υλοποιηση

Τύποι εδαφών, ρύπων και προδιαγραφές επεξεργασίας

Επιλέγονται ορισμένοι τύποι εδαφών (π.χ. αμμώδη, αργιλώδη, λάσπες) ρυπασμένα με πραγματικούς οργανικούς ρύπους (π.χ. πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες, χλωριωμένοι διαλύτες, πετρελαιοειδή, φυτοφάρμακα, κλπ.) που είτε προέρχονται από διαρροή αποβλήτων ή αποτελούν υπολείμματα επεξεργασίας αποβλήτων. Η επεξεργασία των εδαφών θα γίνει σε προϋπάρχοντα αντιδραστήρα ΨΠ διαλείποντος έργου εργαστηριακής κλίμακας.

Ο αντιδραστήρας λειτουργεί με αέριο ατμοσφαιρικής πίεσης και σε χαμηλή θερμοκρασία πλάσματος και αποτελείται από έναν κυλινδρικό ιδιοσχεδιασμένο θάλαμο τύπου σταυρού, κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα 304L και στεγανοποιημένο κυρίως με χάλκινα δακτυλιοειδή στυπία. Τέσσερις σωλήνες με δακτυλιοειδείς φλάντζες στο ένα άκρο τους, συγκολλώνται συμμετρικά στο μέσο της περιφέρειας του θαλάμου ανά 90ο ως ανοίγματα παρατηρήσεων κι εγκατάστασης διαγνωστικών τεχνικών του πλάσματος. Το πολωμένο ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης (ΥΤ) είναι ένας κυκλικός δίσκος από ανοξείδωτο χάλυβα με 50 mm διάμετρο και πάχος 5 mm. Προκειμένου να δημιουργηθεί το διηλεκτρικό φράγμα της εκκένωσης, το ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης στεγάζεται σε ένα κυλινδρικό περίβλημα από χαλαζία και συνδέεται με το καλώδιο της υψηλής τάσης. Τα πλευρικά τοιχώματα του κυλίνδρου χαλαζία (διηλεκτρικού) έχουν πάχος 5 mm, ενώ το πάχος του πυθμένα είναι μόλις 2 mm σχηματίζοντας έτσι το διηλεκτρικό φράγμα της εκκένωσης. Το γειωμένο ηλεκτρόδιο είναι ένα πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα διαμέτρου 50 mm πάνω στο οποίο απλώνεται ομοιόμορφα το προς αποκατάσταση ρυπασμένο έδαφος, επιτρέποντας συγχρόνως τη ροή των απαερίων μέσω των κυψελίδων του (τού πλέγματος). Το πλέγμα είναι σταθερά τοποθετημένο σε έναν κοίλο κύλινδρο από κεραμικό Macor. Εδάφη διαφορετικού πάχους δύναται να εξετασθούν, συγκρατώντας αυτά πάνω στο πλέγμα με διαφορετικούς δακτυλίους Macor.

Ο εν λόγω αντιδραστήρας έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την αποκατάσταση άμμου που έχει ρυπανθεί ισχυρά από μίγμα αλκανίων υψηλού μοριακού βάρους16, και έχει αποδειχθεί η πλήρης απομάκρυνση (> 99.9 %) των παραπάνω ρύπων από το έδαφος σε πολύ μικρό χρόνο επεξεργασίας (~2 λεπτά) (Σχήμα 2β) με πολύ μικρή κατανάλωση ενέργειας ~6.0 kg-εδάφους/kWh, το οποίο μπορεί να μεταφραστεί από άποψη κόστους σε ~15€/τόνο-εδάφους . Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η απαιτούμενη ενέργεια κατά τη διάρκεια της απορρύπανσης με πλάσμα είναι περίπου 1-2 τάξεις μεγέθους μικρότερη από την απαιτούμενη για την απορρύπανση εδαφών με τη χρήση συμβατικών μεθόδων (π.χ. καύση, θερμική επεξεργασία, βιολογική αποκατάσταση) που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Επομένως, η χρήση πλάσματος παραγόμενου από εκκένωση διηλεκτρικού φράγματος μπορεί να αποτελέσει μια τεχνολογία πολύ χαμηλού κόστους για την απορρύπανση εδαφών. Αξίζει να αναφερθεί, ότι στα πλαίσια του 3ου Διαγωνισμού Εφαρμοσμένης Έρευνας και Καινοτομίας «Η Ελλάδα Καινοτομεί» που διοργάνωσε ο ΣΕΒ & η Eurobank το 2015, η παραπάνω εργασία απέσπασε το 2ο Βραβείο Εφαρμοσμένης Έρευνας (23/2/2016) (http://www.kainotomeis.gr/article.aspx?id=2228). Πρόσφατα, ο αντιδραστήρας ΨΠ διαλείποντος έργου χρησιμοποιήθηκε και για την απομάκρυνση του φυτοφαρμάκου Ατραζίνη από πυριτική άμμο και η απόδοση απορρύπανσης έφτασε το 90%

Προσδιορισμός βέλτιστων συνθηκών επεξεργασίας

Όλα τα πειράματα θα πραγματοποιηθούν στην πειραματική διάταξη που απεικονίζεται στο Σχήμα

Το πειραματικό σύστημα αποτελείται από τον μεταλλικό αντιδραστήρα εκκενώσεων διηλεκτρικού φράγματος κι ένα καταλλήλως προσαρμοσμένο τροφοδοτικό υψηλής τάσης, τα οποία θα εξασφαλίζουν συνεχή (έχουν πραγματοποιηθεί δοκιμές σε κλίμακα ωρών) παραγωγή ΨΠ σε αέρα ατμοσφαιρικής πίεσης. Μεταξύ των παραγόντων “κλειδιών” για την αποδοτικότητα του αντιδραστήρα και της διεργασίας, είναι ο σχεδιασμός των ηλεκτροδίων (επιλογή μορφής, υλικών, διαστάσεων κ.α.) καθώς κι η σχετική τοποθέτηση του εδάφους ως προς την εκκένωση και το πεδίο ροής του χρησιμοποιούμενου αέρα. Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η ασφάλεια του συστήματος για το χρήστη, έχει δοθεί ιδιαίτερη σημασία στον τρόπο διαφυγής των καυσαερίων από τον αντιδραστήρα. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, θα διοχετεύεται μέσα στον αντιδραστήρα αέριο υπό σταθερή παροχή, προκαθορισμένης από έναν ελεγκτή ροής μάζας Aalborg GFC17. Το αέριο θα εισέρχεται στον αντιδραστήρα μέσω τεσσάρων εισόδων που είναι συμμετρικά κατανεμημένες στο άνω σκέπασμα του αντιδραστήρα, ενώ η μοναδική έξοδος του αέρα θα πραγματοποιείται μέσω του πλέγματος που συγκρατεί το έδαφος και του ακροφυσίου εκροής (Σχήμα). Με αυτό τον τρόπο, ουδέτερα ενεργά σωματίδια αναγκάζονται να περάσουν μέσα από το έδαφος.

Η απόδοση της τεχνολογίας θα προσδιοριστεί από μετρήσεις της συγκέντρωσης του ρύπου που παραμένει στο έδαφος μετά την επεξεργασία με ΨΠ χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες χρωματογραφικές τεχνικές (π.χ. GC-MS, HPLC, GC-FID, GC-ECD). Επιπλέον, θα μετρηθεί η μείωση του συνολικού οργανικού φορτίου (TOC). Εκτός από την μείωση της συγκέντρωσης του αρχικού ρύπου, θα ανιχνεύονται τυχόν ενδιάμεσα προϊόντα λόγω επεξεργασίας ΨΠ μέσα στο έδαφος (οξειδωμένα μόρια, αποχλωρίωση, κλπ.). Επιπλέον, προκειμένου να αποτιμηθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της τεχνολογίας στον αέρα, η οξείδωση των οργανικών ρύπων θα παρακολουθείται κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μετρώντας τη συγκέντρωση CO / CO2 / VOCs στα αέρια εκροής του αντιδραστήρα καθώς και τα NOx. Οι βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας για κάθε κατηγορία ρύπου και για κάθε τύπου εδάφους θα προκύψουν ύστερα από την επανάληψη των πειραμάτων υπό διαφορετικές τιμές των παραμέτρων λειτουργίας του αντιδραστήρα (ένταση και κυματομορφή εφαρμοζόμενης τάσης, συχνότητα εκκενώσεων, χρόνος επεξεργασίας, καταναλισκόμενη ισχύς, τύπος και ροή αερίου, κλπ.), ώστε η απόδοση της οξείδωσης ΨΠ να μεγιστοποιείται και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα να ελαχιστοποιείται.  Τα αποτελέσματα θα παρουσιαστούν σε συνέδρια και θα δημοσιευτούν στα Πρακτικά τους. Επίσης θα υποβληθεί άρθρο για δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό υψηλής απήχησης.

Overview of the experiments

Σχεδιασμός και κατασκευή πρότυπου συστήματος

Βάσει των αποτελεσμάτων που θα προκύπτουν από τα πειράματα στον αντιδραστήρα ΨΠ διαλείποντος έργου, θα σχεδιαστεί και θα κατασκευαστεί εργαστηριακής-κλίμακας αντιδραστήρας / συστοιχία αντιδραστήρων ψυχρού πλάσματος συνεχούς/ημι-συνεχούς λειτουργίας (Εικόνα στα δεξιά). Ο εν λόγω αντιδραστήρας θα διατηρεί τις βασικές αρχές του αντιδραστήρα ΨΠ διαλείποντος έργου και ως εκ τούτου το πολωμένο ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης (ΥΤ) θα είναι από ανοξείδωτο χάλυβα, το διηλεκτρικό φράγμα της εκκένωσης στο κάτω μέρος του ηλεκτροδίου υψηλής τάσης θα είναι κατασκευασμένο από χαλαζία, ενώ το γειωμένο ηλεκτρόδιο θα είναι ένα πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα πάνω στο οποίο θα απλώνεται ομοιόμορφα το προς αποκατάσταση ρυπασμένο έδαφος, επιτρέποντας συγχρόνως τη ροή του εφαρμοζόμενου αερίου τόσο πάνω από την επιφάνεια του εδάφους, όσο και μέσω του εδάφους και των κυψελίδων του (τού πλέγματος).

Το ηλεκτρόδιο ΥΤ θα έχει τετραγωνικό σχήμα πάχους 5 mm και το μήκος κάθε πλευράς θα είναι περίπου 30 cm. Το πάχος του διηλεκτρικού από χαλαζία θα είναι 2 mm, ενώ το ηλεκτρόδιο γείωσης (πλέγμα) θα έχει αντίστοιχες διαστάσεις (30cm x 30cm) με το ηλεκτρόδιο ΥΤ. Το πλέγμα θα είναι προσαρμοσμένο σε 2 κυλίνδρους και θα παίζει το ρόλο ιμάντα που θα μπορεί να κινείται με τη βοήθεια μοτέρ. Με αυτό τον τρόπο, όταν ολοκληρώνεται η επεξεργασία μιας συγκεκριμένης ποσότητας εδάφους, η λειτουργία του ιμάντα-πλέγματος θα ενεργοποιείται και το επεξεργασμένο έδαφος θα μεταφέρεται σε δεξαμενή προκειμένου να συλλεχθεί και να αναλυθεί. Την ίδια χρονική στιγμή, ο ιμάντας-πλέγμα θα τροφοδοτείται, μέσω χωνιού προσαρμοσμένου στα τοιχώματα του αντιδραστήρα, με νέα ποσότητα ρυπασμένου εδάφους προς επεξεργασία. Βάσει των παραπάνω διαστάσεων των ηλεκτροδίων ΥΤ και γείωσης, και αν υποθέσουμε ότι (i) η κάθε ποσότητα ρυπασμένου εδάφους θα παραμένει μέσα στον αντιδραστήρα και θα υφίσταται επεξεργασία με ΨΠ επί 5-10 λεπτά και (ii) το πάχος εδάφους θα κυμαίνεται από 0.5-1 cm, η ικανότητα επεξεργασίας στον εν λόγω αντιδραστήρα θα είναι περίπου 10-20 kg/hr ρυπασμένου εδάφους.

decorative image

Δοκιμές λειτουργίας - βελτιστοποίηση απόδοσης

Περιγραφή

Pellentesque auctor neque nec urna. Suspendisse pulvinar, augue ac venenatis condimentum, sem libero volutpat nibh, nec pellentesque velit pede quis nunc. Proin faucibus arcu quis ante. Vivamus euismod mauris. Vestibulum turpis sem, aliquet eget, lobortis pellentesque, rutrum eu, nisl. Sed aliquam ultrices mauris.

Θα πραγματοποιηθούν δοκιμές σε εδάφη και λάσπες μεταβλητής σύστασης και προέλευσης με σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσης της μονάδας ΨΠ συνεχούς λειτουργίας. Τα εδάφη που θα χρησιμοποιηθούν (π.χ. αμμώδη, αργιλώδη, κλπ.) θα συλλεχθούν από περιοχές που αντιμετωπίζουν προβλήματα ρύπανσης από διάφορες κατηγορίες ρύπων (π.χ. πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες, χλωριωμένοι διαλύτες, πετρελαιοειδή, φυτοφάρμακα, κλπ.). Παραδείγματα από είδη λάσπης που θα δοκιμαστούν στον αντιδραστήρα ΨΠ συνεχούς/ημι-συνεχούς λειτουργίας θα μπορούσαν να είναι τα παρακάτω:
• λάσπη βιολογικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων πλούσιων σε πετρελαιοειδή
• λάσπη φυσικοχημικής επεξεργασίας υγρών βιομηχανικών αποβλήτων
• λάσπη γεώτρησης άντλησης υδρογονανθράκων

Από την ΕΜΕ-1.2 θα έχουν ήδη προσδιοριστεί οι βέλτιστες παράμετροι επεξεργασίας της μονάδας ΨΠ διαλείποντος έργου (π.χ. ένταση και κυματομορφή εφαρμοζόμενης τάσης, συχνότητα εκκενώσεων, χρόνος επεξεργασίας ανάλογα με το είδος του ρύπου, τύπος και ροή αερίου, κλπ.). Όλες αυτές οι παράμετροι θα χρησιμοποιηθούν σαν αρχικές παράμετροι επεξεργασίας στη μονάδα ΨΠ συνεχούς/ημι-συνεχούς λειτουργίας με δεδομένο ότι οι αποστάσεις μεταξύ των ηλεκτροδίων και το πάχος του εδάφους θα είναι τα ίδια όπως και στην περίπτωση του αντιδραστήρα διαλείποντος έργου. Στην συνέχεια θα πραγματοποιηθούν παραμετρικές μελέτες ώστε να εξεταστεί η επίδραση διαφόρων παραμέτρων (ρυθμός τροφοδοσίας εδάφους, τύπος εδάφους/λάσπης, είδος και συγκέντρωση ρύπου, κλπ.) στην απόδοση της επεξεργασίας στον αντιδραστήρα ΨΠ συνεχούς/ημι-συνεχούς λειτουργίας.

decorative image

Αυτοματοποίηση Αντιδραστήρα

Αφού ολοκληρωθεί η κατασκευή της μονάδας ΨΠ συνεχούς λειτουργίας και καθ’ όλη τη διάρκεια των δοκιμών/πειραμάτων που θα λαμβάνουν χώρα με σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσής της, θα πραγματοποιηθεί πλήρης αυτοματοποίηση όλων των επιμέρους τμημάτων της μονάδας ΨΠ συνεχούς/ημι-συνεχούς λειτουργίας. Η τροφοδοσία του εδάφους μέσα στον αντιδραστήρα και η ομοιόμορφη απόθεσή του πάνω στο πλέγμα σε προκαθορισμένο πάχος (0.5-1.0 cm) θα πραγματοποιείται αυτοματοποιημένα μετά το τέλος της επεξεργασίας της προηγούμενης ποσότητας ρυπασμένου εδάφους. Η ποσότητα που έχει ήδη επεξεργαστεί με ΨΠ θα καταλήγει στη δεξαμενή συλλογής για ανάλυση με αντίστοιχα αυτοματοποιημένο τρόπο. Οι αισθητήρες τάσης-ρεύματος θα δίνουν σήμα σε περίπτωση απόκλισης από τις προκαθορισμένες τιμές ώστε να ελέγχονται και να διορθώνονται αυτόματα οι σχετικές ηλεκτρικές παράμετροι της διεργασίας (ένταση και κυματομορφή εφαρμοζόμενης τάσης, ρεύμα και ισχύς). Με τον τρόπο αυτό η επεξεργασία θα πραγματοποιείται κάθε χρονική στιγμή πανομοιότυπα και η παραγωγή ΨΠ θα είναι ομοιόμορφη και σταθερή. Τέλος, θα αναπτυχθεί ένα ασύρματο σύστημα για την εξ’ αποστάσεως καταγραφή πειραματικών δεδομένων, παρακολούθηση και έλεγχο της πρότυπης μονάδας.

Τεχνοοικονομική μελέτη μεγάλης κλίμακας

Περιγραφή

Pellentesque auctor neque nec urna. Suspendisse pulvinar, augue ac venenatis condimentum, sem libero volutpat nibh, nec pellentesque velit pede quis nunc. Proin faucibus arcu quis ante. Vivamus euismod mauris. Vestibulum turpis sem, aliquet eget, lobortis pellentesque, rutrum eu, nisl. Sed aliquam ultrices mauris.

Βάσει των αποτελεσμάτων από τις εργαστηριακές δοκιμές στην μονάδα ΨΠ συνεχούς/ημι-συνεχούς λειτουργίας, θα σχεδιαστεί ένα πιλοτικό σύστημα επεξεργασίας εδαφών με ΨΠ  δυναμικότητας 500-1000 kg/hr. Θα πραγματοποιηθεί τεχνοοικονομική μελέτη ώστε να αποτιμηθεί η βιωσιμότητα της νέας τεχνολογίας σε μεγάλη κλίμακα. Επιγραμματικά, για την υλοποίηση της οικονομοτεχνικής μελέτης θα γίνουν οι εξής ενέργειες: 

  • Συγκέντρωση στοιχείων του φορέα επένδυσης. Στο πρώτο μέρος της μελέτης παρουσιάζεται η εμπειρία, η οικονομική επιφάνεια, οι οικονομι­κές δυνατότητες, οι διασυνδέσεις και ο ρόλο της επιχείρησης σε συνάρτηση με το προγραμματιζόμενο σχέδιο επένδυσης. Επιπλέον παρουσιάζεται το ιστορικό της επενδυτικής ιδέας και όλες οι σημαντικές ενέργειες που προηγήθηκαν για την οριστική επιλογή της πλέον ευκαιριακής επεν­δυτικής ιδέας. Τέλος αναφέρεται το είδος και το κόστος των διαφόρων μελετών (ανα­γνωριστική μελέτη, προμελέτη σκοπιμότητας, μελέτες υποστήρι­ξης κ.λ.π.) πάνω στις οποίες θα στηριχθεί η μελέτη.

Πρόγραμμα επενδύσεων . Στο δεύτερο μέρος της μελέτης παρουσιάζεται το φυσικό περιεχόμενο του επενδυτικού σχεδίου, το είδος των προϊόντων που θα παραχθούν ή των υπηρεσιών που θα προσφέρονται, οι απαιτούμενες εισροές (πρώτες, βοηθητικές και λοιπές ύλες), τα τεχνικά στοιχεία του επενδυτικού προγράμματος (δυναμικότητα παραγωγής, κλιμάκωση παραγωγής, αξιολόγηση προτεινόμενης τεχνολογίας, ενεργειακές και λοιπές επιπτώσεις του επενδυτικού σχεδίου) και κυρίως οι προοπτικές του προτεινόμενου επενδυτικού έργου.

  • Περιγράφεται η σκοπιμότητα της επένδυσης και τεκμηριώνεται η αναγκαιότητα της υλοποίησης. Επιπλέον προσδιορίζεται το κόστος των επιμέρους δαπανών της επένδυσης, το συνολικό κόστος του επενδυτικού έργου και κυρίως διερευνάται τη συνολική δυνατότητα/ εφικτότητα χρηματοδότησης της εξεταζόμενης επένδυσης αναζητώντας τις καλύτερες δυνατές – εφικτές χρηματοδοτικές πηγές του επενδυτικού έργου.
  • Έρευνα αγοράς. Στο τρίτο μέρος της μελέτης παρέχονται στοιχεία και πληροφορίες σχετικά με την αγορά και τον ανταγωνισμό (ανταγωνιστικές εταιρείες-ανταγωνιστικά προϊόντα). Παρουσιάζονται τα συγκριτικά πλεονεκτήματα της εξεταζόμενης μονάδας, η δυνητική αγορά και οι προοπτικές της.
  • Τέλος, υπολογίζεται ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης (IRR) του επενδυτικού σχεδίου επί του συνόλου των επενδυόμενων κεφαλαίων.

Προς το τέλος του έργου θα διοργανωθεί μια ημερίδα με θέμα τις καινοτόμες τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και διαχείρισης των ρύπων. Η Ημερίδα θα απευθύνεται κυρίως σε επιχειρήσεις που και δημόσιους φορείς εφαρμογής περιβαλλοντικών πολιτικών (Περιφέρειες, Δήμοι, Υπουργεία).