Παραμετρική ανάλυση και βελτιστοποίηση αντιδραστήρων ψυχρού πλάσματος για την αποδόμηση οργανικών ρύπων σε υδατικά απόβλητα
Authors: Μεροπούλης Σταύρος-Ελισαίος 
Published: March 2024

Η αντιμετώπιση της ρύπανσης των υδάτων αποτελεί μια σημαντική πρόκληση για τις σύγχρονες κοινωνίες, καθώς έχει σημαντικές επιπτώσεις τόσο στην ανθρώπινη υγεία όσο και στο οικοσύστημα. Οργανικοί ρύποι, όπως τα αντιβιοτικά και οι χρωστικές, έχουν τεράστιο αντίκτυπο στη ζωή και την οικονομία μας. Τα αντιβιοτικά συμβάλλουν στη θεραπεία ανθρώπινων ασθενειών/λοιμώξεων και στην γεωργία/υδατοκαλλιέργεια, ενώ οι χρωστικές χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία υφασμάτων. Η εκτεταμένη χρήση τους ωστόσο, έχει οδηγήσει σε σημαντική ρύπανση του περιβάλλοντος, ιδιαίτερα των υδατικών συστημάτων, λόγω της τοξικότητας τους, αλλά και της αργής και περιορισμένης βιολογικής αποδόμησής τους από τους ζωντανούς οργανισμούς. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνολογίες για τον καθαρισμό του νερού, πολλές όμως από αυτές παρουσιάζουν βασικά μειονεκτήματα όπως η ατελής απομάκρυνση των ρύπων, το υψηλό κόστος και η δευτερογενής ρύπανση. Πρόσφατα, το ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα (ΨΠ) έχει αναδειχθεί σαν μια αρκετά αποτελεσματική, ενεργειακά συμφέρουσα, ταχεία και πράσινη διεργασία προηγμένης οξείδωσης οργανικών ρύπων. Για την ανάπτυξη της καταλληλότερης μεθόδου απορρύπανσης του νερού που θα βασίζεται στο πλάσμα είναι σημαντικό να εξεταστούν συστηματικά και για διαφορετικές κατηγορίες ρύπων παράγοντες που επιδρούν καθοριστικά στην αποδόμηση των ρύπων. Τέτοιοι παράγοντες είναι οι λειτουργικές παράμετροι του ΨΠ καθώς επίσης και οι ιδιότητες του νερού που επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση της απορρύπανσης. Παράλληλα, ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση μιας κατάλληλης διαμόρφωσης αντιδραστήρα / γεωμετρίας ηλεκτροδίων πλάσματος καθορίζει τον τρόπο που αλληλοεπιδρούν τα δραστικά είδη πλάσματος με το ρύπο. Στην παρούσα Διατριβή, ο κύριος στόχος ήταν η ανάπτυξη και η εδραίωση καινοτόμων διατάξεων και προσεγγίσεων ΨΠ για την αποκατάσταση ρυπασμένου νερού και η ταυτόχρονη μελέτη των μηχανισμών που συμβάλλουν στην αποδόμηση οργανικών ρύπων και τη βελτιστοποίηση της διεργασίας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν αντιδραστήρες πλάσματος με διαφορετική γεωμετρία ηλεκτροδίων [αντιδραστήρες πλάσματος αερίου‐υγρού (εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος (DBD) και κορώνας) και μικροφυσαλίδων πλάσματος] που οδηγούνταν από τροφοδοτικό που παράγει νανοπαλμούς υψηλής τάσης. Για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών αποδόμησης των ρύπων και ενεργειακής απόδοσης της διεργασίας σε κάθε αντιδραστήρα πλάσματος, εξετάστηκαν τόσο οι λειτουργικές παράμετροι πλάσματος (πλάτος και συχνότητα του παλμού τάσης, αέριο πλάσματος, ροή αερίου, χρόνος επεξεργασίας) όσο και διαφορετικές ιδιότητες του νερού (υδατική μήτρα, συγκέντρωση ρύπου). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε συγκριτική ανάλυση των αντιδραστήρων αυτών τόσο ως προς την αποδόμηση διαφορετικών ρύπων στο νερό (χρωστικές και αντιβιοτικά) αλλά και ως προς τις ιδιότητες του επεξεργασμένου με πλάσμα νερού (plasma activated water). Παράλληλα, εξετάστηκε η αποδοτικότητα της διεργασίας στην επεξεργασία υδατικών διαλυμάτων που περιέχουν μείγματα ρύπων. Για την κατανόηση του μηχανισμού δράσης του πλάσματος και αποδόμησης των οργανικών ρύπων, προσδιορίστηκαν τα δραστικά είδη πλάσματος στην αέρια και την υδατική φάση και ο ρόλος τους στην αποδόμηση του εκάστοτε ρύπου. Επίσης, ανιχνεύθηκαν τα ενδιάμεσα προϊόντα που προκύπτουν από την οξείδωση των αρχικών ρύπων, ενώ προσδιορίστηκε και η τοξικότητα του νερού μετά την επεξεργασία με πλάσμα. Τέλος, διερευνήθηκε κατά πόσο, υπό τις βέλτιστες συνθήκες διαμόρφωσης ηλεκτροδίων και λειτουργικών παραμέτρων ΨΠ, η επεξεργασία θα μπορούσε να συνδυαστεί με παράγοντες ενίσχυσης της αποδόμησης (υπερθειϊκά και υπερανθρακικά άλατα). Η παρούσα ερευνητική προσπάθεια συμβάλει στην καθιέρωση μιας αποτελεσματικής και ενεργειακά αποδοτικής διεργασίας αποδόμησης οργανικών ρύπων σε υδατικά απόβλητα.