Εργαστήριο Περιβαλλοντικής Χημείας & Επεξεργασίας Υδάτων και Υγρών Αποβλήτων (ΕΠΧ-ΕΥΑ)

31/07/2019 έως 31/03/2021

3. 3. Περιγραφή Φυσικού Αντικειμένου

3.1 Σκοπός: Στην εργασία που προτείνεται θα διερευνηθεί η  δυνατότητας αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου με φυσικά υλικά τα οποία περιέχουν αναγωγικές ενώσεις, ώστε να επιτευχθεί η in situ αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε γεωτρήσεις.

3.2 Εισαγωγή

Το εξασθενές χρώμιο, κυρίως υπό μορφή χρωμικών ιόντων, (Cr⁺⁶ ), είναι ιδιαίτερα τοξικό για τα ζώα και τα φυτά. Τα χρωμικά ιόντα είναι αρκετά διαλυτά και εξαιρετικά κινητά στις  περιβαλλοντικές  συνθήκες. Το χρώμιο, στην άλλη συνηθισμένη οξειδωτική κατάσταση, το Cr⁺³,  (χρωμίτης), είναι λιγότερο τοξικό και γενικά ακίνητο. Η μεγαλύτερη ποσότητα του Cr στο περιβάλλον είναι στη μορφή Cr⁺³. Ωστόσο, οι ανθρωπογενές δραστηριότητες (βιομηχανικές διεργασίες) και τα οξείδια του Mn στη φύση μπορούν να οξειδώσουν το Cr⁺³ σε Cr⁺⁶ και να απελευθερώσουν το χρώμιο στην τοξική του μορφή στα φυσικά συστήματα (1,2,3).

Εξαιτίας του πολύ υψηλού οξειδοαναγωγικού δυναμικού που απαιτείται για τη μετατροπή του Cr⁺³ σε Cr⁺⁶, υπάρχουν λίγοι οξειδωτικοί παράγοντες στο φυσικό περιβάλλον ικανοί να οξειδώσουν το χρώμιο (4). Τα οξείδια του Mn είναι τα μόνα φυσικά απαντώμενα ορυκτά ικανά να οξειδώσουν Cr⁺³ (5, 6). Η οξείδωση του Cr⁺³  από τα οξείδια του Μαγγανίου (που υπάρχουν σε οφιολιθικά υπερβασικά πετρώματα) έχει μελετηθεί εκτεταμένα κατά τις προηγούμενες δεκαετίες  (6). Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι τα υπόγεια και επιφανειακά νερά υποφέρουν από ρύπανση εξασθενούς χρωμίου που προκύπτει από την οξείδωση του τρισθενούς χρωμίου που ελευθερώνεται από τη διάλυση του χρωμίτη (FeCr₂O₄) από τον Μπιρνεσίτη (5, 6).

Άλλες πιθανές οξειδωτικές ενώσεις του  Cr⁺³ είναι τα απολυμαντικά που χρησιμοποιούνται συχνά  για την απολύμανση του πόσιμου νερού πριν τη διάθεσή του στο δίκτυο κατανάλωσης, όπως το υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl). Αν και αυτές οι ενώσεις δεν υπάρχουν στα υπόγεια νερά πιθανόν να προκαλούν δευτερογενή ρύπανση του πόσιμου νερού με εξασθενές χρώμιο, στις δεξαμενές χλωρίωσης και στο δίκτυο διανομής (7).

Η εκτεταμένη ρύπανση των φυσικών συστημάτων με Cr⁺⁶ (σε όλη τη Γη) καθιστά απαραίτητη την πλήρη κατανόηση των μηχανισμών οξείδωσης του Cr⁺³ από τα οξείδια του Mn στη φύση τόσο για τον προσδιορισμό του κινδύνου σχηματισμού του εξασθενούς χρωμίου όσο και για την ανάπτυξη τεχνικών για τη μείωση/αναστολή του σχηματισμού του ή την αποκατάσταση των ήδη ρυπασμένων υδάτινων σωμάτων.

Διάφορες υποθέσεις έχουν γίνει για να εκτιμηθεί η αναστολή της οξείδωσης του Cr⁺³ (8):

α) Η προσρόφηση του Mn⁺² το οποίο απελευθερώνεται κατά τη διεργασία της οξείδωσης

β) Η μεταβολή του σθένους (φορτίο) στις επιφανειακά δεσμευμένες μορφές του μαγγανίου (surface bound Mn species)

γ) Η καθίζηση του Cr(OH)₃

Η Παρεμπόδιση παρουσίας Cr (⁺⁶ ) μπορεί να επιτευχθεί με:

α) προσρόφηση του Cr⁺⁶  στην επιφάνεια του οξειδίου του Μαγγανίου

β) αναγωγή του Cr⁺⁶ [9,10]

Τα τελευταία έτη έχει αναπτυχθεί ερευνητική δραστηριότητα στον τομέα της επιτόπιας αποκατάστασης υπόγειων υδάτων που έχουν ρυπανθεί από εξασθενές χρώμιο και έχουν προταθεί διάφορες τεχνολογίες.

Οι περισσότερες τεχνολογίες που προτείνονται στη βιβλιογραφία για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου είτε έχουν υψηλό κόστος είτε απαιτούν χρήση υλικών κυρίως νανοτεχνολογίας, που δεν έχουν ακόμη τυποποιηθεί για ευρεία χρήση.

Στην εργασία που προτείνεται θα διερευνηθεί η δυνατότητα αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου με φυσικά υλικά, τα οποία περιέχουν αναγωγικές ενώσεις, ώστε να επιτευχθεί η in situ αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου.

Για το σκοπό αυτό θα μελετηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα η αντίδραση αναγωγής και στη συνέχεια θα γίνουν δοκιμές με υλικά που προέρχονται από πετρώματα, λιγνίτη και άλλα φθηνά υλικά και θα μελετηθεί η απόδοση αναγωγής του Cr⁺⁶.

3.3 Φυσικό Αντικείμενο Έργου

Αντικείμενο του έργου είναι η διερεύνηση της δυνατότητας αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου με φυσικά υλικά, τα οποία περιέχουν αναγωγικές ενώσεις, ώστε να επιτευχθεί η in situ αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Θα μελετηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα η αντίδραση αναγωγής και στη συνέχεια θα γίνουν δοκιμές με υλικά που προέρχονται από πετρώματα, λιγνίτη και άλλα φθηνά υλικά και θα μελετηθεί η απόδοση αναγωγής του Cr⁺⁶.

Δρ. Αμανατίδου Ελισάβετ, Χημικός Μηχανικός, Καθηγήτρια ΠΔΜ, Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Επ. Υπεύθυνη

Δρ. Τσιόπτσιας Κωνσταντίνος, Χημικός Μηχανικός, Επιστημονικός Συνεργάτης

Λευτέρη Λευτέρης, Μηχανικός Τεχνολογιών Αντιρρύπανσης, Εργαστηριακός Συνεργάτης