40YearsChemEngUP

Συνέπεια της αυτοοργάνωσης του πολυμερούς είναι η δραματική αύξηση του ιξώδους του υγρού κατά πολλές τάξεις μεγέθους δημιουργώντας ένα υδροπήκτωμα. Δεδομένου ότι η κεντρική συστάδα είναι ένας ασθενής πολυηλεκτρολύτης, η διαμόρφωση της αλυσίδας εξαρτάται από το βαθμό ιονισμού της και κατ επέκταση από το pH. Τα φυσικά αυτά υδροπηκτώματα εμφανίζουν επίσης έντονα φαινόμενα ρεολέπτυνσης. Η συνδυασμένη εξάρτηση του ιξώδους του σύνθετου υγρού από το pH και το ρυθμό διάτμησης τα καθιστά ενέσιμα υδροπηκτώματα. Ενέσιμα φυσικά υδροπηκτώματα αποκρίσιμα στη θερμοκρασία: Σχεδιάζοντας κατάλληλα τις ακραίες συστάδες του ΒΑΒ συμπολυμερούς έτσι ώστε να εμφανίζουν LCST, δημιουργήθηκαν φυσικά υδροπηκτώματα αποκρινόμενα στη θερμοκρασία. Η ενεσιμότητά τους εξασφαλίστηκε από το γεγονός ότι η προκαλούμενη με θέρμανση μετατροπή των υδρόφιλων συστάδων Β σε υδρόφοβες, εκφραζόμενη ως κρίσιμη θερμοκρασία SOL-GEL του συστήματος, σχεδιάστηκε μεταξύ της θερμοκρασίας δωματίου και της φυσιολογικής θερμοκρασίας του ανθρώπινου οργανισμού. Σχεδιασμός αποκρίσιμων νανοφορέων για την ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων: Σχεδιάστηκαν «έξυπνα» αμφίφιλα συσταδικά τριπολυμερή διαφόρων αρχιτεκτονικών (γραμμικά ή αστεροειδή) με σκοπό την δημιουργία νανοφορέων. Τα συμπολυμερή αυτά αυτοοργανούμενα σε υδατικά μέσα έδωσαν ενδιαφέροντα πολυ-διαμερισματικά μικκύλια, πολυμεροσώματα (αντίστοιχα των λυποσωμάτων) καθώς και μικροκάψουλες. Οι νανοφορείς αυτοί εμφανίζουν σταθερότητα στις φυσιολογικές συνθήκες, είναι αόρατοι στο ανοσοποιητικό σύστημα, λόγω επικάλυψης με συστάδες PE, και παρουσιάζουν ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων ανάλογα με το pH του μέσου. Η τελευταία ιδιότητα είναι χρήσιμη για αντικαρκινική στόχευση (φυσιολογικό pH 7,4, pH όγκου 6.5). Σύνθετα πολυμερικά συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκων: Συνδυασμός νανοφορέων με ενέσιμα υδροπηκτώματα έδωσαν συστήματα ελεγχόμενης και παρατεταμένης (μέχρι και 20 ημέρες) αποδέσμευσης φαρμακευτικών ουσιών. Ανάπτυξη βιοαποικοδομήσιμων συμπολυμερών για βιοϊατρικές εφαρμογές: Η βιοαποικοδόμηση των νανοφορέων ή/και των ενέσιμων υδροπηκτωμάτων είναι προϋπόθεση για τη χρήση τους σε βιοεφαρμογές. Για το σκοπό αυτό αναπτύσσονται αυτοοργανούμενα πολυμερικά υλικά βασισμένα σε φυσικά πολυμερή (π.χ. αλγινικά πολυσάκχαρα) ή/και τεχνητά πολυπεπτίδια. 151

152

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ IΣΤΟΡΙΑ Η ερευνητική ομάδα των Προηγμένων Διεργασιών Οξείδωσης ξεκίνησε το έτος 2013 στο κτήριο της επέκτασης του τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Στο εργαστήριο εκπονείται ένας μεγάλος αριθμός μεταπτυχιακών και προπτυχιακών διπλωματικών εργασιών. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ Η ερευνητική ομάδα δραστηριοποιείται στην ανάπτυξη, βελτιστοποίηση, προσομοίωση και εφαρμογή προχωρημένων διεργασιών οξείδωσης (advanced oxidation processes - AOPs) για την επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών υγρών αποβλήτων, καθώς και διαφόρων άλλων υδατικών μητρών (υπόγεια νερά, πόσιμο νερό, επεξεργασμένα λύματα). Οι τεχνολογίες που μελετώνται περιλαμβάνουν την ετερογενή και ομογενή φωτοκατάλυση σε αιωρήματα ημιαγώγιμων κόνεων και διαλύματα αλάτων σιδήρου, αντιστοίχως, την υγρή οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις παρουσία ή όχι οξειδίων στοιχείων μετάπτωσης ή ευγενών μετάλλων, την χρήση υπερήχων χαμηλής συχνότητας και μεγάλης ισχύος, τον οζονισμό/οζονόλυση, την ηλεκτροχημική οξείδωση σε διάφορα «ενεργά» και «μη ενεργά» ανοδικά υλικά, καθώς και συνδυασμούς των παραπάνω μεθόδων, ώστε να εξακριβωθεί η πιθανή συνεργιστική δράση. Η ερευνητική μεθοδολογία περιλαμβάνει κινητικές και μηχανιστικές μελέτες με στόχο την κατανόηση της αλληλεπίδρασης των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας, την ταυτοποίηση των μεταβολιτών, τον προσδιορισμό του δικτύου των πιθανών αντιδράσεων και την εκτίμηση των χημικών και βιολογικών ιδιοτήτων μετά την επεξεργασία. Οι «στόχοι» της επεξεργασίας καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα από ρύπους προτεραιότητας, όπως οι μεταβολίτες των φαρμακευτικών ουσιών σε επεξεργασμένα υγρά απόβλητα σε συγκεντρώσεις της τάξης των ng/L-μg/L, «ήπια» βιομηχανικά απόβλητα, όπως αυτά των κλωστοϋφαντουργείων, μέχρι «βαριά» βιομηχανικά απόβλητα, όπως αυτά των ελαιουργείων, πυρηνελαιουργείων και διασταλαγμάτων από ΧΥΤΑ. Επίσης, μελετάται η αδρανοποίηση παθογόνων μικροοργανισμών σε υδατικές μήτρες, καθώς και η συν-επεξεργασία βαρέων μετάλλων και οργανικών. Η βιώσιμη επεξεργασία των διαφόρων μητρών απαιτεί επίσης την εφαρμογή κι άλλων αρχών της περιβαλλοντικής χημικής μηχανικής, όπως οι διεργασίες διαχωρισμού για την ανάκτηση και αξιοποίηση χρήσιμων παραπροϊόντων ή και την επαναχρησιμοποίηση συγκεκριμένων ρευμάτων, πεδία στα οποία επίσης δραστηριοποιείται η ομάδα. 153

ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Διονύσης Μαντζαβίνος Καθηγητής [email protected] Ζαχαρίας Φροντιστής [email protected] Ελένη Γκρίλλα [email protected] Βασιλική Ματθαίου [email protected] ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ Η ερευνητική ομάδα δραστηριοποιείται στην ανάπτυξη, βελτιστοποίηση, προσομοίωση και εφαρμογή προχωρημένων διεργασιών οξείδωσης (advanced oxidation processes - AOPs) για την επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών υγρών αποβλήτων, καθώς και διαφόρων άλλων υδατικών μητρών (υπόγεια νερά, πόσιμο νερό, επεξεργασμένα λύματα). Οι τεχνολογίες που μελετώνται περιλαμβάνουν την ετερογενή και ομογενή φωτοκατάλυση σε αιωρήματα ημιαγώγιμων κόνεων και διαλύματα αλάτων σιδήρου, αντιστοίχως, την υγρή οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις παρουσία ή όχι οξειδίων στοιχείων μετάπτωσης ή ευγενών μετάλλων, την χρήση υπερήχων χαμηλής συχνότητας και μεγάλης ισχύος, τον οζονισμό/οζονόλυση, την ηλεκτροχημική οξείδωση σε διάφορα «ενεργά» και «μη ενεργά» ανοδικά υλικά, καθώς και συνδυασμούς των παραπάνω μεθόδων, ώστε να εξακριβωθεί η πιθανή συνεργιστική δράση. Η ερευνητική μεθοδολογία περιλαμβάνει κινητικές και μηχανιστικές μελέτες με στόχο την κατανόηση της αλληλεπίδρασης των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας, την ταυτοποίηση των μεταβολιτών, τον προσδιορισμό του δικτύου των πιθανών αντιδράσεων και την εκτίμηση των χημικών και βιολογικών ιδιοτήτων μετά την επεξεργασία. Οι «στόχοι» της επεξεργασίας καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα από ρύπους προτεραιότητας, όπως οι μεταβολίτες των φαρμακευτικών ουσιών σε επεξεργασμένα υγρά απόβλητα σε συγκεντρώσεις της τάξης των ng/L-μg/L, «ήπια» βιομηχανικά απόβλητα, όπως αυτά των κλωστοϋφαντουργείων, μέχρι «βαριά» βιομηχανικά απόβλητα, όπως αυτά των ελαιουργείων, πυρηνελαιουργείων και διασταλαγμάτων από ΧΥΤΑ. Επίσης, μελετάται η αδρανοποίηση παθογόνων μικροοργανισμών σε υδατικές μήτρες, καθώς και η συν-επεξεργασία βαρέων μετάλλων και οργανικών. Η βιώσιμη επεξεργασία των διαφόρων μητρών απαιτεί επίσης την εφαρμογή κι άλλων αρχών της περιβαλλοντικής χημικής μηχανικής, όπως οι διεργασίες διαχωρισμού για την ανάκτηση και αξιοποίηση χρήσιμων παρα-προϊόντων ή και την επαναχρησιμοποίηση συγκεκριμένων ρευμάτων, πεδία στα οποία επίσης δραστηριοποιείται η ομάδα. 154

155

ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Εργαστηριακός εξοπλισμός: Αντιδραστήρας υγρής οξείδωσης υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων, γεννήτρια υπερήχων χαμηλής συχνότητας, γεννήτρια όζοντος, προσομοιωτής ηλιακού φωτός, αντιδραστήρες ηλεκτροχημικής οξείδωσης. Αναλυτικός εξοπλισμός: Αναλυτής οργανικού άνθρακα, αναλυτής οικοτοξικότητας, υγρός χρωματογράφος υψηλής απόδοσης (HPLC), φασματοφωτόμετρο. ΕΡΓΑ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποδόμηση ρύπων προτεραιότητας στον κύκλο του νερού: Μελέτη επιλεγμένων προηγμένων διεργασιών οξείδωσης ως προς την αποτελεσματικότητα τους στην απομάκρυνση ενδοκρινικών διαταρακτών ή φαρμακευτικών ουσιών από υδατικά διαλύματα με ιδιαίτερη έμφαση στην περίπτωση των περιβαλλοντικών δειγμάτων (επεξεργασμένα υγρά απόβλητα). Επεξεργασία ή και αξιοποίηση βιομηχανικών αποβλήτων: Μελέτη εφαρμογής της μεθόδου της ηλεκτροχημικής οξείδωσης υγρών αποβλήτων προερχόμενων από διεργασία παραγωγής βρώσιμης ελιάς καθώς και απόβλητα οινοποιείων. Επιπλέον, μελετάται ο βαθμός μείωσης του οργανικού φορτίου και ο αποχρωματισμός του επεξεργασμένου αποβλήτου. Αξιοποίηση βιομηχανικών αποβλήτων, όπως η ερυθρά ιλύς, η οποία αποτελεί το παραπροϊόν της διεργασίας παραγωγής αλούμινας από βωξίτη, ως καταλύτης για την αποδόμηση ρύπων σε σύνθετες υδατικές μήτρες. Νευρωνικά δίκτυα: Χρήση των νευρωνικών δικτύων για την προσομοίωση των διεργασιών προηγμένης οξείδωσης. Πρόβλεψη της οξειδωτικής διάσπασης των ενδοκρινικών διαταρακτών κατά την διάρκεια της επεξεργασίας τους με χρήση επιλεγμένων προηγμένων διεργασιών οξείδωσης. 156

157

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ & ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΩΝ IΣΤΟΡΙΑ Το εργαστήριο Στατιστικής Θερμοδυναμικής και Μακρομορίων θεσμοθετήθηκε επίσημα το 2002 με σκοπό την εξυπηρέτηση των διδακτικών και ερευνητικών αναγκών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών στα γνωστικά αντικείμενα της Φυσικοχημείας, της Στατιστικής Θερμοδυναμικής, της Στατιστικής Μηχανικής και της Μοριακής προσομοίωσης υλικών με πολύπλοκη μακρομοριακή δομή. Ο πρώτος Διευθυντής του Εργαστηρίου ήταν ο καθ. Δώρος Θεοδώρου ερχόμενος από το Πανεπιστήμιο του Berkeley, ΗΠΑ. Από το 2002 που θεσμοθετήθηκε το Εργαστήριο και μέχρι σήμερα έχουν εκπονηθεί σε αυτό 13 διδακτορικές διατριβές ενώ έχει ολοκληρωθεί και ένας πολύ μεγάλος αριθμός μεταπτυχιακών (ΜΔΕ) και προπτυχιακών διπλωματικών εργασιών. Επίσης, στο εργαστήριο έχει υλοποιηθεί ένας πολύ μεγάλος αριθμός ερευνητικών έργων τα οποία χρηματοδοτήθηκαν από εθνικούς και ευρωπαϊκούς πόρους αλλά και από μεγάλες βιομηχανίες κυρίως εκτός Ελλάδας. Βασικό αντικείμενο της έρευνας του εργαστηρίου είναι η κατανόηση των μικροσκοπικών μηχανισμών που διέπουν τις φυσικές ιδιότητες υλικών με πολύπλοκη μακρομοριακή δομή μέσω της ανάπτυξης καινοτόμων μεθόδων μοντελοποίησης σε πολλαπλές κλίμακες μήκους και χρόνου, προσομοίωσης της δομής και των ιδιοτήτων διαμόρφωσης αυτών των υλικών με σύγχρονες μεθόδους όπως η Μοριακή Δυναμική, η Monte Carlo, η δυναμική κατά Brown, και η κινητική Monte Carlo. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται και στην ανάπτυξη καταστατικών ρεολογικών μοντέλων για σύνθετα ρευστά όπως τα διαπλεγμένα πολυμερή σε διάλυμα ή τήγμα, διαλύματα πολυμερών που αναπτύσσονται μικκύλια, και το αίμα. Τα τελευταία χρόνια, το εργαστήριο επεκτείνει τις δραστηριότητές του σε μια καινούργια περιοχή, αυτής της κβαντικής θεωρίας πεδίων μέσω αρχών της θερμοδυναμικής εκτός ισορροπίας για ανοιχτά κβαντικά συστήματα που επιτρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα φαινόμενα τριβής που αναπτύσσονται κατά τη δυναμική εξέλιξη του συστήματος. Τα φαινόμενα αυτά παίζουν σημαντικό ρόλο στη διάδοση των θεμελιωδών σωματιδίων όταν λαμβάνει χώρα σύγκρουση, και κατά κανόνα αμελούνται σε παραδοσιακές θεωρίες που βασίζονται στη Χαμιλτονιανή προσέγγιση. 158

ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Βλάσης Μαυραντζάς Καθηγητής [email protected] Μαίρη Σύψα ΕΤΕΠ [email protected] Χαρά Αλεξίου [email protected] Κατερίνα Καραδήμα [email protected] Σταύρος Περουκίδης [email protected] Παύλος Στεφάνου [email protected] Δημήτρης Τσαλίκης [email protected] Παναγιώτης Αλατάς [email protected] Παναγιώτης Μερμίγκης [email protected] Δημήτρης Μιντής [email protected] Μανώλης Σκούντζος [email protected] Φλώρα Τσούρτου [email protected] Ιωάννα Τσιμούρη [email protected] Web Site: http://lstm.chemeng.upatras.gr 159

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ Οι ερευνητικές μας προσπάθειες εστιάζονται στη μελέτη των δομικών, θερμοδυναμικών και ρεολογικών ιδιοτήτων συστημάτων που χαρακτηρίζονται από σύνθετη μακρομοριακή-πολυμερική δομή. Ο κύριος στόχος μας είναι η πρόβλεψη αυτών των ιδιοτήτων απ’ ευθείας από τη χημική σύσταση των αλυσίδων με τη βοήθεια καινοτόμων αλγορίθμων Monte Carlo και Μοριακής Δυναμικής σε ατομιστικό επίπεδο. Ο κύριος όγκος των προσπαθειών εστιάζεται στη μελέτη πολυμερικών τηγμάτων. Παρ’ όλα αυτά, σημαντικές προσπάθειες γίνονται προς την κατεύθυνση της μοντελοποίησης και προσομοίωσης των πολυμερικών κρυστάλλων, πολυμερικών διαλυμάτων αλλά και της ανάπτυξης μορφολογίας στη νανοκλίμακα σε τέτοια συστήματα. Τα πολυμερικά υλικά αποτελούνται εν γένει από μακριές αλυσίδες μακρομορίων και οι ιδιότητές τους είναι πολύ διαφορετικές από τις ιδιότητες των απλών μορίων που κατά κανόνα ακολουθούν τη Νευτωνική συμπεριφορά. Τα πολυμερικά υλικά τα χαρακτηρίζει ένα ευρύτατο φάσμα χαρακτηριστικών χρόνων και μηκών που καθιστά την απ’ ευθείας μοριακή τους προσομοίωση ιδιαίτερα προκλητική. Με σκοπό τη γεφύρωση του χάσματος που παρατηρείται στις κλίμακες χρόνων και μηκών μεταξύ κίνησης πολυμερικών τμημάτων σε μοριακό επίπεδο και ροής σε πρακτικές εφαρμογές, που θα επιτρέψει και την επιτυχή μοντελοποίηση της δομής και την ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς τους, η ερευνητική μας ομάδα ακολουθεί μια καινούργια στρατηγική τα τελευταία χρόνια, η οποία περιλαμβάνει τη συνδυασμένη ανάπτυξη καινοτόμων αλγορίθμων Monte Carlo και Μοριακής Δυναμικής αλλά και θεωριών βασισμένων στην επιστήμη της θερμοδυναμικής εκτός ισορροπίας για την περιγραφή των φαινομένων μεταφοράς που διέπουν τη συμπεριφορά αυτών των εξαιρετικά πολύπλοκων ρευστών. Οι μέθοδοι αυτές εφαρμόζονται σήμερα στο εργαστήριό μας για: • την αποτελεσματική εξισορρόπηση της ατομιστικής δομής των συμπυκνωμένων φάσεων πολύπλοκων πολυμερών βασισμένων στα πολυθειοφένια, αλλά και της δευτεροταγούς δομής πολυπτετιδίων υπό κενό ή στο νερό • την κατανόηση των δυναμικών και ρεολογικών ιδιοτήτων συνθετικών και βιολογικών πολυμερών με κυκλική δομή όπως το PEO και η διπλή έλικα DNA (DNA mini circles) των οποίων η συμπεριφορά αποκλίνει από τη θεωρία του ερπυσμού και καθορίζεται από φαινόμενα διαπέρασης ενός μορίου μέσω του άλλου • την πρόβλεψη της τοπικής δυναμικής και των διαμορφώσεων των αλυσίδων σε τήγματα πολυμερικών νανοσυνθέτων του πολυ-μεθακρυλικού μεθυλεστέρα (PMMA) και του πολυ- αιθυλενοξειδίου (PEO) βασισμένων στο γραφένιο, στους καρβονικούς νανοσωλήνες και στη σίλικα, και της συσχέτισής τους με τις μακροσκοπικές φυσικές ιδιοτήτων αυτών των υλικών (ρεολογικές, μηχανικές, ιδιότητες διαπερατότητας σε μικρά μόρια όπως το νερό) 160

• την κατανόηση των πολύπλοκων θερμοδυναμικών και ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων υδατικών διαλυμάτων αντίθετα φορτισμένων πολυηλεκτρολυτών (complex coacervation) • την κατανόηση της δομής και των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων ατμοσφαιρικών νανοσωματιδίων • την περιγραφή των διαμορφώσεων και της ρεολογικής συμπεριφοράς πολύπλοκων, μη Νευτωνικών ρευστών, όπως τα τήγματα διαπλεγμένων πολυμερικών νανοσυνθέτων, τα διαλύματα τηλεχειλικών πολυμερών που σχηματίζουν μικκύλια, και το αίμα. Τα τελευταία χρόνια, το εργαστήριο δραστηριοποιείται και σε δύο νέες περιοχές: • της μελέτης του ρυθμού καθίζησης νανοσυσσωματωμάτων κλασματικής διάστασης με τη μέθοδο της δυναμικής κατά Brown, που λαμβάνει υπόψη και την περιστροφική κίνηση των σωματιδίων κατά την καθίζηση της θερμοδυναμικής ανοιχτών, μη-αντιστρεπτών κβαντικών συστημάτων, με έμφαση στον υπολογισμό του διαδότη της βαθμωτής θεωρίας φ μέχρι και τρίτης τάξης στην παράμετρο 4 αλληλεπίδρασης λ παρουσία τριβών, και ενδελεχή σύγκριση με το αντίστοιχο αποτέλεσμα από τα διαγράμματα Feynman της Λαγκρανζιανής κβαντικής θεωρίας στο όριο μηδενικής τριβής. ΕΡΓΑ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Μοριακή δυναμική διαλυμάτων κυκλικών μορίων DNA (Δρ. Χαρά Αλεξίου): Προβλέπουμε τις ιδιότητες μεταφοράς υδατικών διαλυμάτων κυκλικών βιοπολυμερών DNA και προτείνουμε νόμους κλιμάκωσης για τις δομικές, δυναμικές και ρεολογικές ιδιότητές τους (μέση γυροσκοπική ακτίνα, ιξώδες, χρόνος χαλάρωσης, συντελεστής διάχυσης) συναρτήσει φυσικοχημικών παραμέτρων (μοριακό βάρος, συγκέντρωση μακρομορίων, θερμοκρασία, ποιότητα διαλύτη). Υπό μια ευρύτερη έννοια, οι εξαγόμενες συσχετίσεις δομής-ιδιοτήτων μπορούν να αποτελέσουν οδηγό για τον σχεδιασμό μακρομορίων με ελεγχόμενες ρεολογικές ιδιότητες. Δομή και θερμοδυναμικές ιδιότητες ατμοσφαιρικών νανοσωματιδίων (Δρ. Κατερίνα Καραδήμα): Μελετάμε τις φυσικοχημικές ιδιότητες αερολυμάτων και πώς αυτές επηρεάζονται από την παρουσία οργανικών μορίων ή μιγμάτων τους με διαφορετικές ιδιότητες (διαφορετική διαλυτότητα, πτητικότητα κ.ά.), από τη συνολική ποσότητα της οργανικής μάζας στα σωματίδια, από την υγρασία και τη θερμοκρασία. Οι προσομοιώσεις μας επιτρέπουν την παρακολούθηση του τρόπου σχηματισμού νανοσωματιδίων πολλών διαφορετικών συστατικών στην ατμόσφαιρα και παρέχουν πολύ σημαντικές πληροφορίες για τη μορφολογία τους, το μέγεθός τους, την πυκνότητά τους, τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων που συμμετέχουν στο νανοσωματίδιο, την κινητικότητά τους κ.ά.. 161

Μικκυλιοποίηση σε διαλύματα διεπιφανειακά ενεργών ουσιών με εφαρμογές στην υγιεινή (Δρ. Σταύρος Περουκίδης): Μελετάμε την αυτοοργάνωση και τις ρεολογικές ιδιότητες υδατικών διαλυμάτων που περιλαμβάνουν επιφανειοδραστικά μόρια καθώς και πολύπλοκα πολυμερή (με υδρόφοβες/υδρόφιλες μονάδες). Αναπτύσσουμε αδροποιημένα μοριακά μοντέλα για την προσομοίωση πολύπλοκων μορφολογιών και, εν συνεχεία, μέσω του αντίστροφου μοριακού σχεδιασμού, σε εξισορροπημένες μορφολογίες, κτίζουμε ατομιστικές απεικονίσεις για τη μελέτη των ιδιοτήτων αυτών των συστημάτων εκτός ισορροπίας (π.χ. ρεολογική συμπεριφορά). Η ερευνητική δραστηριότητα συμβάλει στην κατανόηση της σχέσης φυσικών ιδιοτήτων με τη μοριακή αρχιτεκτονική και συνεπώς στη μοριακή σχεδιοποίηση τέτοιων διαλυμάτων. Καταστατικά ρεολογικά μοντέλα σύνθετων πολυμερικών ρευστών (Δρ. Παύλος Στεφάνου): Αναπτύσσουμε καταστατικά μοντέλα χρησιμοποιώντας φορμαλισμούς της θερμοδυναμικής εκτός ισορροπίας για την περιγραφή της ροϊκής και δυναμικής συμπεριφοράς σύνθετων νανοδομημένων συστημάτων. Ανεξάρτητα από το είδος του συστήματος (π.χ. βιολογικό ή χημικό), το προτεινόμενο καταστατικό μοντέλο θα πρέπει να υπακούει τους νόμους της θερμοδυναμικής. Μέχρι στιγμής, έχουμε αναπτύξει γενικευμένα καταστατικά μοντέλα για πολυμερικά τήγματα, πολυμερικά διαλύματα, μικυλλιακά συστήματα, πολυμερικά νανοσύνθετα υλικά, και αίμα. Τήγματα δακτυλίων συνθετικών πολυμερών (Δρ. Δημήτρης Τσαλίκης): Προβλέπουμε την εξάρτηση των δυναμικών και ρεολογικών ιδιοτήτων κυκλικών μακρομορίων από το μοριακό τους βάρος. Μέσω ανάλυσης των δυναμικών τροχιών που λαμβάνονται από τις προσομοιώσεις με νέες γεωμετρικές μεθοδολογίες, πιστοποιήσαμε την ύπαρξη τοπολογικών περιορισμών σε τέτοια συστήματα που επιζούν ακόμη και για χρόνους πολύ μεγαλύτερους από το χρόνο χαλάρωσης των κυκλικών μορίων και σχετίζονται με τη δυνατότητα μορίων (κυκλικών ή γραμμικών) να διαπερνούν την επιφάνεια που ορίζει ένα κυκλικό μόριο. Η ενσωμάτωση των αποτελεσμάτων της γεωμετρικής ανάλυσης σε σύγχρονα θεωρητικά μοντέλα επιτρέπει την ακριβέστατη περιγραφή του μέτρου χαλάρωσης τάσεων τηγμάτων κυκλικών πολυμερών υψηλού μοριακού βάρους σε μεγάλους χρόνους. Αποσβεστικές κβαντικές θεωρίες πεδίου (Παναγιώτης Αλατάς): Μελετήσαμε τη βαθμωτή φ 4 θεωρία (στην οποία τα κβάντα είναι μποζόνια) με σκοπό τον υπολογισμό των συνεισφορών στο διαδότη έως και τρίτης τάξης στην παράμετρο αλληλεπίδρασης λ. Η προσέγγισή μας ήταν αυτή της αποσβεστικής κβαντικής θεωρίας πεδίου, η οποία περιλαμβάνει και όρους τριβής. Από τον παραπάνω υπολογισμό πιστοποιήσαμε ότι, απουσία τριβής, τα αποτελέσματά μας ταυτίζονται επακριβώς με τα αντίστοιχα από τα διαγράμματα της Λαγκραζιανής κβαντικής θεωρίας πεδίου. 162

Πολυμερικά νανοσύνθετα βασισμένα στο γραφένιο (Μανώλης Σκούντζος): Προβλέπουμε με μεγάλη ακρίβεια και λεπτομέρεια τις μηχανικές ιδιότητες νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών βασισμένων στο γραφένιο. Κρίσιμοι παράγοντες που επιδρούν δραστικά στη μηχανική συμπεριφορά τέτοιων σύνθετων υλικών, όπως το μέγεθος των φύλλων γραφενίου, η συγκέντρωσή τους και ο βαθμός διασποράς τους μέσα στην πολυμερική μήτρα, μελετώνται συστηματικά, βοηθώντας έτσι στον ορθολογικό σχεδιασμό των διεργασιών παραγωγής τους. Επιπλέον, αναπτύσσουμε καινοτόμες τεχνικές που στοχεύουν στην αποτροπή του φαινομένου της συσσωμάτωσης των γραφενίων στην πολυμερική μήτρα και στην ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ φύλλων γραφενίου και μακρομοριακών αλυσίδων για την περαιτέρω βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων αυτών των νέων υλικών. Πολυμερικά νανοσύνθετα βασισμένα στους καρβονικούς νανοσωλήνες (Παναγιώτης Μερμίγκης): Το κυριότερο αποτέλεσμα των ερευνητικών μας εργασιών σ’ αυτό το έργο είναι ότι η διείσδυση (ακόμα και σε μικρό βαθμό) τμημάτων των πολυμερικών αλυσίδων εντός των στομίων νανοσωλήνων άνθρακα (Ν.Α.) έχει τρομερό αντίκτυπο στις ιδιότητες διαπέρασης των αντίστοιχων νανοσυνθέτων από μικρά μόρια. Οι μοριακές προσομοιώσεις κατέδειξαν ότι, παρά την υψηλή κινητικότητα π.χ. μορίων νερού εντός των νανοσωλήνων, η διαχυτική τους συμπεριφορά στο νανοσύνθετο είναι πολύ πιο αργή απ’ ότι στο καθαρό πολυμερές! Αυτό οφείλεται στο φραγμό των στομίων των Ν.Α. από τις πολυμερικές αλυσίδες, με αποτέλεσμα η μετάβαση του νερού από και προς τους Ν.Α. να καθίσταται σπάνιο γεγονός. Διαλύματα μιγμάτων αντίθετα φορτισμένων πολυηλεκτρολυτών (Δημήτρης Μιντής): Οι μελέτες μας κατέδειξαν ότι η περίσσεια άλατος στο διάλυμα είναι εξαιρετικά αποτρεπτική όσον αφορά στη σύζευξη των δύο πολυηλεκτρολυτών καθώς παρεμποδίζει την ανάπτυξη των ισχυρών εκλτικών ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Πιστοποιήσαμε επίσης ότι το φαινόμενο της σύζευξης ευνοείται όταν το συνολικό θετικό και το συνολικό αρνητικό φορτίο συνυπάρχουν στο διάλυμα σε ισοδύναμες ποσότητες. Φαινόμενα αυτοοργάνωσης σε τήγματα πολυθειοφενίων (Φλώρα Τσούρτου): Οι προσομοιώσεις μας επιτρέπουν να προβλέπουμε τις μεταβάσεις φάσεων ολιγομερών πολύπλοκων ημιαγώγιμων μορίων βασισμένων στο θειοφαίνιο (PT) μέσω ψύξης ισότροπων διαμορφώσεων ξεκινώντας από υψηλές θερμοκρασίες. Για το λεπτομερή χαρακτηρισμό των ποικίλων υγροκρυσταλλικών φάσεων που αναπτύσσονται κατά την ψύξη (νηματική και σμηκτικές) υπολογίζονται σημαντικές ιδιότητες δομής και διαμόρφωσης αυτών των ολιγομερών ως συνάρτησης της θερμοκρασίας. Η εργασία μας βοηθά στην κατανόηση των σχέσεων δομής- ιδιοτήτων σε αυτά τα υλικά και στον ορθολογικό σχεδιασμό της δομής τους για εφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική (π.χ., ως διόδους εκπομπής φωτός και φωτοβολταϊκά). 163

Ρεολογική συμπεριφορά αίματος (Ιωάννα Τσιμούρη): Πολλές ασθένειες που σχετίζονται με τις ασυνήθιστες ρεολογικές ιδιότητες του αίματος στο κυκλοφοριακό σύστημα μπορεί να αποβούν μοιραίες. Επομένως τόσο η κατανόηση της ρεολογικής συμπεριφοράς του αίματος όσο και η μοντελοποίησή της είναι ζωτικής σημασίας καθώς μπορούν να συμβάλλουν στην κατανόηση της αιτίας της εμφάνισης ασθενειών και στην αξιολόγηση και έγκαιρη διάγνωσή τους. Μοντελοποιούμε τη ροή του αίματος μέσω του φορμαλισμού γενικευμένων αγκυλών της Θερμοδυναμικής Εκτός Ισορροπίας και περιγράφουμε τη δυναμική συμπεριφορά των ερυθρών αιμοσφαιρίων του αίματος δίνοντας έμφαση στους μηχανισμούς συσσωμάτωσης και διάσπασής τους. ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Από τον Μάρτιο του 2014 στο εργαστήριο Στατιστικής Θερμοδυναμικής και Μακρομορίων λειτουργεί υπολογιστική συστοιχία σε καμπίνα (rack). Στόχος της υποδομής είναι η εκτέλεση μαζικών παράλληλων εφαρμογών μοριακής δυναμικής και Monte Carlo, τόσο σε πολυπύρηνους μικροεπεξεργαστές (CPU) όσο σε κάρτες γραφικών (GPU). Η καμπίνα περιλαμβάνει πέντε (5) υπολογιστικούς κόμβους σε αρχιτεκτονική τύπου Blade με δυνατότητα επέκτασης για άλλους έντεκα (11). O κάθε κόμβος περιλαμβάνει 32 πυρήνες (2×AMD Opteron 6376) και 64GB μνήμης (DDR3, ECC). H αρχιτεκτονική Blade επιτρέπει την εύκολή επέκταση της υπολογιστικής δομής σε συνδυασμό με τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και τις ελάχιστες χωρικές απαιτήσεις. Από το 2016 προστέθηκαν στην καμπίνα δύο υπολογιστικοί κόμβοι σε αρχιτεκτονική server, περιλαμβάνοντας ο καθένας 36 πυρήνες (2×Intel Xeon E5-2695 v.4) και 64GB μνήμης (DDR4, ECC). Για τη βέλτιστη απόδοση του συστήματος οι κόμβοι επικοινωνούν μέσω τοπικού δικτύου Gigabit (100Mbps) με κεντρικό υπολογιστή (HPZ820, 2×Intel Xeon 2630) στον οποίο συνδέονται οι χρήστες. Στον κεντρικό υπολογιστή έχουν εγκατασταθεί δύο (2) κάρτες γραφικών τεχνολογίας CUDA της NVIDIA. Πιο συγκεκριμένα η πρώτη (C2070, 448 πυρήνες CUDA) βασίζεται στην αρχιτεκτονική “FERMI” και η δεύτερη (Κ20Χ, 2688 πυρήνες CUDA) στην αρχιτεκτονική “KEPLER”. Συνολικά η υπολογιστική υποδομή της ομάδας αποτελείται από 232 πυρήνες, 448GB RAM και 3136 πυρήνες CUDA. 164

165

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ IΣΤΟΡΙΑ Το Εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος, ξεκίνησε τη λειτουργία του το 1985 (επίσημη ίδρυση Π.Δ.114/2002) από τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Δημήτριο Ραπακούλια. Αρχικά στελεχώθηκε από τον επιστημονικό συνεργάτη Δρ. Συμεών Καββαδία και τους δύο πρώτους υποψήφιους διδάκτορες (Δημήτριο Ματαρά και Δήμητρα Γερασίμου) και ξεκίνησε τις πρώτες δραστηριότητες στα επιστημονικά πεδία των φυσικοχημικών διεργασιών πλάσματος και της χημικής εναπόθεσης με πλάσμα λεπτών ημιαγώγιμων υμενίων. Τα πρώτα χρόνια της λειτουργίας του έγινε η ανάπτυξη των εργαστηριακών υποδομών, η απόκτηση εργαστηριακού εξοπλισμού, η εγκατάσταση των πρώτων διαγνωστικών τεχνικών πλάσματος και του πρώτου αντιδραστήρα πλάσματος χαμηλής πίεσης για εναπόθεση λεπτών υμενίων. Το 1990 απονεμήθηκαν και οι δύο πρώτες διδακτορικές διατριβές στους Δρ. Δ. Ματαρά και Δρ. Δ. Γερασίμου για τις ερευνητικές τους εργασίες που υλοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος. Τη δεκαετία 1991-2000 το Εργαστήριο με Διευθυντή το Αν. Καθ. Δ. Ραπακούλια και επιστημονικό συνεργάτη το Δρ. Δ. Ματαρά συνέχισε την πολύ γρήγορη ανάπτυξη του, προσελκύοντας οικονομικούς πόρους από ανταγωνιστικά ευρωπαϊκά προγράμματα κυρίως στο αντικείμενο των φωτοβολταϊκών λεπτών υμενίων πυριτίου. Το 1991 έγινε η μετακίνηση του Εργαστηρίου στο νέο κτήριο του Τμήματος Χημικών Μηχανικών (2 ος όροφος). Αυτή τη χρονική περίοδο, πραγματοποιήθηκαν τρεις διδακτορικές διατριβές (Δρ. Ν. Σπηλιόπουλος 1991-1997, Δρ. Σπ. Στάμου 1994-1999 και Δρ. Ε. Αμανατίδης 1996-2001), αναπτύχθηκαν νέες πρωτοπόρες διαγνωστικές τεχνικές πλάσματος και εγκαταστάθηκε ένας υπερσύγχρονος αντιδραστήρας πλάσματος υπερυψηλού κενού για εναποθέσεις ημιαγώγιμων υλικών υψηλής καθαρότητας. Την ίδια δεκαετία το Εργαστήριο ισχυροποίησε τη θέση του ως ένα από τα πρωτοπόρα Εργαστήρια διεργασιών πλάσματος στον Ευρωπαϊκό χώρο και ανάπτυξε ισχυρές επιστημονικές συνεργασίες με πολλά ευρωπαϊκά εργαστήρια καθώς υπήρξε ο συντονιστής τεσσάρων ευρωπαϊκών προγραμμάτων. Επιπλέον, το 1994 προσελήφθη η κ. Ευγενία Αντωνοπούλου για τη γραμματειακή και διοικητική υποστήριξη των δραστηριοτήτων του Εργαστηρίου, η οποία βοήθησε και εξακολουθεί να συμβάλλει μέχρι και σήμερα, ως διοικητική υπάλληλος του Πανεπιστημίου Πατρών, στην ανάπτυξη του Εργαστηρίου. Το 1997 ο κ. Ραπακούλιας εξελίχθηκε σε Καθηγητή και το 1999 ο κ. Ματαράς εκλέχθηκε Επίκουρος Καθηγητής στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. 166

. Τη δεκαετία 2001-2010, το Εργαστήριο έχοντας ως προσωπικό τον καθ. Δ. Ραπακούλια, τον Επ. Καθ. Δ. Ματαρά και επιστημονικό συνεργάτη το Δρ. Ε. Αμανατίδη συνέχισε την ανάπτυξη του σε ο υλικοτεχνική υποδομή, σε εγκαταστάσεις (διαμόρφωση ενός 2 ου εργαστηρίου στον 1 όροφο του Τμήματος Χημικών Μηχανικών) και σε εξοπλισμό, ενώ επέκτεινε τις ερευνητικές του δραστηριότητες και σε άλλους τομείς όπως η παρασκευή με πλάσμα υδρόφιλων/υδρόφοβων υμενίων, η τροποποίηση επιφανειακών ιδιοτήτων υλικών, η παρασκευή υμενίων για αντιδιαβρωτική προστασία μετάλλων καθώς και η παρασκευή αντιβακτηριακών επιφανειών. Σημαντικό ρόλο σε αυτή την εξέλιξη έπαιξε η ισχυρή προσέλκυση οικονομικών πόρων μέσω της συμμετοχής του Εργαστηρίου σε δεκατέσσερα (14) εθνικά, ευρωπαϊκά, διακρατικά, εδαφικά και βιομηχανικά ανταγωνιστικά προγράμματα και δίκτυα. Την περίοδο αυτή εγκαταστάθηκαν δύο νέοι αντιδραστήρες πλάσματος χαμηλής πίεσης και αποκτήθηκε ένα υπερσύγχρονο μικροσκόπιο σάρωσης ακίδας (SPM), με δυνατότητες απεικόνισης νανοδομών, αλλά και επιφανειακών ηλεκτρικών, μαγνητικών μετρήσεων και μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας. Πραγματοποιήθηκαν επίσης, έξι διδακτορικές διατριβές (Δρ. Δ. Παπακωνσταντίνου 1999-2004, Δρ. Α. Hammad 1999-2004, Δρ. Ε. Κατσιά 2003-2007, Δρ. Χ. Βούλγαρης 2003-2007, Δρ. Μ. Κωστοπούλου 2004-2009 και Δρ. Σπ. Σφήκας 2003-2009). Το 2004 προστέθηκε στην ομάδα του Εργαστηρίου η κ. Χριστιάνα Αλεξανδρίδου αρχικά ως ΙΔΑΧ και στη συνέχεια ως ΕΤΕΠ του Πανεπιστημίου Πατρών, η οποία έχει μέχρι και σήμερα πολύτιμη συμβολή στη διαχείριση των ερευνητικών προγραμμάτων του Εργαστηρίου. Το 2005 ο Δ. Ματαράς εξελίχθηκε σε Αναπληρωτή Καθηγητή και το 2009 ο Δρ. Ε. Αμανατίδης εκλέχθηκε Επ. Καθηγητής στο τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. 167

168

Από το 2011 – έως σήμερα, το Εργαστήριο συνεχίζει την ανοδική του πορεία βελτιώνοντας τόσο τον εξοπλισμό του αλλά και επεκτείνοντας τις εγκαταστάσεις του. Το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα εγκαταστάθηκε ένας νέος αντιδραστήρας πλάσματος υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων, ένας αντιδραστήρας sputtering και ένας αντιδραστήρας ατμοσφαιρικής πίεσης τύπου διηλεκτρικού φράγματος. Αποκτήθηκε επίσης μια συστάδα υπολογιστών για απαιτητικές προσομοιώσεις αντιδραστήρων πλάσματος βιομηχανικής κλίμακας, ενώ διαμορφώθηκε ένας τρίτος εργαστηριακός χώρος στο υπόγειο του τμήματος Χημικών Μηχανικών. Επιπλέον, το εργαστήριο επέκτεινε τις ερευνητικές του δραστηριότητες σε αντικείμενα όπως η μελέτη και εφαρμογή ατμοσφαιρικών πηγών πλάσματος στην εναπόθεση υλικών και στη τροποποίηση επιφανειακών ιδιοτήτων, η προσομοίωση πηγών πλάσματος υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων, η προσομοίωση διεργασιών πλάσματος σε αντιδραστήρες ευρείας κλίμακας, η χημική εναπόθεση με πλάσμα γραφενίου, η παρασκευή φωτοβολταϊκών διατάξεων περοβσκιτών, η παρασκευή υλικών για μικρορευστονικές διατάξεις και η παρασκευή διατάξεων για ελεγχόμενη έκλυση φαρμάκων. Το Εργαστήριο και αυτή την περίοδο συμμετείχε σε ευρωπαϊκά προγράμματα πολύ υψηλού προϋπολογισμό ενώ προχώρησε και στη σύναψη απ’ ευθείας συμβάσεων με τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών κυρίως. Τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο πραγματοποιήθηκαν ή είναι σε εξέλιξη 6 διδακτορικές διατριβές (Δρ. Στ. Βογιατζής 2009-2014, Δρ. Π. Δημητρακέλλης 2009-2014, Δρ. Ε. Φαρσάρη 2009-2016, Δρ. Ι. Αλεξίου 2012-2017, Ι. Τσιγάρας 2011-σήμερα, Β. Βρακατσέλλη 2012 – σήμερα) και δύο μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης (Α. Καραβιώτη 2014-2017, Νίκη Σωτηρίου 2014-2017). Το 2010 συνταξιοδοτήθηκε ο ιδρυτής του Εργαστηρίου καθ. Δ. Ραπακούλιας και Διευθυντής ανέλαβε ο Δ. Ματαράς, ο οποίος εξελίχθηκε στη βαθμίδα του καθηγητή το 2011. Το 2017 εξελίχθηκε στη βαθμίδα του Αναπληρωτή Καθηγητή ο Ε. Αμανατίδης ενώ το 2017 ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης του εργαστηρίου Δρ. Σπ. Σφήκας μετατάχθηκε από τη δευτεροβάθμια εκπαίδευση σε Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό του Πανεπιστημίου Πατρών. Από το 2016 η Δρ. Ε. Φαρσάρη είναι μεταδιδακτορική συνεργάτιδα του Εργαστηρίου. ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Δημήτρης Ματαράς Καθηγητής [email protected] Λευτέρης Αμανατίδης Αν. Καθηγητής [email protected] Χριστιάνα Αλεξανδρίδου ΕΤΕΠ [email protected] Ευγενία Αντωνοπούλου Διοικ. Υπάλληλος [email protected] Σπύρος Σφήκας ΕΔΙΠ [email protected] Εργίνα Φαρσάρη [email protected] Web Site: http://www.plasmatech.gr 169

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ Μέθοδοι εναπόθεσης νανοδομημένων υμενίων. Χημική εναπόθεση με πλάσμα λεπτών ημιαγώγιμων υμενίων (a-Si:H και μc-Si:H), προστατευτικών επιστρωμάτων (a-C:H και SiO ), υπερυδρόφοβων x υμενίων τύπου τεφλόν (CF ), υπερυδρόφιλων υμενίων τύπου τιτάνιας (TiO ), πολυαιθυλενοξειδίων x x (PEO-like) και νανοδομημένων κεραμικών υλικών (YSZ). Βελτιστοποίηση διεργασιών εναπόθεσης με την εφαρμογή διαγνωστικών τεχνικών πλάσματος και προσομοίωση της διεργασίας. Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των υλικών και συσχετισμός των ιδιοτήτων των υλικών με τις παραμέτρους της διεργασίας. Δυνητικές εφαρμογές: Φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές, βιοϋλικά, προστατευτικά επιστρώματα, αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες, κάλλια καυσίμου Φυσικοχημικές διεργασίες πλάσματος χαμηλής πίεσης για την εναπόθεση και την επεξεργασία νανοδομημένων υλικών. Εφαρμογή ηλεκτρικών και φασματοσκοπικών μετρήσεων κατά τη διάρκεια των διεργασιών. Ανάπτυξη νέων διαγνωστικών μεθόδων για την ανάλυση της αέριας φάσης και της αλληλεπίδρασης πλάσματος με τις επιφάνειες. Σχεδιασμός και εγκατάσταση αντιδραστήρων πλάσματος χαμηλής και υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων. Προσομοίωση διεργασιών πλάσματος εναπόθεσης και επεξεργασίας υλικών με λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Βελτιστοποίηση διεργασιών και σχεδιασμός αντιδραστήρων ευρείας κλίμακας. Υλικά για ελεγχόμενη και στοχευμένη έκλυση δραστικών ουσιών. Παρασκευή μεσοπορώδους πυριτίου για παγίδευση αντικαρκινικών φαρμάκων. Χημική εναπόθεση βιοδιασπόμενων υμενίων για έλεγχο ρυθμού έκλυσης αντικαρκινικών φαρμάκων. Εφαρμογή: Καθετήρες ουροποιητικού που εκλύουν φάρμακα. Σχεδιασμός και κατασκευή ατμοσφαιρικών πηγών πλάσματος τύπου διηλεκτρικού φράγματος και συστοιχίας μικροεκκενώσεων για χημική εναπόθεση λεπτών υμενίων σε μεγάλες επιφάνειες και επεξεργασία ευπαθών υλικών (τρόφιμα, ιατρικά εργαλεία) εκτός κλειστών συσκευασιών. 170

Ο βασικός εξοπλισμός του Εργαστηρίου Τεχνολογίας Πλάσματος περιλαμβάνει τα ακόλουθα: Τρεις αντιδραστήρες πλάσματος χωρητικής ζεύξης (2 υψηλού κενού, έναν υπερυψηλού) Δύο αντιδραστήρες πλάσματος επαγωγικής ζεύξης • Έναν αντιδραστήρα sputtering • Έναν αντιδραστήρα πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης τύπου διηλεκτρικού φράγματος • Έναν αντιδραστήρα πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης τύπου τζετ • Δυο διατάξεις φασματοσκοπίας αυθόρμητης εκπομπής • Τρείς διατάξεις ηλεκτρικών μετρήσεων πλάσματος • Δύο διατάξεις συμβολομετρίας με λέιζερ • Μια iCCD κάμερα • Ένα μικροσκόπιο σάρωσης ακίδας (SPM) • Ένα γωνιόμετρο για μετρήσεις επιφανειακής ενέργειας • Ένα cluster υπολογιστών (32 επεξεργαστές) • Ένα διπλόχωρο κελί ηλεκτροχημικής ανοδίωσης • Μια συσκευή ψεκασμού υπερήχων • Μία φυγόκεντρο • Έναν ομογενοποιητή 171

172

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ & ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗΣ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ IΣΤΟΡΙΑ Το Εργαστήριο Φαινομένων Μεταφοράς και Φυσικοχημικής Υδροδυναμικής ιδρύθηκε το 1982 από τον αείμνηστο Καθηγητή του Τμήματος Αλκιβιάδη Χ. Παγιατάκη, ο οποίος ήλθε στην Ελλάδα φέρνοντας από το Houston, USA την εμπειρία του σε θέματα διφασικής ροή σε πορώδη υλικά, με εφαρμογές στην δευτερογενή και τριτογενή εξόρυξη του πετρελαίου. Οι πρώτες ερευνητικές δραστηριότητες του εργαστηρίου αφορούσαν την ανάπτυξη δυναμικών εξομοιωτών τύπου δικτύου πόρων, ώστε να διασαφηνιστεί η συνεργιστική επίδραση ιξωδών και τριχοειδών δυνάμεων στα μεταβατικά πρότυπα ροής δύο φάσεων και αρχικά εστιάστηκε σε προβλήματα, όπως η μη αναμίξιμη εκτόπιση δύο φάσεων σε πρότυπα πορώδη μέσα, η αριθμητική προσομοίωση της πιθανότητας συνένωσης δύο γαγγλίων πετρελαίου, ο χαρακτηρισμός της μικροπορώδους δομής πετρελαιοφόρων πετρωμάτων, κλπ. Η δραστηριότητα του αείμνηστου ΑΧΠ ήταν πολυσχιδής και ιδιαίτερα εντυπωσιακή αφού μέχρι το 2009 στο εργαστήριο εκπονήθηκαν 21 διδακτορικές εργασίες και δημοσιεύτηκαν πάνω από 100 εργασίες σε διεθνή περιοδικά. Ιστορική αναδρομή Ο. Βύζικα, 1989: Aμιγής μικροεκτόπιση δύο ρευστών μέσα σε πορώδη πετρώματα Γ. Κωνσταντινίδης, 1989: Συνένωση γαγγλίων πετρελαίου κατά την αμιγή μικροεκτόπιση μέσα σε πορώδη πετρώματα X. Tσακίρογλου, 1990: Bελτιωμένη μέθοδος ανάλυσης της πορώδους δομής διαπερατών στερεών: Εφαρμογή σε Ελληνικά πετρελαιοφόρα πετρώματα X. Παρασκευά, 1992: Θεωρητική και Πειραματική μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων βαθιάς διήθησης A. Mιχαλοπούλου, 1993: Θεωρητική μελέτη της μικροδιήθησης με εγκάρσια ροή Φ. Kουτελιέρης, 1995: Μελέτη των φαινομένων μεταφοράς μάζας προς σμήνος προσροφούντων στερεών σφαιροειδών σωματιδίων από κινούμενο υπό συνθήκες έρπουσας ροής Nευτώνειο ρευστό Δ. Αβραάμ, 1996: Σχετικές διαπερατότητες και καθεστώτα ροής δύο μη αναμίξιμων ρευστών κατά τη ροή τους σε πορώδη σώματα” Μ. Βαλαβανίδης, 1998: Μακροσκοπική θεωρία διφασικής ροής σε πορώδη υλικά βάσει ολοκληρώσεως των φαινομένων κλίμακας πόρων A. Aγγελόπουλος, 1998: Μελέτη πολυφασικής ροής σε πορώδη σώματα με τη μέθοδο των κυτταρικών αυτομάτων Ε. Σκούρας, 2000: Διάχυση και ρόφηση κατά την ανίχνευση αερίων με ημιαγώγιμους νανοκεραμικούς ανιχνευτές Δ. Διαμαντής, 2001: Καύση αερίων υδρογονανθράκων σε πορώδη κεραμικά Α. Καλαράκης, 2003: Προσομοίωση της διφασικής ροής με φαινόμενα αλλαγής φάσης με μια νέα μέθοδο κυτταρικών αυτομάτων Ι. Χάφεζ, 2006: Aνάπτυξη σύνθετων αποθεμάτων για την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων κοκκωδών υλικών Μ. Λιόλιου, 2006: Διερεύνηση της συσσωμάτωσης εδαφών με την επιτόπου απόθεση ανοργάνων αλάτων Β. Συγγούνη, 2007: Μια νέα μέθοδος για την μέτρηση διαβρεκτικότητας σε πορώδη υλικά σε πειράματα διφασικής εκτόπισης Ι. Σγούντζος, 2007: Αλληλεπίδραση υποκατεστημένων τριαζινών στην διεπιφάνεια εδάφους-ύδατος Γ. Καπέλλος, 2008: Φαινόμενα μεταφοράς και δυναμικής της ανάπτυξης μικροβιακών βιοφίλμ κατά την βιοαποδόμηση οργανικών ρυπαντών σε πορώδη υλικά. Ιεραρχικά θεωρητική προσομοίωση και πειραματική διερεύνηση. Ε. Αρβανίτη, 2008: Aνάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την σε βάθος σταθεροποίηση χαλαρών εδαφών Χ. Αλεξίου, 2010: Αλληλεπιδράσεις υγροκυτταρικών βιολογικών μέσων σε αγγεία και πορώδη υλικά Μ. Ψαρρού: Ανάπτυξη μιας μεθόδου για την προστασία εδαφών από την διάβρωση από το νερό μέσω της επιτόπου καταβύθισης αλάτων φωσφορικού ασβεστίου. 173

ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Χριστάκης Παρασκευά Αν. Καθηγητής [email protected] Βαρβάρα Συγγούνη [email protected] Γιώργος Καπέλλος [email protected] Δημήτρης Ζάγκλης [email protected] Αλέξης Πάντζιαρος [email protected] Ευσταθία Παυλάκου [email protected] Web Site: http://www.chemeng.upatras.gr Μετά την απώλεια του Άλκη Παγιατάκη (29 Νοεμβρίου 2009) γίνεται προσπάθεια να διατηρήσει το εργαστήριο μέρος των πολυποίκιλων δραστηριοτήτων του ΑΧΠ με έμφαση στην επεξεργασία νερού και διήθηση σωματιδιακών ρύπων, την συσσωμάτωση πορωδών υλικών, αλλά παράλληλα αναπτύσσεται και μια νέα κατεύθυνση με την επεξεργασία αγροτικών αποβλήτων μέσω της χρήσης μεμβρανών εγκάρσιας ροής (Υπερδιήθηση, Νανοδιήθηση και Αντίστροφη Όσμωση). 174

175

Τα πειράματα διήθησης σωματιδιακών ρύπων επαναλαμβάνονται στο εργαστήριο σε συνδυασμό με την μελέτη της προεπεξεργασίας νερού με μεθόδους κροκίδωσης/καθίζησης, χρησιμοποιώντας νέους ηλεκτρολύτες και πολυηλεκτρολύτες, με λιγότερες συνέπειες για την ανθρώπινη υγεία και συγκρίνεται η απόδοση των φίλτρων άμμου με την διήθηση σε πιλοτικές μονάδες υπερδιήθησης. Η δραστηριότητα, όμως, στην οποία συμμετέχουν οι περισσότεροι μεταπτυχιακοί και προπτυχιακοί φοιτητές του εργαστηρίου σήμερα, είναι η εφαρμογή της τεχνολογίας διήθησης μεμβρανών για την επεξεργασία νερού και υγρών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων αφού επεκτάθηκε πέραν της επεξεργασίας αποβλήτων και σε μεθόδους απομόνωσης και εμπλουτισμού ουσιών που περιέχονται στα απόβλητα, ουσίες με ιδιαίτερη προστιθέμενη οικονομική αξία. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε τόσο σε εργαστηριακό όσο και σε πιλοτικό επίπεδο (πειράματα σε ελαιοτριβείο Αχαΐας) η δυνατότητα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου με μεμβράνες. Στην συνέχεια έγινε μια τεχνοοικονομική ανάλυση της προτεινόμενης εφαρμογής του για μια περιοχή που καλύπτει το νομό Αχαΐας της Δυτικής Ελλάδα (ΠΔΕ). Με την αξιοποίηση απομονωμένων κλασμάτων, όπως τα θρεπτικά συστατικά ως μέρος υγρών λιπασμάτων ή των φυτοτοξικών συστατικών (φαινολικά), ως συστατικών στην ανάπτυξη οικολογιών ζιζανιοκτόνων, είναι δυνατόν να υπάρξουν έσοδα για την αποπληρωμή του συνολικού κόστους της διεργασίας σε μια περίοδο περίπου πέντε χρόνων. Πρόσφατα η επεξεργασία των αποβλήτων ελαιοτριβείου συνδυάστηκε και με άλλες φυσικοχημικές μεθόδους για την απομόνωση των φαινολικών ουσιών με υψηλές καθαρότητες για την αξιοποίησή τους στην βιομηχανία τροφίμων αλλά και στην φαρμακοβιομηχανία (διδακτορική διατριβή Δημήτρη Ζάγκλη). Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε επεξεργασία υγρών και στερεών αποβλήτων ελαιοτριβείου και οινοποιίας, όπως το υγρό απόβλητο ελαιοτριβείου τριφασικής λειτουργίας, τα φύλλα της ελιάς, ο αλλοιωμένος οίνος και τα στέμφυλα σταφυλιών, χρησιμοποιώντας διήθηση με μεμβράνες (Υπερδιήθησης, Νανοδιήθησης και Αντίστροφης Ώσμωσης) και σε συνδυασμό με άλλες φυσικοχημικές τεχνικές, όπως προσρόφηση σε ρητίνες ανταλλαγής ιόντων και εξάτμιση υπό κενό. Μέσω των τεχνικών αυτών κατέστη δυνατός ο διαχωρισμός ενώσεων με υψηλή προστιθέμενη αξία, όπως οι φαινολικές ενώσεις, καθώς και η παραγωγή διαλυμάτων πλούσιων σε αιθανόλη (από το αλλοιωμένο κρασί). Τα ανωτέρω προϊόντα έχουν υψηλή προστιθέμενη αξία και ο περαιτέρω εξευγενισμός τους σε προϊόντα μεγαλύτερης καθαρότητας (>90%) είναι μέρος της τελευταίας εργασίας στο Εργαστήριο για την μελέτη της αξιοποίησης αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων (διδακτορική διατριβή Σπύρου Κοντού). Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της ανάκτησης φαινολικών ενώσεων σε υψηλά ποσοστά καθαρότητας από υγρά μίγματα αγροτικών αποβλήτων/παραπροϊόντων, δίνοντας έμφαση στην εφαρμογή συνδυαστικών φυσικοχημικών μεθόδων (διήθησης μέσω μεμβρανών και κρυστάλλωσης με ψύξη), με απώτερο στόχο την εφαρμογή της μεθόδου σε απόβλητα με υψηλό οργανικό περιεχόμενο, όπως τα Υγρά Απόβλητα Ελαιοτριβείου, ΥΑΕ. 176

Φωτογρ. κλασμάτων διήθησης αποβλήτων ελαιοτριβείου με μεμβράνες UF- NF,-RO Πρωτοχρονιάτικη πίττα με ΑΧΠ, Δήμο Πολύζο, Γ. Κωνσταντινίδη & Χ, Παρασκευά 177

178

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ IΣΤΟΡΙΑ Το «Εργαστήριο Φυσικοχημείας, Δομής και Δυναμικής Αμόρφων Υλικών και Ρευστών» (όπως είναι η θεσμοθετημένη κατά ΦΕΚ/1992 επίσημη ονομασία του), δημιουργήθηκε το 1984 σε χώρους του Ισογείου και του 1 ου ορόφου του «Β Κτηρίου» της Πανεπιστημιούπολης, όπου στεγαζόταν τότε το Τμήμα Χημικών Μηχανικών. Ιδρυτής και θεμελιωτής του εργαστηρίου ήταν ο Καθηγητής Γεώργιος Παπαθεοδώρου, υπό την καθοδήγηση του οποίου εκπονήθηκαν 13 διδακτορικές διατριβές και μεγάλος αριθμός διπλωματικών εργασιών. Αρκετοί εκ των διδακτόρων του Εργαστηρίου κατέχουν σήμερα θέσεις Καθηγητών (Σογομών Μπογοσιάν, Ευαγγελία Παυλάτου/ΕΜΠ) και Διευθυντών Ερευνών (Γεώργιος Βογιατζής/ΙΤΕ-ΙΕΧΜΗ, Σπυρίδων Γιαννόπουλος/ΙΤΕ-ΙΕΧΜΗ). Ο αρχικός εργαστηριακός εξοπλισμός του Εργαστηρίου αγοράστηκε με πιστώσεις του Τακτικού Προϋπολογισμού και Δημοσίων Επενδύσεων του Πανεπιστημίου Πατρών καθώς και με πιστώσεις του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ. Την περίοδο 1993 – 2005, ανταγωνιστικά ερευνητικά έργα χρηματοδοτούμενα από την Ευρωπαϊκή Ένωση, από διεθνείς φορείς, από την ΓΓΕΤ καθώς και με τη συγχρηματοδότηση από εθνικούς πόρους επέτρεψαν την επέκταση και ανανέωση του ερευνητικού εξοπλισμού. Από το 2002 ξεκινά η σταδιακή προσαρμογή των ερευνητικών δραστηριοτήτων του Εργαστηρίου σε νέες ερευνητικές περιοχές αιχμής υπό την καθοδήγηση του Καθηγητή Σογομών Μπογοσιάν (τότε στη βαθμίδα του Επίκουρου Καθηγητή). Από το 2006 Διευθυντής του Εργαστηρίου είναι ο Σογομών Μπογοσιάν, υπό την καθοδήγηση του οποίου εκπονήθηκαν 7 διδακτορικές διατριβές και μεγάλος αριθμός διπλωματικών εργασιών. Την περίοδο 2007 – 2009 (με αξιοποίηση πιστώσεων ΤΣΜΕΔΕ) έγινε νέα αναβάθμιση του υπάρχοντος εξοπλισμού με προμήθεια/προσαρμογή σύγχρονου λογισμικού και επιπλέον επέκταση των εγκαταστάσεων μοριακής φασματοσκοπίας Raman με προμήθεια σύγχρονου εξοπλισμού φασματομέτρων, συστημάτων ανίχνευσης και laser στερεάς κατάστασης. Τη δεκαετία 2009 – 2018 το Εργαστήριο συντηρείται και αναβαθμίζεται κατά το δυνατόν με αξιοποίηση πιστώσεων του ΤΣΜΕΔΕ, με έμφαση στην προμήθεια lasers στερεάς κατάστασης. Οι δύο τελευταίοι διδάκτορες του Εργαστηρίου, μετέβησαν ως μεταδιδάκτορες σε Πανεπιστήμια των ΗΠΑ και ένας εξ αυτών (Γ. Τσιλομελέκης) είναι από το 2015 Assistant Professor στο Rutgers University (New Jersey). Ανταγωνιστικά ερευνητικά έργα, χρηματοδοτούμενα από το Πανεπιστήμιο Πατρών, το ΕΣΠΑ, διεθνείς οργανισμούς καθώς και ερευνητικά προγράμματα που χρηματοδοτούνται από τη βιομηχανία υποστηρίζουν το ερευνητικό έργο του Εργαστηρίου τα τελευταία χρόνια. Σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του ερευνητικού έργου του Εργαστηρίου διαδραματίζει η ανάπτυξη πειραματικών μεθόδων και οπτικών κυψελλίδων για in situ και operando φασματοσκοπία Raman σε καταλυτικά συστήματα υποστηριγμένων μεταλλοξειδίων, τηγμένων αλάτων και μεικτών οξειδίων. 179

Τότε (άνω, 1984) και τώρα (μέση και δεξιά) ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ • ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ RAMAN ΣΕ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Με χρήση της in situ φασματοσκοπίας Raman γίνεται μελέτη της μοριακής δομής υποστηριγμένων καταλυτών, στους οποίους η ενεργός φάση είναι κάποιο διεσπαρμένο μεταλλοξείδιο πάνω σε οξειδικό υπόστρωμα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη συστηματική μελέτη της απόκρισης της μοριακής δομής των καταλυτών σε μεταβολές της αέριας ατμόσφαιρας, της θερμοκρασίας καθώς και της σύστασης και της μεθόδου παρασκευής. Η in situ φασματοσκοπία Raman συνδυάζεται με συμπληρωματικές τεχνικές, όπως η ισοτοπική υποκατάσταση 18 O/ O και 16 η in situ φασματοσκοπία FTIR. Η μελέτη επεκτείνεται και σε καταλυτικά συστήματα μεικτών μεταλλοξειδίων που χρησιμοποιούνται ως υλικά αποθήκευσης/διάθεσης οξυγόνου. Ενδεικτικοί συγκεκριμένοι στόχοι αποτελούν: · προσδιορισμός της κατανομής μεταξύ των ειδών που συνιστούν την εναποτεθειμένη οξομεταλλική φάση, ως προς τη διαμόρφωση (mono-oxo vs poly-oxo), πυρηνικότητα (μονομερή ή πολυμερή), έκταση κρυσταλλικότητας διεσπαρμένης φάσης κλπ. · συστηματική παρακολούθηση της θερμοκρασιακής εξέλιξης της δομής των οξομεταλλικών ειδών (από τα πρόδρομα διαλύματα μέχρι τον τελικό πυρωμένο καταλύτη καθώς και περιπτώσεις αντιστρεπτής θερμοκρασιακής εξάρτησης της δομής ή/και των διαμορφώσεων των ειδών που συνιστούν την διεσπαρμένη φάση των καταλυτών) 180

· κατανόηση σχέσεων μεταξύ δομής και καταλυτικής συμπεριφοράς στο μοριακό επίπεδο με στόχο τη βελτίωση υπαρχόντων ή/και ανάπτυξη νέων βελτιωμένων καταλυτικών συστημάτων. Εφαρμογή της operando φασματοσκοπίας Raman (in situ φασματοσκοπία Raman με ταυτόχρονες καταλυτικές μετρήσεις στο ίδιο δείγμα) · χαρακτηρισμός δομής, διαταραχών δομής, κρυσταλλικότητας, οξειδοαναγωγικών ιδιοτήτων και έκτασης/τύπων κενών θέσεων οξυγόνου σε μεικτά οξείδια μετάλλων με βάση κυρίως το οξείδιο του δημητρίου (CeO ) με εφαρμογή σε καταλυτικές διεργασίες που βασίζονται σε 2 αποθήκευση/διάθεση οξυγόνου από τη μήτρα του καταλύτη. • ΑΝΟΡΓΑΝΑ ΣΥΜΠΛΟΚΑ ΣΥΝΑΡΜΟΓΗΣ Δομή τηγμένων αλάτων, ιοντικών υγρών και ατμών σε ψηλές θερμοκρασίες με φασματοσκοπία Raman και φασματοφωτομετρία UV/Vis σε συνθήκες στατικής ισορροπίας. Συσχετίσεις φασματικών μετρήσεων με τη στοιχειομετρία, τις σταθερές ισορροπίας και τη θερμοδυναμική χημικών αντιδράσεων σε υγρά και αέρια μείγματα • ΜΕΛΕΤΗ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΗΣ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΕΙΣΤΗΡΙΩΝ ΠΟΛΙΤΙΣΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΛΗΡΟΝΟΜΙΑΣ Τεχνητή επιταχυμένη γήρανση περγαμηνής, οστού, ξύλου και υφάσματος σε εργαστηριακή εγκατάσταση συνεχούς λειτουργίας και χαρακτηρισμός μοριακής δομής με φασματοσκοπία Raman προ και μετά τη γήρανση. 181

ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ • Εγκατάσταση φασματοσκοπίας Raman «ανοικτής γεωμετρίας» με χρήση ορατών lasers ως μέσων διέγερσης, διπλό μονοχρωμάτορα και ανίχνευση με PMT • Εγκατάσταση φασματοσκοπίας Raman «ανοικτής γεωμετρίας» με χρήση ορατών lasers ως μέσων διέγερσης, απλό μονοχρωμάτορα και πολυκαναλική ανίχνευση (CCD). Δυνατότητα χρήσης οπτικών ινών (Raman optical fiber probe) • Μονοχρωματικά DPSS lasers (Στερεάς κατάστασης): 491.5 (κυανό), 532.0 (πράσινο) και 660.0 (κόκκινο) nm. Argon ion gas Laser (472.0 – 514.5 nm). • Οπτικές κυψελίδες αντιδραστήρων Raman για μελέτη καταλυτών σε οποιαδήποτε μορφή (σκόνη, δισκίο, υγρή πάστα), με δυνατότητα ελέγχου της θερμοκρασίας και της σύστασης του αερίου ρεύματος τροφοδοσίας σε συνεχή λειτουργία (in situ φασματοσκοπία Raman). Δυνατότητα ταυτόχρονης μέτρησης καταλυτικής ενεργότητας (operando φασματοσκοπία Raman) • Πλατφόρμες ελέγχου ροής και ανάμειξης αερίων ρευμάτων • Μονάδα ελέγχου καταλυτών με online αέρια χρωματογραφία • Εγκατάσταση τεχνητής γήρανσης οργανικών υλικών με συνεχή λειτουργία • Θάλαμοι αδρανούς ατμόσφαιρας αζώτου και γραμμές κενού/προσθήκης αερίων για χειρισμό υλικών και χημικών ευαίσθητων σε συνθήκες της ατμόσφαιρας. ο Φασματοφωτόμετρο UV/Vis με κυψελίδα υψηλής θερμοκρασίας (έως 450 C) ΕΡΓΑ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Οι ιδιότητες μοριακής δομής ενός σημαντικού αριθμού καταλυτικών συστημάτων (υποστηριγμένα οξείδια μετάλλων μετάπτωσης είτε συστήματα μεικτών οξειδίων (Ce Zr O 2-δ )) έχουν μελετηθεί με 1-x x την in situ φασματοσκοπία Raman. Έχει εξεταστεί η «απόκριση» της μοριακής δομής στη μεταβολή παραμέτρων των διεργασιών (αέρια ατμόσφαιρα, θερμοκρασία) σε κάθε μελετούμενο σύστημα σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης. Κομβικής σημασίας υπήρξε ο σχεδιασμός και η κατασκευή οπτικών αντιδραστήρων που επιτρέπουν ακόμα και τη λειτουργία ως διαφορικού οπτικού αντιδραστήρα ταυτόχρονα με τη διέγερση-με-laser του μελετούμενου καταλύτη. Τα συστήματα που μελετήθηκαν περιλαμβάνουν στερεά οξείδια μετάλλων μετάπτωσης (V, Mo, W, Re, Cr κ.ά.) καθώς και συστήματα τηγμένων αλάτων υποστηριγμένα σε διάφορους φορείς/υποστρώματα (SiO , TiO , ZrO , SiO -TiO , Al O , βιομηχανικοί φορείς κλπ.) με εφαρμογή σε μια πλειάδα 2 2 3 2 2 2 2 βιομηχανικών εφαρμογών (π.χ. οξείδωση SO , SCR του NO με NH , οξειδωτική αφυδρογόνωση 3 2 αλκανίων κλπ.). Έχουν προσδιοριστεί με συστηματικό τρόπο σχέσεις δομής και ενεργότητας για καταλυτικά συστήματα ορισμένων οξειδίων (π.χ. V O , MoO ). 2 3 5 182

Ωστόσο, λεπτομερείς πληροφορίες για την απόκριση της μοριακής δομής σε μεταβολές των συνθηκών του οπτικού αντιδραστήρα είναι διαθέσιμες για μια πλειάδα υποστηριγμένων καταλυτικών συστημάτων (βασισμένων σε V O , MoO , WO , Re O , CoO, CrO κλπ.) καθώς και 5 3 2 3 7 3 2 για συστήματα μεικτών οξειδίων (Ce Zr O , Ce Zr RE O 2-δ κ.ά.), που χρησιμοποιούνται σε 2 1-x x x 1-x y καταλυτικές εφαρμογές αποθήκευσης/διάθεσης οξυγόνου. Ισορροπίες χημικών αντιδράσεων στην υγρή ή/και την αέρια φάση έχουν μελετηθεί με φασματοσκοπία Raman. Οι εντάσεις των φασματικών κορυφών συσχετίζονται με τη στοιχειομετρία και τη θερμοδυναμική (σταθερές ισορροπίας, ενθαλπία). Πιέσεις ισορροπίας (θερμοδυναμική εξαέρωσης), στοιχειομετρία και θερμοδυναμικές ιδιότητες υπολογίζονται από δεδομένα της φασματοσκοπίας Raman. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι σημαντικός αριθμός ερευνητών, οι οποίοι ολοκλήρωσαν το Διδακτορικό τους Δίπλωμα στο εργαστήριο Φυσικοχημείας και Μοριακής Φασματοσκοπίας είναι σήμερα μέλη ΔΕΠ και ερευνητές σε ΑΕΙ και Ερευνητικά Κέντρα τόσο της ημεδαπής όσο και της αλλοδαπής ΠΑΛΑΙΑ ΜΕΛΗ Σογομών Μπογοσιάν (1990) Καθηγητής Λώρη Ναλμπαντιάν (1990) Εντεταλμένη Ερευνήτρια ΙΤΧΗΔ/ΕΚΕΤΑ Μόνικα Μεταλληνού (1992) Assoc. Professor, Western Norway University of Applied Sciences Γεώργιος Βογιατζής (1992) Διευθυντής Ερευνών, ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ Ευαγγελία Παυλάτου (1994) Καθηγήτρια, Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ Σπυρίδων Γιαννόπουλος (1997) Διευθυντής Ερευνών, ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ Αθανάσιος Χρυσανθόπουλος (1999) Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Χημείας, ΕΚΠΑ Βασίλειος Δρακόπουλος (2000) Διευθυντής Εφαρμογών, ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ Άγγελος Καλαμπούνιας (2003) Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Γεώργιος Τσιλομελέκης (2011) Assistant Professor, Rutgers University, Department of Chemical and Biochemical Engineering, USA 183

184

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΕΙΑΣ IΣΤΟΡΙΑ To Εργαστήριο Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας (ΕΧΔΗ) του Πανεπιστημίου Πατρών ξεκίνησε άτυπα το 1981 και θεσμοθετήθηκε το 2001. Διευθύνεται από τον Καθηγητή Κωνσταντίνο Βαγενά, ο οποίος εκλέχτηκε καθηγητής του Τμήματος το 1980 και ήλθε από το ΜΙΤ της Βοστώνης στην Πάτρα το 1981. Η λειτουργία του εργαστηρίου άρχισε σε υποτυπώδη μορφή το 1983 με τα λίγα όργανα που είχε φέρει ο κ. Βαγενάς από την Αμερική και από κάποια άλλα που αγοράστηκαν από τις Δημόσιες Επενδύσεις επί υπουργίας Σ. Παπαθεμελή, καθώς και από τα πρώτα 2 ερευνητικά προγράμματα του Εργαστηρίου που εγκρίθηκαν από την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ) και αποτέλεσαν τελικά μέρος της πρώτης χρηματοδότησης του Ερευνητικού Ινστιτούτου Χημικής Μηχανικής και Χημικών Διεργασιών Υψηλής Θερμοκρασίας (ΕΙΧΗΜΥΘ). Οι πρώτοι μεταπτυχιακοί φοιτητές που στελέχωσαν το Εργαστήριο ήσαν ο Γιάννης Γεντεκάκης (Καθηγητής στο πανεπιστήμιο Κρήτης σήμερα), ο Συμεών Μπεμπέλης (Καθηγητής του ΤΧΜ σήμερα) και ο Στέλιος Νεοφυτίδης (Διευθυντής Ερευνών στο ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ σήμερα) και λίγο αργότερα ο Παναγιώτης Τσιακάρας (καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας σήμερα). Η πρώτη πειραματική εργασία του εργαστηρίου δημοσιεύτηκε στο Journal of Catalysis το 1988. Έκτοτε το Εργαστήριο έχει παραγάγει 35 Διδάκτορες, εκ των οποίων 15 διδάσκουν σε Πανεπιστήμια και Ερευνητικά Κέντρα, και πάνω από 250 δημοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά με κριτές. ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Κωνσταντίνος Βαγενάς Καθηγητής [email protected] Αλέξανδρος Κατσαούνης Αν. Καθηγητής [email protected] Σούζάνε Μπρόσντα ΕΔΙΠ [email protected] Χρυσούλα Πιλίση ΕΤΕΠ [email protected] Web Site: http://www.nemca-chemeng.gr 185

(Αριστ.): Μέλη του Εργαστηρίου Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας Χριστούγεννα 1999. (Δεξιά): Ο πυρήνας του Εργαστηρίου Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας 1985 – Σ. Νεοφυτίδης – Χ. Πιλίση – Κ. Βαγενάς – Σ. Μπεμπέλης – Μ. Στουκίδης – Ι. Γεντεκάκης ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ Οι δραστηριότητες του ΕΧΔΗ εστιάζονται κύρια στον χώρο της κατάλυσης και της ηλεκτροχημείας, στον οποίο το εργαστήριο έχει να επιδείξει σημαντική συνεισφορά τόσο σε ανάπτυξη βελτιωμένων καταλυτών και διεργασιών όσο και σε επίπεδο ενίσχυσης των καταλυτικών ιδιοτήτων της ενεργού φάσης μέσω των φαινομένων της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης και των αλληλεπιδράσεων φορέα-μετάλλου. Στο Εργαστήριο έχει ανακαλυφθεί το φαινόμενο της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης και έχει αναπτυχθεί η χρήση των στερεών ηλεκτρολυτών ως ενεργών φορέων καταλυτών για την αντιστρεπτή ενίσχυση των καταλυτικών ιδιοτήτων μετάλλων. Παράλληλα, διεξάγεται έρευνα στον τομέα των Κυψελίδων Καυσίμου και στη χρήση τους για την συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και χρήσιμων χημικών προϊόντων. Επίσης, το εργαστήριο έχει μακρόχρονη εμπειρία σε καταλυτικές διεργασίες υδρογονοαποθείωσης και υδρογόνωσης λιπαντικών. Στις πρόσφατες ανακαλύψεις του Εργαστηρίου συγκαταλέγεται η ανάπτυξη και ο σχεδιασμός ενός μονολιθικού ηλεκτροχημικά ενισχυόμενου αντιδραστήρα (MEPR) που επιτρέπει την πρακτική εφαρμογή του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της κατάλυσης. Πιο πρόσφατα το εργαστήριο ασχολείται και με τη μοντελοποίηση της κατάλυσης στη χημική και σωματιδιακή σύνθεση. 186

Έχουν πραγματοποιηθεί ερευνητικά έργα των οποίων η συνολική χρηματοδότηση ανέρχεται στο επίπεδο των 7.000.000 € , ενώ τα επιτεύγματα του Εργαστηρίου είναι σημαντικά τόσο στο πεδίο της βασικής, όσο και της εφαρμοσμένης έρευνας. Σημαντικό δείκτη αποτίμησης των ανωτέρω αποτελούν οι 250 δημοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά με κριτές (J. Catalysis, J. Electrochemical Society, Electrochimica Acta, Applied Catalysis B, J. Physical Chemistry, J. Chemical Physics, Physica A κ.ά.), 4 εκ των οποίων στα περιοδικά Science και Nature, τα 12 διπλώματα ευρεσιτεχνίας και οι πάνω από 13000 αναφορές (citations) στη διεθνή βιβλιογραφία με το όνομα του επιστημονικού υπευθύνου του εργαστηρίου. Το 2008 το Εργαστήριο συμμετείχε σε ευρωπαϊκό ερευνητικό έργο για την Ηλεκτροχημική Ενίσχυση της υδρογόνωσης του CO και 2 για την ιδέα αυτή επελέγη σαν μία από τις δέκα επιτυχέστερες έρευνες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ) στον τομέα έρευνας για το 2008. Αξίζει να αναφερθεί ότι μέχρι σήμερα έχουν πραγματοποιηθεί ερευνητικές συνεργασίες τόσο με πολυάριθμα ερευνητικά κέντρα και ακαδημαϊκά εργαστήρια στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ (University of Lyon, EPFL, Cambridge University, University of Messina, University of Castilla la Mancha), όσο και με σημαντικότατες βιομηχανικές εταιρείες στην Ελλάδα (LPC, ΕΚΕΠΥ, ΤΙΤΑΝ κλπ.) και στο εξωτερικό (Volkswagen, Johnson Matthey, EPRI, BASF, BP/Amoco, Shell, Bosch, FIAT, Toyota κλπ.). Στα πλαίσια αυτών των ερευνητικών συνεργασιών έχουν υποστηριχτεί πάνω από 35 διδακτορικές διατριβές και περίπου τετραπλάσιες διπλωματικές εργασίες. Στην παρούσα φάση το ερευνητικό έργο του Εργαστηρίου υποστηρίζεται από 3 έμπειρους ερευνητές και 5 μεταπτυχιακούς φοιτητές. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι τα ερευνητικά ενδιαφέροντα του Εργαστηρίου προσελκύουν συχνά νέους ερευνητές από πολλές χώρες του εξωτερικού στα πλαίσια μονοετών ή διετών συνεργασιών (συνολικά πάνω από 20 άτομα την τελευταία δεκαετία) συνεισφέροντας έτσι στην εξωστρέφεια του ερευνητικού έργου που επιτελείται στη χώρα μας, αλλά και στην ανατροφοδότηση του υποβάθρου του Εργαστηρίου με διαφορετικές ιδέες και τεχνικές. ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Εργαστήριο είναι εξοπλισμένο με σύγχρονες πειραματικές τεχνικές μεταξύ των οποίων είναι οι ακόλουθες: (α) Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σήραγγος (STM), (β) Φασματοσκοπία Σύνθετης αντίστασης (AC Impedance), (γ) Φασματοσκοπία Μάζας (Mass Spectrometry), (δ) Αέρια Χρωματογραφία (Gas Chromatography), (ε) Μέτρηση Έργου Εξόδου με τεχνική Kelvin Probe, (στ) Σύστημα Θερμοπρογραμματιζόμενης Εκρόφησης (Temperature Programmed Desorption) και (ζ) Magnetron Sputtering. Πιο αναλυτικά στο Εργαστήριο υπάρχουν σε λειτουργία οι παρακάτω συσκευές: 187

Αέρια Ανάλυση Pfeiffer Omni Star Mass Spectrometer Ultra High Vacuum (UHV) System equipped with mass spectrometer Fuji Electric Infrared CO , CO, CH Analyzer (x4) 2 4 Fuji Electric ZR Infrared E CO , CO, CH Analyzer 4 2 Rosemount BINOS 100 Infrared Analyzer (x2) SHIMADZU GC-14A Gas Chromatograph (x3) SHIMADZU GC-2014 Gas Chromatograph SHIMADZU GC-2010 plus Gas Chromatograph Varian 3800 Gas Chromatograph Ηλεκτροχημικές Τεχνικές Potentiostat / Galvanostat AMEL Model 2053 (x6) Electrochemical Interface AMEL Model 7800 (x3) HF Frequency Analyzer, SOLARTRON Schlumberger SI 1255 Electrochemical Interface, SOLARTRON Schlumberger SI 1286 Αντιδραστήρες Laboratory scale chemical/electrochemical reactors MEPR – Monolithic Electrochemically Promoted Reactor High pressure reactors Άλλα όργανα Microbalance WTC Binder Dryer Optical microscope Leitz Grover Thermostated Press 188

ΕΡΓΑ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Ηλεκτροχημική Ενίσχυση της Κατάλυσης (Electrochemical Promotion of Catalysis, EPOC): Μελέτη της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης καταλυτών σε αντιδράσεις περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος όπως οξείδωση υδρογονανθράκων και υδρογόνωση του CO . Χρήση της ηλεκτροχημείας για 2 τροποποίηση της εκλεκτικότητας και ενεργότητας μεταλλικών υμενίων ή οξειδίων των μετάλλων υποστηριγμένων σε στερεούς ηλεκτρολύτες. Ενδεικτικές δημοσιεύσεις 1. Electrochemical Activation of Catalysis: Promotion, Electrochemical Promotion and Metal-Support Interactions, C.G. Vayenas, S. Bebelis, C. Pliangos, S. Brosda and D. Tsiplakides, Kluwer/Plenum Press, New York (2001). 2. Promotion, electrochemical promotion and metal-support interactions: Their common features, C.G. Vayenas, Catalysis Letters, 143(11), 1085-1097 (2013). 3. Comparative study of the electrochemical promotion of CO 2 hydrogenation over Ru supported catalysts using electronegative and electropositive promoters, D. Theleritis, Μ. Makri, S. Souentie, A. Caravaca, A. Katsaounis & C.G. Vayenas, ChemElectroChem, 1, 254–262 (2014). 4. Electron donation – backdonation and the rules of catalytic promotion, C.G. Vayenas and S. Brosda, Topics in Catalysis, 57, 1287-1301 (2014). 5. Electrochemical promotion of the hydrogenation of CO 2 on Ru deposited on a BZY proton conductor, I. Kalaitzidou, A. Katsaounis, T. Norby and C.G. Vayenas, J. Catal., 331, 98-109 (2015). 6. Comparative Study of the Electrochemical Promotion of CO hydrogenation on Ru using 2 Na , K , H and O 2- conducting solid electrolytes, I. Kalaitzidou, M. Makri, D. Theleritis, A. + + + Katsaounis, and C.G. Vayenas, Surface Science, 646, 194-203 (2016). 7. Electrochemical promotion of nanodispersed Ru-Co catalysts for the hydrogenation of CO . A. Kotsiras, I. Kalaitzidou, D. Grigoriou, A. Symillidis, M. Makri, A. Katsaounis, C.G. 2 Vayenas, Appl. Catal. B, 232, 60-68 (2018). Συμβατική και Τριοδική λειτουργία κυψελίδων καυσίμου (Conventional and Triode Fuel Cells): Επίδραση της τριοδικής λειτουργίας στην απόδοση κυψελίδων καυσίμου πρωτονιακής μεμβράνης (PEMFC) και στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC). Μελέτη της τριοδικής λειτουργίας και επίδρασή της στην συνολική απόδοση της κυψελίδας υπό συνθήκες ανοδικής δηλητηρίασης. 189

Ενδεικτικές δημοσιεύσεις 1. Experimental investigation and mathematical modeling of triode PEM fuel cells, E. Martino, G. Koilias, M. Athanasiou, A. Katsaounis, Y. Dimakopoulos, J. Tsamopoulos, C.G.Vayenas, Electrochimica Acta, 248, 518-533 (2017). 2. Fuel cells are a commercially viable alternative for the production of “clean” energy, D.K. Niakolas, M. Daletou, S.G. Neophytides, C.G. Vayenas, Ambio, 45, S32-S37 (2016). 3. Mathematical modeling of Ni/GDC and Au–Ni/GDC SOFC anodes performance under internal methane steam reforming conditions, S. Souentie, M. Athanasiou, D.K. Niakolas, A.Katsaounis, S.G.Neophytides, C.G.Vayenas, Journal of Catalysis, 306, 116-128 (2013). 4. Triode operation of CO poisoned PEM fuel cells: Fixed and cyclic potential triode operation, M.N. Tsampas, F.M. Sapountzi, S.Divane, E.I.Papaioannou, C.G.Vayenas, Solid State Ionics, 225, 272-276 (2012). Μαθηματική μοντελοποίηση της Κατάλυσης για την Χημική Σύνθεση και για την Βαρυογένεση (Mathematical modeling of the Catalysis for Chemical Synthesis and for Baryogenesis) Ενδεικτικές δημοσιεύσεις 1. Gravity, special relativity and the strong force: A Bohr-Einstein-de Broglie model for the formation of hadrons, Constantinos G. Vayenas, Stamatios N.-A. Souentie, Springer, NY, ISBN 978-1-4614-3935-6 (2012). 1. A Bohr-type model of a composite particle using gravity as the attractive force, C.G. Vayenas, S. Souentie, A. Fokas, Physica A, 405, 360-379 (2014). 2. On the structure, masses and thermodynamics of the W -bosons, C.G. Vayenas, A.S. Fokas, ± D. Grigoriou, Physica A, 450, 37-48 (2016). o 3. On the structure, mass and thermodynamics of the Z bosons, A.S. Fokas, C.G. Vayenas, Physica A, 464, 231-240 (2016). 4. Gravitationally confined relativistic neutrinos, C.G. Vayenas, A.S. Fokas, and D. Grigoriou, J. Phys.: Conf. Ser. (JPCS), 888, 012174 (2017). 5. Catalysis and autocatalysis of chemical synthesis and of hadronization, C.G. Vayenas, A.S. Fokas, D. Grigoriou, Appl. Catal. B, 203, 582-590 (2017). 6. Hadronization via gravitational confinement, C.G. Vayenas and D. Grigoriou, J. Phys. : Conf. Ser. (JPCS), 936, 012078 (2017). 7. On the mass and thermodynamics of the Higgs boson, A.S. Fokas, C.G. Vayenas, D.P. Grigoriou, Physica A, 492, 737-746 (2018). 190

Οι διδάκτορες του Εργαστηρίου Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας 1983 - 2018 191

192

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ XHMIΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΕΡΙΑΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ IΣΤΟΡΙΑ Το Εργαστήριο ιδρύθηκε το 2001 και η έρευνα, που πραγματοποιήθηκε, έγινε με τη συμβολή προπτυχιακών φοιτητών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών και της γραμματέως του Εργαστηρίου κ. Βασιλικής Νικολάου. Συγκεκριμένα, εκπονήθηκαν 35 διπλωματικές εργασίες, παρουσιάστηκαν 8 εργασίες στο Πανελλήνιο Συνέδριο Χημικής Μηχανικής και δημοσιεύτηκαν 2 εργασίες σε διεθνή περιοδικά με κριτές. ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Δημήτρης Σπαρτινός Λέκτορας [email protected] Βασιλική Νικολάου Γραμματέας [email protected] ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ Μη καταλυτικές αντιδράσεις αερίου-στερεού για τον έλεγχο της αέριας ρύπανσης Εκπομπές SO : Η χρήση ροφητών, βασισμένων στο Ca, για να μειωθούν οι εκπομπές SO από 2 2 μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, που καίνε κάρβουνο, έχει συγκεντρώσει το παγκόσμιο ενδιαφέρον, τα τελευταία 40 χρόνια. Το οξείδιο του ασβεστίου και ο ασβεστόλιθος έχουν χρησιμοποιηθεί συχνά σε καυστήρες ρευστοποιημένης κλίνης ή κονιοποιημένου κάρβουνου. Οπωσδήποτε σε χώρες όπου η εισαγωγή της τεχνολογίας ρευστοποιημένης κλίνης είναι ανέφικτη στο άμεσο μέλλον και όπου η τροφοδοσία με ασβεστόλιθο στους υπάρχοντες καυστήρες κονιοποιημένου λιγνίτη είναι ασύμφορη λόγω της πολύ μικρής θερμογόνου δύναμης των χρησιμοποιούμενων λιγνιτών, μια διεργασία ξηρής ή υγρής αποθείωσης μπορεί να μειώσει σημαντικά τις εκπομπές SO από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που καίνε 2 κονιοποιημένο λιγνίτη. 193

Στην παρούσα φάση μελετάμε την κατακράτηση του SO από τα καπναέρια των καυστήρων 2 κονιοποιημένου λιγνίτη, χρησιμοποιώντας ξηρή διεργασία σε αντιδραστήρες CaCO /CaO και 3 λιγνίτη. Η μελέτη περιλαμβάνει πειράματα σε εργαστηριακούς αντιδραστήρες, μαθηματική προτυποποίηση, αριθμητική προσομοίωση, παραμετρική ανάλυση και βελτιστοποίηση σε εργαστηριακές και βιομηχανικές συνθήκες. Επίδραση θειικών στην ανθεκτικότητα σε διάρκεια κατασκευών από σκυρόδεμα Το σκυρόδεμα είναι το πλέον διαδεδομένο υλικό δόμησης των ημερών μας. Παρά όμως τις σημαντικές προόδους που επετεύχθησαν τα τελευταία χρόνια στην τεχνολογία σκυροδέματος, τα προβλήματα ανεπαρκούς ανθεκτικότητας σε διάρκεια βρίσκονται σε μια δραματική αύξηση. Η φθορά του σκυροδέματος με τον χρόνο είναι το αποτέλεσμα διαφόρων μηχανικών, φυσικών, χημικών ή βιολογικών διεργασιών. Οι χημικές διεργασίες που προκαλούν φθορά του σκυροδέματος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: σε αυτές που επιδρούν στο σκυρόδεμα και σε αυτές που επιδρούν στον χαλύβδινο οπλισμό του σκυροδέματος. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει η χημική δράση επιβλαβών ουσιών (μορίων ή ιόντων) στο σκυρόδεμα. Αναγκαία συνθήκη για να λάβουν χώρα χημικές αντιδράσεις μέσα στο σκυρόδεμα αποτελεί η παρουσία νερού. Γενικά, οι αντιδράσεις μεταξύ επιβλαβών συστατικών, τα οποία είτε είναι παρόντα στο σκυρόδεμα είτε κυρίως μεταφέρονται από το περιβάλλον, και των αντιδρώντων συστατικών του σκυροδέματος λαμβάνουν χώρα όταν το ένα συναντά το άλλο. Πάντως, λόγω του χαμηλού ρυθμού μεταφοράς αυτών των συστατικών στην μάζα του σκυροδέματος, αυτές οι αντιδράσεις μπορεί να χρειασθεί να περάσουν αρκετά χρόνια ώστε να επιδείξουν τα καταστρεπτικά των αποτελέσματα. Στην πράξη οι πλέον συνήθεις χημικές δράσεις στο σκυρόδεμα είναι: η επίδραση οξέων, η επίδραση θειικών και η αλκαλοπυριτική αντίδραση. 194

Η επίδραση θειικών στο σκυρόδεμα είναι η αντίδραση των θειικών ιόντων κυρίως με την αργιλική φάση του τσιμέντου, δράση που προκαλεί εσωτερική διόγκωση στο σκυρόδεμα οδηγώντας τελικά σε ρηγμάτωση και αποσύνθεση. Η δράση αυτή απαντάται συνήθως όταν το σκυρόδεμα βρίσκεται σε επαφή με πλούσιο σε θειικά έδαφος. Για την πρακτική αντιμετώπιση αυτού του μηχανισμού φθοράς έχουν προταθεί συγκεκριμένα υλικά και όρια στη σύνθεση σκυροδέματος. Αντικείμενο της ερευνητικής μας προσπάθειας είναι η βιβλιογραφική έρευνα, η διατύπωση και η επίλυση ενός μαθηματικού μοντέλου και η διεξαγωγή πειραμάτων σχετικών με τη φθορά του σκυροδέματος μέσω δράσης θειικών. ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Πειραματική διάταξη που περιλαμβάνει σύστημα τροφοδοσίας (φιάλες He, O /He, SO /He), 2 2 αντιδραστήρα με φούρνο και σύστημα ανάλυσης (Αέριος Χρωματογράφος Shimadzu GC-14B), Ζυγός ακριβείας. ΕΡΓΑ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 1. Στο εργαστήριο συμμετέχουν προπτυχιακοί φοιτητές, που εκπονούν διπλωματικές εργασίες. 2. Το εργαστήριο συμμετείχε σε ερευνητικό πρόγραμμα της ΔΕΗ (2005-2006) με θέμα «Ανάλυση και βελτίωση της λειτουργίας του συγκροτήματος αποθείωσης της μονάδας IV ΑΗΣ Μεγαλόπολης». 3. Η έρευνα και τα αποτελέσματα του εργαστηρίου δημοσιεύονται σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια με κριτές, που περιλαμβάνονται στο βιογραφικό του Λέκτορα Δημήτρη Σπαρτινού. 195

196

ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΚΑΘΗΓΗΤOY κ. ΣΥΜΕΩΝ ΜΠΕΜΠΕΛΗ IΣΤΟΡΙΑ Η Ερευνητική Ομάδα ξεκίνησε τις δραστηριότητές της στις αρχές του 2000 μετά την παραχώρηση στον κ. Σ. Μπεμπέλη, τότε Επίκουρο Καθηγητή, εργαστηριακού χώρου στο Υπόγειο του Κεντρικού Κτηρίου του Τμήματος Χημικών Μηχανικών. Ο εργαστηριακός εξοπλισμός αποκτήθηκε σταδιακά με χρηματοδότηση από ανταγωνιστικά ερευνητικά έργα, αλλά και από πιστώσεις ΤΣΜΕΔΕ και τακτικού προϋπολογισμού. Το χειμερινό εξάμηνο του ακαδημαϊκού έτους 2001- 2002 ξεκίνησε η εκπόνηση της πρώτης διδακτορικής διατριβής στο πλαίσιο των δραστηριοτήτων της ερευνητικής ομάδας, με υποψήφιο διδάκτορα τον κ. Νικόλαο Κωτσιονόπουλο. Μέχρι σήμερα έχουν εκπονηθεί στο εργαστήριο υπό την επίβλεψη του κ. Σ. Μπεμπέλη 3 διδακτορικές διατριβές, 1 βρίσκεται στη φάση της ολοκλήρωσης και 1 υπό εξέλιξη. Επίσης έχει εκπονηθεί ένας σημαντικός αριθμός προπτυχιακών διπλωματικών εργασιών και έχουν ολοκληρωθεί επιτυχώς αρκετά ερευνητικά έργα, τα οποία χρηματοδοτήθηκαν από εθνικούς και ευρωπαϊκούς πόρους. Βασικοί άξονες έρευνας της ομάδας ήταν η μελέτη φαινομένων καταλυτικής ενίσχυσης με συνδυασμό ηλεκτροχημικών και καταλυτικών μεθόδων (ηλεκτροχημική ενίσχυση), η μελέτη και ανάπτυξη στοιχείων καυσίμου, καθώς και η εφαρμογή ηλεκτροχημικών τεχνικών για μελέτη διεπιφανειών ηλεκτροδίων/ηλεκτρολυτών και για χαρακτηρισμό στερεών ηλεκτρολυτών και μικτών αγωγών. Από τις αρχές του 2010 η ερευνητική ομάδα του κ. Σ. Μπεμπέλη συνεργάζεται με εκείνη του Καθηγητή Γεράσιμου Λυμπεράτου (Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ) σε θέματα σχετικά με μικροβιακά στοιχεία καυσίμου, ενώ πιο πρόσφατα με το Εργαστήριο Ετερογενούς Κατάλυσης του Τμήματος σε θέματα σχετικά με στοιχεία καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας και φωτοηλεκτροχημικές διατάξεις. ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Συμεών Μπεμπέλης Καθηγητής [email protected] Αλέξανδρος Σαφάκας [email protected] Γεώργιος Μπάμπος [email protected] WebSite: http://www.chemeng.upatras.gr/en/node/1557 197

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ 1. Στοιχεία καυσίμου με στερεό ηλεκτρολύτη (SOFC) Η δραστηριότητα της ερευνητικής ομάδας στην περιοχή των SOFC σχετίζεται με την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό, με χρήση μεγάλου αριθμού ηλεκτροχημικών και καταλυτικών μεθόδων, νέων ηλεκτροδίων-καταλυτών και ηλεκτρολυτών, κατάλληλων για SOFC ενδιάμεσης θερμοκρασίας λειτουργίας (600 - 800 o C), καθώς και με τη μελέτη των παραγόντων που οδηγούν σε σταδιακή υποβάθμιση της λειτουργίας των SOFC. Εστίαση γίνεται ή έχει γίνει: (α) Στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό περοβσκιτικών καθόδων με μικτή αγωγιμότητα και υψηλή δραστικότητα για αναγωγή οξυγόνου, κυρίως περοβσκιτικών καθόδων La-Sr-Co-Fe. (β) Στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό κεραμομεταλλικών ή/και κεραμικών ανόδων για SOFCs τροφοδοτούμενα με ανθρακούχα καύσιμα και λειτουργία υπό συνθήκες εσωτερικής αναμόρφωσης ή χημικής συμπαραγωγής. (γ) Στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό SOFCs βασισμένων σε υποκατεστημένα πυριτικά οξείδια δομής απατίτη (apatite-type lanthanum silicate based SOFCs) 2. Στοιχεία καυσίμου με πολυμερικό ηλεκτρολύτη (PEMFC) Η δραστηριότητα της ερευνητικής ομάδας στην περιοχή των PEMFC ξεκίνησε σε συνεργασία με το Εργαστήριο Ετερογενούς Κατάλυσης (Καθ. κ. Ξ. Βερύκιο και κ. Δ. Κονταρίδη). Σχετίζεται κύρια με την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό διμεταλλικών ηλεκτροκαταλυτών, βασισμένων σε μέταλλα εκτός Pt, για χρήση σε PEMFC. Βασικός στόχος είναι η μείωση του κόστους χωρίς σημαντική υποβάθμιση της δραστικότητας. Η εστίαση γίνεται στην ηλεκτροχημική αναγωγή του οξυγόνου σε όξινο περιβάλλον, αλλά και στην ηλεκτροχημική οξείδωση αλκοολών, αντιδράσεις στις οποίες οφείλονται κύρια οι ενεργειακές απώλειες στα PEMFC με καύσιμο Η 2 ή με άμεση οξείδωση αλκοολών, αντίστοιχα. 3. Μη συμβατικά στοιχεία καυσίμου και φωτοηλεκτροχημικά στοιχεία Η δραστηριότητα της ερευνητικής ομάδας στην περιοχή των μη συμβατικών στοιχείων καυσίμου ξεκίνησε και συνεχίζεται σε συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Γ. Λυμπεράτου (Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ & ΙΕΧΜΗ/ΙΤΕ), έχοντας περιλάβει και την συνεπίβλεψη μιας διδακτορικής διατριβής. Στόχος είναι η ανάπτυξη μικροβιακών κυψελίδων καυσίμου τροφοδοτούμενων με παραπροϊόντα ή απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων, με εστίαση στη μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργικότητα και απόδοσή τους. Σε συνεργασία με το Εργαστήριο Ετερογενούς Κατάλυσης (Καθ. Δ. Κονταρίδης), η ερευνητική ομάδα δραστηριοποιείται επίσης στην περιοχή των φωτοηλεκτροχημικών στοιχείων, για ανάπτυξη φωτοανόδων με δυνατότητα αποδοτικής διέγερσης από ορατή ακτινοβολία. 198

ΒΑΣΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Πλήρεις πειραματικές διατάξεις για τη μελέτη καταλυτικών και ηλεκτροχημικών συστημάτων. Κάθε μία από τις διατάξεις αυτές περιλαμβάνει (α) σύστημα ελέγχου ροής αερίων, αποτελούμενο από ηλεκτρονικά ροόμετρα μάζας, σωληνώσεις αερίων (κατά περίπτωση θερμαινόμενες), βαλβίδες πολλαπλών θέσεων και βαλβίδες δειγματοληψίας, (β) αντιδραστήρα ή στοιχείο καυσίμου, σε o συνδυασμό με φούρνο υψηλής θερμοκρασίας (τυπικά, έως 900 C), (γ) σύστημα ανάλυσης της σύστασης της τροφοδοσίας και του ρεύματος εξόδου, αποτελούμενο από αέριο χρωματογράφο και, κατά περίπτωση, από αναλυτή υπερύθρου (CO /CO) ή/και φασματογράφο 2 μάζας. Για τις ηλεκτρικές και ηλεκτροχημικές μετρήσεις και χαρακτηρισμούς, κάθε πειραματική διάταξη διαθέτει σύστημα ποτενσιοστάτη/γαλβανοστάτη, ελεγχόμενο από εξειδικευμένο λογισμικό και συνδυασμένο είτε με ενισχυτή lock-in είτε με άρθρωμα (module) αναλυτή απόκρισης συχνοτήτων (frequency response analyzer), σε τρόπο ώστε να υπάρχει η δυνατότητα εφαρμογής πρακτικά όλων των συνήθων ηλεκτροχημικών τεχνικών, συμπεριλαμβανομένης της φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης. Για την εφαρμογή ηλεκτροχημικών μεθόδων υπάρχει διαθέσιμος και λοιπός βοηθητικός εξοπλισμός, όπως current booster, ηλεκτρόδιο περιστρεφόμενου δίσκου, γεννήτρια συναρτήσεων, προγραμματιζόμενο τροφοδοτικό, πολύμετρα ακριβείας και παλμογράφος, Τυπικός εξοπλισμός για σύνθεση καταλυτών και υλικών ηλεκτροδίων καθώς και για εναπόθεση ηλεκτροδίων σε στερεούς ηλεκτρολύτες ή μικτούς αγωγούς (όπως, αερογράφος και φούρνος θερμοκρασίας έως 1100 C ). o Αναλογικά και ψηφιακά συστήματα καταγραφής σημάτων (αναλογικό πολυκάναλο καταγραφικό και διάφορες κάρτες μετατροπής αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά). 199

ΕΡΓΑ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Σ. Μπεμπέλη έχει συμμετάσχει σε ένα σημαντικό αριθμό εθνικών και ευρωπαϊκών έργων (πάνω από 10 με υπεύθυνο ερευνητικής ομάδας, επιστημονικό υπεύθυνο ή συντονιστή τον κ. Σ. Μπεμπέλη), έχοντας χρηματοδοτηθεί με περισσότερα από 450 k€. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έχουν δημοσιευτεί σε διεθνή περιοδικά με κριτές και σε πρακτικά συνεδρίων. Ενδεικτικά αναφέρονται οι ακόλουθες δημοσιεύσεις (από το 2010 και μετά): 1. “Electrochemical characterization of the Pt/β''- Al O 3 system under conditions of in situ 2 electrochemical modification of catalytic activity for propane combustion”, N. Kotsionopoulos, S. Bebelis, J. Appl.Electrochem. 40 (2010) 1883. 2. “Synthesis and characterization of doped apatite-type lanthanum silicates for SOFC applications”, H. Gasparyan, S. Neophytides, D. Niakolas, V. Stathopoulos, T. Kharlamova, V. Sadykov, O. Van der Biest, E. Jothinathan, E. Louradour, J.-P. Joulin, S. Bebelis, Solid State Ionics 192 (2011) 158. 3. “Cyclic voltammetry characterization of a La Sr Co Fe O 3-δ electrode interfaced to 0.2 0.2 0.8 0.8 CGO/YSZ», V. Ch. Kournoutis, F. Tietz, S. Bebelis, Solid State Ionics 197 (2011)13. 4. S. Bebelis S., K. Bouzek, A. Cornell, M.G.S. Ferreira, G.H. Kelsall, F. Lapicque, C. Ponce de León, M.A. Rodrigo, F.C. Walsh, “Highlights during the development of electrochemical engineering”, ChERD 91 (2013) 1998. 5. “Study of the synergistic interaction between nickel, gold and molybdenum in novel modified NiO/GDC cermets, possible anode materials for CH fuelled SOFCs”, D.K. Niakolas, M. Athanasiou, 4 V. Dracopoulos, I. Tsiaoussis, S. Bebelis, S.G. Neophytides, , Appl. Catal. A: General 456 (2013) 223. 6. “ Performance assessment of a four-air cathode single-chamber microbial fuel cell under conditions of synthetic and municipal wastewater treatments”, A. Tremouli, M. Martinos, S. Bebelis, G. Lyberatos, Bioresource Technology 46 (2016) 515. 7. “Comparison of the Activity of Pd-M (M: Ag, Co, Cu, Fe, Ni, Zn) Bimetallic Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction”, G. Bampos, S.Bebelis, D.I. Kondarides, X. Verykios, Top. Catal. 60 (2017) 1260. 8. “Pd–Zn/C bimetallic electrocatalysts for oxygen reduction reaction”, G. Bampos, D.I. Kondarides, S.Bebelis, J. Appl.Electrochem. (2018) in print, DOI 10.1007/s10800-018-1199-x 200