Το παρόν έργο με τίτλο «ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΜΕ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΔΡΑΝΟΠΟΙΗΣΗ KAI ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΦΥΤΟΦΑΡΜΑΚΑ» (κωδικός 957) συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο (ΕΚΤ) και από Εθνικούς Πόρους στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος "Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση" (ΕΠΕΔΒΜ) και υπάγεται στη δράση «ΑΡΙΣΤΕΙΑ». Αντικείμενό του είναι η απόκτηση της απαραίτητης γνώσης για την ανάπτυξη μεθοδολογίας που θα οδηγήσει στην ολοκληρωμένη διαχείριση (επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση) υγρών αποβλήτων προερχόμενων από αγροτικές/γεωργικές δραστηριότητες, τα οποία περιέχουν φυτοφάρμακα και χαρακτηρίζονται από υψηλή τοξικότητα και αντίσταση στη βιοαποικοδόμηση.

Η συνεχής και κλιμακούμενη παραγωγή και η άναρχη χρήση ιδιαίτερα επικίνδυνων ουσιών όπως τα φυτοφάρμακα, έχει ως αποτέλεσμα την ανίχνευση τους σε αστικά λύματα, σε επιφανειακά και υπόγεια νερά, προκαλώντας σημαντικούς κινδύνους για τους ζώντες οργανισμούς, καθώς και για την ισορροπία των οικοσυστημάτων [1, 2]. Ο ΟΗΕ υπολογίζει ότι το 99% των φυτοφαρμάκων που χρησιμοποιούνται στη γεωργία μολύνει το έδαφος, τον αέρα και κυρίως τα ύδατα. Οι κλασικές μέθοδοι επεξεργασίας αποβλήτων, αδυνατούν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά τα υγρά απόβλητα των βιομηχανιών παρασκευής και τυποποίησης φυτοφαρμάκων, λόγω της υψηλής τοξικότητας και της χαμηλής βιοαποικοδομησιμότητάς τους. Καθώς η χημική σύσταση των εν λόγω λυμάτων ποικίλλει είναι δύσκολη η εφαρμογή μιας μεθόδου ικανής να αποικοδομήσει τους εν λόγω ρύπους. Το γεγονός ότι τμήμα μόνο των παραγόμενων τοξικών αποβλήτων υφίσταται κάποια επεξεργασία (λόγω έλλειψης τεχνολογιών που μπορούν να επιτύχουν επί τόπου καθαρισμό), τα καθιστά ένα σωρευμένο πρόβλημα με απρόβλεπτες μεσοπρόθεσμες συνέπειες.

Το έργο στοχεύει στην ανάπτυξη μιας καινοτόμου, πράσινης και βιώσιμης μεθοδολογίας που βασίζεται στο συνδυασμό της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης παρουσία του ηλιακού φωτός και των τεχνητών υγροτόπων για τον καθαρισμό και επαναχρησιμοποίηση νερού και υγρών αποβλήτων που περιέχουν φυτοφάρμακα, τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλή τοξικότητα και αντίσταση στη βιοδιάσπαση. Η μεθοδολογία αυτή στόχο έχει την αναστολή της υποβάθμισης της ποιότητας των υδάτων, αξιοποιώντας ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και την προώθηση της βιώσιμης διαχείρισης των υδάτινων πόρων, ενώ παράλληλα είναι συμβατή με την Οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τα νερά, καθώς η προστασία της ποιότητας των υδάτων σχετίζεται άμεσα με την ασφαλή απόρριψη αποτελεσματικά επεξεργασμένων αποβλήτων. Η επεξεργασία τους θα βασίζεται, στη συνδυασμένη χρήση της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης (ετερογενούς και ομογενούς), με στόχο την αύξηση της βιοαποικοδομησιμότητας, μείωση της τοξικότητας και του συνολικού οργανικού φορτίου και μιας φυσικής επεξεργασίας με τη χρήση τεχνητών υγροτόπων για την βελτίωση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των επεξεργασμένων εκροών και τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησή τους. Η φωτοκαταλυτική οξείδωση, τόσο η ετερογενής, παρουσία TiO₂ όσο και η ομογενής (αντιδραστήριο photo-Fenton), παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς η ενεργοποίηση των καταλυτών μπορεί να γίνει μέσω του ηλιακού φωτός. Από την άλλη μεριά, οι τεχνητοί υγρότοποι αποτελούν ελκυστικά οικολογικά συστήματα καθαρισμού αποβλήτων, βασιζόμενοι σε μηχανισμούς όμοιους με αυτούς που πραγματοποιούνται σε φυσικά οικοσυστήματα. Η κύρια καινοτομία του έργου είναι ο συνδυασμός της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης με μια φυσική διεργασία η οποία επίσης επηρεάζεται άμεσα από τον ήλιο, επιτρέποντας με τον τρόπο αυτό την ένταξη της ηλιακής ενέργειας, μέσω απλών και φιλικών συστημάτων, στην αντιμετώπιση περιβαλλοντικών προβλημάτων.

Επιστροφή στην αρχή

Στο πλαίσιο αναζήτησης νέων, αποτελεσματικών και φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδων, αδρανοποίησης τοξικών και βλαβερών ουσιών που συναντώνται στο νερό και στα υγρά απόβλητα, εντάσσεται το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση των φωτοκαταλυτικών μεθόδων, η αποτελεσματικότητά των οποίων στηρίζεται στη δημιουργία των ριζών του υδροξυλίου (•ΟΗ). Οι ρίζες αυτές αποτελούν ιδιαίτερα ισχυρά οξειδωτικά μέσα, ικανά να προσβάλλουν μη επιλεκτικά και να αδρανοποιούν τοξικές ή μη βιοαποικοδομήσιμες ουσίες, ενώ παράλληλα δε ρυπαίνουν το περιβάλλον.

Ετερογενής φωτοκατάλυση: Η ανάμειξη του προς καθαρισμό αποβλήτου με έναν χημικά και βιολογικά αδρανή ημιαγώγιμο καταλύτη (π.χ. ΤiO₂) και ο φωτισμός του συστήματος με τεχνητό ή ηλιακό φως δημιουργεί στο εσωτερικό του καταλύτη ιδιαίτερα ισχυρά οξειδωτικά και αναγωγικά σωματίδια, τις οπές (h⁺) και τα ηλεκτρόνια (e^-). Οι φωτοδημιουργούμενες οπές αντιδρούν με τα μόρια του Η₂Ο που είναι προσροφημένα στην επιφάνεια του και τα οξειδώνουν προς τις αντίστοιχες •ΟΗ, οι οποίες ακολούθως προσβάλλουν τους οργανικούς ρύπους και μέσω υπεροξειδικών ριζών τους αποικοδομούν προς CO₂ και ανόργανα άλατα (Σχήμα 1).

Σχήμα 1: Φωτοκαταλυτική οξείδωση οργανικών ενώσεων παρουσία καταλύτη ΤiΟ₂

Ομογενής φωτοκατάλυση: Η ικανότητα του αντιδραστηρίου Fenton (μίγμα Fe⁺² και H₂O₂) να οξειδώνει οργανικούς ρύπους σε υγρά απόβλητα, βασίζεται στη δημιουργία •ΟΗ και της προσβολής από αυτές των οργανικών συστατικών των αποβλήτων. Η αποτελεσματικότητα και η απόδοση του όμως, αυξάνονται εντυπωσιακά με το φωτισμό του συστήματος με τεχνητό ή ηλιακό φως (αντιδραστήριο photo-Fenton), με αποτέλεσμα την επιπλέον δημιουργία •ΟΗ, τη μικρότερη ποσότητα λάσπης και την πλήρη οξείδωση των περισσοτέρων οργανικών ενώσεων (Σχήμα 2).

Σχήμα 2: Φωτοκαταλυτική οξείδωση οργανικών ενώσεων
παρουσία του αντιδραστηρίου photo-Fenton

Οι τεχνητοί υγρότοποι, αποτελούν τις τελευταίες δεκαετίες μια εναλλακτική τεχνολογία επεξεργασίας λυμάτων που εφαρμόζεται ευρέως στις ΗΠΑ και σε βορειοευρωπαϊκές χώρες. Η κατασκευή και λειτουργία τους βασίζεται στον κατάλληλο συνδυασμό των δομικών στοιχείων των υγροτόπων, δηλαδή του εδάφους, του νερού και της βλάστησης, με στόχο την πραγματοποίηση διαδικασιών, που συντελούν στη βελτίωση της ποιότητας του νερού που διέρχεται από τους υγροτόπους. Οι διαδικασίες αυτές είναι αποτέλεσμα ενός συνόλου φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε φυσικά οικοσυστήματα, απομακρύνουν οργανικούς ρύπους, αιωρούμενα στερεά, παθογόνα, θρεπτικά συστατικά και βαρέα μέταλλα, συμβάλλοντας στη βελτίωση της ποιότητας του νερού που διέρχεται από αυτούς [4]. Ωστόσο, οι τεχνητοί υγρότοποι απαιτούν μεγάλες εκτάσεις και υδραυλικούς χρόνους συγκράτησης σε σχέση με τις συμβατικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, καθιστώντας τους ακατάλληλους για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές. Για το λόγο αυτό, οι μέχρι σήμερα μελέτες αφορούν την επεξεργασία λυμάτων μικρών κοινοτήτων και όχι τοξικών βιομηχανικών αποβλήτων. Παράλληλα, ελάχιστες είναι οι υπάρχουσες μελέτες που βασίζονται στο συνδυασμό της φωτοκατάλυσης και των τεχνητών υγροτόπων για την επεξεργασία λυμάτων που περιέχουν τοξικές ενώσεις. Η ερευνητική μας ομάδα έχει πρόσφατα μελετήσει το συνδυασμένο αυτό σύστημα για την επεξεργασία αστικών αποβλήτων με ιδιαίτερα ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Η αξιοποίηση του ηλιακού φωτός σε συνδυασμό με την απλότητα της τεχνολογίας που απαιτείται για το εν λόγω συνδυασμένο σύστημα, μπορεί να προσφέρει οικονομικά βιώσιμες και αποτελεσματικές λύσεις στην επεξεργασία αποβλήτων που περιέχουν φυτοφάρμακα.

Σχήμα 3: Απλοποιημένος κύκλος του άνθρακα σε υγροτοπικά οικοσυστήματα (Mitsch και Gosselink 1993). DOC: Διαλυτός Οργανικός Άνθρακας, POC: Στοιχειακός Οργανικός Άνθρακας

Επιστροφή στην αρχή

1. I. Πούλιος. (2007). Φωτοηλεκτροχημεία των Ημιαγωγών - Βασικές Αρχές και Εφαρμογές
2. Malato, S., Fernández-Ibáñez, P., Maldonado, M. I., Blanco, J., & Gernjak, W. (2009). Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: Recent overview and trends. Catalysis Today, 147(1), 1-59.
3. Zhang, L., Wang, M. -., Hu, J., & Ho, Y. -. (2010). A review of published wetland research, 1991-2008: Ecological engineering and ecosystem restoration. Ecological Engineering, 36(8), 973-980.
4. Stan, C. D., Cretescu, I., Pastravanu, C., Poulios, I., & Drǎgan, M. (2012). Treatment of pesticides in wastewater by heterogeneous and homogeneous photocatalysis. International Journal of Photoenergy,2012
5. Kitsiou, V., Filippidis, N., Mantzavinos, D., & Poulios, I. (2009). Heterogeneous and homogeneous photocatalytic degradation of the insecticide imidacloprid in aqueous solutions. Applied Catalysis B: Environmental, 86(1-2), 27-35
6. Evgenidou, E., Konstantinou, I., Fytianos, K., Poulios, I., & Albanis, T. (2007). Photocatalytic oxidation of methyl parathion over TiO₂ and ZnO suspensions. Catalysis Today, 124(3-4), 156-162.
7. Evgenidou, E., Konstantinou, I., Fytianos, K., & Poulios, I. (2007). Oxidation of two organophosphorous insecticides by the photo-assisted fenton reaction. Water Research, 41(9), 2015-2027.
8. Evgenidou, E., Fytianos, K., & Poulios, I. (2005). Photocatalytic oxidation of dimethoate in aqueous solutions. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 175(1), 29-38.
9. Evgenidou, E., Fytianos, K., & Poulios, I. (2005). Semiconductor-sensitized photodegradation of dichlorvos in water using TiO₂ and ZnO as catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 59(1-2), 81-89.
10. Poulios, I., Kositzi, M., & Kouras, A. (1998). Photocatalytic decomposition of triclopyr over aqueous semiconductor suspensions. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 115(2), 175-183.

Επιστροφή στην αρχή

Λίστα πηγών σε μορφή pdf. Αν δεν έχετε την εφαρμογή Adobe Reader, μπορείτε να την κατεβάσετε απο εδώ:

1. Φωτοηλεκτροχημεία των Ημιαγωγών - Βασικές Αρχές και Εφαρμογές
2. Pesticides in Drinking Water
3. Heterogeneous photocatalysis: From water photolysis to applications in environmental cleanup
4. Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: Recent overview and trends
5. Plants used in constructed wetlands with horizontal subsurface flow: a review
6. Semiconductor-sensitized photodegradation of dichlorvos in water using TiO₂ and ZnO as catalysts
7. Photocatalytic oxidation of dimethoate in aqueous solutions
8. Heterogeneous and homogeneous photocatalytic degradation of the insecticide imidacloprid in aqueous solutions
9. Photocatalytic oxidation of methyl parathion over TiO₂ and ZnO suspensions
10. Treatment of Pesticides in Wastewater by Heterogeneous and Homogeneous Photocatalysis
11. Photocatalytic decomposition of triclopyr over aqueous semiconductor suspensions
12. A review of published wetland research, 1991–2008: Ecological engineering and ecosystem restoration

Επιστροφή στην αρχή

Πιλοτικός φωτοκαταλυτικός αντιδραστήρας

Τεχνητοί Υγρότοποι

Επιστροφή στην αρχή

Φωτοκαταλυτική οξείδωση φωτοφαρμάκων σε εργαστηριακή κλίμακα (Αρχείο PDF)

Φωτοκαταλυτική οξείδωση αποβλήτων που περιέχουν φυτοφάρμακα σε πιλοτικό αντιδραστήρα (Αρχείο PDF)

Λειτουργία του συνδυασμένου συστήματος φωτοκατάλυσης/τεχνητών υγροτόπων παρουσία ηλιακού φωτός (Αρχείο PDF)

Επαναχρησιμοποίηση καταλυτών κατά τη λειτουργία του πιλοτικού φωτοκαταλυτικού συστήματος παρουσία ηλιακού φωτός (Αρχείο PDF)

Επιστροφή στην αρχή