Βιομηχανικά ορυκτά δρουν ως καταλύτες για την απομάκρυνση φαρμακευτικών ενώσεων από το νερό

Η ενασχόλησή μου με τα βιομηχανικά ορυκτά ήρθε εντελώς τυχαία! Στο πλαίσιο της διπλωματικής μου εργασίας ξεκίνησα να ασχολούμαι με την απομάκρυνση οργανικών ρύπων από υγρά απόβλητα και συνέχισα στον ίδιο τομέα στη διδακτορική μου διατριβή.

Στην οικογένεια των υγρών αποβλήτων ήρθε να προστεθεί και αυτή των στερεών αποβλήτων όταν για την απομάκρυνση των ρύπων εστίασα στη μελέτη της διεργασίας του καταλυτικού οζονισμού. Στη διεργασία αυτή κάποια στερεά υλικά παίζουν το ρόλο του καταλύτη. Θα μπορούσα να πω ότι τότε «πρωτοσυστηθήκαμε» με τα βιομηχανικά ορυκτά σε επιστημονικό επίπεδο. 

Στις μέρες μας η ευρεία χρήση φαρμάκων έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση υπολλειμμάτων τους στους υδάτινους αποδέκτες, ένα φαινόμενο το οποίο βαίνει διαρκώς αυξανόμενο. Η απαγόρευση/περιορισμός της χρήσης φαρμακευτικών σκευασμάτων, όπως για παράδειγμα γίνεται με τα πλαστικά, δεν είναι ρεαλιστική λύση και επομένως, πρέπει να ληφθούν ειδικά μέτρα προκειμένου τα υπολλείμματα των φαρμακευτικών σκευασμάτων να μπορούν να απομακρυνθούν όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά από τους υδάτινους αποδέκτες.

Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων, αν και μπορούν να απομακρύνουν ένα ποσοστό των ενώσεων που περιέχουν τα φαρμακευτικά σκευάσματα, εν τούτοις δεν είναι σχεδιασμένες για τέτοιου είδους διεργασίες. Για το σκοπό αυτό έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια πιο ειδικές διεργασίες όπως οι Προχωρημένες Τεχνικές Οξείδωσης (Advanced Oxidation Processes, AOPs), οι οποίες λαμβάνουν χώρα σε θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος. Μια από αυτές τις διεργασίες είναι και ο καταλυτικός οζονισμός.

Καταλυτικός οζονισμός καλείται η διεργασία του οζονισμού, η οποία πραγματοποιείται με την προσθήκη ενός υλικού-καταλύτη, το οποίο μπορεί να αυξήσει τη διάσπαση του όζοντος προς ρίζες υδροξυλίου (hydroxyl radicals) οι οποίες είναι ισχυρά οξειδωτικές. Βασική επιδίωξη της διεργασίας είναι η οξείδωση των φαρμακευτικών ενώσεων σε CO₂ και νερό. Οι περισσότερες από αυτές τις ενώσεις είναι δύσκολα οξειδώσιμες και έχουν μικρή σταθερά αντίδρασης με το όζον. Επομένως, είναι απαραίτητη η προσθήκη ενός καταλύτη για την αύξηση της παραγωγής των ριζών υδροξυλίου, οι οποίες είναι πιο ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας από το ίδιο το όζον. 

Τα υλικά που έχουν δοκιμαστεί ως καταλύτες στη διεργασία του οζονισμού μπορούν να χωριστούν σε τέσσερεις βασικές κατηγορίες:

1. μεταλλικά οξείδια,
2. μέταλλα σε υποστρώματα,
3. βιομηχανικά ορυκτά,
4. άνθρακες.

Ο βασικός στόχος πολλών επιστημονικών ερευνών είναι η παραγωγή ενός στερεού με συγκεκριμένες ιδιότητες, οι οποίες έχει φανεί ότι καθορίζουν την καταλυτική δράση των υλικών στο πλαίσιο της διεργασίας. Έτσι οι έρευνες αυτές, ή εστιάζουν στην παραγωγή νέων υλικών ή τροποποιούν τα ήδη υπάρχοντα με φυσικές ή χημικές διεργασίες, π.χ. αλλάζοντας τη δομή τους ή εναποθέτοντας μέταλλα στην επιφάνειά τους.

Μέσω των μελετών αυτών έχουν δημιουργηθεί υλικά με πολύ υψηλή καταλυτική δράση που παρουσιάζουν υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης φαρμακευτικών ενώσεων από το νερό και φαντάζουν ιδανικοί υποψήφιοι για τη διεργασία του καταλυτικού οζονισμού. Στην πραγματικότητα όμως είναι;

Πολλές φορές η έρευνα μπορεί να σε παρασύρει θέτοντας ως βασικό στόχο την παραγωγή του καλύτερου υλικού από άποψη ιδιοτήτων και από άποψη απόδοσης. Αυτό ουσιαστικά όμως είναι «έρευνα για την έρευνα». Μπορεί βέβαια να σε βοηθήσει να κατανοήσεις καλύτερα το μηχανισμό της διεργασίας σου ή να εμβαθύνεις περισσότερο στην επιστήμη σου, αλλά δεν την κάνει απαραίτητα εφαρμόσιμη και κάποιες φορές, τολμώ να πω, ούτε απλά χρήσιμη. 

Τα περισσότερα από αυτά τα υλικά δε μπορούν να παραχθούν σε μεγάλες ποσότητες για να χρησιμοποιηθούν σε πλήρη κλίμακα ή είναι οικονομικά ασύμφορα. Επίσης, στις περιπτώσεις εναπόθεσης μετάλλων στην επιφάνεια κάποιων υλικών υπάρχει πάντα η πιθανότητα επιμόλυνσης του περιβάλλοντος μέσω έκπλυσης αυτών των μετάλλων.

Οπότε αντιστρέφοντας τη λογική αυτή, στην έρευνά μου χρησιμοποίησα οικονομικά και εμπορικά διαθέσιμα υλικά, αναζητώντας ένα αποδοτικό και ταυτόχρονα εφαρμόσιμο υλικό, διερευνώντας παράλληλα αναλυτικά το μηχανισμό της διεργασίας του καταλυτικού οζονισμού. Αξιολογήθηκε η καταλυτική δράση μια μεγάλης γκάμας υλικών (περίπου 30), από τα οποία περίπου τα δέκα ανήκαν στην κατηγορία των βιομηχανικών ορυκτών.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ευρείας χρήσης ορυκτά, όπως ο ζεόλιθος, ο τάλκης, ο ασβεστίτης και ο δολομίτης, μπορούν να δράσουν ως καταλύτες στη διεργασία του οζονισμού, να ενισχύσουν την οξειδωτική δράση του όζοντος και να διασπάσουν σε μεγάλο βαθμό ή πλήρως τις φαρμακευτικές ενώσεις απομακρύνοντάς τες με επιτυχία από τους υδάτινους αποδέκτες.

Ως βέλτιστο υλικό χαρακτηρίστηκε ο κλινοπτιλόλιθος (τύπος ζεολίθου), ο οποίος στις συνθήκες της αντίδρασης ήταν ουδέτερα φορτισμένος ευνοώντας την επαφή του όζοντος με την επιφάνειά του και επομένως τη διάσπασή του σε πιο ισχυρά οξειδωτικά είδη. Επίσης, από τη μελέτη φάνηκε ότι η θερμική επεξεργασία των ορυκτών έχει θετική επίδραση στην καταλυτική τους δράση.

Ο μηχανισμός της δράσης αφορά στην επαφή του όζοντος με την επιφάνεια του καταλύτη και τη συνεπακόλουθη διάσπασή του σε ρίζες υδροξυλίου η οποία ευνοείται από την ουδέτερη φόρτιση της επιφάνειας του στερεού υλικού. Ένα στερεό είναι ουδέτερα φορτισμένο όταν το σημείο του μηδενικού του φορτίου (pHpzc) είναι ίσο με την τιμή pH του διαλύματος. Επίσης, λόγω του ότι στη διεργασία το όζον χρησιμοποιείται διαλυτό στο νερό η προσρόφησή του στην επιφάνεια του καταλύτη ευνοείται από τον υψηλό βαθμό διαβροχής των υλικών. Ο συνδυασμός αυτών των δύο ιδιοτήτων ενισχύει τη διάσπαση του όζοντος και κατ’ επέκταση την απόδοση της διεργασίας.

Τα ορυκτά που αναφέρθηκαν προηγουμένως παρουσίασαν υψηλή καταλυτική δράση σε όλες τις πιθανές συνθήκες που συνήθως εντοπίζονται στις μονάδες επεξεργασίας νερού και αστικών αποβλήτων. Επίσης, παρουσίασαν υψηλές αποδόσεις στην απομάκρυνση μιας μεγάλης ποικιλίας φαρμακευτικών ενώσεων, οι οποίες διέθεταν διαφορετικές ιδιότητες και σταθερές αντίδρασης με το όζον.

Επομένως, τα υλικά αυτά κρίθηκαν κατάλληλα για χρήση σε εφαρμογές πλήρους κλίμακας για την αποικοδόμηση διαφόρων τύπων φαρμακευτικών ενώσεων. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα βιομηχανικά ορυκτά έναντι άλλων στερεών υλικών για τη συγκεκριμένη διεργασία είναι η σταθερότητά τους στις οξειδωτικές συνθήκες του όζοντος, η εμπορική τους διαθεσιμότητα και η έλλειψη τοξικότητας. Η χρήση τους μετατρέπει τον οζονισμό σε μια οικονομική διεργασία, φιλική προς το περιβάλλον, η οποία κινείται μέσα στο πλαίσιο της πράσινης ανάπτυξης. 

Η έρευνα που παρουσιάστηκε πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του έργου Cat-OzoN, το οποίο συγχρηματοδοτήθηκε από την Ε.Ε και εθνικούς πόρους μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία στο πλαίσιο της δράσης ΕΡΕΥΝΩ-ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ-ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ. Στο πρόγραμμα συμμετείχαν η ερευνητική ομάδα του καθ. Α. Ζουμπούλη του εργαστηρίου Χημικής και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας και η ερευνητική ομάδα του καθ. Μ. Μήτρακα του εργαστηρίου Αναλυτικής Χημείας του τμήματος Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ σε συνεργασία με την εταιρία ΑΚΤΩΡ. 

Η Δρ. Σαββίνα Ψάλτου γεννήθηκε το 1992 και αποφοίτησε το 2015 από το τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το 2017 ολοκλήρωσε με άριστα της μεταπτυχιακές της σπουδές στο πρόγραμμα «Χημικής και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας» του ιδίου τμήματος και τον Απρίλιο του 2022 αναγορεύτηκε διδάκτορας του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Κατά τη διάρκεια των σπουδών της αλλά και έως σήμερα συμμετέχει σε διάφορα ερευνητικά προγράμματα και έχει ερευνητική εμπειρία πάνω στις τεχνολογίες καθαρισμού νερού και υγρών αποβλήτων.