Providing access to clean drinking water will continue to be a challenge for civil engineers for generations to come. Since many communities around the world rely on groundwater as a source of drinking water, remediation technologies must be implemented at sites where groundwater contamination exists due to years of mismanagement of hazardous waste. Using nanosized zero-valent metals such as iron and zinc embedded within and on the surface of functionalized (PAA) membrane filters has shown to be an effective dechlorination technique for contaminated groundwater. Introducing a noble metal such as Pd or Ni increases reaction rates by acting a catalyst for the dechlorination reaction. This study focuses on the treatment of contaminated groundwater at a hazardous waste site in Louisville, Kentucky. Once a chlorinated organic chemical manufacturing plant, the site now operates a treatment system for the contaminated groundwater to prevent migration into the nearby Ohio River. A portable membrane treatment system, built at the University of Kentucky, incorporates this functionalized bimetallic membrane technology for treatment of the groundwater found at the former manufacturing plant. Three bench scale tests were performed with membrane treatment system using DI water spiked with the chemical trichloroethylene (TCE). Results showed that using the functionalized Fe/Pd membranes significant decreased TCE concentrations over time. While further tests should be conducted to verify the results of the preliminary bench-scale tests, the membrane treatment system shows potential for use at the hazardous waste site in Kentucky.

Landfill leachates are often discharged to wastewater treatment plants (WWTPs) but their highly varied composition makes their treatment in WWTPs difficult. Landfill leachates contain bio-refractory organic matter which easily passes the biological treatment processes at WWTPs and increases the organic matter in the effluent. Leachates also interfere with the UV disinfection process at treatment plants. Another concern is the presence of large amounts of bio-refractory organic nitrogen in the leachates which makes it difficult for WWTPs to meet the tightening total nitrogen requirements. Studies were conducted to evaluate the applicability of anion exchange resins to remove organic matter, UV quenching substance and organic nitrogen from landfill leachates. Leachate samples based on varying age and treatment methods were utilized. The anion exchange resins were found to work effectively for all studied leachates. The resins were found to remove more bio-refractory UV absorbing substances as compared to total organic carbon (TOC), suggesting that anion exchange resins could be employed for removal of UV absorbing substances. Multiple regenerations of the resin showed slight loss in the capacity to remove UV and organic carbon. Fractionation of leachate samples showed effective removal of humic acid (HA) fraction which is responsible for most of UV quenching. The resin was also found to effectively remove the bio-refractory hydrophilic (Hpi) fraction which tends to persist even after HA fraction has bio-degraded. Membrane filtration (1000 Da and 3000 Da Molecular weight cut off) in conjunction with ion exchange resins achieved better removal of organic matter and UV254 absorbing substances. In addition, this also significantly improved the performance of resins. Significant removal of organic nitrogen was also observed using anion exchange though it was less than both UV and TOC. Around 80% removal of organic nitrogen associated with bio-refractory Hpi fraction was achieved using anion exchange suggesting ion exchange as a viable alternative for removing organic nitrogen. / Master of Science

Οι πίδακες πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης διαδραματίζουν ολοένα και σημαντικότερο ρόλο σε διάφορες διαδικασίες επεξεργασίας και εφαρμογής του ψυχρού πλάσματος. Αυτό συμβαίνει λόγω της ιδιαίτερης ιδιότητας τους να παράγουν ενεργά φορτισμένα σωματίδια διατηρώντας τη θερμοκρασία του αερίου σε χαμηλές τιμές. Πρόσφατα, αυτό το ελκυστικό χαρακτηριστικό οδήγησε στην εκτεταμένη χρήση τους σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλές θερμοκρασίες, όπως στην επεξεργασία υλικών και σε βιολογικές εφαρμογές. Η μελέτη δύο τέτοιων εφαρμογών καθώς και η ανάλυση των χαρακτηριστικών εκκένωσης που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό ενός αντιδραστήρα παραγωγής πίδακα πλάσματος αποτελούν τους δύο κεντρικούς άξονες αυτής της διπλωματικής εργασίας. Ένας από τους κύριους στόχους του παρόντος εκπονήματος είναι ο προσδιορισμός των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας ενός συστήματος παραγωγής πίδακα πλάσματος. Ως επόμενο αντικείμενο μελέτης είναι η εφαρμογή ενός δεύτερου παρόμοιου συστήματος παραγωγής πίδακα πλάσματος για τροποποίηση της επιφάνειας πολυμερούς (πολυανθρακικού) με σκοπό την αύξηση της υδροφιλίας του και βελτίωση της βιοσυμβατικότητάς του. Επιχειρείται ανάλυση των μηχανισμών που καθορίζουν την αλληλεπίδραση του πίδακα πλάσματος με το πολυμερές. Τέλος, πραγματοποιείται εφαρμογή του ίδιου συστήματος για επεξεργασία λιποσωμικών μεμβρανών ως μοντέλο βιοσυστήματος. Ειδικότερα: • Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται κάποιες βασικές έννοιες και χαρακτηριστικά που αφορούν στο ψυχρό πλάσμα με έμφαση στους πίδακες ψυχρού πλάσματος και παρατίθενται διάφορα παραδείγματα αυτών που έχουν καταγραφεί στη βιβλιογραφία μέχρι σήμερα επιλέγοντας ως κριτήριο κατάταξής τους την τάση τροφοδοσίας. • Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά οι δύο πειραματικές διατάξεις πίδακα πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης όπου πραγματοποιήθηκε το σύνολο των μετρήσεων. Παρουσιάζονται τα επιμέρους όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση συγκεκριμένων μεγεθών και ταυτόχρονα παρατίθενται φωτογραφικό υλικό. Tέλος περιγράφονται δύο εφαρμογές του δεύτερου συστήματος που αφορούν στην επεξεργασία του πολυμερούς και των λιποσωμάτων και αναλύονται οι διαγνωστικές τεχνικές που εφαρμόστηκαν. • Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το σύνολο των πειραματικών αποτελεσμάτων. Για τους σκοπούς αυτής της εργασίας πραγματοποιήθηκαν ηλεκτρικές και οπτικές μετρήσεις, μετρήσεις γωνιών επαφής, XPS αναλύσεις και μετρήσεις έντασης φθορισμού. • Στο τέταρτο κεφάλαιο καταγράφονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις επιμέρους μελέτες. Σημειώνονται ενδεικτικές τιμές των παραμέτρων του πρώτου συστήματος πίδακα πλάσματος για βέλτιστη λειτουργία. Επιτυγχάνεται μείωση της γωνίας επαφής έως και 49ο και τονίζεται ο πρωταρχικός ρόλος των διεγερμένων ουδέτερων και μετασταθών σωματιδίων του πίδακα πλάσματος στην επεξεργασία. Τέλος, παρατηρείται ποσοστό διάσπασης-επεξεργασίας των λιποσωμάτων έως 15%. / Non-thermal atmospheric pressure plasma jets are playing an increasingly important role in various plasma processing applications. This is because of their practical capability to achieve enhanced gas phase chemistry without the need of elevated gas temperatures. This attractive characteristic recently led to their extensive use in applications that require low temperatures, such as material processing and biomedical applications. The studies of two applications as well as the analysis of discharge characteristics inside the atmospheric pressure plasma jet are the two principal issues of this thesis. More specifically, one of the main objects of the present thesis is the determination of the optimal operation conditions for an atmospheric plasma jet system. A second, similar atmospheric plasma jet system was applied for surface modification of a polymer (polycarbonate) by increasing its wettability Τhe analysis of mechanisms governing the interaction of plasma jet with the polymer is presented. Finally, the same system was also applied for liposomes treatment considered as biosystem model. Particularly: • In the first chapter a brief report on the general characteristics of plasma is mentioned and a review of the different atmospheric pressure plasma jets developed until today is presented. The plasma jets are classified according to their power sources. • In the second chapter the two different experimental set-ups used are described in details. The specific characteristics of each atmospheric pressure plasma jet are outlined and all the others apparatus used are presented and demonstrated by means of photography. At the end, two applications of the second plasma jet are referred concerning polymer and liposome treatment with their respective diagnostics techniques. • In the third chapter the total experimental measurements are presented. For the goals of this thesis were conducted a plenty of electrical and optical measurements, contact angles measurements, XPS analyses and fluorescence intensity measurements. • In the forth chapter all the conclusions exported of each part are recorded. Firstly, the optimal operational conditions, as excluded from the experimental procedure, are recorded. It is obtained a significant decrease of contact angle until 49ο, emphasizing on the dominant role of the reactive excited neutrals and metastables species. Also modification of the liposome membranes is observed at the percentage of 15%.