Hybrid advanced (electro)oxidation processes for the treatment of emerging pollutants in water matrices
Authors: Ντάβλε Ρεμπέκκα 
Published: February 2025

Την προηγούμενη δεκαετία, η κλιματική αλλαγή, που είναι εμφανής από τις ακραίες πλημμύρες και ξηρασίες, έχει επηρεάσει σημαντικά την ποιότητα και την ποσότητα του νερού. Το παραπάνω, σε συνδυασμό με την αύξηση του πληθυσμού, έχει προκαλέσει σοβαρή έλλειψη καθαρού νερού. Σύμφωνα με τον έκτο Στόχο Βιώσιμης Ανάπτυξης που προτείνεται από τα Ηνωμένα Έθνη, την ανάγκη για Καθαρό νερό και Αποχέτευση, στοχεύεται να αντιμετωπιστεί η κρίση του νερού μέσω της μείωσης της κατανάλωσης και εκκένωσης επικίνδυνων ουσιών, αυξάνοντας την ανακύκλωση και επιδιώκοντας την ασφαλή επαναχρησιμοποίηση του νερού. Οι φαρμακευτικές ουσίες είναι μια από τις κατηγορίες μικρορυπαντών οι οποίες έχουν εντοπιστεί σε ποικίλες κατηγορίες νερού παγκοσμίως. Παρόλο που εμφανίζονται σε μικρές συγκεντρώσεις, η τάση τους να βιοσυσσωρεύονται και να παραμένουν ενεργές, παρουσιάζουν μια σημαντική απειλή για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Οι συμβατικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) συνήθως στηρίζονται στις βιολογικές διεργασίες, οι οποίες δεν είναι επαρκείς για την απομάκρυνση των συγκεκριμένων μικρορύπων. Οι προηγμένες μέθοδοι οξείδωσης έχουν συγκεντρώσει σημαντικό ενδιαφέρον από την επιστημονική κοινότητα ως μια ελκυστική τεχνολογία για την επαρκή απομάκρυνση των συγκεκριμένων ουσιών. Οι προηγμένες μέθοδοι οξείδωσης κατηγοριοποιούνται σε διεργασίες με βάση τον τρόπο παραγωγής των ριζών υδροξυλίου (•OH). Διεργασίες προηγμένης οξείδωσης με βάση τις θειούχες ρίζες είναι μια εναλλακτική για τις συμβατικές διεργασίες προηγμένης οξείδωσης και χρησιμοποιούν θειούχες ρίζες (SO4-•) αντί για •OH. Οι θειούχες ρίζες παράγονται από την ενεργοποίηση των πρόδρομων ουσιών όπως είναι τα υπερθειϊκά ή υπεροξυμονοθειϊκά και συμβάλλουν στην αύξηση της δυνατότητας οξείδωσης, της επιλεκτικότητας και της επέκτασης της ζωής τους. Ηλεκτροχημικές προηγμένες μέθοδοι οξείδωσης έχουν γίνει δημοφιλείς επειδή δεν χρησιμοποιούν χημικά, λειτουργούν σε θερμοκρασίες και πιέσεις περιβάλλοντος, δεν παράγουν δευτερεύουσες ροές λυμάτων και μπορούν να επιτευχθούν μέσω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η εφαρμογή διαφόρων προχωρημένων μεθόδων οξείδωσης ενισχύει το ποσό των δραστικών μορφών οξυγόνου και αυξάνει το ρυθμό απομάκρυνσης των μικρορύπων. Η απόδοση μιας τέτοιας υβριδικής διεργασίας είναι συχνά μεγαλύτερη από το άθροισμα των αποδόσεων των μεμονομένων διεργασιών, οδηγώντας σε ένα συνεργιστικό συνδυσμό. Λαμβάνοντας αυτό υπόψιν, η παρούσα διπλωματική αξιολογεί το συνδυασμό ηλιακών φωτοκαταλυτών με ηλεκτροχημική οξείδωση, μέσω της ακινητοποίησης διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) σε ένα αγώγιμο υπόστρωμα, σε ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο. Οι στόχοι αυτή της διπλωματικής είναι (i) η επιτυχής ακινητοποίηση των στοιχείων TiO2 και η ενσωμάτωση τους σε ένα φωτοηλεκτροχημικό στοιχείο, (ii) η βελτιστοποίηση της παραγωγής υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η2Ο2) στην κάθοδο, (iii) η αξιολόγηση του ρόλου των καθόδων και άλλων συνθηκών των διεργασιών στις προχωρημένες ηλεκτροχημικές μεθόδους οξείδωσης, (iv) η ανάλυση των προϊόντων μετάλλαξης και ο προσδιορισμός των κινητικών της αντίδρασης, και (v) ο προσδιορισμός της βιολογικής δραστηριότητας και της οικοτοξικότητας των προϊόντων μετάλλαξης. To TiO2 ακινητοποιήθηκε και ενσωματώθηκε ως μια φωτοάνοδος σε δύο διαφορετικούς φωτοηλεκτροχημικούς αντιδραστήρες. Παράλληλα, έγινε περαιτέρω τροποποίηση του ώστε να παραχθεί μέγιστη ποσότητα H2O2 στην κάθοδο. Η απόδοση της φωτοανόδου βελτιώθηκε με τη χρήση ενός συνδυσμού WO3 και TiO2, ευαισθητοποιώντας το μέσω ορατού φωτός και η απόδοση της διεργασίας βελτιώθηκε με την προσθήκη μονοϋπερθειϊκού. Συνολικά έξι φαρμακευτικές ουσίες υποβαθμίστηκαν, είτε μέσω προηγμένων ηλεκτροχημικών μεθόδων οξείδωσης είτε μέσω υβριδικών προηγμένων ηλεκτροχημικών μεθόδων οξείδωσης και η επιρροή των λειτουργικών παραμέτρων και των καθόδων ερευνήθηκε. Η εκτίμηση της τοξικότητας και της βιολογικής δραστηριότητας προσδιορίστηκε μέσω in-vivo αναλύσεων ή ECOSAR μοντέλων. Η κλιμάκωση αυτής της τεχνολογίας έγινε επίσης μέσω της προέκτασης των πειραματικών δεδομένων σε έναν πιλοτικού μεγέθους αντιδραστήρα.