Αντικείμενο & στόχοι

Σε μια Μονάδα Βιοαερίου, το βιοαέριο (CH4 + CO2) σχηματίζεται από την αναερόβια χώνευση των αποβλήτων. Η αναερόβια χώνευση θεωρείται η καταλληλότερη οδός για την επεξεργασία των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων καθώς εκτός από τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου των αποβλήτων και την ανάκτηση ενέργειας, παράγεται χωνευμένο υπόλειμμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό. Στην Ελλάδα τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει σημαντικές επενδύσεις στον τομέα του βιοαερίου. Η τάση εγκατάστασης νέων μονάδων προβλέπεται να είναι αυξητική τα επόμενα χρόνια. Η τροφοδοσία των μονάδων περιλαμβάνει ζωικά υποπροϊόντα (ΖΥΠ) όπως υπολείμματα τροφίμων, απόβλητα τυροκομείων, ληγμένα προϊόντα κ.α. (υλικά κατηγορίας 3) ή/και ζωικά υποπροϊόντα και απόβλητα που δεν προορίζονταν ποτέ για ανθρώπινη κατανάλωση (κόπρος, απόβλητα εκτροφών και σφαγείων κ.α.) (υλικά κατηγορίας 2). Εάν χρησιμοποιείται κόπρος ή/και υλικά κατηγορίας 3, οι δεξαμενές βιοαερίου πρέπει να συμμορφώνονται με τους ευρωπαϊκούς κανονισμούς σχετικά με την ασφαλή επεξεργασία των ζωικών υποπροϊόντων ΕΕ (αριθ.) 1069/2009 και ΕΕ (αριθ.) 142/2011.

Οι κανονισμοί αφορούν κυρίως την εξάλειψη του κινδύνου διάδοσης των παθογόνων που συνδέονται με τη μεταφορά και τη διάθεση του χωνεμένου υπολείμματος. Για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική εξυγίανση του υπολείμματος πρέπει να εφαρμοστεί μία ελεγχόμενη μεθοδολογία στη διαδικασία επεξεργασίας. Ο κανονισμός για το ζωικά υποπροϊόντα έχει καθορίσει τυπικές παραμέτρους μετασχηματισμού που περιλαμβάνουν μια μονάδα παστερίωσης στην οποία το υλικό πρέπει να υποβληθεί σε ένα ελάχιστο εγγυημένο χρόνο παραμονής (ΕΕΧΠ) 1 ώρας στους 70°C με μέγεθος σωματιδίων ≤12mm. Η εφαρμογή μιας τέτοιας μονάδας υγιεινής είναι συχνά ανεπιθύμητη, καθώς έχει υψηλό επενδυτικό και ενεργειακό κόστος, υψηλό κόστος συντήρησης και χρήσης, θερμικές απώλειες και γενικά οδηγεί σε μείωση της συνολικής διαθεσιμότητας της εγκατάστασης λόγω αυξημένου κινδύνου λειτουργικής βλάβης. Επιπλέον, τα βακτήρια που σχηματίζουν σπόρια (π.χ. Bacillus spp. και Clostridium spp.) επιβιώνουν της παστερίωσης και της αναερόβιας χώνευσης αποτελώντας δυνητικούς κινδύνους μόλυνσης για τον άνθρωπο και τα ζώα. Άλλη μέθοδος που προτείνεται για την αποτελεσματική εξυγίανση πιο επιβαρυμένων τροφοδοσιών είναι η αποστείρωση στους 133°C για 20 λεπτά, η οποία είναι επίσης ασύμφορη.

Διαφαίνεται λοιπόν η ανάγκη ανάπτυξης και ενσωμάτωσης στη διεργασία, μεθόδων που είναι αποτελεσματικές στην εξάλειψη του κινδύνου, επαναλαμβανόμενες και φιλικές προς το περιβάλλον και προς την οικονομική βιωσιμότητα των μονάδων βιοαερίου. Σε αυτό το πλαίσιο εντάσσεται το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση των Προχωρημένων Διεργασιών Οξείδωσης (ΑΟP: Advanced Oxidation Processes). Μια από τις Προχωρημένες Διεργασίες Οξείδωσης που έχει απασχολήσει πλήθος ερευνών τις τελευταίες δεκαετίες είναι η φωτοκατάλυση.

Πρόκειται για την επιτάχυνση μιας φωτοαντίδρασης υπό την παρουσία καταλύτη, ο οποίος, χωρίς να καταναλώνεται, μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης προσφέροντας έναν εναλλακτικό μηχανισμό πραγματοποίησής της. Η φωτοκατάλυση διακρίνεται σε δυο τύπους, την ομογενή όπου ο καταλύτης βρίσκεται στην ίδια (υγρή) φάση με το εναιώρημα και την ετερογενή που περιλαμβάνει δυο διαφορετικές φάσεις.

Η χρήση των φωτοκαταλυτών ως πιθανών παραγόντων εξυγίανσης έχει μελετηθεί από τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Οι Matsunaga et al. ήταν μεταξύ των πρωτοπόρων που εκμεταλλεύτηκαν την χρήση του φωτοκαταλύτη, διοξειδίου του τιτανίου για την αδρανοποίηση βακτηρίων. Παρόμοια και άλλοι συμβατικοί και μη συμβατικοί καταλύτες αξιολογήθηκαν για την αντιμικροβιακή αποτελεσματικότητά τους. Η φωτοκατάλυση έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για να αντιμετωπίσει πολλές περιβαλλοντικές προκλήσεις που τίθενται στη σύγχρονη κοινωνία. Η χρήση του φωτός για να προκαλέσει αποικοδόμηση ως και πλήρης απομετάλλωση αποτελεί μια κερδοφόρα εναλλακτική πράσινη λύση.

Παρά τις αξιοσημείωτες τεχνολογικές εξελίξεις που παρατηρήθηκαν την τελευταία δεκαετία, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις και περιορισμοί που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Τα υπάρχοντα ερευνητικά δεδομένα δεν πληρούν τις προϋποθέσεις για διαδικασίες υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, βρίσκονται εν εξελίξει πολλές μελέτες που περιγράφουν λεπτομερώς δομικές και χημικές τροποποιήσεις των φωτοκαταλυτών για να πετύχουν βέλτιστο ενεργειακό χάσμα για χρήση ηλιακού φωτός και μελέτες προς αναζήτηση νέων φωτοκαταλυτών χαμηλού ενεργειακού χάσματος και χαμηλών συχνοτήτων.

Στην περίπτωση του τιτανίου, που χρησιμοποιείται ευρύτατα για την επαγωγή σειράς αναγωγικών και οξειδωτικών αντιδράσεων στην επιφάνειά του λόγω του μοναδικού ηλεκτρονίου του εξωτερικού του τροχιακού, το ενεργειακό χάσμα είναι 3.2eV. Όταν πάνω στην επιφάνεια του καταλύτη φθάσει ενέργεια φωτονίου (hv) ίση η μεγαλύτερη από την ενέργεια χάσματος, το μοναδικό ηλεκτρόνιο σθένους θα διεγερθεί από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Στο σχήμα παρουσιάζεται ο μηχανισμός. Την τελευταία δεκαετία τροποποιούνται χημικά και μορφολογικά νέοι φωτοκαταλύτες χρησιμοποιώντας διάφορες κατηγορίες νανοϋλικών με στόχο την αυξημένη παραγωγή ριζών και την ενεργοποίησή τους με χρήση ακτινοβολίας ορατού φωτός (ηλιακή).