Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/14931
Title: Απομάκρυνση νιτρικού αζώτου από υδατικά συστήματα με χρήση φυσικού και τροποποιημένου Παλυγορσκίτη και αξιοποίησή του ως αζωτούχο λίπασμα σε υδροπονική καλλιέργεια μαρουλιού
Other Titles: Removal of nitrate nitrogen from aquatic systems using raw and modified Palygorskite and its utilisation as nitrogen fertiliser in hydroponic lettuce cultivation
Authors: Σπυρίδωνος, Ίρις
Keywords: Παλυγορσκίτης
Προσρόφηση νιτρικών
Υδροπονική καλλιέργεια
Συγκέντρωση αζώτου
Keywords (translated): Palygorskite
Nitrate adsorption
Hydroponic cultivation
Nitrogen concentration
Abstract: Μία από τις σοβαρότερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα τον 21ο αιώνα, είναι η ρύπανση των υδάτινων σωμάτων, κυρίως λόγω της αυξημένης εκβιομηχάνισης. Ένας αρκετά διαδεδομένος ρύπος στα ύδατα, είναι τα νιτρικά ιόντα, τα οποία σε υψηλές συγκεντρώσεις συμβάλλουν στο φαινόμενο του ευτροφισμού και μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα υγείας στον άνθρωπο. Για την εξυγίανση των υδάτων εφαρμόζονται πολυάριθμοι μηχανισμοί, ωστόσο, υπάρχει ανάγκη από μη συμβατικές και φιλικές προς το περιβάλλον τεχνικές. Οι άργιλοι και τα αργιλικά ορυκτά, ως ευρέως διαδεδομένα, χαμηλού κόστους υλικά, με μοναδικές φυσικοχημικές ιδιότητες, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για τη χρήση τους ως παράγοντες απορρύπανσης. Η προσρόφηση αποτελεί τον κύριο μηχανισμό με τον οποίο τα αργιλικά ορυκτά απομακρύνουν ρύπους από το υδάτινο περιβάλλον και οφείλεται κυρίως στο επιφανειακό φορτίο και την ιοντοανταλλακτική τους ικανότητα. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αποτελεί η χρήση του ινώδους Παλυγορσκίτη ως προσροφητικό μέσο για την απομάκρυνση νιτρικού αζώτου από υδατικά διαλύματα και η μετέπειτα εφαρμογή του ως λίπασμα αργής απελευθέρωσης αζώτου σε υδροπονική καλλιέργεια. Ο Παλυγορσκίτης που χρησιμοποιήθηκε, εξορύσσεται στην Ελλάδα και συγκεκριμένα στην περιοχή των Γρεβενών. Ένα μέρος τους αργιλικού αυτού υλικού που εφαρμόστηκε στις πειραματικές διαδικασίες δεν υπέστη κάποια επεξεργασία (R-Pal), ενώ το υπόλοιπο εκτέθηκε σε υψηλή θερμοκρασία (400 οC) ή επεξεργάστηκε με διάλυμα HCl, προκύπτοντας θερμικά (T-Pal) και όξινα τροποποιημένος (A-Pal) Παλυγορσκίτης, αντίστοιχα. Τόσο το ανεπεξέργαστο όσο και τα επεξεργασμένα αργιλικά υλικά, χαρακτηρίστηκαν πριν και μετά την επεξεργασία τους, με τις τεχνικές, περίθλασης ακτίνων X (XRD), με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και τη μέθοδο BET (Brunauer – Emmett - Teller) για την ανάλυση του πορώδους και ειδικής επιφάνειας. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου για τη συγκριτική έρευνα της προσροφητικής ικανότητας των τριών υλικών για απομάκρυνση νιτρικού αζώτου. Αρχικά, εξετάστηκε η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης του ρύπου (15, 30, 50 και 100 mg NO3-N/L) σε διαφορετικές ποσότητες αργιλικού ορυκτού (0,4, 0,8, 1,6 και 4g) με σκοπό να διερευνηθεί σε ποια αναλογία αρχικής συγκέντρωσης νιτρικών / μάζας αργιλικού ορυκτού επιτυγχάνεται η βέλτιστη απομάκρυνση. Βρέθηκε ότι η μεγαλύτερη ποσότητα Παλυγορσκίτη παρουσιάζει καλύτερη ικανότητα προσρόφησης σε υψηλότερη αρχική συγκέντρωση νιτρικού αζώτου (4g / 100 mg/L), ωστόσο, μόνο στην περίπτωση των 15 mg/L ο ρύπος έφτασε κοντά στην επιτρεπτή συγκέντρωση, που ορίζει η Ευρωπαϊκή Ένωση για το πόσιμο νερό (11,3 mg/L ΝΟ3--Ν). Για το λόγο αυτό, η επίδραση των τροποποιημένων υλικών και η επίδραση του pH στην ικανότητα απομάκρυνσης του νιτρικού αζώτου μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας αρχική συγκέντρωση 15 mg ΝΟ3--Ν /L. Παρατηρήθηκε ότι η όξινη ενεργοποίηση ενίσχυσε την ικανότητα απομάκρυνσης του Παλυγορσκίτη από 0,15 mg/g σε 0,23 mg/g, ενώ η θερμική επεξεργασία δεν είχε κάποιο αντίκτυπο. Όσον αφορά την επίδραση του pH, η μεταβολή του φαίνεται να επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την προσρόφηση. Σε όξινο περιβάλλον διευκολύνεται η ανάκτηση του ρύπου, ενώ το όξινα τροποποιημένο δείγμα Παλυγορσκίτη εμφανίζει την καλύτερη απόδοση. Η μελέτη κορεσμού και εκρόφησης, έδειξε, ότι ο κορεσμός όλων των προσροφητών σε ΝΟ3--Ν και η απελευθέρωση όλης της ποσότητας ρύπου, πραγματοποιήθηκαν εντός 24 ωρών. Παρά την γρήγορη απελευθέρωση, τα τροποποιημένα και μη αργιλικά υλικά, ήταν αποτελεσματικά στην εφαρμογή τους ως αζωτούχα λιπάσματα, σε υδροπονική καλλιέργεια μαρουλιών. Κατά τη διάρκεια των 40 ημερών καλλιέργειας, υπολογίστηκε ανά διαστήματα η ποσότητα νιτρικού αζώτου που καταναλώνεται από τα φυτά. Επίσης, εκτιμήθηκαν μορφολογικά χαρακτηριστικά, ενδεικτικά της ανάπτυξής τους, τόσο κατά τη διάρκεια των 40 ημερών, όσο και μετά τη συγκομιδή τους. Επιπλέον, για τη διαπίστωση πιθανών μεταβολών κατά την υδροπονική καλλιέργεια, τα προσροφητικά υλικά χαρακτηρίστηκαν με τη μέθοδο περίθλασης ακτίνων X (XRD) και συγκρίθηκαν με τις προηγούμενες αναλύσεις. Ο ακατέργαστος Παλυγορσκίτης βρέθηκε να προωθεί σε μεγαλύτερο βαθμό την ανάπτυξη των μαρουλιών, σε σύγκριση με τα τροποποιημένα υλικά. Ωστόσο, όλα τα δείγματα Παλυγορσκίτη φαίνεται να ενισχύουν την ανάπτυξη των ριζών, κάτι το οποίο είναι ελπιδοφόρο για τη χρήση τους ως φορείς αζώτου για την ανάπτυξη την φυτών.
Abstract (translated): One of the most serious challenges facing humanity in the 21st century is the pollution of water bodies, mainly due to increased industrialization. A very common pollutant in water is nitrate ions, which in high concentrations contribute to the phenomenon of eutrophication and can cause health problems in humans. Numerous mechanisms are used for water purification, however, there is a need for unconventional and environmentally friendly techniques. Clay and clay minerals, as widespread, low-cost materials with unique physicochemical properties, have attracted the interest of the scientific community for their use as detergent. Adsorption is the main mechanism by which clay minerals remove pollutants from the aquatic environment and is mainly due to their surface charge and ion exchange capacity. The subject of this research was the utilization of fibrous Palygorskite as an adsorbent for the removal of nitric nitrogen from aqueous solution its subsequent application as a slow release nitrogen fertilizer in hydroponic culture. Palygorskite sample was taken from Ventzia basin deposit in Grevena (Western Macedonia, Greece). Part of this clay material used in the experimental procedures was not treated (R-Pal), while the rest was exposed to high temperature (400 οC) or treated with HCl solution, resulting in heat (T-Pal) and acid modified (A-Pal) Palygorskite, respectively. The samples were characterized before and after their treatment by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and BET (Brunauer - Emmett - Teller) methods for the analysis of porosity and specific surface area. A series of batch kinetic experiments were then performed to compare R-Pal, T-Pal and A-Pal adsorption capacity for nitrate nitrogen. First, the effect of initial concentrations of pollutant (15, 30, 50 and 100 mg NO3--N/L) on different amounts of clay mineral (0.4, 0.8, 1.6 and 4g) was examined in order to investigate at what ratio of initial concentration of nitrates / mass of clay mineral, the optimal removal is achieved. The larger amount of Palygorskite has a better adsorption capacity at higher nitrate nitrogen concentrations (4g / 100 mg/L), however, only in the case of 15 mg/L the pollutant came close to the permissible concentration set by the European Union for drinking water (11.3 mg/L NO3--N). Therefore, the effect of the modified materials and the effect of pH on the nitrate removal capacity were studied using an initial concentration of 15 mg/L of pollutant. Acid activation was observed to enhance the removal capacity of Palygorskite from 0.15 mg/g to 0.23 mg/g, while heat treatment had no adequate impact. Regarding the effect of pH, its change seems to greatly affect the adsorption. In acidic environments, the recovery of nitrate nitrogen is facilitated, while the acid-modified sample of Palygorskite shows the best performance. The saturation and desorption study showed that the saturation of all adsorbents in NO3-- N and the release of the entire amount were carried out within 24 hours. Despite the rapid nitrate release, the modified and non-clay materials were effective in their application as N fertilizers in hydroponic lettuce cultivation. During the 40 days of cultivation, the amount of nitrate nitrogen consumed by the plants is calculated at intervals. Also, morphological characteristics are evaluated, indicative of their development, both during the 40 days and after their harvest. In addition, to detect possible changes during hydroponic cultivation, the adsorbents were characterized by the X-ray diffraction (XRD) method and compared with previous analyzes. Raw palygorskite has been found to promote the growth of lettuce to a greater extent than modified materials. However, all Palygorskite specimens appear to enhance root growth, which is promising for their use as nitrogen carriers for plant growth.
Appears in Collections:Τμήμα Γεωλογίας (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Διπλωματική Εργασία - Ίρις Σπυρίδωνος.pdf2.44 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.