Απορρύπανση Νερού: Φωτοκατάλυση και Συνδυασμένες Τεχνολογίες

της Παρασκευής Χαλάτση-Διαμάντη

Η εξέλιξη των προηγμένων διεργασιών επεξεργασίας υγρών αποβλήτων μέσω συνδυαστικών τεχνολογιών έχει αναδειχθεί ως μία από τις πλέον ελπιδοφόρες προσεγγίσεις για την ενίσχυση της διαχείρισης των υγρών αποβλήτων. Τα τελευταία χρόνια, ερευνητικές μελέτες καταδεικνύουν ότι ο συνδυασμός προηγμένων οξειδωτικών επεξεργασιών (AOPs, όπως η φωτοκατάλυση, ηλεκτροκατάλυση κτλ.), φυσικοχημικών μεθόδων και βιολογικών διεργασιών μπορεί να υπερβεί τους περιορισμούς των επιμέρους τεχνικών, να ενισχύσει τη συνολική αποδοτικότητα και να επιτρέψει ταυτόχρονη παραγωγή ή ανάκτηση ενέργειας [1].

Στο πλαίσιο αυτό, η φωτοκατάλυση αποτελεί μία από τις βασικότερες κατευθύνσεις της σύγχρονης περιβαλλοντικής τεχνολογίας, γύρω από την οποία αναπτύσσονται πληθώρα υβριδικών συστημάτων απομάκρυνσης ρύπων από το νερό. Παρακάτω παρουσιάζονται ενδεικτικές διεργασίες που συνδυάζονται με τη φωτοκατάλυση είτε ταυτόχρονα είτε διαδοχικά είτε μέσω τροποποίησης των ίδιων των φωτοκαταλυτών, αυξάνοντας την απόδοση αποικοδόμησης των ρύπων [2]. Ωστόσο, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι πιλοτικά επίσης έχουν χρησιμοποιηθεί και άλλες μέθοδοι όπως μαγνητικές, μικροκύματα, πλάσμα κτλ.

1.     Η ενσωμάτωση μικροφυκών σε φωτοκαταλυτικά συστήματα αποτελεί μία οικονομική, φιλική προς το περιβάλλον και αειφορική στρατηγική. Τα μικροφύκη παράγουν οξυγόνο, προωθώντας τον σχηματισμό δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS)* ενισχύοντας τη φωτοκατάλυση, ενώ παράλληλα απορροφούν θρεπτικά συστατικά και μειώνουν την τοξικότητα [3]. Ανάλογα με το είδος των μικροφυκών, η παραγόμενη βιομάζα και οι χρωστικές ουσίες τους μπορούν να αξιοποιηθούν εμπορικά, μειώνοντας το συνολικό κόστος του συστήματος. Όταν οι δύο διεργασίες εφαρμόζονται διαδοχικά, έχει παρατηρηθεί σημαντική αύξηση της αποδόμησης φαρμακευτικών ουσιών και βαρέων μετάλλων, με αποδόσεις αυξημένες κατά 7–20% έναντι των μεμονωμένων μεθόδων [4][5].

2.     Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει και η ηχοφωτοκατάλυση (sonophotocatalysis), όπου ο συνδυασμός υπερήχων και φωτός ενισχύει τη δημιουργία ROS, τη μεταφορά μάζας και περιορίζει την απενεργοποίηση των φωτοκαταλυτών [6]. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι ο χρόνος πλήρους αποδόμησης οργανικών ρύπων μπορεί να μειωθεί έως και κατά 75% σε σύγκριση με τη μεμονωμένη φωτοκατάλυση [7]. Παρά το αυξημένο ενεργειακό κόστος, η ανάπτυξη νέων χαμηλού κόστους αντιδραστήρων έχει βελτιώσει σημαντικά τη βιωσιμότητα της τεχνολογίας, επιτυγχάνοντας κόστος επεξεργασίας κάτω από 0,001¢ ανά mg ρύπου [8].

3.     Μερικά από τα εμπόδια που αντιμετωπίζει ένα φωτοκαταλυτικό σύστημα, μπορούν επίσης να παρακαμφθούν με την συνδυαστική χρήση κάποιας άλλης οξειδωτικής διεργασίας, όπως η οζονόλυση, καθώς και οι αντιδράσεις Fenton και photo-Fenton:

• Η φωτοκαταλυτική οζονόλυση έχει αποδειχθεί σημαντικά αποτελεσματική, καθώς ενισχύει τη μεταφορά μάζας και αυξάνει τη συγκέντρωση των υδροξυλικών ριζών (•OH). Ενδεικτικά, η χρήση συστήματος φωτοκαταλυτικής οζονόλυσης οδήγησε σε 95,8 φορές ταχύτερη αποικοδόμηση οξαλικού οξέος μέσω γραφιτικού άνθρακα (g-C₃N₄) ενεργοποιούμενου με ορατό φως, σε σχέση με το άθροισμα των δυο διεργασιών ξεχωριστά [9]. Αντίστοιχα, μελέτες με TiO₂ καταδεικνύουν ότι η φωτοκαταλυτική οζονόλυση αυξάνει τον ρυθμό οξείδωσης οργανικών ενώσεων κατά περίπου 25%, με περιορισμένη επίδραση από τη σύσταση του υγρού αποβλήτου [10].

  
  

• Η σύζευξη φωτοκατάλυσης με τη διεργασία photo-Fenton διευκολύνει την αναγέννηση των καταλυτών, επιτρέπει λειτουργία σε ευρύτερο εύρος pH και ενισχύει σημαντικά τη συνολική οξειδωτική ικανότητα. Για παράδειγμα, σε απόβλητα διυλιστηρίων πετρελαίου, η συνδυαστική τεχνολογία αύξησε την απομάκρυνση οργανικού φορτίου από 68% σε  91% [11]. Επιπλέον, υβριδικά συστήματα τύπου photocatalytic fuel cell (PFC) έχουν αποδειχθεί ικανά να συνδυάζουν την οξείδωση οργανικών ρύπων με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [12].

  
  

4.     Η συνδυαστική εφαρμογή τεχνητών υγροβιοτόπων (constructed wetlands) με φωτοκατάλυση έχει επίσης αναδειχθεί ως ιδιαίτερα βιώσιμη και οικονομική προσέγγιση φυσικής (βιολογικής) φωτοκαταλυτικής επεξεργασίας. Οι υγροβιότοποι επιτυγχάνουν υψηλή απομάκρυνση ενδοκυτταρικών γονιδίων αντοχής, ενώ η φωτοκατάλυση στοχεύει στα εξωκυτταρικά, οδηγώντας συνολικά σε αποδόσεις έως 99,8%, σημαντικά υψηλότερες από τις μεμονωμένες τεχνικές [13].

5.     Η ρόφηση των ρύπων στην επιφάνεια του φωτοκαταλύτη αποτελεί καθοριστικό στάδιο για την αποτελεσματική αποδόμησή τους, καθώς μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια οδηγεί σε αυξημένο ρυθμό αντίδρασης. Μία βιώσιμη μέθοδος ενίσχυσης της προσρόφησης είναι η χρήση biochar ως υποστρώματος για τον φωτοκαταλύτη, λόγω χαμηλού κόστους και υψηλής πορώδους δομής. Συνθετικά νανοϋλικά με υπόστρωμα biochar, όπως το ACB–K–g-C₃N₄ έχουν αυξημένη αποδοτικότητα στην αποικοδόμηση οργανικών ρύπων (>90%) [14].

Επιπρόσθετα, η ανάπτυξη νέων φωτοκαταλυτικών μεμβρανών (ο καταλύτης βρίσκεται πάνω στη μεμβράνη ή είναι η ίδια η μεμβράνη) έχει επίσης βελτιώσει σημαντικά την απόδοση συστημάτων που συνδυάζουν προσρόφηση, οζονόλυση και φωτοκατάλυση, επιτυγχάνοντας αποικοδόμηση άνω του 97% σε χρωμογόνα και οργανικά απόβλητα [15].

Συνολικά, ο συνδυασμός της φωτοκατάλυσης με μεμβράνες, biochar, ηλεκτροχημικές διεργασίες, αντιδράσεις Fentonκαι βιολογικές μεθόδους παρουσιάζει σημαντική δυναμική για την επεξεργασία αποβλήτων, προσφέροντας συνεργιστικά οφέλη, υψηλούς ρυθμούς οξείδωσης και ευρύ φάσμα απομάκρυνσης ρύπων. Παρότι οι τεχνολογίες αυτές χαρακτηρίζονται από υψηλό αρχικό κόστος, αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις και προβλήματα, όπως η έμφραξη των μεμβρανών και η απενεργοποίηση των φωτοκαταλυτών, η χρήση ηλιακά ενεργοποιούμενων καταλυτών και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων λειτουργίας των διατάξεων μπορούν να μειώσουν αρκετά το συνολικό κόστος, ώστε να είναι θελκτική η εφαρμογή τους [2].

*ROS (Reactive Oxygen Species): Δημιουργούν κενά οξυγόνου στην επιφάνεια του καταλύτη, τα οποία λειτουργούν ως ενεργές θέσεις για την προσρόφηση και την αντίδραση άλλων μορίων. Παραδείγματα ROS είναι η ρίζα υδροξυλίου (∙𝑂𝐻), η ρίζα υπεροξειδίου κ.α.

Πηγές

[1] 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. (2023b). 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

[2] 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

[3] Serrà, A., Gómez, E., Michler, J., & Philippe, L. (2020). Facile cost-effective fabrication of Cu@Cu2O@CuO–microalgae photocatalyst with enhanced visible light degradation of tetracycline. Chemical Engineering Journal, 413, 127477. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127477

[4] Li, C., Tian, Q., Zhang, Y., Li, Y., Yang, X., Zheng, H., Chen, L., & Li, F. (2021). Sequential combination of photocatalysis and microalgae technology for promoting the degradation and detoxification of typical antibiotics. Water Research, 210, 117985. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117985

[5] Lu, Z., Xu, Y., Peng, L., Liang, C., Liu, Y., & Ni, B. (2022). A two-stage degradation coupling photocatalysis to microalgae enhances the mineralization of enrofloxacin. Chemosphere, 293, 133523. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133523

[6] Wang, G., & Cheng, H. (2023). Application of photocatalysis and sonocatalysis for treatment of organic dye wastewater and the synergistic effect of ultrasound and light. Molecules, 28(9), 3706. https://doi.org/10.3390/molecules28093706

[7] Schieppati, D., Galli, F., Peyot, M., Yargeau, V., Bianchi, C., & Boffito, D. (2019). An ultrasound-assisted photocatalytic treatment to remove an herbicidal pollutant from wastewaters. Ultrasonics Sonochemistry, 54, 302–310. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.01.027

[8] Khalegh, R., & Qaderi, F. (2019). Optimization of the effect of nanoparticle morphologies on the cost of dye wastewater treatment via ultrasonic/photocatalytic hybrid process. Applied Nanoscience, 9(8), 1869–1889. https://doi.org/10.1007/s13204-019-00984-9

[9] Xiao, J., Xie, Y., Rabeah, J., Brückner, A., & Cao, H. (2020). Visible-Light photocatalytic ozonation using graphitic C3N4 catalysts: a hydroxyl radical manufacturer for wastewater treatment. Accounts of Chemical Research, 53(5), 1024–1033. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00624

[10] Rodríguez, E. M., Rey, A., Mena, E., & Beltrán, F. J. (2019). Application of solar photocatalytic ozonation in water treatment using supported TiO2. Applied Catalysis B: Environmental, 254, 237–245. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.04.095

[11] Jiad, M. M., & Abbar, A. H. (2023). Petroleum refinery wastewater treatment using a novel combined electro-Fenton and photocatalytic process. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 129, 634–655. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2023.09.018

[12] Xu, P., Xu, H., & Zheng, D. (2019). Simultaneous electricity generation and wastewater treatment in a photocatalytic fuel cell integrating electro-Fenton process. Journal of Power Sources, 421, 156–161. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.03.033

[13] Chen, P., Yu, X., Zhang, J., & Wang, Y. (2023). New and traditional methods for antibiotic resistance genes removal: Constructed wetland technology and photocatalysis technology. Frontiers in Microbiology, 13, 1110793. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.1110793

[14] Wang, T., Zheng, J., Cai, J., Liu, Q., & Zhang, X. (2022). Visible-light-driven photocatalytic degradation of dye and antibiotics by activated biochar composited with K+ doped g-C3N4: Effects, mechanisms, actual wastewater treatment and disinfection. The Science of the Total Environment, 839, 155955. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155955

[15] Kusworo, T. D., Purwanto, P., Jos, B., Budiyono, B., Astuti, D. a. P., Inamullah, A. M. A., & Dalanta, F. (2024). Photocatalytic nanohybrid UV-light-driven PVDF/GO-NiFe@SiO2 membrane coupled with bentonite adsorption and ozonation process for a sustainable textile wastewater treatment. Process Safety and Environmental Protection, 190, 438–457. https://doi.org/10.1016/j.psep.2024.08.048