Ανάπτυξη πολυμερικών μεμβρανών με νανοσωλήνες άνθρακα για διαχείριση υδατικών αποβλήτων-μελέτη αποτελεσματικότητας όσο και ενδεχομένης επιμόλυνσης με τη μέθοδο επιφανειακής ενίσχυσης της σκέδασης raman
Authors: Αναστασόπουλος Ιωάννης 
Published: September 2021

Οι βιοαντιδραστήρες μεμβρανών (Membrane Bioreactors: ΜBRs) αποτελούν μια εδραιωμένη τεχνολογία στην επεξεργασία βιομηχανικών αποβλήτων και εισήχθησαν στοχεύοντας στη σύζευξη των ιδιοτήτων διαχωρισμού των μεμβρανών ταυτόχρονα με την πραγματοποίηση βιοχημικών αντιδράσεων. Ο συμβατικός διαχωρισμός μεταξύ στερεού-υγρού σε λύματα που συμβατικά διεξάγεται με διεργασίες διαύγασης βασισμένες στη βαρύτητα, αντικαθίσταται από το διαχωρισμό με χρήση μεμβρανών σε ένα σύστημα MBR, συνδυάζοντας έτσι την αποδοτικότητα της βιολογικής επεξεργασίας με την αποτελεσματικότητα του διαχωρισμού με χρήση μεμβρανών. Η τεχνολογία MBR εφαρμόζεται σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς, όπως στον τομέα των τροφίμων και ποτών, χημικών, φαρμακευτικών, καλλυντικών, καθώς και στη βιομηχανία κλωστοϋφαντουργίας. Ωστόσο, οι συμβατικοί MBRs όταν συνοδεύονται με συστήματα μεμβρανών νανο-διήθησης, παρουσιάζουν χαμηλή απόδοση σε συνάρτηση με το κόστος και την ποιότητα του επεξεργασμένου νερού που παράγεται από λύματα που περιέχουν υψηλά βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ουσίες. Η επιτυχής συνδυασμός της νανοτεχνολογίας με την τεχνολογία μεμβρανών αναμένεται να οδηγήσει σε καινοτόμα συστήματα διαχωρισμού. Αναφορικά με την τεχνολογία MBR με χρήση μεμβρανών για την αποτελεσματική επεξεργασία λυμάτων, έχει προταθεί η ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας λειτουργικών μεμβρανών χαμηλής ρύπανσης που θα παρουσιάζουν ενισχυμένες ιδιότητες, όπως η υψηλή διαπερατότητα του νερού και ταυτόχρονα υψηλό ποσοστό απόρριψης οργανικών ενώσεων χαμηλού μοριακού βάρους, με την επακόλουθη ενσωμάτωση νανοσωλήνων άνθρακα (Ν.Α) στο ενεργό πορώδες πολυμερικών μεμβρανών. Τα λεία, χημικώς αδρανή, υδροφοβικά γραφιτικά τοιχώματα των Ν.Α σε συνδυασμό με τις μικρές εσωτερικές διαμέτρους τους της τάξης της νανο-κλίμακας, μέσω των οποίων λαμβάνουν χώρα φαινόμενα διάχυσης, αναμένεται να παράσχουν ταχεία ροή του νερού και ταυτόχρονα υψηλή εκλεκτικότητα στη διαπερατότητα μορίων με βάση το μέγεθός τους, χαρακτηριστικά που τους καθιστά κατάλληλους για την ανάπτυξη αποδοτικών συστημάτων διαχωρισμού. Το είδος και η ποιότητα των Ν.Α, τα υλικά πλήρωσης/υποστρώματα υποδοχής τους, η επεξεργασία καθώς και οι μέθοδοι παρασκευής που θα χρησιμοποιηθούν για τη σύνθεση μεμβρανών με Ν.Α, είναι οι κύριοι παράγοντες που θα καθορίσουν τις επιδόσεις τους. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής μελετήθηκαν διαφορετικές προσεγγίσεις για την παρασκευή μεμβρανών με χρήση Ν.Α. Η μελέτη των πειραματικών παραμέτρων που καθορίζουν την αποτελεσματική ενσωμάτωση των Ν.Α στη λεπτή εκλεκτική στιβάδα μεμβρανών υπερ-διήθησης ώστε να μετατραπούν σε μεμβράνες νανο-διήθησης, με τις εσωτερικές διαμέτρους των Ν.Α να αποτελούν αποκλειστικά το ενεργό-εκλεκτικό πορώδες των μεμβρανών, στοχεύοντας στη δυνατότητα απόρριψης μιας ποικιλίας οργανικών ρύπων παρόντων σε βιομηχανικά απόβλητα, ήταν ο κύριος στόχος της διατριβής. Επιπρόσθετα, η μέθοδος διαχωρισμού φάσεων μελετήθηκε και χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή πορωδών μεμβρανών με καθορισμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε η παρασκευή μεμβρανών μιγμάτων με Ν.Α, με την επακόλουθη ανάμιξη Ν.Α κατά τις διεργασίες παρασκευής των μεμβρανών, ενώ εξετάστηκε και η ενσωμάτωση Ν.Α, που έχουν αναπτυχθεί κάθετα σε υποστρώματα πυριτίου, σε πολυμερική μήτρα για την παρασκευή μεμβράνης από Ν.Α. Βασική προϋπόθεση για τη χρήση μιας μεμβράνης με Ν.Α είναι η ισχυρή πρόσδεση των Ν.Α στους πόρους της μεμβράνης ώστε να αποκλειστεί οποιαδήποτε πιθανότητα αποδέσμευσής τους και επιμόλυνσης του παραγόμενου νερού. Με στόχο τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας ενσωμάτωσης των Ν.Α στους πόρους των πολυμερικών μεμβρανών, επιστρατεύτηκε η τεχνική της Επιφανειακής Ενίσχυσης της Σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scattering: SERS) στην ανίχνευση και ποσοτικοποίηση Ν.Α τροποποιημένων με ομάδες πυριδίνης σε υδατικά αιωρήματα. Επιπλέον, δεδομένου ότι εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις χημικών ουσιών σε υδατικά διαλύματα είναι δυνατό να ανιχνευτούν και να ποσοτικοποιηθούν με τη χρήση αυτής της δυναμικής τεχνικής, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις SERS σε υδατικά διαλύματα εξαιρετικά χαμηλών συγκεντρώσεων της οργανικής ένωσης Methylene Blue, εν δυνάμει ρύπου σε απόβλητα βιομηχανιών κλωστοϋφαντουργίας. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις SERS σε υδατικά διαλύματα της οργανικής ένωσης Remazol Brilliant Blue R με τη χρήση διαφορετικών παραγόντων συσσωμάτωσης.