Παραμετρική ανάλυση και βελτιστοποίηση αντιδραστήρων ψυχρού πλάσματος για την αποδόμηση οργανικών ρύπων σε υδατικά απόβλητα

Abstract

Addressing water pollution is a major challenge for modern societies, as it has significant impacts on both human health and the ecosystem. Organic pollutants such as antibiotics and dyes have a huge impact on our lives and economy. Antibiotics are widely used to treat human diseases/infections and in agriculture/aquaculture, while dyes are mainly used in the textile industry. Their extensive use, however, has led to extensive pollution of the environment, especially in water systems, due to their toxicity and their slow and limited biological degradation by living organisms. In recent years, several technologies have been developed for water purification, but many of them present key disadvantages such as incomplete removal of pollutants, high costs and secondary pollution. Recently, cold atmospheric plasma (CAP) has emerged as a fairly effective, energy‐efficient, rapid and green advanced oxidation process of organic pollutants in water. For the development of the most appropriate water decontamination method based on plasma, it is important to systematically examine factors that have a decisive effect on the degradation of different pollutants. Such factors are the operating plasma parameters as well as the water properties. In parallel, the design, development and optimization of an appropriate reactor configuration/plasma electrode geometry determines how the reactive plasma species interact with the contaminant. The main goal of this Thesis was the development and the establishment of innovative CAP setups and approaches for the remediation of polluted water and the simultaneous study of the mechanisms that contribute to the degradation of organic pollutants and the optimization of the process. To this end, reactors with different electrode and plasma configurations [gas–liquid (dielectric barrier discharge‐DBD and corona) and plasma microbubble reactors] driven by high‐voltage nanosecond pulses were developed. To find the optimal conditions of pollutant degradation and process energy efficiency in each plasma reactor, both plasma operating parameters (pulse voltage and frequency, plasma gas, gas flow, treatment time) and different water properties (water matrix, pollutant concentration) were investigated. In addition, a comparative analysis of these reactors was carried out both in terms of the degradation of different pollutants in water (dyes and antibiotics) and in terms of the properties of the plasma‐treated water. At the same time, the efficiency of the process in the treatment of aqueous solutions containing mixtures of pollutants was examined. In order to understand the mechanism of plasma‐based degradation of organic pollutants, the plasma reactive species in the gas and aqueous phase were determined together with their role in the degradation of each pollutant. Furthermore, the intermediate products resulting from the oxidation of the parent pollutants were detected, while the toxicity of the water after the plasma treatment was also assessed. Finally, it was investigated whether, under the optimum conditions of plasma reactor geometry and operating parameters, the treatment could be combined with degradation promoting agents (persulfates and percarbonates). The present research effort contributes to the in‐depth understanding and establishment of effective, energy‐efficient degradation of organic pollutants in aqueous wastes.

Η αντιμετώπιση της ρύπανσης των υδάτων αποτελεί μια σημαντική πρόκληση για τις σύγχρονες κοινωνίες, καθώς έχει σημαντικές επιπτώσεις τόσο στην ανθρώπινη υγεία όσο και στο οικοσύστημα. Οργανικοί ρύποι, όπως τα αντιβιοτικά και οι χρωστικές, έχουν τεράστιο αντίκτυπο στη ζωή και την οικονομία μας. Τα αντιβιοτικά συμβάλλουν στη θεραπεία ανθρώπινων ασθενειών/λοιμώξεων και στην γεωργία/υδατοκαλλιέργεια, ενώ οι χρωστικές χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία υφασμάτων. Η εκτεταμένη χρήση τους ωστόσο, έχει οδηγήσει σε σημαντική ρύπανση του περιβάλλοντος, ιδιαίτερα των υδατικών συστημάτων, λόγω της τοξικότητας τους, αλλά και της αργής και περιορισμένης βιολογικής αποδόμησής τους από τους ζωντανούς οργανισμούς. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνολογίες για τον καθαρισμό του νερού, πολλές όμως από αυτές παρουσιάζουν βασικά μειονεκτήματα όπως η ατελής απομάκρυνση των ρύπων, το υψηλό κόστος και η δευτερογενής ρύπανση. Πρόσφατα, το ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα (ΨΠ) έχει αναδειχθεί σαν μια αρκετά αποτελεσματική, ενεργειακά συμφέρουσα, ταχεία και πράσινη διεργασία προηγμένης οξείδωσης οργανικών ρύπων. Για την ανάπτυξη της καταλληλότερης μεθόδου απορρύπανσης του νερού που θα βασίζεται στο πλάσμα είναι σημαντικό να εξεταστούν συστηματικά και για διαφορετικές κατηγορίες ρύπων παράγοντες που επιδρούν καθοριστικά στην αποδόμηση των ρύπων. Τέτοιοι παράγοντες είναι οι λειτουργικές παράμετροι του ΨΠ καθώς επίσης και οι ιδιότητες του νερού που επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση της απορρύπανσης. Παράλληλα, ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση μιας κατάλληλης διαμόρφωσης αντιδραστήρα / γεωμετρίας ηλεκτροδίων πλάσματος καθορίζει τον τρόπο που αλληλοεπιδρούν τα δραστικά είδη πλάσματος με το ρύπο. Στην παρούσα Διατριβή, ο κύριος στόχος ήταν η ανάπτυξη και η εδραίωση καινοτόμων διατάξεων και προσεγγίσεων ΨΠ για την αποκατάσταση ρυπασμένου νερού και η ταυτόχρονη μελέτη των μηχανισμών που συμβάλλουν στην αποδόμηση οργανικών ρύπων και τη βελτιστοποίηση της διεργασίας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν αντιδραστήρες πλάσματος με διαφορετική γεωμετρία ηλεκτροδίων [αντιδραστήρες πλάσματος αερίου‐υγρού (εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος (DBD) και κορώνας) και μικροφυσαλίδων πλάσματος] που οδηγούνταν από τροφοδοτικό που παράγει νανοπαλμούς υψηλής τάσης. Για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών αποδόμησης των ρύπων και ενεργειακής απόδοσης της διεργασίας σε κάθε αντιδραστήρα πλάσματος, εξετάστηκαν τόσο οι λειτουργικές παράμετροι πλάσματος (πλάτος και συχνότητα του παλμού τάσης, αέριο πλάσματος, ροή αερίου, χρόνος επεξεργασίας) όσο και διαφορετικές ιδιότητες του νερού (υδατική μήτρα, συγκέντρωση ρύπου). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε συγκριτική ανάλυση των αντιδραστήρων αυτών τόσο ως προς την αποδόμηση διαφορετικών ρύπων στο νερό (χρωστικές και αντιβιοτικά) αλλά και ως προς τις ιδιότητες του επεξεργασμένου με πλάσμα νερού (plasma activated water). Παράλληλα, εξετάστηκε η αποδοτικότητα της διεργασίας στην επεξεργασία υδατικών διαλυμάτων που περιέχουν μείγματα ρύπων. Για την κατανόηση του μηχανισμού δράσης του πλάσματος και αποδόμησης των οργανικών ρύπων, προσδιορίστηκαν τα δραστικά είδη πλάσματος στην αέρια και την υδατική φάση και ο ρόλος τους στην αποδόμηση του εκάστοτε ρύπου. Επίσης, ανιχνεύθηκαν τα ενδιάμεσα προϊόντα που προκύπτουν από την οξείδωση των αρχικών ρύπων, ενώ προσδιορίστηκε και η τοξικότητα του νερού μετά την επεξεργασία με πλάσμα. Τέλος, διερευνήθηκε κατά πόσο, υπό τις βέλτιστες συνθήκες διαμόρφωσης ηλεκτροδίων και λειτουργικών παραμέτρων ΨΠ, η επεξεργασία θα μπορούσε να συνδυαστεί με παράγοντες ενίσχυσης της αποδόμησης (υπερθειϊκά και υπερανθρακικά άλατα). Η παρούσα ερευνητική προσπάθεια συμβάλει στην καθιέρωση μιας αποτελεσματικής και ενεργειακά αποδοτικής διεργασίας αποδόμησης οργανικών ρύπων σε υδατικά απόβλητα.