Sustainable treatment method of a high concentrated NH3 wastewater by using natural zeolite in closed-loop fixed bed systems

The aim of this study is to investigate ammonium removal from a wastewater resulted after homogenization and anaerobic digestion of a mixture of wastes and wastewater from animal processing units and sewage sludge, by using natural zeolite clinoptilolite. Batches as well as closed loop fixed bed system (CLFB) are studied, offering an alternative to conventional fixed bed systems. The experimental results showed that the optimum pH is in the vicinity of 6.48, where the achieved removal in the batch system reached 46%. The CLFB system, under the same experimental conditions and relative flow rate of 2.56 BV h−1, reached a removal of 55%, which is almost 22% higher. In the CLFB the removal of ammonia could be further increased by diluting the initial solution by 1/8, reaching the level of 96%. The achieved zeolite loading, for all studied systems, is between 2.62 and 13 mg g−1. This kind of operation is very useful for relatively high concentration and small volumes of wastewater and in systems that there is no need for continuous flow operation

A comparative study on phyllosilicate and tectosilicate mineral structural properties

Natural minerals are widely used in numerous environmental applications, mainly as sorbents in ion exchange and sorption processes. Minerals, such as zeolites and clays, can be found all over the world, but they are mined containing a variety of different impurities; this prevents their accurate characterization. The present study examines various methods used for the characterization of three common natural silicate minerals, one zeolite (clinoptilolite) and two clays (montmorillonite and vermiculite). Their characterization was performed through a series of analytical measurements so as to gather all the information needed regarding their structural properties. Therefore, “similar” minerals such as clinoptilolite vs. heulandite and vermiculite vs. hydrobiotite can be distinguished; revealing important properties when comes to their practical application. The methods used in the present study are X-ray powder diffraction (XRD), X-ray fluorescence, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, TG/DTG/DTA and N2-porosimetry (BET). An extensive literature review of the natural silicate minerals has been conducted and the relevant results and methods are comparatively reported. The analytical results enabled the distinguish of the examined minerals. XRD, FTIR, TG/DTG/DTA showed that all three minerals have characteristic bands that can be used to easily distinguish from others

Removal of heavy metals from aqueous solutions by using natural minerals

In the present PhD three natural minerals, namely the zeolite clinoptilolite and the clays bentonite and vermiculite are studied for the removal of heavy metals from aqueous solutions, by utilizing ion exchange and adsorption. In particular, the ability of natural minerals to remove heavy metals (Pb2+, Cu2+, Cr3+, Zn2+ and Mn2+) was studied in batch reactors, in fixed bed column and fluidized column reactors. In the first three chapters of the PhD, extensive bibliographical review in relation to the theory of silicate minerals, their applications, as well as the market survey at world level is made. Afterwards, an analysis of the phenomenon of ion-exchange and adsorption and their application in systems, such as batch reactors, fixed bed and fluidized columns, is presented. In the fourth chapter, the characterization of silicate minerals is made by the combination of the physico-chemical analyses which include: X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, Thermogravimetric analysis (TG/DTG/DTA), N2-porosimetry, scanning electron microscopy (SEM) and Particle size distribution. The particle density and the capacity of minerals were also measured. All methods and results are compared with those given by excessive literature review so as to have a step by step characterization of a silicate mineral, which will be used as an adsorbent in an ion exchange system. The fifth section includes the study of kinetics and equilibrium in batch reactors for solutions of Pb2+, Cu2+, Cr3+, Zn2+ and Mn2+ in 0,01N regularity at 27oC. The effect of agitation speed (0, 100, 200, 400 rpm), temperature (25, 45, 600C), and particle size [2,5-5,0 mm, dust (<0,25 mm)] and solution pH (1–4) on the removal of heavy metals was also studied. Furthermore, the Langmuir, Freundlich and normalized Dubinin-Astakhov equations are applied. The experimental study of continuous systems in fixed bed columns showed that the volumetric flow rate, the grain size and the type of mineral used affect the performance of the bed for all metals. In the case of vermiculite, larger amounts of bed volumes were used compared with the case of clinoptilolite. Afterwards, the study presents preliminary experimental data on the fluidization of irregular-shaped porous particles of zeolite in water-solid fluidized beds. Four particle size groups, 90-180 μm, 180-250 μm, 250-315 μm and 315-500 μm and 22 different volumetric flow rates were used. All particle sizes showed smooth flow rate vs. expanded bed height curves. The maximum fluidized bed height achieved was 23-107%, depending on the particle size. Furthermore, the possibility of the removal of metals by using fluidized bed experiments was examined and a comparison with fixed bed results took place. Finally, the heat of wetting - the change of temperature in fixed bed experiments filled with natural minerals was examined. Preliminary studies on the temperature variation in ion exchange fixed beds packed with natural minerals are presented. The purpose of the pilot study was to investigate the temperature profile on the bench, developed and tested the effect of the recommendation of the solution, the dry bulk density of the material, the impact of diversity of materials, but also of pre-treatment procedures, increasing the temperature on the bench, which might be caused. The first results show that the operation is practically isothermal. If dry material is used, it is found that the temperature rise could be as high as 14oC for the initial phase and a pre-wetting of the material is needed by utilizing at least 2,2 BV (bed volumes) of water in order the system to stabilize and reach the inlet solution temperature. At this initial stage, it is found that the maximum temperature reached depends on the solution composition and in particular on the dissolved metal ion.Στη διατριβή μελετήθηκε η χρήση φυσικών ορυκτών για απομάκρυνση βαρέων μετάλλων (Pb2+, Cu2+, Cr3+, Zn2+ και Mn2+) με ιοντοεναλλαγή σε συστήματα συνεχούς έργου σταθερής και ρευστοποιημένης κλίνης και διαλείποντος έργου (batch). Χρησιμοποιήθηκαν τρία φυσικά ορυκτά: ζεόλιθος (κλινοπτιλόλιθος), μπεντονίτης και βερμικουλίτης. Στα πρώτα τρία κεφάλαια της διδακτορικής διατριβής γίνεται μια εκτενής βιβλιογραφική αναφορά σε σχέση με τη θεωρία των πυριτικών ορυκτών, τις εφαρμογές τους, αλλά και μια έρευνα αγοράς σε παγκόσμιο επίπεδο. Στη συνέχεια, γίνεται ανάλυση του φαινομένου της ιοντοεναλλαγής και της προσρόφησης και την εφαρμογή τους σε συστήματα διαλείποντος έργου (batch) αλλά και συνεχούς έργου σταθερών και ρευστοποιημένων κλινών. Επίσης, παρουσιάζονται τα διάφορα μοντέλα κινητικής και ισορροπίας που εφαρμόζονται στη βιβλιογραφία γι αυτά τα συστήματα. Στο τέταρτο κεφάλαιο, δίδεται ο χαρακτηρισμός των χρησιμοποιούμενων πυριτικών υλικών. Ο χαρακτηρισμός των πυριτικών ορυκτών επιτυγχάνεται με συνδυασμό φυσικοχημικών αναλύσεων οι οποίες περιλαμβάνουν: περίθλαση ακτινών-Χ (X-ray powder diffractometer), χημική ανάλυση (XRF), διαφορική θερμική ανάλυση (TGA), υπέρυθρη φασματοσκοπία (IR), ηλεκτρονική μικροσκοπία σαρώσεως (SEM), μέθοδος BΕΤ μέτρησης της διαθέσιμης επιφάνειας του ορυκτού, η οποία περιλαμβάνει προσρόφηση N2 από το υπόστρωμα. Επίσης, μελετήθηκε η κοκκομετρική ανάλυση των υλικών, αλλά και υπολογισμός της χωρητικότητας των ορυκτών (ιοντοεναλλακτική ικανότητα). Γίνεται μια εκτενής ανάλυση των αποτελεσμάτων και σύγκριση αυτών με αποτελέσματα που δίδονται στη βιβλιογραφία για τα αντίστοιχα υλικά και γίνεται η αναγνώριση του κλινοπτιλόλιθου σε σχέση με τον ευλανδίτη, καθώς και του βερμικουλίτη σε σχέση με τον υδροβιοτίτη. Το πέμπτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τη μελέτη κινητικής και την ισορροπία σε διαλείποντος έργου σύστημα (batch) σε μονοσυστατικά διαλύματα πέντε μετάλλων: Pb2+, Cu2+, Cr3+, Zn2+ και Mn2+ υπό κανονικότητα 0,01Ν στους 27oC. Εφαρμόστηκαν οι εξισώσεις ισορροπίας Langmuir και Freundlich. Εφαρμόστηκε το τροποποιημένο μοντέλο ισορροπίας Duninin-Astakhov στα συστήματα ιοντοεναλλαγής με τα 3 φυσικά ορυκτά (ζεόλιθος, βερμικουλίτης και μπεντονίτης) για πρώτη φορά στη σχετική βιβλιογραφία και της κανονικοποιημένης Dubinin-Astakhov στα αποτελέσματα, όπου δίνεται η παράμετρος ετερογένειας και η ενέργεια ρόφησης. Ακόμη, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας, της κοκκομετρίας, της ταχύτητας ανάδευσης αλλά και της οξύτητας του αρχικού διαλύματος στην κινητική. Η πειραματική μελέτη σταθερών στηλών ιοντοεναλλαγής έδειξε ότι η ογκομετρική παροχή, η κοκκομετρία και ο τύπος του ορυκτού που χρησιμοποιείται επηρεάζουν την απόδοση της κλίνης. Στα συστήματα σταθερών κλινών απομάκρυνσης μετάλλων, η απομάκρυνση του αντίστοιχου μετάλλου από κλίνη με βερμικουλίτη απαιτεί πολύ μεγαλύτερους όγκους κλίνης σε σχέση με την αντίστοιχη κλίνη με κλινοπτιλόλιθο. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η δυνατότητα ρευστοποίησης των κλινών του κλινοπτιλόλιθου. Η μελέτη αφορά τον εργαστηριακό/ημι-πιλοτικό σχεδιασμό ρευστοποιημένων κλινών, που παρουσιάζεται για πρώτη φορά συστηματικά στη σχετική βιβλιογραφία των φυσικών ζεολίθων. Η μελέτη αφορούσε τέσσερις διαφορετικές κοκκομετρίες κλινοπτιλόλιθου: 90-180μm, 180-250μm, 250-315μm και 315-500μm. Από τις ροές υπολογίστηκε η ελάχιστη ταχύτητα ρευστοποίησης. Εφαρμόστηκαν οι εξισώσεις Ergun, Richardson–Zaki και Siwiec, αλλά δε δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα αφού δε δίνεται μια γραμμική συσχέτιση της ταχύτητα ρευστοποίησης και του πορώδες. Στην παρούσα μελέτη, μια νέα συσχέτιση παρουσιάζεται, η οποία ενσωματώνει τις κρίσιμες μεταβλητές του συστήματος (πορώδες, κοκκομετρία και ταχύτητα ρευστοποίησης). Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η δυνατότητα απομάκρυνσης των μετάλλων με ρευστοποιημένη κλίνη και σύγκριση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των σταθερών κλινών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η σταθεροποιημένη κλίνη υπερτερή έναντι της ρευστοποιημένης σε μονοσυστατικά διαλύματα αλλά σε πραγματικές συνθήκες, παρουσία υγρών αποβλήτων, αναμένεται να αντιστραφεί αυτή η συμπεριφορά. Τέλος, μελετήθηκε η μεταβολή της θερμοκρασίας σε κλίνες ιοντοεναλλαγής, με πληρωτικό υλικό φυσικά ορυκτά. Σκοπός της πειραματικής μελέτης ήταν να διερευνηθούν τα προφίλ θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στην κλίνη και να ελεγχθεί η επίδραση της σύστασης του διαλύματος, της κοκκομετρίας του χρησιμοποιούμενου υλικού, η επίδραση της διαφορετικότητας των υλικών, αλλά και της προκατεργασίας τους, στην αύξηση της θερμοκρασίας στην κλίνη που μπορεί να προκληθεί

Oil biodesulfurization: A review of applied analytical techniques

The wide use of fossil fuels and their associated environmental concerns, highlighted the importance of affordable and clean energy (goal 7), as adopted by the Sustainable Development Goals of the United Nations for 2030. For years now, the detection of sulfur components in liquid fuels is performed mainly for environmental and health purposes in compliance with the respective legislations. Towards this, the aerobic and anaerobic biodesulfurization (BDS) process, which entails the use of microorganisms to limit the sulfur concentration is followed. To ensure effective BDS, several traditional analytical methods are utilized, although they require bench-top, bulky, costly, and time-consuming instruments along with skilled personnel. The currently employed analytical methods are mostly chromatographic techniques (e.g. liquid and gas) coupled with various detectors. To start with, high-performance liquid chromatography with ultraviolet detector (HPLC-UV), as well as electrospray ionization-LC-mass spectrometry (ESI-LC-MS) were mostly reported. Additionally, many detectors were coupled to gas chromatography (CG) including atomic emission detector (GC-AED), flame ionization detector (GC-FID), flame photometric detector (GC-FPD), sulfur fluorescence detector (GC-SFD), mass selective detector (GC–MS), etc. The solid-phase microextraction (SPME) technique provides extra capabilities when added to the separation techniques. Towards the continuous interest in oil supercomplex synthesis, other atmospheric and surface desorption ionization techniques, as well as the multidimensional 2D chromatographic systems (GC × GC and LC × LC) were also investigated, due to their unsurpassed resolution power. The current review ends with final remarks per applied methodology and the necessity to respect and protect the human environment and life

3D reconstruction and visualization in cultural heritage

This paper presents a modular software and hardware independent system for the 3D reconstruction in the area of culture heritage. This system can be used for the digitalization of 3D cultural objects, monuments and sites. The clouds of 2D or 3D scanned points (matrix oriented or scattered) even the 3D wireframe model are acquired by photogrammetric techniques (for example digital cameras or laser scanners) using different digitizing strategies in various topics of culture heritage. This input can be processed using an efficient algorithm for the reconstruction of the digitized object. If the digitalization delivers a complete set of scanned 2D or 3D data from all sides of the object, then the volume or so-called solid structure can be calculated. In addition to this, using special objects such as mummies, jewels or in general metal or ceramic artefacts that have interior structures (holes), the internal geometry can also be measured through the use of X-ray scanners and in this way the complete 3D reconstruction of the object can be achieved. Furthermore the developed system can generate the exchange of the processed data with other systems (CAD/CAM, elibraries, e-museums) into 3D data sets in standard data exchange formats (IGES, STEP, VDAFS) as well as to VRML format for the visualization by a standard browser on the web. A variety of visualization techniques can be used for different multimedia and virtual reality applications. A case study of using this system in the area of culture heritage under a virtual reality environment will be discussed and demonstrated

Measurements of Local Sources of Particulates with a Portable Monitor along the Coast of an Insular City

The air quality of modern cities is considered an important factor for the quality of life of humans and therefore is being safeguarded by various international organizations, concentrating on the mass concentration of particulate matter (PM) with an aerodynamic diameter less than 10, 2.5 and 1 &mu;m. However, the different physical and anthropogenic processes and activities within the city contribute to the rise of fine (&lt;1 &mu;m) and coarse (&gt;1 &mu;m) particles, directly impacting human health and the environment. In order to monitor certain natural and anthropogenic events, suspecting their significant contribution to PM concentrations, seven different events taking place on the coastal front of the city of Limassol (Cyprus) were on-site monitored using a portable PM instrument; these included both natural (e.g., dust event) and anthropogenic (e.g., cement factory, meat festival, tall building construction, tire factory, traffic jam, dust road) emissions taking place in spring and summer periods. The violations of the limits that were noticed were attributed mainly to the various anthropogenic activities taking place on-site, revealing once more the need for further research and continuous monitoring of air quality