Οι βιοαντιδραστήρες μεμβρανών αποτελούν μια καινοτόμο τεχνολογία, ιδανική για την αποκατάσταση προηγμένων αστικών και βιομηχανικών λυμάτων, τα οποία περιέχουν υψηλά ποσοστά βιοαποικοδομήσιμων οργανικών ενώσεων. Η παρούσα εργασία αποτελεί ένα μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας ανάπτυξης μιας νέας κατηγορίας λειτουργικών μεμβρανών τεχνολογίας “Βιοαντιδραστήρα Μεμβρανών” (Membrane Bioreactors, MBRs) ή/και βελτίωσης των ήδη χρησιμοποιούμενων μεμβρανών τεχνολογίας MBR με την ενσωμάτωση στο ενεργό πορώδες τους νανοσωλήνες άνθρακα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα δυνητικά θα προσέφεραν ταυτόχρονα υψηλότερες ταχύτητες ροής νερού, υψηλότερο ποσοστό απόρριψης οργανικών ενώσεων και ανόργανων αλάτων χαμηλού μοριακού βάρους, καθώς και υψηλότερη αντοχή της μεμβράνης στην εναπόθεση διαφόρων μικροοργανισμών. Η πρόκληση στην περίπτωση αυτή είναι η αποτελεσματική ενθυλάκωση τους στην ενεργή εκλεκτική στοιβάδα των μεμβρανών αυτών.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα από την πρώτη στιγμή της ανακάλυψης τους, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω της ευρείας εφαρμογής τους σε πολλά επιστημονικά και τεχνολογικά πεδία, ως συνέπεια των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Οι χημικές, οπτικές, ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητές τους, τους καθιστούν δυνητικά χρήσιμους σε πάρα πολλές εφαρμογές. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, τα τελευταία 5-7 έτη, οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν ταυτοποιηθεί ως μια καινούργια γενιά νανο-πορωδών υλικών με τρομερό δυναμικό για εφαρμογές ως φίλτρα σε υλικά μεμβρανών που θα μπορούσε να φέρει πραγματική επανάσταση στο σχετικό χώρο. H δυνατότητα ελέγχου της διαμέτρου τους και κατά συνέπεια του μεγέθους των πόρων τους μέσω των οποίων λαμβάνει χώρα το φαινόμενο της διάχυσης ή ροής (από τα 4 Angstroms έως τα 15 nm), σε συνδυασμό με τα σχεδόν άτριβου χαρακτήρα γραφιτικά τους τοιχώματα, εξασφαλίζει εξαιρετικά ταχεία ροή μικρών μορίων με ταυτόχρονη καταπληκτική εκλεκτικότητα στη διαπερατότητα μορίων με βάση το μέγεθός τους.
Η ροή υγρών μέσα από αυτές των νανοσωλήνων άνθρακα προβλέπεται να είναι 3-5 τάξεις μεγέθους πάνω απ’ ότι αναμένεται με βάση υπολογισμούς βασισμένους σε απλές αρχές της υδροδυναμικής.
Στο πλαίσιο αυτό, μελετήθηκε ο εμβολισμός νανοπορωδών εμπορικών μεμβρανών με διάφορα είδη νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs): μονοφλοιϊκών (με ένα τοίχωμα) (Single Wall CNT: SWCNT), διπλοφλοιϊκών (με δύο τοιχώματα) (Double Wall CNT: DWCNT), πολυφλοιϊκών (με πολλαπλά (~15) τοιχώματα) (Multi Wall CNT: MWCNT), λεπτών “πολλαπλού” τοιχώματος (με λίγα (~6-7 ) τοιχώματα) (thin MWCNT), αλλά και τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος με υδρόξυ-ομάδες (-OH) και καρβόξυ-ομάδες (-COOH) καθώς επίσης και νανοσωλήνων άνθρακα τροποποιημένων με διάφορα πολυμερή όπως πολυβινυλοπυρολιδόνη (PVP), πολυμεθακρυλικό γλυκιδιλεστέρα (PGMA), (PSSPC16).
Οι νανοσωλήνες άνθρακα, αρχικά, χαρακτηρίσθηκαν με τη βοήθεια της φασματοσκοπίας Raman και της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης και μελετήθηκε η διασπορά τους σε νερό (H2O) και αιθανόλη (EtOH). Κατόπιν, εμβολίσθηκαν σε διαφόρων τύπων πορώδεις ανισοτροπικές μεμβράνες (πόρων κωνικού τύπου), αλλά και σε μεμβράνες καθορισμένου μεγέθους πόρων κυλινδρικού τύπου (track etched), στην προσπάθεια ανάδειξης μιας βέλτιστης ενθυλάκωσής τους στο ενεργό/εκλεκτικό τμήμα των μεμβρανών αυτών, κάτι που δεν είναι καθόλου προφανές. Αναπτύχθηκε μια πειραματική διάταξη εμβολισμού νανοσωλήνων άνθρακα, βασιζόμενη στην αρχή της διήθησης/φιλτραρίσματος, η οποία επέτρεψε ένα βαθμό εμβολισμού τους στις μεμβράνες και μια τάση βελτίωσης του χρόνου/των ρυθμών διέλευσης του νερού από αυτές. Στην προσπάθεια αυτή αρωγός σ’ ένα μεγάλο βαθμό αποδείχθηκε η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης. / Membrane Bioreactors are an innovative technology, ideal for the treatment and rehabilitation of advanced municipal and industrial wastewater which contain high biodegradable organic compounds. A new category of functional membranes for technology MBR, which offer higher water flow, higher rejection rate of organic compounds and inorganic salts of low molecular weight, and greater resistance to the deposition of the membrane of microorganisms may be ensured by the inclusion of various types of carbon nanotubes (CNT’s) into porous polymeric membranes and its basic principle is the efficient binding of modified carbon nanotubes in these membranes.
Carbon nanotubes, from the first moment of their discovery, have attracted the interest of the scientific community, due to their wide application in many scientific and technological fields, as a result of their unique properties. More specifically, the chemical, optical, electrical and mechanical properties make them potentially useful in many applications. Important is the use of carbon nanotubes for the development of an innovative high performance membrane for use in Membrane Bioreactors Technology (Membrane Bioreactors, MBR’s).
In the present study different types of carbon nanotubes were examined, such as single-wall carbon nanotubes (SWCNT’s), double-wall carbon nanotubes (DWCNT’s), multi-wall carbon nanotubes (MWCNT’s), thin multi-wall carbon nanotubes (thin MWCNT’s), and modified carbon nanotubes with hydroxy groups (-OH), carboxyl groups (-COOH) as well as carbon nanotubes modified with various polymers such as polyvinylpyrrolidone (PVP), phosphonium salt of polystyrene sulfonate (PSSPC16) and polyglycidyl methacrylate (PGMA).
Initially, the different types of carbon nanotubes were characterized, using Raman Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy. Their dispersion in H2O and ethanol was also examined. Then, they were infiltrated into various types of porous anisotropic membranes with conical porous and into defined pore size membranes (track etched), to find the most suitable combination, which would result to the best water flow through the infiltrated membrane. For this purpose, an experimental device was developed, based on the principle of filtration, which allowed both the filtration of the nanotubes in the films, and the measuring of the water flow through them. Furthermore, the optimal conditions of the system were studied that could both bring about the greater coverage of the membrane pores from nanotube suspensions, (probed by SEM), and result to the optimum water flow rate.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/7852 |
| Date | 01 July 2014 |
| Creators | Σκλαβουνάκη, Δήμητρα |
| Contributors | Βογιατζής, Γεώργιος, Sklavounaki, Dimitra, Μαυραντζάς, Βλάσσης, Μπόκιας, Γεώργιος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0131 seconds