Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)

Permanent URI for this collection

https://hdl.handle.net/10889/53

Browse

Now showing 1 - 20 of 78

Open Access
Μοριακή προσομοίωση διπλοστοιβάδων λιπαρών οξέων : η περίπτωση του παλμιτικού οξέος
(2013-06-10) Γεωργιλάς, Βασίλης; Λιόντα, Ευανθία; Μαυραντάς, Βλάσης; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Georgilas, Vasilis; Lionta, Evantia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται Ατομιστικά Μοντέλα Διακριτών και Ενοποιημένων Ατόμων, τα οποία μπορούν να αποτελέσουν το πρώτο σημαντικό βήμα για τη μελέτη της βιολογικής μεμβράνης ή και ακόμα τη μελέτη συστημάτων μεμβρανών με πρωτεΐνες, σάκχαρα κ.α. Τέτοιες προσομοιώσεις θα μας δώσουν στοιχεία για μακροσκοπικές ιδιότητες της μεμβράνης (π.χ. διαχυτότητα) παρουσία συγκεκριμένων άλλων μακρομορίων. Αρχικά μελετάται σε ατομιστικό επίπεδο, με τα μοντέλα Διακριτών και Ενοποιημένων Ατόμων, τήγμα παλμιτικού οξέος (383Κ). Η καταλληλόλητα του νέου μοντέλου που εισήχθη για την περίπτωση των Ενοποιημένων Ατόμων εξετάζεται με βάση τις ιδιότητες διαμόρφωσης (λ.χ. κατανομές γωνιών) που εξάγονται από το μοντέλο Διακριτών Ατόμων. Στο μοντέλο Διακριτών Ατόμων χρησιμοποιήθηκε το αναλυτικότερο δυνατό δυναμικό (COMPASS). Τα αποτελέσματα ήταν άκρως ικανοποιητικά. Έχοντας ένα αξιόπιστο μοντέλο Ενοποιημένων Ατόμων προχωρήσαμε στο επόμενο βήμα. Επόμενο βήμα ήταν η μελέτη συστήματος παλμιτικού οξέος ανάμεσα από στρώμα νερού. Σημαντικό μειονέκτημα του μοντέλου Διακριτών Ατόμων για ένα τόσο μεγάλο σύστημα αποτελεί η περιορισμένη χρονική κλίμακα. Φαινόμενα σχηματισμού διπλοστοιβάδας παλμιτικού οξέος παρουσία νερού, είναι πολύ δύσκολο να μελετηθούν με χρήση μοντέλου Διακριτών Ατόμων λόγω των πολύ μικρών χρόνων που καλύπτουν. Επομένως, κρίνεται αναγκαία η χρήση μοντέλου Ενοποιημένων Ατόμων για το σύστημα PLM – νερό. Χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο Ενοποιημένων Ατόμων που οι ίδιοι αναπτύξαμε, όπως και για την περίπτωση του τήγματος, για την περιγραφή του παλμιτικού οξέος, και το μοντέλο SPCE για το νερό, το οποίο είναι ευρέως αποδεκτό από την επιστημονική κοινότητα. Πέραν της σύγκρισης των μοντέλων Ενοποιημένων και Διακριτών Ατόμων που έγινε για το τήγμα του παλμιτικού οξέος, πραγματοποιήθηκαν και διάφοροι υπολογισμοί που αφορούν τη σταθεροποίηση του συστήματος (Autocorrelation faction of end-to-end distance vector), δομικές ιδιότητες (Radial Distribution Function), ιδιότητες διαμόρφωσης (angle distribution, radius of gyration, end-to-end distance vector) και θερμοδυναμικές ιδιότητες (density). Υπολογίστηκαν επίσης ο συντελεστής αυτοδιάχυσης (self diffusion coefficient) καθώς και το πλήθος δεσμών υδρογόνου.
Open Access
Μελέτη & χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ (XPS)
(2015-02-05) Μιχαλόπουλος, Νικόλαος; Κέννου, Στυλιανή; Λαδάς, Σπυρίδων; Μαυραντζάς, Βλάσιος; Michalopoulos, Nikolaos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύονται λεπτά υμένια (thin films) διαφόρων πολυμερικών ή ολιγομερών οργανικών ενώσεων, με την επεξεργασία μετρήσεων που είχαν ληφθεί με την επιφανειακά ευαίσθητη τεχνική της φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (XPS). Από την ανάλυση των φασμάτων XPS προκύπτουν συμπεράσματα τόσο για την παρουσία συγκεκριμένων χημικών στοιχείων στα δείγματα (ποιοτική ανάλυση) όσο και για την συγκέντρωση των στοιχείων αυτών στην περιοχή ανάλυσης (ποσοτική ανάλυση).
Open Access
Waxy crude oil flow in porous media
(2022-07-11) Λουκάς, Μιχαήλ; Loukas, Michail
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In this study, we investigate the rheology of waxy crude oil in a porous media tube. We simplify the oil rheology, neglecting thixotropic effects, and we use Carbopol gels as prototype material since they display similar rheological behavior. The Saramito-Herschel-Bulkley (SHB) constitutive equation is used to predict the elasto-visco-plastic effects. Τhe rheology of the Carbopol solutions recent is based on recent studies of Lopez and Pourzahedi. The problem is considered in cartesian coordinates assuming axial symmetry. The governing equations are solved numerically using the open-source toolbox based on OpenFOAM, namely RheoTool is used to simulate the flows, and it’s based on finite-volume element solvers. The purpose of this study is to examine the pressure drop, that needs to set the material in motion (one phase problem) and its displacement from gas-CO2 in an undulating tube (two-phase problem). Firsty, we examine the one-phase problem by setting a steady inlet U_x velocity and we analyze the rheology of Carbopol. We implement three different fixed inlet velocities and we investigate the elasto-viscoplastic phenomena. Then, in the two phase problem we use a two-phase simulation, using pressurized carbon dioxide (CO2) to set in motion the initially static carbopol in the tube. We implement a steady pressure in the CO2, at the inlet of the tube. We start with 300 Pa and we escalate to 450 Pa and 600 Pa in an attempt to investigate the total time that needs the air phase to displace the Carbopol solutions out of the pipe and it’s remaining percentage in the pipe. Also the rheology of the fluids and the normal and shear stresses are analyzed in the tube and around the gas/fluid interface. In all cases, we decrease the Rmin/R¬max from 0.7 to 0.5 and finally to 0.3. Also, we plot the normal and shear stresses to investigate the visco-elastic effects and the yielded/unyielded regions to display the visco-plasticity. With increasing velocity fields, we observe more intense visco-elastic phenomena since, the resulting pressure gradient and normal stresses are increased, while a slight deviation between the velocity streamlines takes place. Also, the decreasing Rmin/R¬max ratio leads to more intense viscoelastic effects since the actual channel geometry determines the ratio of shearing and extensional contribution. As regards the materials, the 0.1% Carbopol solution from Pourzahedi study, is defined with higher consistency index k than the respective carbopol with 0.1% Carbopol solution from Lopez study. A higher consistency index leads to higher visco-elastic stresses and a higher pressure drop to sustain the steady inlet flow. In the gas-displaced experiment, Pourzahedi’s Carbopol is deformed much more difficult since it needs the longest time to be displaced from the CO2 gas phase.
Embargo
Η καταγραφή ως πρώτο βήμα προς την αειφορία. Το παράδειγμα της καταγραφής της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στην πανεπιστημιούπολη του Ρίου
(2022-07-14) Κωνσταντοπούλου, Αριάδνη; Konstantopoulou, Ariadni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα κτήρια παρουσιάζουν υψηλό ποσοστό κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε σύγκριση με άλλους τομείς ανά επιφάνεια και ευθύνονται για περίπου 30-45% της παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης. Τα εμπορικά κτήρια και τα κτήρια γραφείων και πανεπιστημίων, κατατάσσονται στα κτήρια με την υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας. Η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας από τα Ανώτατα Εκπαιδευτικά Ιδρύματα είναι πολύπλοκη καθώς συνήθως περιλαμβάνουν μια σειρά από χώρους με διαφορετικές λειτουργίες, όπως γραφεία, αίθουσες διδασκαλίας, εργαστήρια και αίθουσες συνεδριάσεων. Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας στην Πανεπιστημιούπολη του Ρίου, πώς η καταγραφή αποτελεί το πρώτο βήμα προ την αειφορία και με ποιες στρατηγικές θα υπάρξει βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων της Πανεπιστημιούπολης του Ρίου. Η έκταση του Πανεπιστημίου Πατρών καλύπτει εμβαδόν 4,5 km2 και τα κτήρια του καλύπτουν εμβαδόν 256.000 m2 περίπου. Η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειάς του καταμετρήθηκε για διάφορα έτη. Στα αποτελέσματα αυτά καταγράφονται μετρήσεις από μετρητές της ΔΕΗ για τα έτη 2015-2020. Αναλύονται συγκριτικές καταναλώσεις ηλεκτρικής ενέργειας για τα έτη 2018 και 2020. Πιο αναλυτική περιγραφή παρουσιάζεται για το χειμερινό εξάμηνο 2021-2022 όπου οι καταναλώσεις του συγκρίνονται στο τέλος με αυτές του χειμερινού εξαμήνου 2016-2017. Σε ετήσιες καταγραφές των κτιρίων του πανεπιστημίου είναι άνω των 12 GWh το χρόνο. Ως μέτρα για την εξοικονόμηση ενέργειας μπορούν να εφαρμοστούν μια σειρά αλλαγών στις υφιστάμενες υποδομές που θα οδηγήσουν στην αειφορία μέσω της καταγραφής μετρήσεων και συμπεριφορών που καταγράφηκαν. Οι αλλαγές αυτές έχουν να κάνουν με τις αλλαγές λαμπτήρων με νέους LED τεχνολογίας, αλλαγές κλιματιστικών συστημάτων υψηλής ενεργειακής κλάσης και την εγκατάσταση συστημάτων Building Energy Management Systems.
Open Access
Απομόνωση και εμπλουτισμός φαινολικών ενώσεων στεμφύλων Merlot μέσω μεμβράνης πιλοτικής κλίμακας
(2022-08-15) Κάϊζερ, Νάταλη; Kaizer, Natali
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Ένα από τα πλέον διαδεδομένα και καλλιεργούμενα είδη σε όλο το κόσμο είναι το είδος Vitis vinifera L., καθώς χρησιμοποιείται στην οινοποίηση για την παραγωγή οίνου αλλά και για βρώση. Τα είδη V.vinifera και κυρίως οι κόκκινες ποικιλίες παρουσιάζουν μεγάλη περιεκτικό-τητα σε πολυφαινόλες, ενώσεις γνωστές για την αντιοξειδωτική ικανότητα που εμφανίζουν και για τις προστατευτικές τους ιδιότητες στον ανθρώπινο οργανισμό. Κατά την διαδικασία της οινοποίησης των ερυθρών ποικιλιών προκύπτουν παραπροϊόντα με κύρια, αυτά των βο-στρύχων, των στεμφύλων και της οινολάσπης. Τα σημαντικότερα από τα πιο πάνω είναι τα στέμφυλα που παρουσιάζουν υψηλή περιεκτικότητα στις φαινολικές ενώσεις. Οι μεγάλες ποσότητες στεμφύλων που αποτίθενται στο περιβάλλον για βιοαποδόμηση σε συνδυασμό με το υψηλό οργανικό φορτίο που περιέχουν οδηγούν σε ρύπανση, σε τοξικές και επιβλαβείς συνθήκες τόσο στους ζωντανούς οργανισμούς όσο και στο ίδιο το περιβάλλον. Με την σωστή αξιοποίησή τους, λόγω της υψηλής περιεκτικότητας φαινολικών ενώσεων που εμπεριέχουν μπορούν να αξιοποιηθούν σε πολλούς τομείς όπως σε βιομηχανίες φαρμάκων και τροφίμων, στην γεωργία και στην κτηνοτροφία. Η ποικιλία στεμφύλων που επιλέχθηκε για να γίνει η απομόνωση των ενώσεων αυτών εί-ναι τα στέμφυλα ποικιλίας Merlot. Αρχικά, έγιναν μελέτες για τον προσδιορισμό των κατάλ-ληλων συνθηκών εκχύλισης. Οι εκχυλίσεις αυτές είχαν ως στόχο να περιορίζεται η εκχύλιση των σακχάρων και ταυτόχρονα να ευνοείται η εκχύλιση των πολυφαινολών. Μετέπειτα, το εκχύλισμα που προέκυψε επεξεργάστηκε και διηθήθηκε μέσω τεσσάρων διαφορετικών μεμ-βρανών κατά την οποία προέκυψαν πέντε κλάσματα. Τέλος, τα κλάσματα αυτά αντιστοιχούν σε τέσσερα συμπυκνώματα με μεγάλη παρουσία πολυφαινολών και αντιοξειδωτική ικανότη-τα σε σχέση με το διήθημα όπου θεωρείται αμελητέο.
Open Access
Φωτοκαταλυτική διάσπαση της σουλφαμεθοξαζόλης με AgIO4/TiO2 καταλύτες
(2022-10) Αρίστου, Άριστος; Aristou, Aristos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα τελευταία χρόνια, η ανίχνευση ενός μεγάλου αριθμού αντιβιοτικών, επικίνδυνων για την ανθρώπινη υγεία, τόσο στα επεξεργασμένα όσο και στα επιφανειακά ύδατα έχει ανησυχήσει την επιστημονική κοινότητα. Μεταξύ διαφόρων μεθόδων επεξεργασίας των υδάτων, οι Προηγμένες Διεργασίες Οξείδωσης (AOPs) έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενες για την πλήρη αποδόμηση διάφορων ανθεκτικών μικρορύπων σε συνθήκες περιβάλλοντος. Μεταξύ των AOPs, η ετερογενής φωτοκατάλυση θεωρείται η πιο πράσινη τεχνολογία καθώς χρησιμοποιεί την ηλιακή ακτινοβολία ως πηγή ενέργειας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η φωτοκαταλυτική αποδόμηση της σουλφαμεθοξαζόλης (sulfamethoxazole, SMX), μιας αντιπροσωπευτικής ένωσης από την ομάδα των αντιβιοτικών, με χρήση σύνθετων καταλυτών AgIO4/TiO2 μεταβαλλόμενης περιεκτικότητας σε AgIO4 (0-10% wt). Οι φωτοκαταλύτες παρασκευάσθηκαν με την μέθοδο της συγκαταβύθισης. O φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους πραγματοποιήθηκε με τις μεθόδους: φυσικής ρόφησης – εκρόφησης αζώτου σε θερμοκρασία υγρού αζώτου (BET), περίθλασης ακτινών-X (XRD) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Βέλτιστα αποτελέσματα παρατηρήθηκαν στην περίπτωση του σύνθετου καταλύτη 5% wt. AgIO4/TiO2, όπου παρατηρήθηκε πλήρης αποδόμηση 0.5 mg/L SMX σε 30 min με την χρήση μόλις 84 mg/L καταλύτη σε διάλυμα υπερκάθαρου νερού (UPW). Η βελτιωμένη συμπεριφορά του σύνθετου καταλύτη 5% wt. AgIO4/TiO2 σε σχέση με το AgIO4 αποδίδεται στον αποτελεσματικό διαχωρισμό των φωτοπαραγώμενων φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια – οπές) εξαιτίας της κατάλληλης θέσης των ζωνών σθένους (valence band, VB) και αγωγιμότητας (conduction band, CB) των δύο ημιαγωγών. Η σταθερότητα των παραπάνω φωτοκαταλυτών μελετήθηκε με την διεξαγωγή διαδοχικών πειραματικών κύκλων με χρήση του ίδιου δείγματος και βρέθηκε ότι τα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν αυξημένη σταθερότητα σε σχέση με το AgIO4. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων της διεργασίας όπως το pH, η συγκέντρωση του καταλύτη (42 – 167 mg/L) και η συγκέντρωση του ρύπου (0.25 – 1 mg/L). Βρέθηκε ότι η αποδόμηση της SMX ευνοείται σε φυσικό και όξινο pH. Επιπλέον, αύξηση της συγκέντρωσης του καταλύτη οδηγεί σε μείωση του χρόνου για την πλήρη αποδόμηση της SMX, ενώ αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου είχε τα αντίθετα αποτελέσματα. Περαιτέρω πειράματα διεξήχθησαν με χρήση εμφιαλωμένου νερού (bottled water, ΒW) και δευτεροβάθμια επεξεργασμένα υγρά απόβλητα (wastewater, WW), όπου παρατηρήθηκε σημαντική μείωση στην συνολική απόδοση της διεργασίας. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με την προσθήκη χουμικού οξέος (Humic Acid, HA), ιόντων χλωρίου (Cl-) και ανθρακικών ιόντων (HCO3-), ουσιών που αποτελούν τα κύρια συστατικά των πραγματικών υδατικών μητρών. Η παρουσία HA και Cl- βρέθηκε να έχει σημαντική επίδραση στον ρυθμό της αντίδρασης, καθώς η αποδόμηση της SMX μειώθηκε σημαντικά. Μείωση της απόδοσης σημειώθηκε και στην περίπτωση των HCO3-. Τέλος, οι φωτοπαραγώμενες ρίζες υδροξυλίου (ΟΗ•) βρέθηκαν να συνεισφέρουν ως οξειδωτικά είδη της διεργασίας.
Open Access
Μετρήσεις δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS) σε ατμοσφαιρικά σωματίδια
(2022-10-11) Σταρίδα, Γεωργία; Starida, Georgia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Οι ελεύθερες ρίζες με κεντρικό στοιχείο το οξυγόνο είναι γνωστές ως δραστικές μορφές οξυγόνου (reactive oxygen species, ROS). Η ανισορροπία μεταξύ των ROS και των αντιοξειδωτικών συστημάτων του οργανισμού προκαλεί το οξειδωτικό στρες που μετέπειτα μπορεί να επιδράσει αρνητικά στα κύτταρα, τις πρωτεΐνες και το DNA του ανθρώπινου σώματος. Το οξειδωτικό δυναμικό (OP) αντιπροσωπεύει την ικανότητα των ατμοσφαιρικών σωματιδίων να οξειδώνουν μόρια-στόχους προκαλώντας με αυτόν τον τρόπο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα, μέσω του σχηματισμού ROS. Το ΟP θεωρείται ως ένας από τους σημαντικότερους δείκτες της τοξικότητας πολλαπλών σωματιδιακών ρύπων και διαφορετικών πηγών. Στόχος αυτής της μελέτης είναι μέτρηση του OP φρέσκων και γηρασμένων σωματιδίων προερχόμενων από καύση βιομάζας προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση του ατμοσφαιρικού χημικού μετασχηματισμού στην τοξικότητα των σωματιδίων. Για την μέτρηση του οξειδωτικού δυναμικού χρησιμοποιήθηκε ένα ημιαυτόματο όργανο μέτρησης που βασίζεται στην ακυτταρική μέθοδο της διθειοθρεϊτόλης (DTT assay). Το σύστημά αφού βαθμονομήθηκε συγκρίθηκε με το αντίστοιχο όργανο που βρισκόταν στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών (NOA) προκειμένου να εξεταστεί η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων. Στην πρώτη φάση της εργασίας διεξήχθησαν πειράματα με καυστήρα pellet σε κινητό θάλαμο ατμοσφαιρικής προσομοίωσης (Μobile Atmospheric Simulation Chamber) όπου πραγματοποιήθηκε προσομοίωση της οξείδωσης κατά τη διάρκεια της ημέρας μέσω έκθεσης του αεροζόλ σε τεχνητό ηλιακό φως. Στην συνέχεια διεξήχθησαν πειράματα καύσης ξύλου στον σταθερό θάλαμο ατμοσφαιρικής προσομοίωσης (FORTH-ASC). Τα συγκεκριμένα πειράματα χωρίστηκαν σε δύο κατηγορίες βάσει των σταδίων οξείδωσης που πραγματοποιήθηκαν. Τα πειράματα ημέρας-νύχτας, όπου μελετήθηκε η μετάβαση από συνθήκες ημέρας σε νυχτερινές συνθήκες και τα πειράματα νύχτας-ημέρας όπου μελετήθηκε η μετάβαση από νυχτερινές συνθήκες σε συνθήκες ημέρας. Μέσω αυτών των πειραμάτων καθίσταται για πρώτη φορά δυνατή η εξέταση ενός πλήρη ημερήσιου κύκλου χημείας ημέρας και νύχτας στην ατμόσφαιρα. Οι δύο κατηγορίες πειραμάτων έδειξαν ότι το οξειδωτικό δυναμικό των γηρασμένων σωματιδίων είναι πάντα μεγαλύτερο σε σχέση με αυτό των φρέσκων. Επιπλέον, στα πειράματα καύσης ξύλου, παρατηρείται ότι κατά τη μετάβαση από τις νυχτερινές συνθήκες σε συνθήκες ημέρας το οξειδωτικό δυναμικό αυξάνει συνεχώς και ότι κατά τη μετάβαση από συνθήκες μέρας σε νυχτερινές συνθήκες το οξειδωτικό δυναμικό αρχικά εμφανίζει μια μεγάλη αύξηση με την έκθεση σε υπεριώδες φως (UV) αλλά έπειτα με την νυχτερινή χημεία σημειώνεται πτώση του. Τέλος, από τα παραπάνω πειράματα προέκυψε ότι στο τέλος ενός ημερήσιου κύκλου, είτε ξεκινώντας από την ημέρα προς τη νύχτα, είτε από τη νύχτα προς τη μέρα το τελικό οξειδωτικό δυναμικό καταλήγει να είναι περίπου το ίδιο.
Open Access
Ενεργοποίηση υπερθειικού νατρίου από τροποποιημένα βιοεξανθρακώματα για την οξείδωση φαρμακευτικών ουσιών σε υδατικές μήτρες
(2022-10-11) Καλαμπαλίκη, Δήμητρα; Kalampaliki, Dimitra
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στην παρούσα εργασία διερευνάται διεξοδικά η αποτελεσματικότητα ενός παρασκευασμένου καταλύτη, προερχόμενου από θερμική επεξεργασία βιομάζας (biochar/BC), που έχει υποστεί τροποποίηση με ΚΟΗ, για την ενεργοποίηση του υπερθειικού νατρίου (SPS). Πιο συγκεκριμένα αναλύεται ολόκληρη η διαδικασία παραγωγής του καταλύτη, που προέρχεται από ριζίδια βύνης (BC-SMR), ένα απόβλητο της ζυθοποιήσης που προήλθε από την Αθηναϊκή Ζυθοποιία και στην συνέχεια ακολούθησαν οι φυσικοχημικοί χαρακτηρισμοί του. Έχοντας παρασκευάσει τον καταλύτη αναλύεται η επίδρασή του στο σύστημα για την αποδόμηση φαρμακευτικών ουσιών σε υδατικές μήτρες. Με κύρια φαρμακευτική ουσία, το αντιβιοτικό σουλφαμεθοξαζόλη (SMX) παρατηρήθηκε ότι στη διεργασία ενεργοποίησης του υπερθειικού νατρίου μέσω BC-SMR, πραγματοποιείται αποδόμηση της SMX σε σύντομο χρονικό διάστημα, γεγονός που αποδεικνύει την επιτυχή ενεργοποίηση του SPS από το BC. Στη πειραματική μελέτη, η οποία έλαβε χώρα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου (batch), διερευνήθηκε η αποδόμηση κυρίως του αντιβιοτικού SMX, αλλά και άλλων αντιβιοτικών, όπως η νορφλοξασίνη (NOR) και η αμπικιλλίνη (AMP), σε διάφορες υδατικές μήτρες με την κινητική της αντίδρασης να ακολουθεί το μοντέλο της ψευδοπρώτης τάξης. Βρέθηκε ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του BC οδηγεί σε γρηγορότερη απομάκρυνση της SMX ενώ η απουσία του, σηματοδοτεί ξεκάθαρα τη στασιμότητα της αντίδρασης. Αντίστοιχα συμπεράσματα διεξήχθησαν και με την παρουσία του SPS σε διάφορες συγκεντρώσεις. Στη συνέχεια αναλύθηκε η επίδραση των διαφόρων υδατικών μητρών στο σύστημα. Σε ιδανικές συνθήκες έχοντας υπερκάθαρο νερό η SMX αποδομήθηκε πλήρως, στο διάστημα των 20 λεπτών, ενώ σε πιο πραγματικές μήτρες παρατηρήθηκε η επιβράδυνση της αποδόμησής της σε σύγκριση με τις ιδανικές συνθήκες. Η διεργασία μελετήθηκε εκτενέστερα με την εξέταση σημαντικών παραγόντων που επηρεάζουν την απόδοση της διεργασίας, όπως το pH του διαλύματος, η παρουσία αλάτων και ο μηχανισμός της αντίδρασης. Φάνηκε πως η διεργασία ευνοείται σε όξινες συνθήκες, τα άλατα δεν αναστέλλουν σημαντικά τη συνολική διεργασία, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις ευνοούν την αντίδραση και ο μηχανισμός ακολουθεί τη ριζική οδό με υπάρχουσες τόσο τις υδροξυλικές όσο και τις θειικές ρίζες. Με το πέρας της παρούσας μελέτης και της ανάλυσης των αποτελεσμάτων, ο παρασκευασμένος καταλύτης κρίνεται αποτελεσματικός, με εμφανή προοπτική στην ενεργοποίηση του SPS, για την απομάκρυνση αντιβιοτικών ουσιών σε πραγματικές υδατικές μήτρες.
Open Access
Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM
(2022-10-17) Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική; Lymperaki, Maria Vasiliki
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους βασίζεται σε μία αντίδραση οξείδωσης ενός καυσίμου η οποία λαμβάνει χώρα στην άνοδο και σε μία αντίδραση ανα-γωγής ενός οξειδωτικού μέσου η οποία λαμβάνει χώρα στην κάθοδο. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο το οποίο παράγεται συνήθως από διεργα-σίες αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή αλκοολών ενώ σαν οξειδωτικό χρησιμοποιείται αέρας ή κα-θαρό οξυγόνο. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτη αγωγιμότητας Η+, λειτουργούν σε μεγάλο σχετικά θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ των 40-200oC. Αποτελούν μία πολλά υποσχόμενη τεχνολογία λόγω των χαμηλών εκπομπών και υψηλών αποδόσεων η οποία μέχρι πρόσφατα εφαρμοζόταν κυρίως σε ερευνητικό επίπεδο εξαιτίας υψηλού κόστους και ζητημάτων ανθεκτικότητας και αξιοπιστίας, πλέον όμως, βρίσκεται πολύ κοντά στο στάδιο της εμπο-ρευματοποίησης. Η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες (160-200oC, High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, HT-PEMFCs) παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με την τεχνο-λογία των χαμηλών θερμοκρασιών (40-80oC, Low Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, LT-PEMFCs), προσδίδοντας στην κυψελίδα υψηλότερη ανοχή σε ακαθαρσίες της τροφοδοσίας υδρογόνου (π.χ. μονοξείδιο του άνθρακα), ευκολότερη διαχείριση της εκλυόμενης θερμότητας και της υγρασίας, υψηλότερες κινητικές και αποδόσεις. Η τάση μιας μοναδιαίας κυψελίδας καυσίμου είναι πολύ χαμηλή για να τροφοδοτήσει εφαρμογές σε πραγματική κλίμακα και ως εκ τούτου, συνήθως, συνδέονται πολλές κυψελίδες σε σειρά για να σχηματίσουν μια συστοιχία κυψελίδων καυσίμου ικανή να παράξει μεγαλύτερη τάση. Μια συ-στοιχία PEMFC αποτελείται συνήθως από διπολικές πλάκες (bipolar plates), διατάξεις ηλεκτροδίου ηλεκτρολύτη (MEAs), στεγανοποιητικά υλικά (sealing gaskets) και τερματικές πλάκες (end plates). Γενικότερα, έχουν διεξαχθεί εκτεταμένες πειραματικές έρευνες όσον αφορά στην απόδοση μιας μοναδιαίας κυψελίδας PEMFC ενώ οι έρευνες σε επίπεδο συστοιχίας έχουν συγκεντρώσει χαμηλότερο ποσοστό ενδιαφέροντος. Η έρευνα ενός κελιού επικεντρώνεται κυρίως στις ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων υλικών όπως ο πολυμερικός ηλεκτρολύτης, ο καταλύτης, το σχέδιο των καναλιών ροής της διπολικής πλάκας κ.ο.κ.. Η έρευνα σε επίπεδο συστοιχίας επικεντρώνεται κυρίως σε μακροσκοπικά ζητήματα όπως η απόδοση και η ανθεκτικότητα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή, η λειτουργία και η αξιολόγηση της απόδοσης μιας συστοιχίας κυψελών καυσίμου HT-PEMFC ισχύος 1kW. Εκτενής έρευνα είχε πραγματοποιηθεί εκ των προτέρων από την εργαστηριακή ομάδα του Ι.Τ.Ε/Ι.Ε.Χ.ΜΗ επάνω σε μια συστοιχία κυψελών καυσίμου μικρότερης κλίμακας για την επιλογή των υλικών που στελεχώνουν την κυψέλη και για τον τρόπο συναρμολόγησής της. Πραγματοποιούνται, έτσι, μελέτες της βέλτιστης φόρτισης των ηλεκτροδίων ανόδου και καθόδου και κατά συνέπεια της ηλεκτροχημικής απόδοσης των διατάξεων ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη χρησιμοποιώντας την συστοιχία μικρής κλίμακας. Αυτές οι μελέτες παρείχαν, λοιπόν, τις απαραίτητες πληροφορίες και δεδομένα για την κατασκευή μιας μεταλλικής συστοιχίας HT-PEMFC ισχύος 1kW με εσωτερική υγρή ψύξη η οποία αποτελείται από τριάντα διατάξεις ηλεκτροδίου ηλεκτρολύτη των 200 cm2 και για πυκνότητα ρεύματος 0.3 A/cm2 και θερμοκρασία λειτουργίας ~180οC η παραγόμενη ισχύς της αγγίζει τα 1100 Watt.
Open Access
In situ μοριακή φασματοσκοπία οξοβαναδικών ειδών (VOx) υπο-στηριγμένων σε TiO2(P25)
(2022-10-18) Θανούκου, Ειρήνη; Χρυσοβέργη, Νεφέλη; Thanoukou, Eirini; Chrysovergi, Nefeli
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της δομής καταλυτών VOx υποστη-ριγμένων σε TiO2 (P25) με μεθόδους φασματοσκοπίας Raman και IR. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τρεις φασματοσκοπικές μεθόδους χαρακτηρισμού, in situ Raman (μόνιμη ροή 20% O2/He),in situ IR (μόνιμη ροή 20% O2/He) και static Raman (σταθερή ατμόσφαιρα Ο2). Η χρήση της φασματοσκοπίας Raman, υπό ελεγχόμενες συνθήκες (in situ), επέτρεψε την εκτενέστερη μελέτη των δομικών χαρακτη-ριστικών των καταλυτών και των αλλαγών τους, που λαμβάνουν χώρα με τη μεταβολή της θερμοκρα-σίας και της φόρτισης. Ο συνδυασμός της δονητικής φασματοσκοπίας Raman και ισοτοπικής εναλλα-γής 18O/16O χρησιμοποιήθηκε για εκτενέστερη διερεύνηση, επιδιώκοντας τη διεξαγωγή συμπερα-σμάτων για τα δομικά χαρακτηριστικά τερματικών απολήξεων (μονο-οξο ή πολυ-όξο χαρακτήρας) των μοριακών διαμορφώσεων στην διεσπαρμένη φάση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες 120, 175, 250 και 430 oC και φορτίσεις 0.4, 0.74, 1.1, 2.0, 4.0 και 5.5V/nm2. Με βάση τα αποτελέσματα προκύπτει ότι υπάρχει ετερογένεια στις δομές VOx που σχηματίζονται. Εντοπιστήκαν τρία διαφορετικά είδη τα οποία ονομάζουμε είδος (Ι), (ΙΙ) και (ΙΙΙ) για φορτίσεις μέχρι 2.0 V/nm2, και είδος (IA), (IIA), (IIIA) για τις φορτίσεις 4.0 και 5.5 V/nm2. Τα είδη (Ι), (IA) και (ΙΙ), (IIA) θεωρούνται μονομερή με mono-oxo τερματική απόληξη, δηλαδή έχουν ένα τερματικό δεσμό V=O, ενώ το είδος (ΙΙΙ), (IIIA) θεωρείται di-oxo, δηλαδή έχει δύο τερματικούς δεσμούς V=O. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν και γεφυρωτικοί δεσμοί για φορτίσεις μεγαλύτερες από 1.1V/nm2 , που ονομάστηκαν (IV), (IVA). Από την ανάλυση των φασμάτων συμπεραίνεται ότι το είδος (Ι) παραμένει σταθερό με την αύξη-ση της φόρτισης πάνω από 2.0 V/nm2. Ο σχηματισμός του είδους (ΙΙ) ευνοείται από την αύξηση της θερμοκρασίας και της φόρτισης. Επιπλέον το είδος (ΙΑ) φαίνεται να παραμένει σταθερό με αύξηση της φόρτισης και το είδος (ΙΙΑ) ευνοείται με αλλαγή φόρτισης από 4.0 σε 5.5 V/nm2 ενώ είναι το επι-κρατέστερο είδος. Το είδος (ΙΙΙ) ευνοείται από την μείωση της θερμοκρασίας και την αύξηση της φόρ-τισης, ενώ ο πληθυσμός του φαίνεται να είναι μικρότερος από τα είδη (Ι) και (ΙΙ). Η μείωση της θερμο-κρασίας φαίνεται να προκαλεί μετασχηματισμό του είδους (ΙΙ), (IIA) σε είδος (ΙΙI), (IIIA). Τέλος, οι γεφυ-ρωτικοί δεσμοί δεν επηρεάζονται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
Open Access
Electrochemical oxidation of the angiotensin receptor blocker drug losartan
(2022-10-18) Σακελλαρίου, Μαρία; Sakellariou, Maria
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήθηκε η εφαρμογή της ηλεκτροχημικής οξείδωσης, μίας από τις πιο ευρέως γνωστές προηγμένες μεθόδους οξείδωσης, στην αποδόμηση του φαρ-μάκου λοσαρτάνη, γνωστό αναστολέα των υποδοχέων της αγγειοτενσίνης ΙΙ. Αρχικά, σαν υλικό ανόδου επιλέχθηκε το BDD, και τα προκαταρκτικά πειράματα είχαν στόχο την επιλογή του κατάλληλου υλικού καθόδου. Υπό σταθερές συνθήκες ,και έπειτα από δύο σετ πει-ραμάτων με ηλεκτρολύτες Na2SO4 και NaCl, το υλικό καθόδου με τα πιο ικανοποιητικά αποτελέ-σματα ήταν το Carbon Cloth.Παράλληλα ,διαπιστώθηκε πως η διεργασία ακολουθεί κινητική ψευδο-πρώτης τάξης ως προς την αρχική συγκέντρωση της λοσαρτάνης. Έπειτα ,προκειμένου να επιλεχθεί ο κατάλληλος ηλεκτρολύτης, μελετήθηκε η επίδραση της αρχι-κής συγκέντρωσής του καθώς και αυτή του pH στην διεργασία. Διαπιστώθηκε πως αν και το NaCl επιταχύνει κατά πολύ την αντίδραση, το Na2SO4 είναι ο κατάλληλος ηλεκτρολύτης προκειμένου η οξείδωση να μην έχει καταστροφικό αντίκτυπο στο περιβάλλον. Στην πορεία ,υπό σταθερό υλικό καθόδου και ηλεκτρολύτη, εξετάστηκε η επίδραση της έντασης του ρεύματος ,της συγκέντρωσης λοσαρτάνης, της προσθήκης ιόντων-οργανικών και της υδάτι-νης μήτρας. Τα αποτελέσματα φανέρωσαν πως η μέχρι ενός σημείου αύξηση της έντασης του ρεύματος συμ-βάλλει στην αποδόμηση του ρύπου αυξάνοντας την τιμή της φαινόμενης κινητικής σταθεράς. Αντίθετα , η αύξηση της συγκέντρωσης της λοσαρτάνης έδρασε παρεμποδιστικά ,επιβραδύνοντας την διάσπαση του ρύπου. Η προσθήκη υπερθειικών αλάτων και ιόντων χλωρίου ενίσχυσε σημαντικά την οξείδωση ενώ η προσθήκη διττανθρακικών και χουμικού οξέος έδρασε ανασταλτικά. Τέλος ,η αλλαγή της υδάτινης μήτρας από υπερκάθαρο νερό σε λύματα δευτερο-βάθμιας επεξεργασίας και εμφιαλωμένο μείωσε τόσο την τιμή της φαινόμενης κινητικής σταθε-ράς όσο και το ποσοστό απομάκρυνσης της λοσαρτάνης.
Open Access
Σύνθεση νέων καινοτόμων υλικών για την προστασία των δομικών υλικών των ιστορικών μνημείων
(2022-10-18) Λεμονιά, Χριστίνα; Lemonia, Christina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η πολιτιστική κληρονομιά προσδιορίζει την ιδιαιτερότητα μιας κοινωνίας και αποτελεί το κληροδότημα άυλων και υλικών χαρακτηριστικών από προηγούμενες γενιές, τα οποία διατηρούνται στο παρόν και παραχωρούνται στις μελλοντικές γενιές. Η πολιτιστική κληρονομιά είναι μοναδική και αναντικατάστατη για την εκάστοτε κοινωνία, γεγονός το οποίο καθιστά τον σύγχρονο πολιτισμό υπεύθυνο για την διαφύλαξη της. Τα πιο πολλά μνημεία, τα οποία έχουν αντέξει στον χρόνο, συνίστανται κυρίως από μάρμαρο και ασβεστόλιθο. Όμως, με την πάροδο του χρόνου, την επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών, όπως συνθήκες υγρασίας, θερμοκρασιακές μεταβολές κλπ., σε συνδυασμό με την εσωτερική δομή του υλικού, καθώς και με τις ανθρώπινες επεμβάσεις, υφίστανται εκτεταμένη φθορά. Ακόμη, τα άλατα τα οποία σχηματίζονται στο εσωτερικό των πόρων των δομικών υλικών, καθώς και η ανάπτυξη μικροοργανισμών στις επιφάνειές των μνημείων, αποτελούν επιβαρυντικούς παράγοντες για εκείνα. Οπότε κρίνεται απαραίτητη η ανάπτυξη μεθόδων όπου διαμορφώνουν τις κατάλληλες συνθήκες με σκοπό την προστασία και την επιβράδυνση της φθοράς των μνημείων. Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος συντήρησης μνημείων αποτελεί η χρήση αιωρημάτων νανοσωματιδίων, τα οποία παρουσιάζουν δομική συνάφεια με τα δομικά υλικά των μνημείων. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η παρασκευή αιωρημάτων ανθρακικού ασβεστίου, σίλικαςcκαθώς και δυο σύνθετων υλικών, διαφορετικής σύστασης ως προς ανθρακικό ασβέστιο και σίλικα, το SY1: 69% CaCO3 και 31% SiO2 και το SY2 : 97% CaCO3 και 3% SiO2, λόγω της δομικής τους συνάφειας με τα δομικά υλικά των μνημείων, καθώς αποτελούνται κυρίως από ανθρακικό ασβέστιο. Ακολούθησε η εναπόθεση άμορφου ανθρακικού ασβεστίου, άμορφης σίλικας, σύνθετου υλικού 1 και σύνθετου υλικού 2 σε υποστρώματα μαρμάρου Διονύσου και τριών κονιαμάτων. Τα τρία κονιάματα όπου μελετήθηκαν διέφεραν ως προς την σύσταση σε ανθρακικό ασβέστιο και σε σίλικα, καθώς και στην ύπαρξη ή μη αργιλοπυριτικών ενώσεων και ήταν τα εξής: 1: 39% SiO2 & αργιλοπυριτικές ενώσεις και 61% CaCO3, 2: 50% SiO2 και 50% CaCO3 και 3: 57% SiO2 και 43% CaCO3. Το μάρμαρο Διονύσου είχε κονιοποιηθεί σε σφαιρόμυλο αχάτη, ενώ τα τρία κονιάματα είχαν υποστεί ελαφριά κονιοποίηση. Τα στερεά που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν μέσω μέτρησης της ειδικής επιφάνειας και του όγκου των πόρων τους με φυσική ρόφηση αζώτου (BET), ενώ ο μορφολογικός χαρακτηρισμός έλαβε χώρα με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η διάλυση του μαρμάρου και των τριών κονιαμάτων καθώς και όλων των στερεών υλικών που παρασκευάστηκαν, σε ακορεστότητα 0,89 ως προς ασβεστίτη, με σκοπό την μελέτη των ρυθμών διάλυσης. Μέσω της σύγκρισης των ρυθμών διάλυσης του σκέτου μαρμάρου και των κονιαμάτων με τους ρυθμούς διάλυσης του μαρμάρου και των κονιαμάτων με τις εναποθέσεις των υλικών που έλαβαν χώρα, προκύπτουν διάφορα συμπεράσματα ως προς την αναστολή του ρυθμού διάλυσης, ανάλογα με το υλικό εναπόθεσης. Τέλος, μελετήθηκε ο μηχανισμός διάλυσης του μαρμάρου Διονύσου, μέσω πραγματοποίησης πειραμάτων διάλυσης σε διαφορετικές ακορεστότητες.
Open Access
Μελέτη δυναμικού επιφάνειας πολυακρυλικών υδρόφιλων ενδοφακών
(2022-10-18) Ζιώμας, Γεώργιος; Ziomas, Georgios
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η εμφάνιση καταρράκτη στον ανθρώπινο οφθαλμό αποτελεί μια αρκετά συνήθη πάθηση η οποία οφείλεται κατά κύριο λόγο στην φυσιολογική γήρανση του. Για αυτό τον λόγο, η χειρουργική του καταρράκτη καθίσταται μια από τις συνηθέστερες επεμβάσεις που γίνονται στο ανθρώπινο σώμα παγκοσμίως. Η πάθηση αυτή ταλαιπωρεί τον άνθρωπο εδώ και πολλούς αιώνες και λόγω αυτού οι μέθοδοι αντιμετώπισής του εμφανίζουν μεγάλες διαφοροποιήσεις μέσα στο χρόνο. Ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί σε αυτόν τον επιστημονικό τομέα τις τελευταίες δεκαετίες καθώς έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικές εξελίξεις, τόσο στον τεχνολογικό εξοπλισμό όσο και στην καλύτερη κατανόηση του φαινομένου. Από το 1980, ο κύριος τρόπος αντιμετώπισης είναι η φακοθρυψία, κατά την οποία με εφαρμογή υπερήχων θρυμματίζεται και απομακρύνεται με αναρρόφηση ο θολωμένος φυσικός φακός. Στη συνέχεια εισάγεται ενδοφάλμιος φακός, κατασκευασμένος από κατάλληλο βιοσυμβατό πολυμερικό υλικό. Το υλικό κατασκευής των ενδοφθάλμιων φακών (Intraocular Lenses, IOL) αποτελεί ζήτημα που έχει απασχολήσει ιδιαίτερα την επιστημονική κοινότητα και έχει μελετηθεί διεξοδικά. Διάφορα υλικά έχουν δοκιμαστεί για την αντικατάσταση του φυσικού κρυσταλλικού φακού, μερικά από τα οποία έδωσαν αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα, ενώ άλλα χρήζουν περαιτέρω μελέτης. Τα κύρια υλικά κατασκευής των πολυμερικών ενδοφακών είναι φακοί από σιλικόνη, από μεθακρυλικό πολυμεθυλεστέρα (PMMA) αλλά και εύκαμπτοι ακρυλικοί ενδοφακοί, κατασκευασμένοι από Πολύ (2-υδροξυαιθυλ μεθακρυλικό εστέρα), (PHEMA) οι οποίοι διακρίνονται σε υδρόφιλους και υδρόφοβους. Το 1949, το PMMA αποτέλεσε το πρώτο υλικό, το οποίο δοκιμάσθηκε στην εμφύτευση ενδοφακού σε ασθενή, διευρύνοντας με τον τρόπο αυτό τις προοπτικές στην χρήση βιοϋλικών ως εμφυτεύματα στον τομέα της κλινικής οφθαλμολογίας. Οι ενδοφακοί ΡΜΜΑ είναι υδρόφοβοι και η περιεκτικότητά τους σε νερό είναι < 0.5%. Αντίθετα οι ενδοφακοί από ΡΗΕΜΑ είναι υδρόφιλοι με περιεκτικότητα σε νερό μεταξύ 18-38%. Βασικό κριτήριο επιλογής ενός βιοϋλικού για θεραπευτική χρήση σε ανθρώπους, αποτελεί η βιοσυμβατότητά του, ώστε να περιοριστούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι μετεγχειρητικές επιπλοκές. Οι υδρόφιλοι ακρυλικοί ενδοφακοί είναι πολύ εύκαμπτοι και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ευρύτατα, ιδιαίτερα στον Ευρωπαϊκό χώρο. Το πρόβλημα το οποίο εμφανίζουν οι υδρόφιλοι IOL είναι ότι ένα μικρό ποσοστό τους μετά την πάροδο χρόνου, ο οποίος ποικίλλει από μήνες έως και αρκετά χρόνια, εμφανίζουν θόλωση, η οποία οφείλεται στο σχηματισμό φωσφορικού ασβεστίου, στην επιφάνεια, στο εσωτερικό ή και στα δύο. Στην ιατρική βιβλιογραφία, υπάρχει αρκετή τεκμηρίωση εντοπισμού και ταυτοποίησης της ασβεστοποίησης των IOLs αλλά υπάρχουν ελάχιστες μελέτες, σχετικά με το μηχανισμό σχηματισμού των εναποθέσεων του φωσφορικού ασβεστίου, το οποίο έχει ταυτοποιηθεί ως κρυσταλλικός υδροξυαπατίτης (Ca5(PO4)3OH, HAP). H επικρατούσα επί του παρόντος άποψη, είναι ότι το πολυμερές ΡΗΕΜΑ διαθέτει δραστικές ομάδες -ΟΗ, οι οποίες ιοντίζονται μερικώς αναλόγως της τιμής του pH του ηλεκτρολυτικού διαλύματος με αποτέλεσμα τη δημιουργία επιφανειακών συμπλόκων του τύπου -Ο…Ca+ ή -Ο…Ca0…O-, τα οποία αποτελούν τα ενεργά κέντρα πυρηνογένεσης και κρυσταλλικής ανάπτυξης του ΗΑΡ λόγω της δημιουργίας τοπικά υψηλού υπερκορεσμού. Η υπόθεση αυτή, είναι δυνατό να ελεγχθεί με μετρήσεις του φορτίου της επιφάνειας του ΡΗΕΜΑ. Στην παρούσα μελέτη στόχος ήταν ο προσδιορισμός του ηλεκτροστατικού δυναμικού της επιφάνειας των υδρόφιλων ακρυλικών ενδοφακών από PHEMA. Συγκεκριμένα υπολογίστηκε το ζ δυναμικό των ενδοφακών, με ή χωρίς εναποθέσεις ΗΑΡ. Η μεθοδολογία των μετρήσεων ήταν αυτή της μέτρησης του δυναμικού ροής. Κατά τη ροή ηλεκτρολυτικού διαλύματος εφαπτομενικά προς ηλεκτρικά φορτισμένη επιφάνεια δημιουργείται δυναμικό ροής λόγω της διαφοράς δυναμικού η οποία δημιουργείται μεταξύ των άκρων μιας επιφάνειας, λόγω επιβράδυνσης των ιόντων με φορτίο αντίθετου προσήμου από την επιφάνεια ενώ λόγω απώσεων τα ομόσημα ιόντα απομακρύνονται ταχύτερα. Η διαφορά αυτή δυναμικού, μετρείται με ένα βολτόμετρο ακριβείας. Η ροή του ηλεκτρολύτη ως προς τη φορτισμένη επιφάνεια επιβάλλεται με διαφορά πιέσεως μεταξύ των δύο άκρων της επιφανείας. Λόγω του σχήματος και του μεγέθους των ενδοφακών, οι ενδοφακοί τεμαχίσθηκαν σε μικροσκοπικά σωματίδια μεγέθους 1 mm και τοποθετήθηκαν σε ειδική κυψελίδα δημιουργώντας με τον τρόπο αυτό ένα πορώδες δισκίο, δια του οποίου πραγματοποιήθηκε ροή ηλεκτρολυτικού διαλύματος KCl. Από τις μετρούμενες τιμές του δυναμικού ροής υπολογίσθηκε σε κάθε περίπτωση η τιμή του δυναμικού ζ, του δυναμικού δηλαδή στο επίπεδο ολίσθησης της ηλεκτρικής διπλής στιβάδας η οποία δημιουργείται στη διαφασική επιφάνεια IOL/ Hλεκτρολύτη. Μετρήθηκε το δυναμικό ροής και υπολογίσθηκε το δυναμικό ζ, IOL συναρτήσει της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη, ΚCl και βρέθηκε ότι σε συγκεντρώσεις <0.5 mΜ KCl η επιφανειακή αγωγιμότητα επηρεάζει τις μετρούμενες τιμές. Οι μετρήσεις αυτές, έγιναν και συναρτήσει της τιμής του pH του ηλεκτρολυτικού διαλύματος. Βρέθηκε ότι το ισοηλεκτρικό σημείο των υδρόφιλων ακρυλικών ενδοφακών ΡΗΕΜΑ ήταν < pH 4, τιμή η οποία είναι παραπλήσια με την τιμή pK του μονομερούς ΗΕΜΑ. Αυξανομένης της τιμής του pH, οι τιμές του δυναμικού ζ ήταν πολύ αρνητικές και αυξάνονταν αυξανομένης της τιμής του pH σε συμφωνία με την αρχική υπόθεση ότι οι ιοντιζόμενες ομάδες -ΟΗ του ΡΗΕΜΑ είναι υπεύθυνες για το φορτίο της επιφάνειας. Οι εναποθέσεις ΗΑΡ στους IOL μετατόπισαν το ζ δυναμικό σε σημαντικά υψηλότερες αρνητικές τιμές. Η μετατόπιση αυτή ήταν αναμενόμενη δεδομένου του ότι μετρήσεις του δυναμικού ζ με την ίδια μέθοδο, του ΗΑΡ έδειξαν ότι έχει αρνητικές τιμές στην περιοχή τιμών του pH μεταξύ 6-10. Το αξιοσημείωτο είναι ωστόσο ότι το ζ δυναμικό των IOL PHEMA με τις εναποθέσεις ΗΑΡ ήταν πολύ μεγαλύτερο από το αναμενόμενο άθροισμα ζ δυναμικό ΗΑΡ και ζ δυναμικό ΡΗΕΜΑ. Αυτό δηλώνει την συνεργιστική αύξηση του αρνητικού δυναμικού της επιφάνειας των ασβεστοποιημένων IOL. Τροποποίηση της επιφάνειας των IOL με εναπόθεση στρωμάτων οξειδίου του γραφενίου (GO) έδειξαν πολύ υψηλές αρνητικές τιμές δυναμικού ζ, οι οποίες προφανώς οφείλονται στις καρβοξυλομάδες του GO. Η υπόθεση αυτή επιβεβαιώθηκε από μετρήσεις του δυναμικού ζ μετά την αναγωγή του GO προς ανηγμένο γραφένιο (RGO). Λόγω της αναγωγής των καρβοξυλομάδων και τη μετατροπή τους είτε σε C είτε σε καρβονυλομάδες =C=O, η τιμή του δυναμικού ζ μειώθηκε δραστικά.
Open Access
Επεξεργασία τροφίμων με πλάσμα διηλεκτρικού φράγματος ατμοσφαιρικής πίεσης
(2022-10-18) Τζινίδης, Παναγιώτης; Tzinidis, Panagiotis
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στη παρούσα διπλωματική εξετάστηκε το ψυχρό πλάσμα ατμοσφαιρικής πίεσης ως μέθοδος επεξεργασίας τροφίμων με σκοπό την παράταση της διάρκειας ζωής τους. Γενικότερα, η αποτελεσματικότητα του πλάσματος στην επεξεργασία επιφανειών είναι αδιαμφισβήτητη. Όταν όμως αυτό χαρακτηρίζεται από χαμηλή θερμοκρασία καθίσταται ιδανικό για εφαρμογή σε πιο ευπαθή υλικά όπως τα τρόφιμα. Ταυτόχρονα, η χρήση ατμοσφαιρικού αέρα μειώνει δραματικά το κόστος της επεξεργασίας. Η χρήση του επομένως σε εφαρμογές επεξεργασίας τροφίμων χρήζει διερεύνησης.Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, για την παραγωγή του πλάσματος χρησιμοποιήθηκε διάταξη εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος (Dielectric Barrier Discharge). Με μια πληθώρα ηλεκτρικών μετρήσεων επιχειρήθηκε η εύρεση διάταξης κατάλληλης για επεξεργασία δειγμάτων τυριού. Τα δείγματα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με πλάσμα για διάφορους χρόνους και τιμές ισχύος. Βασικές προϋποθέσεις για οποιονδήποτε συνδυασμό συνθηκών κρίθηκαν η ελαχιστοποίηση της αλλοίωσης του δείγματος και η ομοιομορφία του πλάσματος. Έπειτα έγινε παρακολούθηση της αλλοίωσης των δειγμάτων σε βάθος χρόνου και εξετάστηκε μια ποικιλία μεθόδων αποθήκευσης για να βρεθεί η πιο αποτελεσματική. Για την ποσοτικοποίηση των αλλοιώσεων που εμφάνισαν τα δείγματα αναπτύχθηκε μια μορφή χρωματομετρίας, με την οποία εξετάστηκε η μεταβολή του χρώματος της επιφάνειας των δειγμάτων και ποσοτικοποιήθηκαν άλλες δομές που εμφανίστηκαν σε αυτά.
Open Access
Διεργασίες και διατάξεις πλάσματος σε υγρά διαλύματα για τη χημική διάσπαση σύνθετων υλικών
(2022-10-27) Κορκίζογλου, Κωνσταντίνος; Korkizoglou, Konstantinos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η σύγχρονη βιομηχανία χαρακτηρίζεται από την αναγκαιότητα εξοικονόμησης ενέργειας και την ελαχιστοποίηση του αποτυπώματος άνθρακα, εντούτις, κατακλύζεται από κατασκευές σύνθετων υλικών τα οποία προσδίδουν ανθεκτικότητα και σημαντική μείωση του βάρους. Πιο συγκεκριμένα, τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση ινών (FRPs) πρωταγωνιστούν, καθώς εφαρμόζονται εκτενώς στη «βαρεά» βιομηχανία. Επομένως, η μαζική παραγωγή αυτών των υλικών, των οποίων η παρασκευή είναι δαπανηρή ενεργειακά και κοστοβόρα, οδηγεί στην ολοένα και αυξανόμενη συσσώρευση απορριπτέων υλικών. Η συνηθέστερη αντιμετώπιση των απορριπτέων, σήμερα, είναι η διακομιδή τους σε χωματερές ή η καύση τους, τεχνικές που αντιτίθενται στη διαφύλαξη του περιβάλλοντος, ενώ απορρίπτεται ωφέλιμη ενέργεια, αποθηκευμένη στην πολυμερική μήτρα και τις ακριβότερες ίνες. Επομένως, κρίνεται αναγκαία η ανακύκλωση των ινών ή/και του πολυμερούς. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι ανακύκλωσης για FRPs, οι οποίες χωρίζονται στις μηχανικές, τις θερμικές και χημικές μεθόδους, όμως είτε προαπαιτούν υψηλή κατανάλωση ενέργειας και ακριβό εξοπλισμό, ενώ μπορεί να απαξιώνουν και να τραυματίζουν τις ανακτηθείσες ίνες, είτε περιορίζονται στο εργαστήριο λόγω της χρονοβόρας διαδικασίας τους. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται μία πρωτότυπη χημική μέθοδο ανακύκλωσης, η οποία περιλαμβάνει τη χρησιμοποίηση διεργασιών πλάσματος για την ενεργοποίηση υδατικού διαλύματος νιτρικού οξέος υψηλής συγκέντρωσης, εντός του οποίου βρίσκεται το προς διάσπαση σύνθετο υλικό. Το πλάσμα στη μέθοδο αντιμετωπίζεται ως μία προηγμένη τεχνολογία οξείδωσης, που παράγει πλήθος δραστικών χημικών ειδών στο νιτρικό, ενώ η αλληλεπίδρασή του, γενικώς με τα υγρά διαλύματα, αποτελεί ένα σχετικά καινούριο πεδίο έρευνας. Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκε διάταξη – αντιδραστήρας πλάσματος τύπου DBD σε υάλινη σφαιρική φιάλη, όπου γίνεται εκκένωση σε φυσαλίδες εντός του νιτρικού, ενώ οι ατμοί του δεσμεύονται με χρήση σωλήνα συμπύκνωσης και scrubbing liquid. Τα υλικά – δείγματα ήταν χορηγούμενα CFRP της εταιρίας Hexcel με την ονομασία HEX 8552, καθώς και GFRP με ίνες υάλου Ε-τύπου, άγνωστης προέλευσης και σύστασης. Επιπλέον, ως προέκταση της μεθόδου, όμως καθορίζουσας σημασίας για την ανάκτηση καθαρών ινών, υπήρξε η διαλυτοποίηση του λαμβανομένου του plasma treatment υλικού σε διάλυμα H2O2/ακετόνης με την ταυτόχρονη ανακίνηση σε λουτρό υπερήχων. Τα αποτελέσματα του πειράματος απέδειξαν την ικανότητα διάσπασης των σύνθετων υλικών με την προτεινόμενη μέθοδο σε χρόνο ~24 min για τα CFRP και ~33 min για τα GFRP, ενώ επετεύχθη η ανάκτηση ινών υψηλής ατομικής συγκέντρωσης σε άνθρακα (~93 at%) από τα CFRP, χωρίς σημαντική παρουσία προσμίξεων και υπολειμμάτων στην επιφάνειά τους και με μικρή απαξίωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων (~91 % της ονομαστικής εφελκυστικής αντοχής). Ωστόσο, δεν παρατηρήθηκε το ίδιο για τις μηχανικές ιδιότητες των υαλονημάτων, καθώς ελαττώνονται κατά το ήμισυ και περισσότερο. Ταυτοχρόνως, εκτιμήθηκε πως δεν μεταβάλλεται σημαντικά η οξύτητα του νιτρικού, όταν επαναχρησιμοποιείται κατά τα διαδοχικά plasma treatments, ενώ η ανάκτηση μάζας του υλικού αυξάνεται σταδιακά. Τέλος, εξετάσθηκαν οι διάφορες παράμετροι που επηρεάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες της διάταξης και παρατηρήθηκε πως η αύξηση της παροχής αερίου Ν2 δεν επηρεάζει την αγωγιμότητα, ενώ η αγωγιμότερη διάταξη λαμβάνεται για διάλυμα απεσταγμένου νερού σε απόδοση ισχύος 1500 W από τη γεννήτρια σήματος και παροχή Ν2 1 slm, η οποία διάταξη παρουσιάζει αύξηση της διάρκειας εκκενώσης στην καθοδική και ανοδική φάση της.
Open Access
Διμεταλλικοί και μονομεταλλικοί καταλύτες βασισμένοι στο ρουθήνιο και τον χαλκό για την υδρογόνωση του διοξειδίου του άνθρακα
(2022-10-31) Αρέθα, Σταυρούλα; Aretha, Stavroula
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα τα οποία απασχολούν την επιστημονική κοινότητα είναι η υπέρμετρη παραγωγή συγκεκριμένων ρυπογόνων αερίων τα οποία συντελούν στην ολοένα και μεγαλύτερη αύξηση της μέσης θερμοκρασίας. Το CO2, αποτελεί από τα σημαντικότερα αέρια του θερμοκηπίου, το οποίο παράγεται από ποικίλες ανθρώπινες δραστηριότητες σε τεράστιες ποσότητες καθημερινά με αποτέλεσμα την χειροτέρευση της κλιματικής αλλαγής και της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Η μείωση της συγκέντρωσης του CO2 στην ατμόσφαιρα είναι επιτακτικά αναγκαία ώστε να αντιμετωπιστεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Μία εποικοδομητική λύση στο παραπάνω ζήτημα είναι η αξιοποίηση του παραγόμενου αερίου ως αντιδρών με σκοπό την παραγωγή πολύτιμων χημικών προϊόντων και ενδιάμεσων χημικών παραγώγων. Μια αντίδραση που οδηγεί στην παραγωγή πολλών χρήσιμων προϊόντων είναι η υδρογόνωση του διοξειδίου του άνθρακα, η οποία πραγματοποιείται μέσω ετερογενών καταλυτικών διεργασιών. Υπάρχουν ποικίλοι υποστηριγμένοι ετερογενείς καταλύτες οι οποίοι έχουν μελετηθεί ενδελεχώς με σκοπό την αύξηση της ενεργότητας και εκλεκτικότητας σε συγκεκριμένα προϊόντα, με τους περισσότερους να αποτελούνται από κάποιο μέταλλο ή συνδυασμό μετάλλων ως ενεργό κέντρο. Στην παρούσα διπλωματική, η υδρογόνωση του διοξειδίου του άνθρακα μελετάται χρησιμοποιώντας διμεταλλικούς καταλύτες που βασίζονται στο ρουθήνιο και τον χαλκό υποστηριγμένους σε φορέα YSZ καθώς και σε μονομεταλλικούς καταλυτές των ίδιων μετάλλων. Οι καταλύτες παρασκευάστηκαν ώστε να έχουν κοινή ατομική αναλογία σε σχέση με το υπόστρωμα At%=2.98 . Η υδρογόνωση πραγματοποιήθηκε σε τρεις διαφορετικές αναλογίες των αντιδρώντων, PCO2:PH2= 2:12, 2:8 και 4:2 ώστε να μελετηθεί η επιρροή της αναλογίας αντιδρώντων στην παραγωγή των δύο κύριων προϊόντων, το μεθάνιο και το μονοξείδιο του άνθρακα. Τα καταλυτικά πειραματικά δεδομένα αξιοποιήθηκαν ώστε να υπολογιστούν οι ρυθμοί κατανάλωσης και μετατροπής του CO2, οι ρυθμοί παραγωγής των δύο κύριων προϊόντων, των εκλεκτικοτήτων και των αποδόσεων ως προς τα προϊόντα αυτά, καθώς επίσης και των ενεργειών ενεργοποίησης της αντίδρασης. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε θερμοκρασιακό εύρος από 250 έως 400oC. Οι καταλύτες των πειραμάτων συντέθηκαν με την μέθοδο του υγρού εμποτισμού, ενώ οι μέθοδοι χαρακτηρισμού που ακολουθήθηκαν ήταν η μέθοδος ρόφησης-εκρόφησης αζώτου (BET), η μέθοδος περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS).
Open Access
Ετερογενής ενεργοποίηση υπερθειικών αλάτων με χρήση καταλυτών BaxSr1-xNiO3
(2022-11) Λαγουδάκη, Βασιλική; Lagoudaki, Vasiliki
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα τελευταία χρόνια, καταγράφεται αξιοσημείωτη αύξηση στην ανίχνευση φαρμακευτικών προϊόντων στις εκροές των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων καθώς και στον υδροφόρο ορίζοντα. Για την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου προβλήματος, οι Προηγμένες Διεργασίες Οξείδωσης (Advanced Oxidation Processes, AOPs) λαμβάνουν όλο και μεγαλύτερη προσοχή, λόγω των ελπιδοφόρων αποτελεσμάτων που εμφανίζουν στον καθαρισμό και την απολύμανση των υδάτων. Κοινός άξονας δράσης των διεργασιών αυτών είναι η δημιουργία δραστικών οξειδωτικών ειδών (κυρίως ριζών υδροξυλίου και θειικών ριζών). Μία πολλά υποσχόμενη κατηγορία των Προηγμένων Διεργασιών Οξείδωσης είναι η ενεργοποίηση υπερθειικών αλάτων. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη της ετερογενούς ενεργοποίησης του υπερθειικού άλατος του νατρίου (Sodium persulfate, SPS) με χρήση καταλυτών της μορφής 〖Ba〗_x 〖Sr〗_(1-x) NiO_3 για την πλήρη διάσπαση του αντιβιοτικού σουλφαμεθοξαζόλη (Sulfamethoxazole, SMX) στο νερό. Για το λόγο αυτό παρασκευάστηκαν οι καταλύτες BaNiO_3 (BNO),〖 Ba〗_0.8 〖Sr〗_0.2 NiO_3 (BSNO) και 〖Ba〗_0.6 〖Sr〗_0.4 NiO_3 (B6S4NO), των οποίων ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με τις μεθόδους: φυσικής ρόφησης αζώτου σε θερμοκρασία υγρού αζώτου (ΒΕΤ), περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) και μέτρησης του δυναμικού ζ. Το 〖Ba〗_0.8 〖Sr〗_0.2 NiO_3 έδειξε υψηλή δραστικότητα όσον αφορά την ενεργοποίηση του SPS (500 mg/L), με αποτέλεσμα την πλήρη αποδόμηση 0.5 mg/L SMX σε σύντομο χρονικό διάστημα. Επιπλέον δεν παρατηρήθηκαν φαινόμενα προσρόφησης και απευθείας οξείδωσης του SMX από το SPS. Περαιτέρω πειράματα διεξήχθησαν για την μελέτη της επίδρασης διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος στην διάσπαση του SMX, όπως το pH, η συγκέντρωση του καταλύτη (250-750 mg/L), η συγκέντρωση του SPS (100-750 mg/L) και η συγκέντρωση του SMX (0.25-1 mg/L). Βρέθηκε ότι η διεργασία ευνοείται σε pH≈8, η αύξηση της συγκέντρωσης του SPS (100-500 mg/L) και της συγκέντρωσης του BSNO επιταχύνει το ρυθμό αποδόμησης του SMX καθώς και η μείωση της συγκέντρωσης του SMX οδηγεί σε μικρότερους χρόνους διάσπασης του ρύπου. Παράλληλα, με τη βοήθεια πειραμάτων που έγιναν παρουσία κατάλληλων ουσιών που δρουν σαν παγίδες ριζών, βρέθηκε ότι το κύριο οξειδωτικό είδος στην εν λόγω διεργασία είναι οι θειικές ρίζες. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση του είδους της υδατικής μήτρας στον ρυθμό της αντίδρασης με πειράματα που πραγματοποιήθηκαν τόσο σε πραγματικές όσο και σε συνθετικές υδατικές μήτρες, όπου παρατηρήθηκε ότι τα διττανθρακικά ιόντα (〖HCO〗_3^-) και το οργανικό φορτίο είναι παράγοντες που επιβραδύνουν τη διάσπαση του SMX.
Open Access
Non noble transition metal elements for the modification of Ni based electrodes in solid oxide fuel and electrolysis cells applications
(2023-01-23) Σουβαλιώτη, Αθηνά; Souvalioti, Athina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Water electrolysis via fuel cell technology is an efficient technique, which through the electro-chemical reaction produces H2 and O2. Alkaline water electrolysis takes place in low temperatures (<100oC), the electrodes are made of metal, the electrolyte is liquid usually KOH and the two electro-lyser chambers are divided by a diaphragm. This technology produces low purity hydrogen, is expen-sive and has low efficiency due to high operating voltage [8]. Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis cells/stacks operate at low temperature (e.g. 70 oC), have a proton conductive polymer membrane as electrolyte and comprise noble metal-containing electrodes (Pt/C-based and IrOx-based). They generally, succeed higher current densities, compared to the alkaline electrolyzer, but they are more expensive and inadequate for long term operation [9]. Another pathway is the high-temperature electrolysis of steam, using solid oxide electrolysis cell (SOEC). The latter technological proposal is more efficient due to more favorable thermodynamic and electrochemical kinetic condi-tions for the water splitting and exhibits the highest tolerance to CO contamination among all fuel cell technologies. In the present, alkaline and proton electrolysers are commercial but confront many issues. In order to be used as interconnectors for power balancing and energy storage, these systems need two separate features, one operating in the fuel cell mode and the other in the electrolysis mode. These configurations are complex and difficult to manage. On the other hand, solid oxide cells (SOCs) can operate as electrolysers and/or fuel cells, depending on the production needs [10]. Re-versible solid oxide cells have lower activation losses at lower current densities (in comparison to alkaline and PEM electrolytes) which indicates higher power generation during the fuel cell mode and decreased energy demands during electrolysis [8]. In general, RSOCs have many advantages in comparison with the other cell technologies. Poten-tially, such reversible SOCs can be combined with already existing energy technologies. RSOCs is the only system that can operate bi-directionally [10]. In the SOE mode, hydrogen is produced via Power-to-Gas process (P2G) and, the same module is able to operate in the reverse mode as SOFC and produce power, via Gas-to-Power process (G2P). It has been demonstrated that a SOFC system can achieve low electrode overvoltages even for high current densities. Furthermore, at SOEC operation an electrical-to-hydrogen conversion efficiency above 100% is feasible [8]. The RSOC is a very prom-ising technology, that has reduced capital expenses and energy requirements as there is no need for hydrogen’s transportation and delivery. RSOCs, can store energy for micro- grid or large context, as unique standalone solution or hybridised with other storage systems. RSOC system has a variety of applications. Great interest presents the possibility of direct electro-lyzing CO2, or even co-electrolyzing of CO2 and H2O simultaneously. The product of this process is syngas (CO and H2) which is a widely used fuel. Syngas is traditionally derived from fossil fuels, con-tributing to the greenhouse effect. Syngas from co-electrolysis in a SOEC system can be feedstock to produce every hydrocarbon that can be used in the chemical industry, refineries via Fischer-Tropsch synthesis or for the production of synthetic natural gas (SNG) via Sabatier process with zero environ-mental impact [11]. SOFC operation can distribute power as CHP unit (Combined Heat and Power), can generate power using natural gas or LPG (remote system), and backup power [12]. Fuel cell mode, with methane as fuel, generates high purity hydrogen through steam-reforming process and dry re-forming process. Additionally, surplus heat from coupling processes can be used or exported from the RSOC system, achieving surplus energy. SOCs due to the innovative functions, have been acknowl-edged appropriate for earthy and space applications. Hydrogen produced in RSOC system can be potential useful in the chemical, metallurgical and glass industry, directly as fuel for cars, and public transport generally, in refineries to replace fossil-based feedstocks, or for electricity and heat pro-duction [12]. So far SOCs technology is an innovative proposal, operating still at the lab-scale due to stability problems that prevent the widespread use and commercialization. Limited long-term durability and high capital costs are the key challenges to implement large scale power production. For large scale applications, the good scalability allows construction of stacks by assembling individual SOCs cells. By increasing the size of the cell and the stack, the cost per unit of product (power, fuel) minimizes, but the internal stack temperature increases causing degradation to the cells. Furthermore, an issue that has been noticed is the deactivation of the Ni/GDC (or Ni/YSZ) hydrogen/steam electrode, which is usually ascribed to nickel’s re-oxidation, coarsening, evaporation and agglomeration during H2O elec-trolysis, or/and carbon deposition during H2O/CO2 co-electrolysis. Oxidization of nickel by the for-mation of volatile compounds, such as nickel hydroxides results to decreased electronic conductivity and causes mechanical stress to the electrode [13]. Another disadvantage is the delamination of the oxygen electrode. In conclusion, it is believed that material’s failure accelerates cell’s degradation in long term operation [14], [15]. Fuel cells are an alternative to heat engines for electricity generation. The coefficient of perfor-mance of heat engines, where the produced heat by the combustion of a fuel is converted into me-chanical energy, it is not possible to exceed the Carnot coefficient of efficiency. Fuel cells are not subjected to this limitation and therefore their efficiency is usually greater than a thermal engine’s. Nevertheless, the overall disadvantage of RSOCs is the low Technology Readiness Level. More re-search and development must be carried out before rSOCs technology is ready for the general power and fuel market. Constantly efforts are conducting to optimize materials to give high performance and durability, with low-cost and long-term stable cells. Investigations are conducting of new and more tolerant fuel and oxygen electrodes and of optimization of operating conditions and adequate utilization of external heat sources [15]. This diploma thesis is an introduction to the key features and characteristics of RSOCs’ working principles and optimization of the fuel electrode, by means of chemical modification with transition metal elements, for water electrolysis and power production. Specifically, the presented assignment is part of a wider research study, which aims to elucidate the modifying effect from different loadings of Mo and Au in Ni/GDC, with the objective to find their optimum content, especially limiting Au, for stable and enhanced operation under RSOC mode.
Open Access
Μελέτη της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα σε αντιδραστήρα διπλού θαλάμου σε καταλυτικό υμένιο Pt
Λυμπέρη, Ανδριάνα; Lymperi, Andriana
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η υδρογόνωση του CO2 είναι μία αντίδραση μεγάλου περιβαλλοντικού και τεχνολογικού εν-διαφέροντος, καθώς μπορεί να οδηγήσει στην αναχαίτηση της καλπάζουσας αύξησης του CO2 στην ατμόσφαιρα με ταυτόχρονη παραγωγή χρήσιμων χημικών και καυσίμων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενεργειακοί φορείς. Τα τελευταία χρόνια, η αντίδραση αυτή έχει κερδίσει έντονο ενδιαφέρον με πολυάριθμες μελέτες να λαμβάνουν χώρα για διάφορους καταλύτες, υπο-στρώματα και προωθητές. Το φαινόμενο της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της Κατάλυσης (EPOC ή αλλιώς Μη-Φαρανταϊκή Τροποποίηση της Καταλυτικής Ενεργότητας, φαινόμενο NEMCA) αποτελεί μία πολλά υποσχόμε-νη εναλλακτική στην κλασσική κατάλυση και έχει χρησιμοποιηθεί ήδη με μεγάλη επιτυχία σε πλήθος καταλυτικών αντιδράσεων. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, ο παρατηρούμενος ρυθμός μίας καταλυτικής αντίδρασης μπορεί να μεταβληθεί κατά την επιβολή μικρών δυναμικών ή ρευ-μάτων. Η εξήγηση πίσω από αυτήν την παρατήρηση έγκειται στην ιοντική αγωγιμότητα του στε-ρεού ηλεκτρολύτη πάνω στον οποίο εναποτίθεται το καταλυτικό υμένιο και στη δημιουργία μιας ισοδύναμης ηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας κατά τη διάρκεια πόλωσής του με ένα δυναμικό. Η παρουσία της διπλοστοιβάδας αυτής επηρεάζει έντονα το έργο εξόδου του καταλύτη, με επακό-λουθη συνέπεια την αυξομείωση στην ισχύ ρόφησης των αντιδρώντων και τελικά την αύξηση ή μείωση της κάλυψης της καταλυτικής επιφάνειας από τα αντιδρώντα είδη και ενίσχυση ή μείωση του καταλυτικού ρυθμού. Αν και το φαινόμενο EPOC έχει εφαρμοστεί αποτελεσματικά σε πολλά καταλυτικά συστήματα, ένα από τα κύρια μειονεκτήματά του σχετίζεται με τις δυσκολίες στον σχεδιασμό του ηλεκτρο-χημικού συστήματος λόγω των απαραίτητων συνδέσεων μεταξύ των υποστηριζόμενων ηλεκτρο-δίων μέσα στον αντιδραστήρα και μιας εξωτερικής πηγής, που συνήθως είναι ένας ποτενσιοστά-της/γαλβανοστάτης. Αυτό το μειονέκτημα θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί εάν η καταλυτική α-ντίδραση λάβει χώρα σε έναν αντιδραστήρα, ο οποίος ταυτόχρονα θα μπορούσε να λειτουργήσει ως πηγή ισχύος. Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιείται η μελέτη της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της υδρο-γόνωσης του CO2 σε έναν αντιδραστήρα κυψέλη καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) χαμη-λής θερμοκρασίας. Ως στερεός ηλεκτρολύτης χρησιμοποιήθηκε σταθεροποιημένη με ύττρια ζιρ-κονία (YSZ) και ως καταλύτης λευκόχρυσος (Pt). Η μελέτη αυτή πραγματοποιείται για δύο περι-πτώσεις: όταν ο αντιδραστήρας λειτουργεί ως ηλεκτρολυτικό στοιχείο, δηλαδή η απαιτούμενη για την επιβολή δυναμικού ενέργεια δίνεται από εξωτερική πηγή (χρήση ποτενσιοστάτη/ γαλβα-νοστάτη) και όταν ο αντιδραστήρας λειτουργεί ως γαλβανικό στοιχείο, δηλαδή όταν η απαιτού-μενη ισχύς για την τροποποίηση των καταλυτικών ρυθμών της αντίδρασης λαμβάνεται άμεσα από την παράλληλη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Με σκοπό τη μεγιστοποίηση της μεταβολής του καταλυτικού ρυθμού, παρασκευάστηκαν τέσσερις αντιδραστήρες με διαφορά στον τρόπο εναπόθεσης και την ποσότητα του καταλύτη καθώς και στην αγωγιμότητα του στερεού ηλεκτρολύτη. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασιακό εύρος 260-460οC σε έντονα οξειδωτικές και έντονα αναγωγικές συνθήκες, για σταθερή ογκομετρική παροχή 200cm3/min. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, συζητάται το φαινόμενο του θερ-μοκηπίου και το CO2 ως ο κύριος ρύπος του θερμοκηπίου. Στη συνέχεια, στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η αντίδραση της υδρογόνωσης του CO2 και αναφέρονται τα κύρια προϊόντα και ο καταλύτες που χρησιμοποιούνται. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται συνοπτική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας και των κύριων ειδών κυψελών καυσίμου. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρέχονται βασι-κές πληροφορίες για τους στερεούς ηλεκτρολύτες και παρουσιάζονται οι βασικές αρχές του φαι-νομένου NEMCA. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη και διαδικασία, ενώ η ανάλυση και συζήτηση των αποτελεσμάτων και τα βασικά συμπεράσματα αναφέρονται στα τελευταία δύο κεφάλαια.
Open Access
Ανάπτυξη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων από εμβολιασμένο συμπολυμερές πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη)
Κάργα, Μαρία Ελένη; Karga, Maria Eleni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα υδροπηκτώματα ή υδρογέλες αποτελούν τρισδιάστατες υδρόφιλες πολυμερικές δομές, οι οποίες μπορούν να παγιδεύουν μεγάλες ποσότητες νερού και να διογκώνονται. Η ιδιότητά τους αυτή συντελεί στη ομοιότητά τους με ζωντανούς ιστούς, με αποτέλεσμα τη στροφή του ενδιαφέροντος της επιστημονικής κοινότητας προς αυτά για να εκμεταλλευτούν σε διάφορες βιοεφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον έχει δοθεί στο σχεδιασμό υδρογελών από βιοσυμβατά πολυμερή, όπως αυτά των φυσικών πολυπεπτιδίων. Τα μακρομόρια αυτά έχουν το πλεονέκτημα της βιοαποικοδομησιμότητας, μη τοξικότητας και κατά συνέπεια εύκολα αποδέχονται από τον οργανισμό κατά την χρήση τους. Επιπλέον, τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν φυσικό τρόπο διασύνδεσης, όπως μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, θεωρούνται πολλά υποσχόμενα υλικά για βιοεφαρμογές, όπως η μη-χανική ιστών, η μεταφορά φαρμάκων και κυττάρων κ.α., καθώς αποτελούν δυναμικά συστήματα με αναστρέψιμες ιδιότητες. Τα διασυνδέσιμα υδατοδιαλυτά πολυμερή, ανήκουν στη κατηγορία πολυμερών που σχηματίζουν υδροπηκτώματα με πληθώρα αλληλεπιδράσεων, όπως οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Βασίζονται σε συμπολυμερή που αποτελούνται από υδρόφιλες πολυμερικές αλυσίδες συνδεδεμένες με υδρόφοβες ομάδες στα άκρα τους ή εμβολιασμένες πάνω τους. Έχουν βρει εφαρμογές σε βαφές, τρόφιμα, στην εξόρυξη καυσίμων, στα καλλυντικά και τη βιοτεχνολογία εξαιτίας των πολλά υποσχόμενων ιξωδοελαστικών τους ιδιοτήτων. Τα «έξυπνα» ή αποκρινόμενα στα ερεθίσματα φυσικά υδροπηκτώματα εμφανίζουν ευαισθησία σε περιβαλλοντικές αλλαγές, παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον για βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς μπορούν να ενισχυθούν οι ιδιότητές τους με τη μεταβολή διάφορων συνθηκών. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν ευαισθησία στο pH. Σε τέτοια συστήματα μπορούν εύκολα να ρυθμιστούν οι ιδιότητές τους προσαρμόζοντας κατάλληλα τις συνθήκες pH. Επιπλέον, υδροπηκτώματα που εμφανίζουν απόκριση στη διάτμηση και ψευδοπλαστική συ-μπεριφορά είναι πολύ χρήσιμα για εφαρμογές που απαιτείται η μείωση ή αύξηση του ιξώδους (ρεολέπτυνση ή ρεοσκλήρυνση) κατά την επιβολή διατμητικής τάσης, όπως αυτής των ενέσιμων συστημάτων. Τα ενέσιμα υδροπηκτώματα έχουν την δυνατότητα να ρέουν κατά τη διάρκεια της ενέσιμης χορήγησής του και στη συνέχεια να διαμορφώνονται σε σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα, δηλαδή ισχυρά πηκτώματα κατά την είσοδό τους στον οργανισμό. Έχουν αναπτυχθεί πληθώρα τέτοιων συστημάτων με εφαρμογές όπως στη μη επεμβατική μηχανική ιστών, στην αναγέννηση ιστών και στην ελεγχόμενη χορήγηση φαρμακευτικών ουσιών με μη επεμβατικές διαδικασίες. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη, το χαρακτηρισμό και τη ρεολογική μελέτη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη). Η παρασκευή του συμπολυμερούς πραγματοποιήθηκε με εμβολιασμό του υδρόφοβου πολυπεπτιδίου στο σκελετό του πολύ(ακρυλικού οξέος) μέσω αντίδρασης σχηματισμού αμιδικού δεσμού. Ο χαρακτηρισμός της σύνθεσης, μέσω φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου, έδειξε επιτυχή ανάπτυξη του συμπολυμερούς με τον εμβολιασμό κατά μέσο όρο 6.6 αλυσίδων υδρόφοβης πολύ(L-λυσίνης) ανά μία αλυ-σίδα πολύ(ακρυλικού οξέος). Το συμπολυμερές ανήκει στη κατηγορία των διασυνδέσιμων υδατοδιαλυτών πολυμερών αναπτύσσοντας σε υδατικό περιβάλλον φυσικά υδροπηκτώματα ως α-ποτέλεσμα των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται και τα οποία μελετήθηκαν ως προς τα ρεολογικά τους χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, για τη μελέτη της ρεολογικής τους συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα ρεολογίας σε ρεόμετρο τάσης σε δείγματα πέντε δια-φορετικών συγκεντρώσεων συμπολυμερούς, 0.25%, 0.5%, 0.74%, 1% και 1.2% wt, τεσσάρων διαφορετικών συνθηκών pH, 5, 6, 7.4, 8.8, και με προσθήκη ποσότητας άλατος NaCl 0.15M. Η ρεολογική μελέτη απέδειξε ότι το συμπολυμερές εμφανίζει ισχυρά υδροπηκτώματα σε υδατικό περιβάλλον, παρουσιάζοντας ελαστική συμπεριφορά και ιδιότητες ενός «παγωμένου» δικτύου. Αξιοσημείωτο αποτελεί το γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά αυτά παρατηρούνται σε μικρές συγκεντρώσεις συμπολυμερούς (<1.2% wt) σε σύγκριση με άλλα φυσικά υδροπηκτώματα που έχουν μελετηθεί ως τώρα. Η συγκέντρωση επιδρά σημαντικά στις ρεολογικές ιδιότητες με αύξηση των μέτρων ελαστικότητας της υδρογέλης κατά την αύξηση της συγκέντρωσης, ακολουθώντας την εκθετική σχέση G’~C1.93 . Την ίδια στιγμή, το σύστημα εμφανίζει χαρακτηριστικά ενός «έξυπνου» υδροπηκτώματος παρουσιάζοντας ευαισθησία στο pH και τη διάτμηση, ενώ εμφανίζει σταθερότητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Η απόκριση στο pH συμβάλει ευεργετικά στην ανάπτυξη ενός πιο ισχυρού τρισδιάστατου δικτύου που μπορεί να παρομοιαστεί με ένα μαλακό στερεό, εξαιτίας της εξάρτησης του βαθμού ιονισμού των καρβοξυλομάδων του πολυηλεκτρο-λύτη-σκελετού PAA από αυτό. Με την αύξηση του βαθμού ιονισμού (αύξηση του pH) παρατηρείται έκταση των αλυσίδων, λόγω απωστικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων, και υπερίσχυση των διαμοριακών υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων έναντι των ενδομοριακών. Έτσι, η ισχύς και διό-γκωση του υδροπηκτώματος μπορεί να ρυθμιστεί αποτελεσματικά αλλάζοντας τις συνθήκες pH. Παρουσιάζει, επιπλέον, εξαιρετική απόκρισή στη διατμητική παραμόρφωση (shear response) και ιδιότητες ρεολέπτυνσης με την πτώση του ιξώδους κατά την επιβολή διατμητικής τάσης και την άμεση επαναφορά του συστήματος στις αρχικές του συνθήκες όταν αυτή σταματήσει. Η αντιστρέψιμότητα της απόκρισης του υδροπηκτώματος στη διάτμηση αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό που συνδέεται με την ιδιότητα της ενεσιμότητας, έχοντας δηλαδή τη δυνατότητα να χορηγείται ενέσιμα και να διαμορφώνει σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα όταν εισέρχεται στο σώμα. Η ρεολογική συμπεριφορά του σε προσομοίωση πειραμάτων ενεσιμότητας, έδειξε ότι μπορεί να αναπτύσσει ισχυρό δίκτυο μόλις εισέλθει στο σώμα, ενώ η διαδικασία της ένεσης μπορεί να ρυθμιστεί σε τιμές ανεκτές για τον άνθρωπο. Επιπροσθέτως, μελετώντας τα υδροπηκτώματα με προσθήκη άλατος NaCl, συμπεραίνεται ότι παρατηρείται το φαινόμενο της προάσπισης φορτίων με αποδυνάμωση του δικτύου παρουσία των ιόντων του άλατος και την επικράτηση ιξώδους συμπεριφοράς. Συμπερασματικά, τα υδροπηκτώματα εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέ-ος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη) εμφανίζουν ενδιαφέρουσες προοπτικές ως «έξυπνα» ενέσιμα συστήματα για βιοεφαρμογές, έχοντας τη δυνατότητα να καθοριστούν συγκεκριμένα ρεολογικά χαρακτηριστικά ρυθμίζοντας κατάλληλα παραμέτρους όπως το pH και τη συγκέντρωση. Η χρήση τους θα μπορούσε να προταθεί σε εφαρμογές ελεγχόμενης χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών για αντιμετώπιση διάφορων διαταραχών, στη μηχανική και αναγέννηση ιστών κτλ. Τέλος, καθο-ριστικό ρόλο διαδραματίζει και το γεγονός ότι το συγκεκριμένο σύστημα αποτελεί μία πρωτότυπη σύνθεση εμβολιασμένου συμπολυμερούς που εμφανίζει το πλεονέκτημα της βιοσυμβατότητας, εμπεριέχοντας το βιοαποικοδομήσιμο πολυπεπτίδιο της πολύ(L-λυσίνης).