Τροποποιημένα προσροφητικά υλικά χαμηλού κόστους για την απομάκρυνση διαφόρων ειδών ρύπων από υδατικά ρεύματα
Authors: Σταυρινού Αναστασία 
Published: July 2024

Το νερό αποτελεί πόρο ζωτικής σημασίας, καθώς είναι απαραίτητο για την επιβίωση όλων των οργανισμών, τη διατήρηση των οικοσυστημάτων και την υποστήριξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Η ρύπανση των υδάτων αποτελεί σημαντική απειλή για τα οικοσυστήματα και την ανθρώπινη υγεία και χαρακτηρίζεται από την παρουσία επιβλαβών ουσιών, που υποβαθμίζουν την ποιότητα του νερού και μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε οργανικούς και ανόργανους ρύπους. Μία από τις πιο επικίνδυνες κατηγορίες ανόργανων ρύπων είναι τα βαρέα μέταλλα, ενώ οι βαφές, οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες και τα φυτοφάρμακα εντάσσονται στους περισσότερο επιβλαβείς οργανικούς ρύπους. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων, αν και αποτελεσματικές, συχνά περιλαμβάνουν υψηλή κατανάλωση ενέργειας, χρήση χημικών και δημιουργία δευτερογενών ρύπων. Επομένως, υπάρχει επιτακτική ανάγκη για βιώσιμες τεχνικές που ελαχιστοποιούν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ενώ είναι οικονομικά αποδοτικές και αποτελεσματικές. Η προσρόφηση ξεχωρίζει ως βιώσιμη τεχνική επεξεργασίας νερού λόγω της απλότητας, της αποτελεσματικότητας και της προσαρμοστικότητάς της. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη μεταφορά των ρύπων από την υδατική φάση στην επιφάνεια ενός στερεού προσροφητικού υλικού, μέσω διάφορων μηχανισμών και μπορεί να διακριθεί σε φυσική και χημική προσρόφηση. Ο εμπορικός ενεργός άνθρακας είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά προσροφητικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά λόγω του υψηλού κόστους του και σε πολλές περιπτώσεις της αδυναμίας αναγέννησής του, γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης άμεσα διαθέσιμων και χαμηλού κόστους προσροφητικών υλικών. Η μετατροπή των γεωργικών αποβλήτων και διάφορων ανόργανων υπολειμμάτων σε προσροφητικά υλικά ευθυγραμμίζεται με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας, παρέχοντας μια οικονομικά και περιβαλλοντικά βιώσιμη προσέγγιση. Πολλές φορές τα φυσικά προσροφητικά υλικά έχουν χαμηλή αποδοτικότητα ή δεν παρουσιάζουν επιλεκτικότητα ως προς κάποιο τύπο ρύπου, επομένως είναι απαραίτητη η φυσική ή/και χημική τροποποίησή τους, για παράδειγμα με τη μετατροπή τους σε πορώδη ενεργό άνθρακα (AC) υψηλής ειδικής επιφάνειας. Ο συνδυασμός της προσρόφησης με διεργασίες προηγμένης οξείδωσης (AOPs) όπως ή καινοτόμα τεχνολογία του ψυχρού πλάσματος (ΨΠ) και η φωτοκατάλυση, ενισχύει την επεξεργασία του ρυπασμένου νερού αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα και των δύο μεθόδων. Η προσρόφηση είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στην αφαίρεση ενός ευρέος φάσματος ρύπων από το νερό, αλλά συχνά φτάνει σε κορεσμό, απαιτώντας αναγέννηση του προσροφητικού υλικού. Οι AOPs, από την άλλη, παράγουν δραστικά είδη που μπορούν να αποδομήσουν οργανικούς ρύπους και να αναγεννήσουν το προσροφητικό υλικό είτε σε δεύτερο στάδιο (ψυχρό πλάσμα) είτε in situ (φωτοκατάλυση). Ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της προσρόφησης ανόργανων (μόλυβδος) και οργανικών (μίγμα της ανιονικής βαφής Orange G και της κατιονικής βαφής Methylene blue, φαινανθρένιο, λινδάνιο) από υδατικά διαλύματα σε προσροφητικά υλικά που αναπτύχθηκαν από φυσικά οργανικά (φλοιοί μπανάνας-BP, απόβλητα καφέ-CW) και ανόργανα υπολείμματα (διατομική γη-DE) μέσω χημικής ή/και φυσικής τροποποίησης, η οποία περιλάμβανε χημική προ-επεξεργασία ή/και πυρόλυση σε διάφορες θερμοκρασίες, αντίστοιχα. Στην περίπτωση των φυσικών οργανικών αποβλήτων, στόχος ήταν η ανάπτυξη πορωδών ενεργών ανθράκων (BPAC, CWAC) με κατάλληλα χαρακτηριστικά για την προσρόφηση συγκεκριμένων ρύπων. Πραγματοποιήθηκε συσχέτιση της προσροφητικής ικανότητας των υλικών και των μηχανισμών που διέπουν τη διεργασία με τις πορώδεις ιδιότητές τους μέσω φυσικοχημικού χαρακτηρισμού, παραμετρικής ανάλυσης και προτυποποίησης της δυναμικής της διεργασίας με φυσικό μοντέλο μεταφοράς μάζας/προσρόφησης πολλαπλών τμημάτων που επιτρέπει την εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων μεταφοράς μάζας και την ποσοτικοποίηση της σχετικής συνεισφοράς κάθε τμήματος του προσροφητικού υλικού (εξωτερική επιφάνεια, μεσο-/μακρο-πόροι, μικρο-πόροι) στην προσρόφηση. Η αποτελεσματικότητα των AOPs σε συνδυασμό με την προσρόφηση μελετήθηκαν μέσω της αναγέννησης των προσροφητικών υλικών με ΨΠ έπειτα από την προσρόφηση οργανικού ρύπου, καθώς και μέσω της σύνθεσης υβριδικών προσροφητικών/φωτοκαταλυτικών υλικών με στόχο τη μελέτη της συνεργατικής προσρόφησης και φωτοκατάλυσης.Τα πειράματα προσρόφησης ανέδειξαν τη σημασία της τροποποίησης των προσροφητικών υλικών και επιλογής των κατάλληλων χημικών παραγόντων και θερμοκρασίας πυρόλυσης. Στους ενεργούς άνθρακες που παράχθηκαν από φλοιούς μπανάνας και απόβλητα καφέ μέσω προ-επεξεργασίας με καυστικό νάτριο (NaOH) και πυρόλυση σε υψηλή θερμοκρασία (700-800 oC), BPAC-NaOH-700 και CWAC-NaOH-800, παρατηρήθηκε ότι σε σύγκριση με τα αρχικά υλικά αυξήθηκε η ειδική επιφάνεια, δημιουργήθηκε ένα καλά ανεπτυγμένο πορώδες δίκτυο και αυξήθηκε η προσροφητική ικανότητα ως προς μίγμα βαφών και φαινανθρένιο, αντίστοιχα. Το μοντέλο μεταφοράς μάζας πολλαπλών τμημάτων που χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τη δυναμική της προσρόφησης των υλικών λαμβάνοντας υπόψη τη μοριακή και την επιφανειακή διάχυση και θεωρώντας στιγμιαία ρόφηση, προέβλεψε ικανοποιητικά τη διεργασία, σηματοδοτώντας τη σημαντική συνεισφορά της εφαρμογής φυσικών μοντέλων στην προσομοίωση της προσρόφησης. Η νέα τεχνολογία του ψυχρού πλάσματος αποδείχτηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική για την αναγέννηση των προσροφητικών υλικών BPAC-NaOH-700 έπειτα από την προσρόφηση μίγματος βαφών και CWAC-NaOH-800 έπειτα από την προσρόφηση φαινανθρένιου ή λινδανίου. Τέλος, με στόχο τη συνεργατική προσρόφηση και φωτοκατάλυση του οργανοχλωριωμένου φυτοφαρμάκου, λινδάνιο, που αποτελεί έμμονο οργανικό ρύπο (POP-Persistent Organic Pollutant) για το περιβάλλον, συντέθηκαν με επιτυχία υβριδικά προσροφητικά υλικά/φωτοκαταλύτες με τον ενεργό άνθρακα από απόβλητα καφέ (CWAC-NaOH-800) ως υπόστρωμα και διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) ως καταλύτη. Δοκιμάστηκαν και συγκρίθηκαν δύο πειραματικές διατάξεις, ένας φούρνος UVA με LED και μία λάμπα UVA που εκπέμπουν στα 375 nm. Και σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιήθηκε φυσικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψιν τη συνεργατική αλληλεπίδραση των δύο διεργασιών και εκτιμήθηκαν οι κινητικές σταθερές προσρόφησης και φωτοκατάλυσης σε συνάρτηση με τη σύνθεση του υλικού. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά για περεταίρω διερεύνηση, καθώς τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται η έρευνα ανάπτυξης τέτοιου είδους βιώσιμων υλικών με πολλαπλές λειτουργίες για διάφορες εφαρμογές.