώμενο στερεό μιας και τα moles της προς κρυστάλλωση ουσίας δεν έχουν τον απαραίτητο χρόνο να διαχυθούν και να κρυσταλλωθούν επιλεκτικά στην περιοχή όπου παρουσιάζεται διαφορά συγκέντρωσης. Η τελική σειρά πειραμάτων αφορούσε πειράματα κρυστάλλωσης με ψύξη μίγματος πολυφαινολών καθώς και προκαταρκτικών πειραμάτων αποβλήτου ελαιοτριβείου με σκοπό τη διερεύνηση της δυνατότητας ανάκτησης των πολυφαινολών από διάφορα διαλύματα και άπο το απόβλητο αντίστοιχα. Σε όλα τα παραπάνω, ο προσδιορισμός της υγρασίας στο στερεό κρυσταλλικό στρώμα ήταν υψίστης σημασίας για τον έλεγχο της καθαρότητας των ανακτώμενων κρυστάλλων. Το ποσοστό υγρασίας που προσδιορίστηκε ήταν πολύ μικρό και περίπου ίδιο με το αντίστοιχο ποσοστό των συνθετικών φαινολών / Phenolic compounds are among, the most complex and the most difficult to remove compounds from the by-products of olive mill wastewaters (OMW). Due to significant properties, including stability and anti-oxidative activity, the recovery of poly-phenols (PP) from OMW is of paramount importance. In the present work, trans-cinnamic acid and ferulic acid, model compounds for the PP present in OMW were removed by cooling crystallization from aqueous solutions. Cooling crystallization experiments were done in a batch reactor kept at constant temperature. Solutions of the two tested PP were prepared in the reactor and were allowed to equilibrate. Crystallization took place on the surface of a cylindrical stainless steel (SS) metal tube immersed into the supercooled solution. The SS surface was cooled at a lower temperature with respect to the respective melting point. With respect to each of the PP studied, the respective solubilities as a function of temperature were measured. The formation of PP crystal layers on the SS tube surface took place without any appreciable induction time. In the series of experiments done, the temperature and concentration profile in the batch reactor in the presence of the cooled SS surface were calculated on the basis of mass and heat transport equations for unstirred systems. The imposed super-cooling from the cold surface to the bulk solution, which is the driving force for the crystallization of the phenolic compounds on the SS surface, was thus estimated.

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε μελέτη της κινητικής της κρυστάλλωσης του Μιραμπιλίτη (δεκαένυδρο θειικό άλας), που είναι και το θερμοδυναμικά σταθερότερο άλας του θειικού νατρίου που κρυσταλλώνεται στις συνήθεις περιβαλλοντικές συνθήκες. Η μελέτη έγινε σε ασταθή υπέρκορα διαλύματα τα οποία παρασκευάζονται με διάλυση του θειικού νατρίου. Στην συνέχεια επιλέχθηκαν τρεις οργανοφωσφορικές ενώσεις προκειμένου να διερευνηθεί η επίδρασή τους στην κινητική της κρυστάλλωσης του Μιραμπιλίτη. Το κοινό χαρακτηριστικό αυτών των οργανοφωσφορικών ενώσεων είναι ότι έχουν ιονιζόμενες ομάδες στο μόριο τους και γι’ αυτό θεωρείται ότι μπορούν να δεσμεύουν είτε μέσω προσρόφησης ή με τον σχηματισμό επιφανειακών συμπλόκων, τα ενεργά κέντρα κρυστάλλωσης. / Our work is concerned with the investigation and inhibition of crystal growth for mirabilite. Mirabilite is a hydrated sodium sulfate salt and considers extremely hazardous for building materials as marble and concrete when it crystallizes heterogeneously in pores. The compounds tested with respect to their effect on the crystal growth of mirabilite were three organophosphorus compounds: HEDP, ATMP, HMDTMPA. Those organophosphorus compounds possesses ionizable groups and therefore are consider to be able to block by absorption the active growth sites forming possibly surface complexes.

Μελετάται η ανάπτυξη μεθόδου για την εις βάθος συσσωμάτωση χαλαρών εδαφών που προορίζονται για οικοδόμηση καθώς και για εδάφη περιοχών που υποφέρουν από κατολισθήσεις. Με την ίδια κατά βάση μεθοδολογία, επιχειρείται η επίτευξη στεγανοποίησης κατασκευών σκυροδέματος που υποφέρουν από διαρροές ή από υγρασία και είναι αναγκαία η άμεση αποκατάσταση τους με χαμηλό κόστος. Και στις δύο περιπτώσεις η νέα μεθοδολογία αποτελεί καινοτομία φιλική στο περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό προτάθηκε ένα σύστημα υδατοδιαλυτών χημικών με σκοπό την επί τόπου καταβύθιση ενός δυσδιάλυτου άλατος στα τοιχώματα των πόρων του σκυροδέματος και την μείωση της υδατοπερατότητας του υλικού. Το προτεινόμενο άλας ήταν το οξαλικό ασβέστιο (CaC2O4). Το οξαλικό ασβέστιο είναι το κύριο συστατικό των λίθων του ουροποιητικού. Το μονοένυδρο και διένυδρο οξαλικό ασβέστιο έχουν ανιχνευθεί στην πατίνα, το επιφανειακό επίστρωμα που έχει σχηματιστεί σε αρχαία μνημεία, αγάλματα και φυσικά σχηματισμένους βράχους. Μέχρι σήμερα θεωρείται ότι το στρώμα αυτό οξαλικού ασβεστίου στην επιφάνεια των αρχαίων μνημείων, παίζει σημαντικό προστατευτικό ρόλο για την επιφάνεια που καλύπτει. Αρχικά έγινε συστηματική μελέτη της αυθόρμητης καταβύθισης του οξαλικού ασβεστίου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Οι πειραματικές συνθήκες ήταν τέτοιες που να προσομοιάζουν τις συνθήκες κατά την εφαρμογή των χημικών στο σκυρόδεμα (θερμοκρασία 25°C, pH=6.5 και 10). Μελετήθηκε η επίδραση συνθετικών κρυστάλλων μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου (COM) και κόκκων τσιμεντοκονιάματος. Σε όλες τις περιπτώσεις ανιχνεύθηκε το COM στην καταβυθιζόμενη φάση. Οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται πάνω στους κόκκους τους τσιμεντοκονιάματος και σχηματίζουν μεγάλα συσσωματώματα. Το μέγεθός τους (8-10 μm) και το σχήμα τους (εξαγωνικό πρισματικό) είναι χαρακτηριστικά που ευνοούν το οξαλικό ασβέστιο να παίξει το ρόλο συνδετικού υλικού σε πορώδη μέσα. Ο κύριος μηχανισμός κρυσταλλικής ανάπτυξης είναι η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων στην επιφάνεια του κρυστάλλου. Τέλος, μελετήθηκε η επί τόπου καταβύθιση του COM σε δοκίμια τσιμεντοκονιάματος. Τα διαλύματα εισέρχονταν στο εσωτερικό του δοκιμίου με τη βοήθεια της βαρύτητας. Στα δοκίμια τσιμεντοκονιάματος πραγματοποιήθηκαν πειράματα τριχοειδούς εισρόφησης νερού και μηχανικής επιφανειακής απότριψης. Κατεργασία του τσιμεντοκονιάματος με διάλυμα οξαλικού νατρίου σε υψηλές θερμοκρασίες, φαίνεται να μειώνει την εισρόφηση του νερού. / A new environmental friendly method, for the stabilization of loose soils to be used as building sites and for the amelioration of the properties of concrete constructions suffering from water leaks or humidity has been developed. The novelty of the proposed method is lying on the in situ precipitation of calcium oxalate monohydrate (COM) within the porous structure of soil or on the pore walls of the construction material (concrete) in order to minimize water leakage. Calcium oxalate, encountered often in kidney stones in the form of COM, is notorious for the formation of hard, non-porous aggregates which adhere tenaciously onto substrates. Calcium oxalate in the form of a protective patina is often met as surface layer in marbles or limestones. Mechanistic information concerning the formation of COM in supersaturated solutions may be obtained in seeded growth experiments. In these experiments, supersaturated solutions are seeded either with seed crystals of the same under investigation salt or of any other insoluble solid material on which the heterogeneous formation of the salt of interest may take place. Among the objectives of the present work was to investigate the role of concrete grains on the nucleation and crystal growth of COM. The analysis of the kinetics data showed that the prevalent mechanism for COM precipitation was surface diffusion. In all cases the only crystalline phase forming in the supersaturated solutions was identified as COM. In the second part of the present work the in situ precipitation of COM into mortar samples was studied. SEM analysis showed that crystallization indeed took place within the pores of the concrete. Best results in terms of waterproofing of concrete material were obtained in the case of treating concrete surfaces with sodium oxalate solution at high temperature.

Η Τέφρα Φλοιού Ρυζιού (ΤΦΡ) είναι ένα από τα κυριότερα γεωργικά απόβλητα και προέρχεται από την καύση του φλοιού ρυζιού (ΦΡ) στις ορυζοβιομηχανίες για παραγωγή ενέργειας ή και μείωσης του όγκου των αποβλήτων. Η τέφρα φλοιού ρυζιού αποτελεί περίπου το 18-20% του φλοιού του ρυζιού, ο οποίος αποτελεί περίπου το 20% του ακατέργαστου ρυζιού ενώ συνήθως είναι κρυσταλλική. Καθώς ο παγκόσμιος όγκος της ετήσιας παραγωγής σε ρύζι και κατ’ επέκταση σε τέφρα φλοιού ρυζιού αυξάνεται διαρκώς, εγείροντας περιβαλλοντικά και οικονομικά ζητήματα, η ανεύρεση ενός αποδοτικού και οικολογικού τρόπου εκμετάλλευσης της είναι θέμα μείζονος σημασίας. Παράλληλα, τα υψηλά ποσοστά της ΤΦΡ σε διοξείδιο του πυριτίου την καθιστούν πιθανή πηγή πυριτίου για πολλές εφαρμογές, μία από τις οποίες είναι και οι σύνθεση ζεόλιθων. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αξιοποίηση κρυσταλλικής ΤΦΡ στην σύνθεση τεσσάρων τύπων ζεόλιθων και συγκεκριμένα των MFI, FAU, BEA και LTA. Για τον σκοπό αυτό αρχικά χαρακτηρίστηκε η πρώτη ύλη, δηλαδή η ΤΦΡ, τόσο ως προς την χημική της σύσταση και περιεκτικότητα σε άκαυτο άνθρακα όσο και ως προς την κρυσταλλική δομή της. Στη συνέχεια εξακριβώθηκαν οι συνθήκες καύσης του ΦΡ οι οποίες οδηγούν στην μετατροπή από την άμορφη στην κρυσταλλική δομή του διοξειδίου του πυριτίου, η οποία ονομάζεται χριστοβαλίτης. Εφόσον αυτή η κρυσταλλική δομή είναι ακατάλληλη για την παραγωγή ζεόλιθων, μελετήθηκε η δυνατότητα διαλυτοποίησης της ΤΦΡ σε υδατικό διάλυμα καυστικού νατρίου ώστε να καταστραφούν οι κρύσταλλοι και να παραληφθεί άμορφο διοξείδιο του πυριτίου. Για το σκοπό αυτό, επιλέχθηκαν οι μοριακές αναλογίες των πρώτων υλών που οδηγούν στη σύνθεση καθενός από τους τέσσερεις τύπους ζεόλιθων και η ΤΦΡ επεξεργάστηκε με την κατάλληλη αναλογία καυστικού νατρίου σε υδατικό διάλυμα σε διάφορες θερμοκρασίες και συνθήκες. Παρατηρήθηκε κρυστάλλωση του επιθυμητού τύπου ζεόλιθου σε κάθε μία από τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν, ενώ το ποσοστό της διάλυσης του χριστοβαλίτη βρέθηκε ότι είχε την σημαντικότερη επίδραση στην απόδοση της διεργασίας και την καθαρότητα του προϊόντος. Ταυτόχρονα διαπιστώθηκε ότι το ποσοστό της διάλυσης του χριστοβαλίτη εξαρτάται κυρίως από την αναλογία μαζών RHA/NaOH και βρέθηκαν οι κατάλληλες τιμές. Καθώς το μεγαλύτερο ποσοστό διαλυμένου χριστοβαλίτη παρατηρήθηκε στην περίπτωση της σύνθεσης του ζεόλιθου LTA, η οποία επιπλέον δεν χρειάζεται οργανικό παράγοντα δομής ούτε υψηλές θερμοκρασίες, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη και την βελτιστοποίηση της διεργασίας. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν διαφορετικές μέθοδοι επεξεργασίας της ΤΦΡ με καυστικό νάτριο, σε μεγάλο θερμοκρασιακό και χρονικό εύρος, ώστε να μελετηθεί η κινητική της διάλυσης του χριστοβαλίτη και να βρεθεί η ενέργεια ενεργοποίησης της. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και της διάρκειας στην κρυστάλλωση του ζεόλιθου LTA ώστε να μελετηθεί η κινητική της αντίδρασης και να βρεθεί η ενέργεια ενεργοποίησης της καθώς και οι βέλτιστες συνθήκες απόδοσης της διεργασίας και καθαρότητας του τελικού προϊόντος. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση δύο σημαντικών παραμέτρων, της θερμοκρασίας σύνθεσης και της ταχύτητας ανάδευσης στην ποιότητα του τελικού προϊόντος και βρέθηκαν οι βέλτιστες τιμές τους. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα από την παρούσα εργασία, έχουν κατατεθεί στον Οργανισμό Βιομηχανικής Ιδιοκτησίας (Ο.Β.Ι.), για την χορήγηση Διπλώματος Ευρεσιτεχνίας (Δ.Ε.), με αριθμό αίτησης: 20120100391. / Rice husk ash (RHA) is one of the major agricultural wastes and results from the combustion of rice husk (RH) at rice in milling facilities for energy production or waste volumes reduction. Rice husk ash is about 18-20% of the cortex of the rice, which is approximately 20% of raw rice and is usually in its crystalline form. As the global volume of annual production in rice and hence rice husk ash is increasing, raising environmental and economic issues, finding an efficient and ecological way of RHA exploitation is a major issue. In addition, the high rates of RHA on silica render possible silicon source for many applications, one of which is the synthesis of zeolites. In this study, the use of crystalline RHA in the synthesis of four zeolite types, namely MFI, FAU, BEA and LTA was investigated. For this purpose, the raw material, i.e. RHA, was characterized both in terms of its chemical composition and unburned carbon content as well as its crystalline structure. Afterwards, the combustion conditions of RH which lead to the conversion from the amorphous to the crystalline structure of silica, called cristobalite, were determined. Since this crystalline structure is unsuitable for the production of zeolites, the possibility of solubilizing RHA in aqueous sodium hydroxide solution was investigated, in order to destroy the crystals and receive amorphous silica. For this purpose, the molar ratios of the raw materials which would result in the synthesis of each of the four types of zeolites were selected and RHA was treated with the appropriate amount of sodium hydroxide in aqueous solution at various temperatures and conditions. The crystallization of the desired zeolite type in each of the cases examined was verified, while the rate of dissolution of cristobalite was found to have the most significant effect on the process efficiency and the product purity. Simultaneously, it was found that the rate of dissolution of cristobalite mainly depends on the mass ratio of RHA / NaOH and the most suitable values were determined. As the majority of dissolved cristobalite was observed in the case of LTA synthesis, which moreover does not require organic structure directing agent nor high temperatures, it was chosen to be used for the study of design and optimization process. Specifically, several methods of RHA treatment with sodium hydroxide at high temperature and time range were examined, in order to study the kinetics of dissolution of cristobalite and to find the activation energy. Then, the influence of temperature and duration on the crystallization of LTA was examined in order to study the kinetics of the reaction and to determine the activation energy as well as the optimum conditions of the process in terms of efficiency and final product purity. Finally, the effect of two important parameters, the temperature of the synthesis and the stirring speed, on the final product quality was investigated and the optimal values were found. The results and the conclusions of this study, have been submitted to the Hellenic Industrial Property Organization for the grant of Patent with application number: 20120100391.

Το κίνητρο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των μηχανισμών καταβύθισης μέσω της in-situ ανάμειξης και καταβύθισης δυσδιάλυτων αλάτων( ανθρακικό ασβέστιο) πάνω στις επιφάνειες αλλά και κατά μήκος των πορώδων υλικών. Οι επικαθίσεις δυσδιάλυτων αλάτων σε πορώδη σχηματισμούς, αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα σε βιομηχανικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, στην παγκόσμια βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου πολλές περιοχές άντλησης πετρελαίου αντιμετωπίζουν τεράστιο πρόβλημα επικαθίσεων αλάτων, με αποτέλεσμα την δραματική μείωση της παραγωγής πετρελαίου. Επιπλέον, προβλήματα εναπόθεσης αλάτων μειώνουν την εκμετάλλευση γεωθερμικής ενέργειας, τη διάρκεια ζωής μεμβρανών αφαλάτωσης, καθώς και την απομόνωση του CO2 σε υπόγεια πηγάδια, κτλ. Οι επικαθίσεις αλάτων σε πηγάδια άντλησης πετρελαίου προέρχονται είτε από απευθείας καταβύθιση των διαλυμένων αλάτων που βρίσκονται στο νερό που υπάρχει σε υπόγειες κοιλότητες και καταβυθίζονται εξαιτίας της διαφοροποίησης των τοπικών συνθηκών(κυρίως πίεσης και θερμοκρασίας), είτε από τις μεγάλες ποσότητες νερού που χρησιμοποιείται για την εκτόπιση του πετρελαίου στα πηγάδια παραγωγής. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι εταιρίες εξόρυξης πετρελαίου είναι οι μειωμένοι ρυθμοί άντλησης λόγω της μείωσης του τοπικού πορώδους και της διαπερατότητας από τη δημιουργία και την ανάπτυξης επικαθίσεων στα πηγάδια εξόρυξης. Οι επικαθίσεις αλάτων μπορούν επιπλέον να φράξουν τις σωληνώσεις ή να σχηματίσουν ένα λεπτό στρώμα στα τοιχώματα των σωληνώσεων που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή. Ο σχηματισμός επικαθίσεων έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία λειτουργικών προβλημάτων και δυσκολιών, που οδηγούν σε επιπλέον κόστος και σε εξαιρετικές περιπτώσεις στην εγκατάλειψη του πηγαδιού άντλησης πετρελαίου. Αρχικά έγινε μελέτη της αυθόρμητης καταβύθισης του ανθρακικού ασβεστίου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Μελετήθηκε επίσης και η επίδραση της ίδιας ποσότητας άμμου σε διαφορετικούς αρχικούς υπερκορεσμούς κατά την αυθόρμητη καταβύθιση του ανθρακικού ασβεστίου. Καθ’ όλη τη διάρκεια των πειραμάτων συλλέγονταν δείγματα από τον αντιδραστήρα και ανιχνευόταν η μείωση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίων με τη μέθοδο της ατομικής απορρόφησης. Από τη μείωση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου υπολογίστηκε ο ρυθμός καταβύθισης και στη συνέχεια η φαινόμενη τάξη της αντίδρασης και η σταθερά ταχύτητας. Σε όλα τα πειράματα ανιχνεύτηκε με περίθλαση ακτίνων Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, ο ασβεστίτης ως η μοναδική καταβυθιζόμενη φάση. Κατά την αυθόρμητη καταβύθιση του ανθρακικού ασβεστίου απουσία άμμου, ο κύριος μηχανισμός καταβύθισης βρέθηκε ότι είναι η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων σε κατάλληλες θέσεις στην επιφάνεια των κρυστάλλων, ενώ στα πειράματα παρουσία ποσότητας άμμου οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται με βάση το πολυπυρηνικό πρότυπο. Στην παρούσα εργασία μελετάται επίσης η διεργασία καταβύθισης του δυσδιάλυτου άλατος του ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) σε δισδιάστατα πορώδη δοκίμια Plexiglas®. Μέσω της οπτικής παρατήρησης της ανάπτυξης των επικαθίσεων, επιχειρήθηκε η εξαγωγή ποιοτικών και ποσοτικών πληροφοριών που αφορούν τους μηχανισμούς και τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι ανθρακικού ασβεστίου στα τοιχώματα του προσομοιωτή πορώδους μέσου κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες ροής, θερμοκρασίας και συγκέντρωσης. Δύο ευδιάλυτα διαλύματα χλωριούχου ασβεστίου, CaCl2, και όξινου ανθρακικού ασβεστίου, NaHCO3, αναμιγνύονταν λίγο πριν την είσοδό τους στο πορώδες μέσο με τη βοήθεια εμβολοφόρων αντλιών. Η καταβύθιση του ανθρακικού ασβεστίου λάμβανε μέρος μέσα στο πορώδες γραμμικό μέσο. Χρησιμοποιώντας ένα οπτικό μικροσκόπιο σε συνδυασμό με βιντεοκάμερα ήταν δυνατή η παρακολούθηση και η καταγραφή των κρυστάλλων που εμφανίζονταν καθώς και η ανάπτυξη τους κατά μήκος του καναλιού, στις θέσεις 2 cm, 6 cm, 8 cm και 10 cm από την είσοδο του. Σε κάθε θέση μετρήθηκε η μεταβολή του pH και της συγκέντρωσης του ασβεστίου με το χρόνο και επιπλέον καταγράφηκε ο σχηματισμός των κρυστάλλων του ανθρακικού ασβεστίου με τη βοήθεια της κάμερας του μικροσκοπίου. Για τη μέτρηση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίων χρησιμοποιήθηκε η φασματοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης ενώ ο υπολογισμός του μεγέθους των κρυστάλλων έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος Adobe Photoshop CS5.1. Κατά την διάρκεια του πειράματος ο υπερκορεσμός μειωνόταν κατά μήκος του καναλιού, ως αποτέλεσμα της in situ ανάμειξης των διαλυμάτων του χλωριούχου ασβεστίου και ανθρακικού νατρίου. Τέλος, κοντά στην είσοδο του καναλιού ο αριθμός και το μέγεθος των κρυστάλλων που καταβυθιστήκαν ήταν μεγαλύτερο, συγκριτικά με αυτούς που καταβυθιστήκαν κοντά στην έξοδο. / The deposition of sparingly soluble salts in porous formations is a severe problem encountered in industrial applications. For example, in international oil and gas industry many oil fields in operation face the major problem of scale which reduces dramatically oil production. Moreover, scaling problems limit the utilization of geothermal energy, the operational life of desalination membranes, in CO2 sequestration in subsoil wells, etc. Scale deposits encountered in oil fields are formed either by direct precipitation of the dissolved salts present in the formation water and precipitate because of the change of the local conditions (mainly pressure and temperature) or because of the large quantities of the injection water used for the displacement of the oil in the production wells. In the course of scale formation and development at wellbores, both local porosity and permeability may be reduced resulting in lower oil recovery rates. Scale deposits may also block flow by clogging perforations or by forming a thick layer on the wall of the production tubing. The formation of scales may result in a series of operational problems and difficulties, and in turn, result to additional capital cost, substantial operating cost and in extreme cases in the abandonment of the oil wells. The injection water (sea water) used in oil production is a stream most often incompatible with the well formation water. Mixing the incompatible streams interact chemically resulting in the precipitation of minerals. The high concentrations of SO42- in sea water and the low concentrations of Ba2+/Sr2+ in the formation waters constitute solutions where the concentrations of SO42- are low while the concentrations of Ca2+, Ba2+ and Sr2+ are high. Mixing of these streams, there is a high probability of CaSO4, BaSO4 and/or SrSO4 precipitation. Some of the more common ions frequently encountered in oil field waters and cause precipitation in incompatible waters are Ca2+, Ba2+, Sr2+, Fe2+, HCO3- and SO42-. In most cases, the low solubility and tenaciously adhering calcium carbonate and barium sulfate scale deposits are the most commonly salts found in well scale deposits. Knowledge of the mechanisms underlying the formation of scale deposits and the concomitant effects on the changes of the local porosity and permeability is of paramount importance for the efficient design of scale control processes. On the other hand there are beneficial applications involving the precipitation of insoluble salts. The controlled precipitation of sparingly soluble salts may be used for the effective consolidation of unconsolidated or poorly consolidated formations, like the sandy soils or granular materials (applications: protection of cultivated soils from erosion by raining water, protection of sandy reservoirs from the intrusion of sand grains within the oil wells, waterproofing of underground constructions, e.g. tunnels or other concrete constructions, etc). The main motivation for the present work is the investigation of the precipitation mechanisms through in-situ mixing and the precipitation of sparingly soluble salts (calcium carbonate) in porous materials. The proposed method may be applicable for the prevention of sand entrainment into well bores during oil production in poorly consolidated oil reservoirs. In the present study two series of experiments were done in order to investigate the kinetics of calcium carbonate precipitation in batch reactors using calcium chloride and sodium bicarbonate as the initial reagents in the absence and presence of sand. In all supersaturated solutions used in the present work, the stoichiometric of total calcium ions to total bicarbonate ions was equal to 1:1. During the experiments samples were taken, filtered through membrane filters and analyzed for total calcium by atomic absorption spectroscopy. The analysis of the kinetic data showed that in spontaneous precipitation experiments the crystals grow with spiral mechanism (n=2) and in the presence of sand kinetics data were best fitted by the polynuclear model (n>2). At the end of each experiment, the fluid suspension was filtered with a 0.22 μm filter and the solids were collected, dried at room temperature, and characterized by powder X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Finally, also a series of experiments were done using two dimensional porous (Plexiglas®) medium models in which insoluble salts were nucleated from supersaturated solutions. Through the direct observation of the evolution of the deposits it was attempted to obtain qualitative and quantitative information concerning the mechanisms and pattern of deposition and growth of calcium carbonate scale on pore walls under realistic geometrical, flow, temperature and concentration conditions. Two soluble salts of calcium chloride, CaCl2, and sodium bicarbonate, NaHCO3, were mixed just before the injection point using syringe pumps. Precipitation of calcium carbonate took place within the porous medium. Using an optical microscope in combination with a video- camera it was possible to monitor crystal appearance and growth at a steady state. The growth of the calcium carbonate crystals in different positions within the etched linear porous medium as a function of time was observed. The visual observation of the crystal growth took place in different positions along the channel (2 cm, 6 cm, 8 cm and 10 cm from the inlet of the channel). In every position the changes of the pH and calcium concentration were measured and the formation of crystals was recorded through image capture. During the flow of the mixture through the channel, supersaturation decreased as a result of the in situ mixing of calcium and bicarbonate ions. As it was expected precipitation was favoured near the inlet of the cell and few crystals were precipitated near the outlet. Furthermore, the size of the crystal was bigger near the inlet of the channel in comparison to the crystals that have precipitate near the outlet of the channel.

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.