The pervasive presence of Iodinated Contrast Media (ICMs) in the global water cycle represents a significant environmental challenge, owing to their high polarity, metabolic stability, potential to transform and form toxic disinfection byproducts in the environment. Addressing this challenge necessitates a multi-faceted approach, from understanding fundamental molecular interactions to developing practical remediation technologies and potential remediation at large scale. This dissertation presents such a multi-scale investigation, structured as a cohesive progression from the fundamental to the systemic. The research commences with a foundational in-silico analysis, employing Density Functional Theory (DFT) and Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) modeling to elucidate the energetic and electronic interactions governing the adsorption of 24 distinct ICMs onto graphene surfaces. This theoretical work successfully identified key molecular descriptors and established that π-π stacking and van der Waals forces are the primary mechanisms driving adsorption. Building on this theoretical foundation, the work transitions to an experimental investigation focused on the practical application of adsorption-based remediation. A novel, dually-modified montmorillonite organo-clay was synthesized and rigorously evaluated. This engineered adsorbent demonstrated remarkable performance, achieving over 93% removal of a representative ICM, iohexol. Through comprehensive batch, fixed-bed column, and modeling studies, the key kinetic and equilibrium parameters governing its high efficacy were determined. Recognizing that the success of any targeted remediation strategy must be evaluated within the broader context of overall water resource health, the thesis culminates by introducing a unified framework for assessing Water Quality Indices (WQIs) that explicitly accounts for data and model weight uncertainty. Through a large-scale field study and the application of Global Sensitivity Analysis, this final part provides a robust methodology to identify critical water quality parameters and understand systemic risks. Collectively, this work bridges the critical gap between fundamental molecular science, applied environmental engineering, and holistic water resource management, offering not only a promising technological solution for ICM contamination but also a sophisticated framework for evaluating the systemic efficacy of environmental interventions.
La presenza diffusa dei mezzi di contrasto iodati (ICM) nel ciclo globale dell'acqua rappresenta una sfida ambientale significativa, a causa della loro elevata polarità, stabilità metabolica e potenziale di trasformazione e formazione di sottoprodotti tossici. Affrontare questa sfida richiede un approccio olistico, che va dalla comprensione delle interazioni molecolari fondamentali allo sviluppo di tecnologie di bonifica a potenziali interventi su larga scala. Questa tesi presenta una ricerca su più scale di interesse. La ricerca inizia con un'analisi in silico, che utilizza la teoria funzionale della densità (DFT) e la modellizzazione quantitativa della relazione struttura-attività (QSAR) per chiarire le interazioni energetiche ed elettroniche che governano l'adsorbimento di 24 ICM distinti su superfici di grafene. Questo lavoro teorico ha identificato con successo i descrittori molecolari chiave e ha stabilito che l'impilamento π-π e le forze di van der Waals sono i meccanismi primari che guidano l'adsorbimento. Basandosi su queste basi teoriche, il lavoro passa a un'indagine sperimentale incentrata sull'applicazione pratica del risanamento basato sull'adsorbimento. È stata sintetizzata e rigorosamente valutata una nuova argilla organica montmorillonite modificata. Questo adsorbente ingegnerizzato ha dimostrato prestazioni notevoli, raggiungendo oltre il 93% di rimozione di un ICM rappresentativo, l'ioexolo. Attraverso studi in flusso su colonne di laboratorio e modellizzazione, sono stati determinati i parametri cinetici e di equilibrio chiave che regolano la efficacia del nuovo adsorbente sviluppato. Riconoscendo che il successo di qualsiasi strategia di bonifica mirata deve essere valutato nel contesto più ampio della salute complessiva delle risorse idriche, nella tesi viene introdotta una metodologia per la valutazione degli indici di qualità dell'acqua (WQI) che tiene esplicitamente conto dell'incertezza dei dati e del modello utilizzato. Attraverso uno studio di campo a larga scala e l'applicazione di techniche di analisi di sensitivita´ globale, viene fornita una solida metodologia per identificare i parametri critici di qualità dell'acqua. In sintesi, nella tesi si affrontano tematiche legate alla scienza molecolare fondamentale, all'ingegneria ambientale applicata e alla gestione olistica delle risorse idriche, offrendo non solo una soluzione tecnologica promettente per la contaminazione da ICM, ma anche un sofisticato quadro di riferimento per valutarne l'efficacia negli interventi ambientali.
A multiscale investigation into the adsorption of Iodinated Contrast Media Agents in porous media
Khan, Ashfeen Ubaid
2025/2026
Abstract
The pervasive presence of Iodinated Contrast Media (ICMs) in the global water cycle represents a significant environmental challenge, owing to their high polarity, metabolic stability, potential to transform and form toxic disinfection byproducts in the environment. Addressing this challenge necessitates a multi-faceted approach, from understanding fundamental molecular interactions to developing practical remediation technologies and potential remediation at large scale. This dissertation presents such a multi-scale investigation, structured as a cohesive progression from the fundamental to the systemic. The research commences with a foundational in-silico analysis, employing Density Functional Theory (DFT) and Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) modeling to elucidate the energetic and electronic interactions governing the adsorption of 24 distinct ICMs onto graphene surfaces. This theoretical work successfully identified key molecular descriptors and established that π-π stacking and van der Waals forces are the primary mechanisms driving adsorption. Building on this theoretical foundation, the work transitions to an experimental investigation focused on the practical application of adsorption-based remediation. A novel, dually-modified montmorillonite organo-clay was synthesized and rigorously evaluated. This engineered adsorbent demonstrated remarkable performance, achieving over 93% removal of a representative ICM, iohexol. Through comprehensive batch, fixed-bed column, and modeling studies, the key kinetic and equilibrium parameters governing its high efficacy were determined. Recognizing that the success of any targeted remediation strategy must be evaluated within the broader context of overall water resource health, the thesis culminates by introducing a unified framework for assessing Water Quality Indices (WQIs) that explicitly accounts for data and model weight uncertainty. Through a large-scale field study and the application of Global Sensitivity Analysis, this final part provides a robust methodology to identify critical water quality parameters and understand systemic risks. Collectively, this work bridges the critical gap between fundamental molecular science, applied environmental engineering, and holistic water resource management, offering not only a promising technological solution for ICM contamination but also a sophisticated framework for evaluating the systemic efficacy of environmental interventions.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
Thesis (24).pdf
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Dimensione
19.33 MB
Formato
Adobe PDF
|
19.33 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/248517