Ταυτόχρονη απορρύπανση και αποστείρωση του νερού σε αντιδραστήρα πλάσματος που παράγεται από εκκενώσεις διηλεκτρικού φράγματος
Loading...
Date
2026-06-15
Authors
Καρυοφίλλης, Μιχαήλ
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η παρουσία μικροβιακών παθογόνων και φαρμακευτικών υπολειμμάτων στα υδάτινα περιβάλλοντα αποτελεί μια ολοένα και πιο σημαντική πρόκληση για τα σύγχρονα συστήματα επεξεργασίας νερού και λυμάτων. Οι συμβατικές τεχνολογίες επεξεργασίας συχνά δεν επαρκούν για την πλήρη απομάκρυνση αναδυόμενων ρύπων, όπως οι φαρμακευτικές ενώσεις, ενώ η αποτελεσματική απολύμανση μικροοργανισμών συνήθως απαιτεί επιπρόσθετα στάδια επεξεργασίας. Κατά συνέπεια, η ανάπτυξη προηγμένων διεργασιών επεξεργασίας που μπορούν να απομακρύνουν ταυτόχρονα βιολογικούς και χημικούς ρύπους αποτελεί σημαντική επιστημονική και τεχνολογική προτεραιότητα. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία ψυχρού ατμοσφαιρικού πλάσματος έχει αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη προηγμένη διεργασία οξείδωσης για εφαρμογές επεξεργασίας νερού, λόγω της ικανότητάς της να παράγει ένα ευρύ φάσμα δραστικών ειδών οξυγόνου και αζώτου (ROS/RNS), συμπεριλαμβανομένων των ριζών υδροξυλίου, του υπεροξειδίου του υδρογόνου, του όζοντος και ειδών σχετικών με το υπεροξυνιτρώδες. Τα δραστικά αυτά είδη μπορούν να προκαλέσουν αδρανοποίηση μικροοργανισμών και να ενισχύσουν την αποδόμηση και ανοργανοποίηση ανθεκτικών οργανικών ρύπων. Παρά το αποδεδειγμένο δυναμικό των τεχνολογιών βασισμένων στο πλάσμα, απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση για την καλύτερη κατανόηση της επίδρασης λειτουργικών παραμέτρων, όπως η σύσταση του αερίου πλάσματος και η εφαρμοζόμενη τάση, στην αποδοτικότητα της επεξεργασίας και την ενεργειακή απόδοση, ιδιαίτερα υπό συνθήκες ταυτόχρονης ρύπανσης.
Στόχος της παρούσας Εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της ταυτόχρονης μικροβιακής αδρανοποίησης και αποδόμησης φαρμακευτικών ενώσεων στο νερό, με χρήση αντιδραστήρα πλάσματος αερίου-υγρού που παράγεται από εκκενώσεις διηλεκτρικού φράγματος (DBD), ο οποίος διεγείρεται από παλμούς υψηλής τάσης διάρκειας νανοδευτερολέπτων. Στο πλαίσιο αυτό, αξιολογήθηκε η απόδοση της διεργασίας πλάσματος για την ταυτόχρονη απομάκρυνση του Escherichia coli (E. coli) και της φαρμακευτικής ένωσης βαλσαρτάνη (VAL) υπό διαφορετικά αέρια πλάσματος και συνθήκες εφαρμοζόμενης τάσης. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στον προσδιορισμό των κυρίαρχων δραστικών ειδών που εμπλέκονται στη διεργασία αποδόμησης, στην παρακολούθηση φυσικοχημικών μεταβολών στο νερό που έχει υποστεί επεξεργασία με πλάσμα και στην αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης της διεργασίας. Αρχικά, διερευνήθηκε η επίδραση της σύστασης του αερίου πλάσματος στην απόδοση της επεξεργασίας με χρήση αέρα και αργού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το πλάσμα αέρα ευνοεί τον σχηματισμό δραστικών ειδών οξυγόνου και αζώτου και την ταχεία οξίνιση του διαλύματος, οδηγώντας σε πλήρη αδρανοποίηση βακτηρίων (>9-log CFU/mL μείωση εντός 30 min) και ταχεία αποδόμηση της βαλσαρτάνης (>99% εντός 8 min). Αντίθετα, το πλάσμα αργού παρουσίασε μειωμένο σχηματισμό δραστικών ειδών αζώτου και μικρότερες μεταβολές pH, οδηγώντας σε βραδύτερη μικροβιακή αδρανοποίηση (~4-log μείωση μετά από 30 min) και χαμηλότερη αποδοτικότητα αποδόμησης (περίπου 93% εντός 8 min). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ταυτόχρονης επεξεργασίας σε συστήματα μικτών ρύπων, προκειμένου να αξιολογηθεί η αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανισμών απομάκρυνσης μικροβίων και φαρμακευτικών ενώσεων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ανταγωνισμός για τα δραστικά είδη που παράγονται από το πλάσμα επηρέασε την αρχική κινητική της διεργασίας, μειώνοντας την αποδοτικότητα στα αρχικά στάδια σε σύγκριση με συστήματα ενός ρύπου. Ωστόσο, επιτεύχθηκε πλήρης αδρανοποίηση βακτηρίων (>9-log CFU/mL) μετά από περίπου 45 min έκθεσης στο πλάσμα, ενώ η πλήρης αποδόμηση της βαλσαρτάνης επιτεύχθηκε σε περίπου 30 min. Πειράματα με χρήση χημικών ενώσεων ικανών να δεσμεύσουν εκλεκτικά τα δραστικά είδη του πλάσματος, “scavengers”, έδειξαν ότι οι ρίζες υδροξυλίου αποτελούν το κυρίαρχο δραστικό είδος για την αποδόμηση της βαλσαρτάνης, ενώ το υπεροξείδιο του υδρογόνου και τα είδη που σχετίζονται με όζον/υπεροξυνιτρώδες συμβάλλουν συμπληρωματικά με συνεργιστικό τρόπο. Αντίθετα, οι ρίζες υπεροξειδίου συμμετέχουν σε περιορισμένο βαθμό στη διεργασία αποδόμησης. Η ανάλυση ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) επιβεβαίωσε σημαντική ανοργανοποίηση της VAL, με απομάκρυνση έως και 86.46% μετά από 60 min επεξεργασίας. Τέλος, υπολογίστηκε η ηλεκτρική ενέργεια ανά τάξη (EEO) για την αξιολόγηση της ενεργειακής αποδοτικότητας της διεργασίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν απαιτήσεις ενέργειας 2.64 kWh/m³ για την αδρανοποίηση του E. coli και 3.70 kWh/m³ για την αποδόμηση της VAL σε συστήματα ενός ρύπου, οι οποίες αυξάνονται σε περίπου 7-8 kWh/m³ υπό συνθήκες ταυτόχρονης επεξεργασίας. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης καταδεικνύουν ότι το παρόν σύστημα πλάσματος αποτελεί μια αποτελεσματική και ενεργειακά αποδοτική τεχνολογία για την ταυτόχρονη απομάκρυνση μικροβιακών και φαρμακευτικών ρύπων από το νερό.
Description
Keywords
Απορρύπανση υδάτων, Ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα, Εκκενώσεις διηλεκτρικού φράγματος