Μελέτη καθαρισμού βιομηχανικών αποβλήτων από μηχανική χαρτόμαζα
Authors: Πιτσαρή Στέλλα 
Published: September 2021

Η παρουσία βαρέων μετάλλων στους υδάτινους αποδέκτες, εξαιτίας της ανεξέλεγκτης απόρριψης ανεπαρκώς επεξεργασμένων βιομηχανικών αποβλήτων, αποτελεί μείζων περιβαλλοντικό πρόβλημα. Τα τελευταία χρόνια, σε παγκόσμιο επίπεδο, έχει αναπτυχθεί σημαντικός αριθμός τεχνολογιών και συστημάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων επιβαρυμένα με βαρέα μέταλλα. Οι περισσότερες από αυτές παρά το γεγονός ότι επιτυγχάνουν υψηλές αποδόσεις σε μεγάλους όγκους αποβλήτων με υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων, ωστόσο χαρακτηρίζονται από υψηλό λειτουργικό ή/και επενδυτικό κόστος και κόστος συντήρησης. Παράλληλα, βάσει της στρατηγικής διαχείρισης των αστικών στερεών αποβλήτων και συγκεκριμένα την κοινοτική οδηγία 99/31/ΕΚ, η Ελλάδα υποχρεούται να μειώσει τις ποσότητες των βιοαποδομήσιμων αποβλήτων από τους χώρους υγειονομικής ταφής (ΧΥΤΑ). Η ανάκτηση των υλικών με σκοπό την ανακύκλωση ή την επαναχρησιμοποίησή τους περιλαμβάνεται στις βασικές αρχές της σύγχρονης περιβαλλοντικής πολιτικής. Το χαρτί ειδικότερα, αποτελεί το δεύτερο μεγαλύτερο κλάσμα των στερεών αστικών απορριμμάτων και κατασκευάζεται από ανανεώσιμα φυσικά υλικά. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω ζητήματα περιβαλλοντικής πολιτικής και στρατηγικής, βασικό στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της αξιοποίησης του χαρτιού εφημερίδας (παλαιόχαρτο) ως πρώτη ύλη για την ανάπτυξη και την εφαρμογή ενός αποδοτικού και χαμηλού κόστους μέσου απομάκρυνσης των βαρέων μετάλλων Pb, Zn και Ni από υδατικά διαλύματα και υγρά απόβλητα. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε ήταν αρχικά η διερεύνηση της δυνατότητας απομάκρυνσης βαρέων μετάλλων από αυτούσια εφημερίδα η οποία δεν έχει υποστεί καμία κατεργασία. Στοχεύοντας τόσο στην αξιοπιστία και την επαναληψιμότητα των πειραματικών αποτελεσμάτων όσο και σε υψηλές αποδόσεις του δημοσιογραφικού χαρτιού (θερμομηχανική χαρτόμαζα), διεξήχθησαν διερευνητικά πειράματα στα οποία εξετάζονται διαφορετικοί τύποι φυσικών-μηχανικών κατεργασίων. Ο τελικός σχεδιασμός του προσροφητικού μέσου περιέλαβε διεργασίες ομογενοποίησης, πολτοποίησης, ξήρανσης και αποΐνωσης του χαρτιού εφημερίδας ώστε η παραχθείσα μηχανική χαρτόμαζα να αποκτήσει ομοιογένεια ως προς τα περιεχόμενα συστατικά των ινών (μελάνια, πληρωτικά υλικά, ανόργανα συστατικά) και αυξημένη ειδική επιφάνεια. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων αναφορικά με την απόδοση απομάκρυνσης βαρέων μετάλλων της παραχθείσας μηχανικής χαρτόμαζας οδήγησαν στην διερεύνηση αύξησης της προσροφητικής της ικανότητας μέσω επιλεγμένης μεθόδου χημικής τροποποίησης.Αρχικά, ο χαρακτηρισμός των δύο ειδών χαρτόμαζας που παρασκευάστηκαν (μηχανικά κατεργασμένη, χημικά τροποποιημένη) πραγματοποιήθηκε μέσω των μεθόδων XRF, FT-IR, TOC, SEM-EDX, XRD, ζ-potential, ειδική επιφάνεια. Οι μέθοδοι ποσοτικών και ποιοτικών χημικών αναλύσεων, συνέβαλαν στην επικύρωση της τροποποίησης της μηχανικής χαρτόμαζας και στην ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων αναφορικά με την συγκριτική μελέτη απόδοσης των μέσων προσρόφησης ως προς την απομάκρυνση των μελετούμενων βαρέων μετάλλων. Για την μελέτη του μηχανισμού απομάκρυνσης των βαρέων μετάλλων στους διαφορετικούς τύπους χαρτόμαζας εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων του συστήματος προσρόφησης (χαρτόμαζα – στερεή φάση, διάλυμα μετάλλου – υγρή φάση, batch reactor – αντιδραστήρας διαλείποντος έργου) στην απόδοσή τους. Στις παραμέτρους περιλαμβάνονται: το είδος και την συγκέντρωση του μετάλλου, το pH και την σύσταση της υγρής φάσης, η παρουσία ανταγωνιστικών μεταλλικών ιόντων, η συγκέντρωση και το είδος του προσροφητικού μέσου, η συγκέντρωση του μέσου χημικής τροποποίησης (κιτρικό οξύ), ο χρόνος επαφής του προσροφητή και του διαλύματος μετάλλου και η παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων στα υγρά απόβλητα.Από την βιβλιογραφική ανασκόπηση χημικών μεθόδων και μέσων τροποποίησης σε λιγνοκυτταρινούχα υλικά, επιλέχθηκε η απλή θερμοχημική μέθοδος μέσω του μηχανισμού αντίδρασης της εστεροποίησης η οποία δεν είχε εφασμοστεί σε χαρτί εφημερίδας. Ως μέσο τροποποίησης επιλέχθηκε το ευρέως διαδεδομένο κιτρικό οξύ, καθότι αποτελεί ένα ασθενές πολυκαρβοξυλικό οξύ χαμηλής τοξικότητας που συμβάλλει στη χημική σταθερότητα και τη βελτίωση των ιδιοτήτων του χαρτιού. Η χημικά τροποποιημένη χαρτόμαζα παρουσίασε ιδιαίτερα αυξημένη προσροφητική ικανότητα σε υψηλές αρχικές τιμές συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων οδηγώντας σε πλήρη απομάκρυνση αυτών.Πραγματοποιήθηκε συγκριτική αξιολόγηση των δύο προσροφητικών μέσων σε υδατικά μονοσυστατικά και πολυσυστατικά διαλύματα μετάλλων. Μέσα από την διερεύνηση της επίδρασης ανταγωνιστικών ιόντων σε υδατικά διαλύματα μελετήθηκε η εκλεκτικότητα των προσροφητών ως προς τα ιόντα βαρέων μετάλλων καθώς και η επίδραση της αρχικής τους συγκέντρωσης στην απόδοση της προσρόφησης.Επιπλέον, στα πλαίσια της δυνατότητας της βιομηχανικής εφαρμογής της μηχανικά κατεργασμένης χαρτόμαζας ως μέσο προσρόφησης, πραγματοποιήθηκε αποτίμηση και συγκριτική αξιολόγηση της απόδοσής της σε υγρή φάση διαφορετικής σύστασης (υγρά απόβλητα, υδατικά διαλύματα). Η χαρτόμαζα παρουσίασε μικρότερη απόδοση ως προς την απομάκρυνση μεταλλικών ιόντων σε περιβάλλον υγρών αποβλήτων συγκριτικά με τα υδατικά διαλύματα. Έχοντας ως στόχο την ολοκληρωμένη αποτίμηση της απόδοσης της μηχανικής χαρτόμαζας, εξετάστηκε η δυνατότητα αναγέννησης και επαναχρησιμοποίησής της σε διαδοχικούς κύκλους προσρόφησης–εκρόφησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η υψηλή απόδοση αναγέννησης της χαρτόμαζας σε συνδιασμό με τα υψηλά ποσοστά απομακρύνσεων που επιτυγχάνει κατά το πέρας δέκα κύκλων προσρόφησης–εκρόφησης, καθιστούν το εν λόγω προσροφητικό υλικό βιώσιμο και ανταγωνιστικό. Συνοψίζοντας, η εφαρμογή της μηχανικά και χημικά τροποποιημένης χαρτόμαζας δύναται να συμβάλλει στην ορθολογική επεξεργασία των υγρών αποβλήτων επιβαρυμένα με βαρέα μέταλλα συνιστώντας παράλληλα έναν εναλλακτικό τρόπο αξιοποίησης και επαναχρησιμοποίησης του χαρτιού εφημερίδας.