Ανάπτυξη προηγμένων υβριδικών συστημάτων για την απορρύπανση νερού
Authors: Καραβασίλης Μιχαήλ 
Published: July 2023

Το νερό είναι ο πιο θεμελιώδης πόρος για την ύπαρξη όλων των ζωντανών οργανισμών στον πλανήτη Γη. Το πόσιμο νερό καθώς και η σωστή υγιεινή αποτελούν ανθρώπινα δικαιώματα, ωστόσο δισεκατομμύρια άνθρωποι σε όλο τον κόσμο αντιμετωπίζουν τεράστια εμπόδια πρόσβασης στην πιο βασική ανάγκη σε καθημερινή βάση. Συμβατικά, η επεξεργασία του νερού περιλαμβάνει μια σειρά από διεργασίες (φυσικές, χημικές, φυσικοχημικές και βιολογικές) με στόχο τη μείωση ή την απομάκρυνση των ρύπων από το νερό. Μία από τις πιο ελκυστικές και ωφέλιμες επιλογές για την αποτελεσματική απομάκρυνση οργανικών ρύπων από τα λύματα είναι η χρήση προηγμένων διεργασιών οξείδωσης (Advanced oxidations processes - AOPs). Η φωτοκατάλυση είναι μία από τις πιο κοινές AOPs που χρησιμοποιούνται για την απορρύπανση του νερού. Είναι μια τεχνολογία που έχει χρησιμοποιηθεί σε τομείς, όπως η ενέργεια, η υγειονομική περίθαλψη, το περιβάλλον και η εξάλειψη των ρύπων. Όταν τα νανοσωματίδια ενός φωτοκαταλύτη εκτίθενται σε υπεριώδη ακτινοβολία ή σε ακτινοβολία του ορατού φάσματος δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών (e-/h+). Αυτά τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων μπορούν να δημιουργήσουν ισχυρά είδη οξειδωτικών οργανικών ουσιών όπως οι ρίζες υδροξυλίου (·ΟΗ) ή οι ρίζες υπεροξειδίου (·O2-). Τόσο η οξείδωση όσο και η αναγωγή μπορούν να πραγματοποιηθούν στην επιφάνεια του φωτο-διεγερμένου ημιαγώγιμου φωτοκαταλύτη στην ετερογενή φωτοκατάλυση. Η φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση των ρύπων σε υδατικά συστήματα μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε χρησιμοποιώντας τα ημιαγώγιμα νανοσωματίδια σε μορφή πολτού, είτε ακινητοποιώντας τα πάνω σε υποστρώματα. Η δεύτερη περίπτωση αποτελεί μια πιο προσιτή προσέγγιση για ανάπτυξη συστημάτων συνεχούς ροής και διαχείριση των υδατικών ρύπων σε μεγάλη κλίμακα.Στα πλαίσια αυτά, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν μέθοδοι ακινητοποίησης ημιαγώγιμων νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύρου ZnO καθώς και δύο τύποι ντοπαρισμένου οξειδίου του ψευδαργύρου i) με άργυρο και ii) με οξείδιο του σιδήρου Fe2O3 πάνω σε υποστρώματα και μελετήθηκε η αποικοδόμηση τεσσάρων διαφορετικών ρύπων (Methylene blue, Φαινόλης, Λινδανίου και αποβλήτων από την εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων υγρών αποβλήτων-ΕΕΥΑ) μέσα από πειράματα διαλείποντος έργου και συνεχούς ροής. Για τα πειράματα συνεχούς ροής σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο δακτυλιοειδείς φωτοαντιδραστήρες i) από πλεξιγκλάς και ii) από ανοξείδωτο χάλυβα και οι οποίοι εξοπλίστηκαν με λάμπα υπεριώδους ακτινοβολίας UV 6W εκπομπής στα 375 nm. Ακόμη κατασκευάστηκαν δύο αυτόνομες πιλοτικές μονάδες επεξεργασίας λυμάτων. Η πρώτη αποτελούταν από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, τέσσερις μεταλλικούς φωτοαντιδραστήρες με τον καθ’ ένα από αυτούς να είναι εξοπλισμένος με λάμπα UV-6W, δύο περισταλτικές αντλίες και έναν μαγνητικό αναδευτήρα. Η δεύτερη αποτελούταν από ένα επίπεδο αντιδραστήρα λειτουργίας εξ’ ολοκλήρου με ηλιακή ακτινοβολία και ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό πάνελ το οποίο τροφοδοτούσε με ρεύμα μια αντλία νερού ρυθμιζόμενης τάσης 3-6 Volt. Τέλος αναπτύχθηκαν μονοδιάστατα δυναμικά αριθμητικά μοντέλα της λειτουργίας των συστημάτων συνεχούς ροής συνδυάζοντας τη συνολική φωτοκαταλυτική αντίδραση με διεργασίες μεταφοράς μάζας ώστε να εκτιμηθεί η κινητική σταθερά με αντίστροφη μοντελοποίηση.Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι τα φωτοκαταλυτικά νανοσωματίδια ακινητοποιήθηκαν ικανοποιητικά πάνω στα υποστρώματα καθιστώντας τα ιδανικά για χρήση σε πειράματα συνεχούς ροής. Επίσης από πειράματα φάνηκε ότι υπάρχει μια μικρή «γήρανση» του φωτοκαταλύτη έπειτα από αρκετούς κύκλους επαναχρησιμοποίησης. Ακόμη τα νανοσωματίδια με ZnO/Fe2O3 έδειξαν ισχυρότερη προσκόλληση πάνω στο υπόστρωμα καθώς και ταχύτερη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση της φαινόλης σε σύγκριση με το απλό ZnO. Και τα δύο συστήματα ωστόσο ήταν ικανά να αφαιρέσουν έως και 5-6 φορές της αρχικής συγκέντρωσης σε Ολικό Οργανικό Άνθρακα. Τέλος και τα δύο πιλοτικά συστήματα έδειξαν πολύ καλή ενεργειακή απόδοση και η οποία παρέμενε σταθερή ανάμεσα στους κύκλους επεξεργασίας αποδεικνύοντας την σταθερότητα των φωτοκαταλυτών.