«Από την αντίδραση στη βιωσιμότητα: Η συμβολή των καταλυτών στο περιβάλλον»

της Παρασκευής Χαλάτση-Διαμάντη

Στη φύση, πολλές χημικές και βιολογικές διεργασίες απαιτούν τη συμμετοχή ενός «επιταχυντή» για την αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης ή ακόμη και για την ολοκλήρωσή της. Στις βιολογικές διεργασίες των έμβιων οργανισμών, τα ένζυμα ενεργούν με αυτόν τον ρόλο διευκολύνοντας την μετατροπή των βιομορίων σε άλλες χημικές μορφές με υψηλή επιλεκτικότητα και ταχύτητα [1]. Με παρόμοιο τρόπο, στις χημικές διεργασίες εκτός των έμβιων οργανισμών, οι καταλύτες επιταχύνουν τις αντιδράσεις, χωρίς να καταναλώνονται ή να αλλοιώνονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Στη σύγχρονη χημική βιομηχανία, η ανάπτυξη νέων καταλυτικών υλικών έχει καταστήσει δυνατή την αύξηση της αποδοτικότητας και τη μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων, δεδομένου ότι οι καταλύτες μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν σε επαναλαμβανόμενες διεργασίες, μειώνοντας έτσι τη σπατάλη πόρων και ενέργειας [2].

Η εφαρμογή τους, ωστόσο, δεν περιορίζεται στις βιομηχανικές διαδικασίες, καθώς οι καταλύτες ενσωματώνονται σε πλήθος τεχνολογιών, από την απορρύπανση μέχρι και την παραγωγή καυσίμων/ενέργειας έως και την ενίσχυση της βιωσιμότητας [3]. Και σε αυτό το σημείο εγείρονται τα ερωτήματα: Τι ακριβώς είναι οι καταλύτες, ποιες οι περιβαλλοντικές τους εφαρμογές και ποιος είναι ο άμεσος ή έμμεσος αντίκτυπός τους στο περιβάλλον;

Οι καταλύτες είναι χημικές ουσίες ή μόρια που παρέχουν ένα εναλλακτικό μονοπάτι αντίδρασης για τα μόρια της επιθυμητής αντίδρασης, μειώνοντας τις ενεργειακές απαιτήσεις και αυξάνοντας την ταχύτητα (κινητική) της αντίδρασης [2]. Υπάρχουν διάφορα είδη καταλυτών, τα οποία κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με:

• τη φάση στην οποία βρίσκονται  οι ομογενείς καταλύτες συνυπάρχουν στην ίδια φάση με τα αντιδρώντα, ενώ οι ετερογενείς βρίσκονται σε διαφορετική φάση, συνήθως στερεοί σε επαφή με αέρια ή υγρά αντιδρώντα [4].

• τον μηχανισμό δράσης τους  π.χ. οι φωτοκαταλύτες που ενεργοποιούνται από φωτεινή ακτινοβολία (ορατή ή μη), οι βιοκαταλύτες, που επιτρέπουν μέσω ενζύμων την επιτάχυνση της αντίδρασης (γνωστή και ως ενζυματική κατάλυση), οι ηλεκτροκαταλύτες, που πραγματοποιούν στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου την αντίδραση των αντιδρώντων που βρίσκονται σε διάλυμα ηλεκτρολυτών κ.α. [5][6].

• τα υλικά-στοιχεία από τα οποία αποτελούνται  μεταλλικούς-στοιχειακούς (π.χ. Pt, Pd), οξείδια (π.χ. TiO₂, SiO₂,ZnO₂, Al₂O₃), πυριτικά/αλουμινοπυριτικά υλικά, οργανομεταλλικά σύμπλοκα, ετεροσυζεύξεις, πρωτεϊνικές ενώσεις (ένζυμα), οργανοκαταλύτες κ.α. [7] [8].

  
  

Στον τομέα των περιβαλλοντικών εφαρμογών, οι καταλύτες χρησιμοποιούνται κυρίως στην φωτοκατάλυση, ηλεκτροκατάλυση και βιοκατάλυση και διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη μείωση της ρύπανσης, στην προώθηση της βιωσιμότητας και στην ενίσχυση της κυκλικής οικονομίας. Στην αυτοκινητοβιομηχανία, οι καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούν εξειδικευμένους καταλύτες για τη μετατροπή επιβλαβών αερίων, όπως οι υδρογονάνθρακες, το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και τα οξείδια του αζώτου (NOₓ), σε λιγότερο τοξικές ενώσεις, όπως διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο και νερό [9]. Ενώ στη βιομηχανία εφαρμόζονται σε διεργασίες επεξεργασίας αερίων και υγρών αποβλήτων, μειώνοντας τις εκπομπές ρύπων, περιορίζοντας τα κόστη παραγωγής και αυξάνοντας την ενεργειακή αποδοτικότητα [3].

Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα επικεντρώνεται ιδιαίτερα στη χρήση καταλυτών για την απορρύπανση νερού, μιας και συμβάλλουν στην αποδόμηση τοξικών και επίμονων οργανικών ενώσεων, στη δέσμευση βαρέων μετάλλων και στην καταστροφή μικροβιολογικών ρύπων μέσω οξειδωτικών ή φωτοκαταλυτικών διεργασιών με χρήση φωτεινής ακτινοβολίας [7]. Επιπλέον συνδυασμένες τεχνικές και υλικά χρησιμοποιούνται για την βελτιστοποίηση της δράσης των ήδη εφαρμοσμένων καταλυτών με σκοπό την εφαρμογή σε μεγάλης κλίμακας απορρύπανση νερού [10]. Τέτοιες τεχνολογίες επιτρέπουν την ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση του νερού, μειώνοντας την εξάρτηση από νέους φυσικούς πόρους και περιορίζοντας σημαντικά την περιβαλλοντική επιβάρυνση [3].

Απλοποιημένο σύστημα ετερογενής UV φωτοκατάλυσης για απορρύπανση νερού από αντιβιοτικά.

Ο άμεσος περιβαλλοντικός αντίκτυπος της χρήσης των καταλυτών, όπως προαναφέρθηκε,  περιλαμβάνει τη μείωση των εκπομπών τοξικών ουσιών και την εξοικονόμηση ενέργειας μέσω πιο αποδοτικών χημικών διεργασιών [11]. Όμως, έμμεσα η χρήση τους συμβάλλει επίσης:

• στην εξοικονόμηση πρώτων υλών και στη βέλτιστη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων, ενισχύοντας μια πιο βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον βιομηχανική πρακτική [12].

• στη μείωση της παραγωγής αποβλήτων και στην αξιοποίηση αυτών ως πρώτων υλών για την παραγωγή ενέργειας ή καυσίμων, καθώς πολλές βιομηχανικές διεργασίες μπορούν πλέον να μετατρέπουν υποπροϊόντα, προϊόντα και βιομηχανικά απόβλητα σε χρήσιμες ουσίες με τη χρήση καταλυτών [13].

  
  

Συμπερασματικά, οι καταλύτες συνιστούν κρίσιμο παράγοντα για την ενίσχυση της αειφορίας και τη βελτιστοποίηση περιβαλλοντικών διεργασιών. Η εφαρμογή τους σε βιομηχανικά συστήματα και στην επεξεργασία αποβλήτων μειώνει τις εκπομπές ρυπογόνων ουσιών, περιορίζει την κατανάλωση ενέργειας και πρώτων υλών και υποστηρίζει την αποδοτική απομάκρυνση τοξικών ρύπων, ιδιαίτερα από τα υδάτινα συστήματα. Ως εκ τούτου, αποτελούν θεμελιώδη τεχνολογική συνιστώσα για την ανάπτυξη καθαρών ενεργειακών εφαρμογών και διαδικασιών κυκλικής οικονομίας, συμβάλλοντας συνολικά στη μακροπρόθεσμη περιβαλλοντική βιωσιμότητα.

Πηγές

[1] Chapman, J., Ismail, A. E., & Dinu, C. Z. (2018). Industrial Applications of Enzymes: Recent advances, techniques, and outlooks. Catalysts, 8(6), 238. https://doi.org/10.3390/catal8060238

[2] De Vries, J. G., & Jackson, S. D. (2012). Homogeneous and heterogeneous catalysis in industry. Catalysis Science & Technology, 2(10), 2009. https://doi.org/10.1039/c2cy90039d

[3] Rodríguez‐Padrón, D., Puente‐Santiago, A. R., Balu, A. M., Muñoz‐Batista, M. J., & Luque, R. (2018). Environmental catalysis: present and future. ChemCatChem, 11(1), 18–38. https://doi.org/10.1002/cctc.201801248

[4] Poovan, F., Chandrashekhar, V. G., Natte, K., & Jagadeesh, R. V. (2022). Synergy between homogeneous and heterogeneous catalysis. Catalysis Science & Technology, 12(22), 6623–6649. https://doi.org/10.1039/d2cy00232a

[5] Osman, A. I., Elgarahy, A. M., Eltaweil, A. S., El-Monaem, E. M. A., El-Aqapa, H. G., Park, Y., Hwang, Y., Ayati, A., Farghali, M., Ihara, I., Al-Muhtaseb, A. H., Rooney, D. W., Yap, P., & Sillanpää, M. (2023). Biofuel production, hydrogen production and water remediation by photocatalysis, biocatalysis and electrocatalysis. Environmental Chemistry Letters, 21(3), 1315–1379. https://doi.org/10.1007/s10311-023-01581-7

[6] Guajardo, N., & De María, P. D. (2019). Continuous Biocatalysis in Environmentally‐Friendly Media: a triple synergy for future sustainable processes. ChemCatChem, 11(14), 3128–3137. https://doi.org/10.1002/cctc.201900773

[7] Chalatsi-Diamanti, P., Isari, E. A., Grilla, E., Kokkinos, P., & Kalavrouziotis, I. K. (2025). Recent prospects, challenges and advancements of photocatalysis as a wastewater treatment method. Water Emerging Contaminants & Nanoplastics, 4(2). https://doi.org/10.20517/wecn.2025.03

[8] Saravanan, A., Kumar, P. S., Vo, D. N., Jeevanantham, S., Karishma, S., & Yaashikaa, P. (2021). A review on catalytic-enzyme degradation of toxic environmental pollutants: Microbial enzymes. Journal of Hazardous Materials, 419, 126451. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126451

[9] Kritsanaviparkporn, E., Baena-Moreno, F. M., & Reina, T. R. (2021). Catalytic Converters for Vehicle Exhaust: Fundamental aspects and technology Overview for newcomers to the field. Chemistry, 3(2), 630–646. https://doi.org/10.3390/chemistry3020044

[10] Liu, J., Burciaga, R., Tang, S., Ding, S., Ran, H., Zhao, W., Wang, G., Zhuang, Z., Xie, L., Lyu, Z., Lin, Y., Du, A., Yuan, A., Fu, J., Song, B., Zhu, J., Sun, Z., Jin, X., Huo, Z., . . . Zhu, W. (2024). Heterogeneous catalysis for the environment. The Innovation Materials, 2(3), 100090. https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100090

[11] Han, L., Wang, X., Wang, F., Shen, Y., Zhang, H., Hu, W., Gao, M., Wu, Y. A., Xie, M., Chen, J., & Zhang, D. (2025). Environmental catalysis for NOx reduction by manipulating the dynamic coordination environment of active sites. Environmental Science & Technology, 59(4), 2306–2316. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11440

[12] Fechete, I., Wang, Y., & Védrine, J. C. (2012). The past, present and future of heterogeneous catalysis. Catalysis Today, 189(1), 2–27. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2012.04.003

[13] Devarajan, B., Saravanakumar, R., Sivalingam, S., Bhuvaneswari, V., Karimi, F., & Rajeshkumar, L. (2021). Catalyst derived from wastes for biofuel production: a critical review and patent landscape analysis. Applied Nanoscience, 12(12), 3677–3701. https://doi.org/10.1007/s13204-021-01948-8