Το LIFE PureAgroH2O αποτελεί ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα προγράμματος που έχει ως κύριο αντικείμενο την πειραματική επίδειξη μιας πρωτοποριακής τεχνολογίας καθαρισμού νερού σε πραγματικό περιβάλλον, με απώτερο σκοπό την εμπορική της αξιοποίηση. Η τεχνολογία συνίσταται σε έναν προηγμένο αντιδραστήρα PNFR (Photocatalytc Nanofiltration Reactor (PNFR), Φωτοκαταλυτικός Αντιδραστήρας Νανοδιήθησης) που αξιοποιεί τα αποτελέσματα πρόσφατης ευρεσιτεχνίας των συνεργατών από το ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος” κάνοντας χρήση νέων φωτοκαταλυτικών μονόλιθων και προηγμένων φωτοκαταλυτικών υλικών που έχουν ενεργοποιηθεί στο ορατό φάσμα και ακινητοποιούνται με τη μέγιστη δυνατή σταθερότητα στην μήτρα πορωδών πολυμερικών ινών.
Η καινοτομία ενός τέτοιου αντιδραστήρα που επιτυγχάνει την εξάλειψη οργανικών ρύπων στην υδατική φάση, συνίσταται στον έξυπνο συνδυασμό (στο ίδιο κέλυφος αντιδραστήρα) δύο εκ’ των ποιο δραστικών διεργασιών για την απομάκρυνση φυτοφαρμάκων από νερό που έχει χρησιμοποιηθεί στην Αγρο-βιομηχανία, αυτών της Φωτοκατάλυσης και Νανοδιήθησης. Ο έξυπνος συνδυασμός επιτυγχάνει τη συνέργια μεταξύ των δύο διεργασιών με αποτέλεσμα την εντατικοποίηση της όλης διαδικασίας καθαρισμού, που με τη σειρά της καταλήγει σε μείωση των απαιτούμενων διαστάσεων του αντιδραστήρα (CAPEX) και στην συνεπακόλουθη μείωση του κόστους λειτουργίας (OPEX). Οι εταίροι του προγράμματος έχουν βάλει ως επιπλέον στόχο να εξασφαλίσουν την αυτόνομη λειτουργία της όλης διεργασίας και να διασφαλίσουν σταθερή απόδοση ανεξαρτήτως των περιβαλλοντικών συνθηκών (ηλιοφάνεια) και της σύστασης του ρεύματος τροφοδοσίας). Επιπρόσθετα θα διερευνηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα η δυνατότητα για περεταίρω εντατικοποίηση της διεργασίας (απόδοση απομάκρυνσης οργανικών και ανόργανων ρύπων +99.5%), μείωση της απαιτούμενης διαφοράς πίεσης στα άκρα της μεμβράνης κατά 60% και διπλασιασμό του χρόνου ζωής της διεργασίας, μέσω της ανάπτυξης μιας νέας γενιάς φωτοκαταλυτικών μονόλιθων νανοσωλήνων άνθρακα.
Κατά συνέπεια το LIFE PureAgroH2O είναι ένα μοναδικό στο είδος του πρόγραμμα αφού επιτυγχάνει την επίδειξη τεχνολογιών αιχμής στους τομείς του καθαρισμού νερού (φωτοκατάλυση-νανοδιήθηση), των προηγμένων υλικών (φωτοκαταλύτες ενεργοποιημένοι στο ορατό και μονόλιθοι νανοσωλήνων άνθρακα), της ακτινοβόλησης αντιδραστήρων (απομακρυσμένη ακτινοβόληση μέσω οπτικών ινών και διόδων εκπομπής φωτός υψηλής ισχύος), και της παροχής ισχύος (φωτοβολταϊκά και τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας) καθώς και την ολοκλήρωσή τους σε έναν εμπορικά αξιοποιήσιμο αντιδραστήρα PNFR.
To πρωτότυπο σύστημα μεγάλης κλίμακας θα παρέχει την δυνατότητα αυτόματου ελέγχου των λειτουργικών παραμέτρων της διεργασίας και καταγραφής δεδομένων και θα μπορεί να αξιοποιηθεί σε πληθώρα εμπορικών εφαρμογών όπως στην κατεργασία/καθαρισμό:
- των υδατικών αποβλήτων της βιομηχανίας φρούτων και λαχανικών
- του υδατικού απόβλητου που προκύπτει από τα πλυσίματα του, εξοπλισμού ψεκάσματος και των χρησιμοποιημένων σκευασμάτων γεωργικών φαρμάκων,
- του γκρίζου-νερού (αξιοποιήσιμου) από ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις και Δημόσια Κτήρια,
- των απορροών βιολογικών καθαρισμών για την εξάλειψη μη βιοαποικοδομίσιμων ενώσεων,
- του πόσιμου νερού για να αντιμετωπιστούν προβλήματα οσμής και γεύσης,
- της απορροής του χωνευτήρα αναερόβιας ζύμωσης στην παραγωγή βιοαερίου ώστε να ανακυκλωθεί το νερό.
Μέχρι στιγμής το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος έχει υλοποιήσει το σχεδιασμό, κατασκευή και λειτουργία ενός εργαστηριακού PNFR αντιδραστήρα ο οποίος καλύπτεται από Ευρωπαϊκό δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας. Ο αντιδραστήρας αυτός αξιολογήθηκε με την εφαρμογή μιας σειράς καινοτόμων φωτοκαταλυτικών μεμβρανών που αναπτύχθηκαν με διαφορετικές διαδικασίες όπως η τεχνική εναπόθεσης ατμών και η εμβάπτιση σε διάλυμα γέλης. Ταυτόχρονα εξετάστηκε και η φωτοκαταλυτική ικανότητα πληθώρας νέων ευαισθητοποιημένων στην περιοχή του ορατού φωτοκαταλυτών, οι οποίοι εφαρμόστηκαν στον αντιδραστήρα αφού ακινητοποιήθηκαν στην μήτρα πορωδών, πολυμερικών κοίλων ινών. Από τις μελέτες αυτές προέκυψε πληθώρα επιστημονικών άρθρων σε περιοδικά υψηλής απήχησης. Στις περισσότερες από τις εργασίες αυτές η μελέτη επικεντρώθηκε στη συνέργια μεταξύ φωτοκατάλυσης και νανοδιήθησης όπως επίσης και στην ενεργειακή απόδοση της όλης διεργασίας.
Για να επιτευχθεί ο στόχος του LIFE, που είναι η κλιμάκωση του υπάρχοντος αντιδραστήρα από μια παραγωγικότητα επεξεργασμένου νερού της τάξεως των 1.5 m³ /day στα 15 m³ /day, θα πρέπει να αντιμετωπιστεί η πρόκληση της επίτευξης δραστικής ακτινοβόλησης της πολλαπλάσιας φωτοκαταλυτικής επιφάνειας που εγκλείεται στο φωτοκαταλυτικό αντιδραστήρα μεμβράνης. Έτσι θα πρέπει να γίνουν σημαντικές αλλαγές και βελτιώσεις στη διάταξη των μονόλιθων και των ινών καθώς και στο σύστημα ακτινοβόλησης. Όλα αυτά, παρόλο που αποτελούν μια πρόκληση, είναι εφικτά καθώς αποτελούν αντικείμενο βασικού και λεπτομερούς σχεδιασμού, μιας και τα υλικά της διεργασίας είναι ήδη ανεπτυγμένα και βελτιστοποιημένα ως προς την διαχωριστική τους ικανότητα και την φωτοκαταλυτική τους απόδοση.
Σήμερα, οι περισσότεροι από τους φωτοκαταλυτικούς αντιδραστήρες παρουσιάζουν προβλήματα μη δραστικής ακτινοβόλησης και περιορισμένης μεταφορά μάζας. Αντίθετα το πρωτότυπο μικρής κλίμακας που βασίζεται στην ιδέα της φωτοκαταλυτικής νανοδιήθησης, όπως αυτή περιγράφεται στο Ευρωπαϊκό Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας EP 2 409 954 A1, έχει ήδη αποδείξει την αυξημένη αποδοτικότητά του στον καθαρισμό και παραγωγή καθαρού νερού, σε σχέση με τις τρέχουσες τεχνολογίες. Στο νέο σύστημα PNFR οι μονο-κάναλοι μονόλιθοι θα αντικατασταθούν από πολύ-κάναλους και ο φωτοκαταλύτης θα εναποτεθεί τόσο στην εξωτερική όσο και στην εσωτερική τους επιφάνεια. Για την ακτινοβόληση της εσωτερικής επιφάνειας και καθώς ο χώρος είναι περιορισμένος θα σχεδιαστεί και υλοποιηθεί ένας νέος τρόπος ακτινοβόλησης που βασίζεται σε οπτικές ίνες που ακτινοβολούνται στην άκρη τους και μεταδίδουν την ακτινοβολία από την παράπλευρη επιφάνειά τους. Σαν πηγή φωτός θα χρησιμοποιηθούν οπτικές δίοδοι υψηλής ισχύος καθώς και συγκεντρωμένο ηλιακό φώς.
Επιπρόσθετα η επιτυχής εναπόθεση νέων ευαισθητοποιημένων στο ορατό φωτοκαταλυτών στην εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια των μονολίθων καθώς και η ακινητοποίηση τους στην μήτρα πολυμερικών πορωδών ινών αναμένεται να επιφέρουν σημαντική μείωση του ενεργειακού κόστους της διεργασίας (μείωση της πτώσης πίεσης εκατέρωθεν των μονόλιθων και χρήση ηλιακού φωτός αντί πηγών LED).
Η υλοποίηση του αντιδραστήρα PNFR στην επεξεργασία υδατικών αποβλήτων της Αγρο-βιομηχανίας είναι πραγματικά μοναδική και δεν υπάρχει αντίστοιχα τέτοια εφαρμογή. Σήμερα, για να απομακρυνθούν από το νερό χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στην Αγρο-βιομηχανία, εφαρμόζεται η νανοδιήθηση με ικανότητα συγκράτησης 35-98%, εξαρτούμενης από το μέγεθος των μορίων. Εμπορικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας που έχουν αναφερθεί είναι ο συνδυασμός νανοδιήθησης και αντίστροφης όσμωσης χαμηλής πίεσης που επιτυγχάνει 100% συγκράτηση, πλην όμως με μεγάλο ενεργειακό κόστος ((Paris, France NF plant (140,000 m³ /day) and Saffron Walden, England NF plant (3,000 m³ /day)).