Ψυχρό πλάσμα για την ενεργοποίηση και αναγέννηση προσροφητικών υλικών για την επεξεργασία συνθετικών αποβλήτων
Loading...
Date
2026-01-13
Authors
Γιαννούλια, Στεφανία
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η ρύπανση των υδάτινων πόρων συνιστά ένα από τα πλέον κρίσιμα περιβαλλοντικά προβλήματα της σύγχρονης εποχής, με άμεσα και έμμεσα επακόλουθα στην ανθρώπινη υγεία, τη βιοποικιλότητα και τη λειτουργία των υδάτινων οικοσυστημάτων. Η εκτεταμένη χρήση αναδυόμενων ρύπων, όπως τα αντιβιοτικά, οι συνθετικές χρωστικές, τα PFAs και άλλες ανθεκτικές οργανικές ενώσεις, έχει οδηγήσει στη συνεχή παρουσία τους σε επιφανειακά και υπόγεια ύδατα, λόγω της ατελούς απομάκρυνσής τους από τις συμβατικές μεθόδους επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Οι ενώσεις αυτές χαρακτηρίζονται από αυξημένη τοξικότητα, ανθεκτικότητα στη βιοαποδόμηση και τάση βιοσυσσώρευσης, γεγονός που εντείνει τις περιβαλλοντικές και υγειονομικές ανησυχίες. Ιδιαίτερη σημασία παρουσιάζουν οι περ- και πολυφθοροαλκυλικές ουσίες (PFAS), οι οποίες διακρίνονται για την εξαιρετική χημική τους σταθερότητα και την ανθεκτικότητα στη διάσπαση, ιδιότητες που τους έχουν προσδώσει τον χαρακτηρισμό «αιώνιες χημικές ενώσεις». Η μακρά παραμονή τους στα οικοσυστήματα, σε συνδυασμό με την ευρεία χρήση τους σε βιομηχανικές και καταναλωτικές εφαρμογές, έχει οδηγήσει σε ανίχνευσή τους σε πόσιμο νερό, έδαφος και βιολογικούς ιστούς, καθιστώντας επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης προηγμένων τεχνολογιών απορρύπανσης και ολοκληρωμένων στρατηγικών διαχείρισής τους. Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί και αναπτυχθεί πολλές τεχνολογίες για την επεξεργασία και τον καθαρισμό του νερού. Παρά τα πλεονεκτήματά τους, οι περισσότερες παρουσιάζουν σοβαρούς περιορισμούς, όπως ατελή απομάκρυνση των ρύπων, υψηλό λειτουργικό κόστος και δημιουργία δευτερογενούς ρύπανσης. Το ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα (ΨΠ) έχει αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια ως μία καινοτόμος, ενεργειακά αποδοτική και περιβαλλοντικά φιλική τεχνολογία για την αποδόμηση οργανικών ρύπων, χάρη στην παραγωγή υψηλής δραστικότητας ειδών, όπως ρίζες και
οξειδωτικά μόρια, υπό ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Η αποτελεσματικότητα της διεργασίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από παραμέτρους όπως οι συνθήκες λειτουργίας και η γεωμετρία του αντιδραστήρα, οι οποίες καθορίζουν τον βαθμό αλληλεπίδρασης μεταξύ των δραστικών ειδών του πλάσματος και των ρύπων-στόχων. Παράλληλα, η προσρόφηση αποτελεί μια από τις πλέον διαδεδομένες και αποτελεσματικές μεθόδους απομάκρυνσης ρύπων από υδατικά διαλύματα, λόγω της απλότητας, του σχετικά χαμηλού κόστους και της υψηλής επιλεκτικότητάς της. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις η προσροφητική ικανότητα των υλικών εμφανίζεται περιορισμένη, ενώ η ανάγκη για αναγέννηση ή τελική διάθεση των κορεσμένων προσροφητικών ενδέχεται να οδηγήσει σε δευτερογενή ρύπανση. Τα μειονεκτήματα αυτά καθιστούν αναγκαία την ανάπτυξη συνδυαστικών διεργασιών, στις οποίες το πλάσμα και η προσρόφηση λειτουργούν συμπληρωματικά, ενισχύοντας τη συνολική αποδοτικότητα της απορρύπανσης. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή προτείνει μια ολοκληρωμένη καινοτόμο στρατηγική που συνδυάζει το ψυχρό πλάσμα με την διεργασία της προσρόφησης. Το ψυχρό πλάσμα χρησιμοποιείται τόσο για την ενεργοποίηση προσροφητικών υλικών (όπως κελύφη από καρύδια) με σκοπό την ενίσχυση της ικανότητάς τους να απομακρύνουν επίμονους ρύπους (όπως αντιβιοτικά, χρωστικές και PFAs) από το νερό, ενώ παράλληλα χρησιμοποιείται για την αναγέννηση των κορεσμένων προσροφητικών υλικών (όπως πετρώματα, νανοϋλικά και βιομάζα), επιτρέποντας την
επαναχρησιμοποίησή τους σε πολλαπλούς κύκλους. Η διπλή αυτή προσέγγιση στοχεύει όχι μόνο στην αποδοτική απορρύπανση αλλά και στη βιώσιμη διαχείριση των
προσροφητικών υλικών, συμβάλλοντας στη μείωση του κόστους και στην αποφυγή δευτερογενούς ρύπανσης. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκαν αντιδραστήρες πλάσματος (εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος-DBD) με διαφορετική γεωμετρία ηλεκτροδίων [αντιδραστήρες πλάσματος επίπεδο-προς-επίπεδο, αντιδραστήρες πλάσματος επίπεδο-προς-πλέγμα] για την ενεργοποίηση των προσροφητικών καθώς και φυσαλίδων πλάσματος για την αναγέννηση αυτών μετά το στάδιο της προσρόφησης. Όλοι οι αντιδραστήρες
οδηγούνταν από νανοπαλμούς υψηλής τάσης με σκοπό την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των διεργασιών ενεργοποίησης και αναγέννησης. Για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών ενεργοποίησης και αναγέννησης των προσροφητικών σε κάθε αντιδραστήρα πλάσματος, εξετάστηκαν διάφορες λειτουργικές παράμετροι πλάσματος (αέριο πλάσματος, χρόνος επεξεργασίας). Για την κατανόηση του μηχανισμού δράσης του πλάσματος και της επίδρασής του στην ενεργοποίηση και αναγέννηση των προσροφητικών υλικών, πραγματοποιήθηκε συνδυαστικός χαρακτηρισμός τόσο των παραγόμενων δραστικών ειδών στην αέρια και την υδατική φάση (μόνο για τα πειράματα αναγέννησης με φυσαλίδες πλάσματος), όσο και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των υλικών πριν και μετά την επεξεργασία με πλάσμα. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές όπως BET ανάλυση για τον προσδιορισμό της ειδικής επιφάνειας και της κατανομής μεγέθους πόρων, FTIR / ATR-FTIR για τη μελέτη των επιφανειακών λειτουργικών ομάδων, XRD για την κρυσταλλική δομή, SEM για τη μορφολογία της επιφάνειας, XPS για τη χημική σύσταση και τις καταστάσεις οξείδωσης των επιφανειακών στοιχείων, καθώς και μέτρηση ζ-δυναμικού για την αξιολόγηση της επιφανειακής ηλεκτροχημικής κατάστασης της επιφάνειας. Ο ολοκληρωμένος αυτός χαρακτηρισμός επέτρεψε τη συσχέτιση των μεταβολών των υλικών με την απόδοση της
διεργασίας προσρόφησης και αναγέννησης υπό την επίδραση του πλάσματος. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μελέτες προσρόφησης σε υδατικά διαλύματα με στόχο την αξιολόγηση της απόδοσης και των μηχανισμών προσρόφησης. Ως προσροφητικά χρησιμοποιήθηκαν φυσικά και συνθετικά υλικά, όπως πετρώματα, νανοϋλικά και βιομάζα. Οι ρύποι που εξετάστηκαν περιλάμβαναν χρωστικές, αντιβιοτικά, PFAS και μείγματα οργανικών ρύπων που προσομοιάζουν πραγματικές συνθήκες. Στην ανάλυση λήφθηκαν υπόψη κρίσιμες παράμετροι, όπως το pH, η αρχική συγκέντρωση των ρύπων και ο χρόνος επαφής, οι οποίες καθόρισαν τόσο την προσροφητική ικανότητα όσο και τους επικρατούντες μηχανισμούς δέσμευσης. Για την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων εφαρμόστηκαν κινητικά μοντέλα (Pseudofirst-order, Pseudo-second-order, Elovich και Intraparticle diffusion), ισόθερμες
προσρόφησης ισορροπίας (Langmuir και Freundlich), καθώς και θερμοδυναμική ανάλυση, επιτρέποντας τη συστηματική διερεύνηση της φύσης και της αποτελεσματικότητας της προσρόφησης σε μη τροποποιημένα και πλάσμα τροποποιημένα υλικά καθώς και εμβάθυνση στους μηχανισμούς προσρόφησης. Η παρούσα Διατριβή συμβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση των μηχανισμών με τους οποίους το πλάσμα ενεργοποιεί και αναγεννά προσροφητικά υλικά, μεταβάλλοντας σημαντικά τη χημεία της επιφάνειας και οδηγώντας σε διαφορετικούς μηχανισμούς προσρόφησης για την απομάκρυνση διαφορετικών ειδών ρύπων. Παράλληλα, προτείνει μία καινοτόμο, πράσινη και αποδοτική τεχνολογία για την αντιμετώπιση ανθεκτικών ρύπων στο νερό.
Description
Keywords
Ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα, Ενεργοποίηση προσροφητικών υλικών, Αναγέννηση προσροφητικών υλικών, Απορρύπανση υδάτων, Διεργασίες προηγμένης οξείδωσης, Διεργασίες προσρόφησης, Περ- και πολυφθοροαλκυλικές ουσίες (PFAS), Αντιβιοτικά, Χρωστικές