Method Article

双曲涡流等离子体反应器去除水中微污染物的实施

DOI:

10.3791/68572

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July 25th, 2025

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1Wetsus - Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, 2Department of Electrical Engineering, Electrical Energy Systems group, Eindhoven University of Technology, 3Optical Sciences Group, Faculty of Science and Technology (TNW), University of Twente, 4Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology, 5Water Technology Research Group, NHL Stenden University of Applied Sciences

In This Article

Summary

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本研究提出了在双曲涡流等离子体反应器内产生六种不同类型的等离子体放电的方法，用于降解水中的微污染物，包括药物以及全氟烷基物质和多氟烷基物质 （PFAS）。

Abstract

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水中微污染物的存在是一个日益紧迫的环境问题。虽然一些微污染物很容易生物降解，但其他微污染物，如全氟烷基物质和多氟烷基物质 （PFAS），具有极强的持久性，并且对传统的水处理技术具有抵抗力。几十年来，人们一直在研究基于等离子体的处理来净化水和废水，最近的研究表明其在降解短链和长链 PFAS 方面具有很高的功效。在这里，基于等离子体的废物处理与自由表面双曲水涡相结合，其氧体积传质系数超过了同类系统。此类应用可以使用各种类型的等离子体放电，每种应用都需要特定的电源配置和作策略。特别是脉冲信号的使用带来了独特的工程挑战。本研究探讨了双曲涡流等离子体反应器内六种不同等离子体放电类型的生成和表征：脉冲单极（负极和正极）、脉冲双极“闪络”、交流和直流电弧以及辉光放电。分析了单极和双极脉冲放电的脉冲特性，并评价了它们对PFAS的降解效率。在测试的构型中，双极闪络放电在双曲涡流等离子体反应堆中表现出最高的降解效率。然而，其实际实施带来了重大的工程挑战，使其在更大范围内的使用具有挑战性。

Introduction

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螺旋结构是自然界的基础，影响着从 DNA 的微观排列到星系的巨大形成等各种现象 1,2。在流体动力学中，螺旋流表现出独特的混合、能量传递和稳定性特性，可用于创新工程应用3。受这些自然流动模式的启发，人们研究了双曲水涡流在增强曝气和实现先进水处理技术方面的潜力4,5,6,7。本研究探讨了双曲涡动力学与等离子体放电的整合，以降解持久性微污染物，特别是全氟烷基物质和多氟烷基物质 （PFAS）。

对双曲漏斗的初步研究是由于其曝气效率，曝气是水处理中的关键过程。这些几何受限涡流显着增强了气液相互作用，从而提高了氧气转移速率，同时最大限度地减少了能耗7。双曲水涡流的形成和运作详见别处6。很快人们就发现，导致如此高曝气能力的高度混合和表面积增加可以进一步用于污染物降解。基于这一想法，将等离子体放电引入涡流系统，创造了一种用于去除微污染物的新型混合方法8。

包括药物、杀虫剂和 PFAS 在内的微污染物由于其持久性和对传统水处理方法的耐受性而构成了重大的环境和公共卫生挑战9。其中，PFAS（通常被称为“永久化学物质”）因其强大的碳-氟键而特别成问题，这赋予了极高的稳定性和生物累积潜力10,11。

已经开发了广泛的技术来解决 PFAS 污染问题，包括使用活性炭吸附12,13 和膜分离14。虽然这些方法可以有效捕获 PFAS，但它们是非破坏性的，并且会产生二次废物流。由于频繁的再生需求（尤其是在高 PFAS 负荷下），活性炭变得昂贵，并且与共污染物竞争，而膜系统将 PFAS 浓缩到需要进一步处理的废盐水中。

电化学氧化、臭氧化、紫外线系统和超临界水氧化等高级氧化过程 （AOP） 旨在降解 PFAS 而不是将它们分离15,16。然而，它们经常受到能源需求高、选择性差（尤其是短链 PFAS）以及有害副产物的产生或不完全降解的问题。

基于等离子体的技术最近作为一种有前途的破坏性方法而受到关注，可在链长17、18、19、20 上快速降解 PFAS。然而，大多数研究报告短链 PFAS 的性能下降，短链 PFAS 经常在处理过程中作为中间副产品产生。此外，单独的等离子体处理可能是能源密集型的，并且难以扩展。

已经探索了各种类型的等离子体放电用于水处理应用。其中包括直流电 （DC） 辉光和电弧放电、交流电 （AC） 放电、脉冲电晕放电、介电势垒放电 （DBD） 和滑动电弧放电8、21、22、23、24。每种类型的等离子体放电在反应物质生成、能量分布和污染物降解途径方面表现出独特的特征。辉光放电在较低温度下运行并提供均匀的电离，而电弧放电则提供强烈的局部加热，使其能够有效分解持久性有机污染物25,26,27。脉冲放电，如单极和双极脉冲等离子体，其特点是能量密度高，产生瞬态反应物质，这有助于提高中等能量需求下微污染物降解的效率8。

本研究展示了一种在双曲涡流等离子体反应器内产生和作六种不同类型等离子体放电的方法：（i）脉冲单极负极，（ii）脉冲单极正极，（iii）脉冲双极“闪络”，（iv）交流电弧，（v）直流电弧，以及（vi）辉光放电。这些放电模式中的每一种都与双曲涡旋具有独特的相互作用，影响活性氧和活性氮 （RON）、紫外线辐射、冲击波、高能电子和溶剂化电子的产生，所有这些都会导致污染物降解。实验中使用的每种等离子体放电类型的电极配置如 图1所示。这种等离子体放电模式与涡旋诱导混合的集成可以增强传质并改善污染物和反应物质之间的接触，从而更有效地降解微污染物。

如28,29所示，添加阳离子表面活性剂通过促进PFAS分子向等离子体-水界面的转运进一步提高降解效率，在那里发生最强烈的反应过程。结果表明，该系统在保持运行可行性的同时实现了对PFAS的近乎完全的降解。

此外，如其他地方30所示，在空气气氛下的双曲涡流等离子体反应器中处理的PFAS污染样品没有表现出细胞毒性或遗传毒性增加。这些发现进一步支持了该技术作为一种有前途的去除 PFAS 方法的潜力。

这项研究的影响超出了 PFAS 降解的范围。双曲涡流诱导混合和等离子体处理的结合为各种水处理挑战提供了可扩展且适应性强的解决方案，从有机污染物去除到增强氧合。未来的研究将侧重于优化反应器配置、研究降解副产物的命运以及评估实际应用中的长期系统性能。

通过将受自然启发的流体动力学与先进的等离子体化学相结合，这项研究为更可持续、更有效的水处理技术铺平了道路，这些技术可以解决关键的环境问题，同时减少能源和资源消耗。

Protocol

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1. 一般建议

  1. 在处理实验装置之前，用接地棒接触导电部件，释放任何累积的静电荷。
  2. 检查装置的所有液压和电气连接是否完整且功能正常。
  3. 使用清水以低流量 （80 L·h-1） 启动泵，并验证是否存在泄漏。
  4. 用 1 个大气压的压缩空气吹扫反应器并在所有连接处涂抹肥皂水溶液，确保反应器没有气体泄漏。
    注意：如果在执行步骤 1.4 后出现气泡，则表明存在气体泄漏，必须在处理前识别并密封。

2. 实验设置

  1. 双曲涡旋等离子体设置（图 2）
    1. 用接地棒触摸所有金属部件，将其放电。
      注意： 如果在高压下工作后存在残余电荷tage，接地棒和带电组件之间会产生可见和听觉的火花。
    2. 按住 OK 按钮三秒钟，激活 Dräger 传感器（图 2 中的 12），以检测等离子体产生的臭氧、亚硝酸盐和氧气。将传感器放入右侧机柜内，以检查是否有潜在的气体泄漏。
    3. 通过指定的软管管路将装有去离子水的水箱（ 图 14 中的 2 个）连接到装置。
    4. 按下 播放 按钮启动主泵，将水引入双曲漏斗，确保流速为85 L·h-1，略高于形成所需涡流所需的阈值6。
      注意：在较高的流速下，反应器中的水位可能会略高于稳定运行所需的最佳水位。
    5. 按下 播放 按钮启动二次泵，确保10 L·h-1 的流量从双曲漏斗的上部提取水，从而稳定水位，保持电极与水面之间的距离恒定。
      注意：同时使用初级泵和辅助泵可确保反应器中的水位稳定。仅作主泵可能会导致水位波动。
    6. 一旦达到稳定的涡流并且没有检测到泄漏，用实验样品更换干净的水并重复步骤2.1.3和2.1.4。
    7. 如有必要，微调电极到水的距离以优化等离子体的形成。
    8. 用低流量压缩空气（0.1 atm）吹扫反应器，以稳定内部大气并确保最佳的等离子体排放条件31。
    9. 如果使用阳离子表面活性剂，请连接装有表面活性剂溶液的辅助储液器，并通过计量泵将其引入反应器入口前所需浓度。

3. 不同类型的等离子体放电

  1. 直流电弧放电
    1. 利用 图 3A 中描述的电路。
    2. 将桥式整流器的正负高压输出连接到位于水涡流表面上方的电极。
      注意： 如果使用单极性（正极或负极），请将相应的端子接地并仅使用首选极性运行。
    3. 将变压开关连接到 230 V 交流电源插座并断开红色安全开关以启用高音量tage.
    4. 使用变压开关逐渐增加电压（0 V 至 250 V）来点燃等离子体放电。
  2. 交流电弧放电
    1. 利用 图 3B 中描述的电路。
    2. 将两个高压输出连接到位于水涡流表面上方的电极。
      注意： 如果使用单个输出运行，请将相应的端子接地。
    3. 将 variac 连接到 230 V 交流电源插座并断开红色安全开关以启用高音量tage。
    4. 使用变压开关逐渐增加电压（0 V 至 250 V）来点燃等离子体放电。
  3. 氦气气氛中的辉光放电
    1. 利用 图 4 中描述的电路。
      注意：根据特定的辉光放电要求，可以采用不同的电路（图 3、 图 4、 图 5 和 图 6）。
    2. 将高压输出连接到位于水涡流表面上方的电极。
      注意：辉光放电在相反极性的电极之间形成。调整电极的数量和位置会修改放电拓扑结构。
    3. 将 variac 连接到 230 V 交流电源插座并断开红色安全开关以启用高音量tage。
    4. 通过打开气阀以首选流速引入氦气。
      注意： 留出足够的时间让氦气取代环境空气。随着氦气浓度的增加，辉光放电颜色从紫色过渡到白色。氦气的流速越高，放电亮度就越高。
    5. 通过使用变压开关将电压从 0 V 逐渐增加来点燃等离子体放电，直到电极之间发生电击穿并且等离子体从辉光放电过渡到电弧放电。
      注意：由于电路中的电容器效应，过高的电压可能会将辉光放电转变为脉冲电弧放电。
  4. 双极“闪络”脉冲放电
    1. 利用 图 4 中描述的电路。
    2. 将高压输出连接到位于水涡流表面上方的电极。
      注意： 图 4 中的电路允许灵活的电极配置。在这项研究中，使用了 16 个电极。
    3. 将 variac 连接到 230 V 交流电源插座并断开红色安全开关以启用高音量tage。
    4. 使用变压开关逐渐增加电压（0 V 至 250 V）来点燃等离子体放电。
  5. 单极正负脉冲流放电
    1. 分别利用 图 5 或 图 6 中描述的电路进行正放电或负放电。
    2. 将相应的高压输出（正极或负极）连接到位于水涡流表面上方的电极。
    3. 将对面端子连接到火花隙并将另一端接地。
      注意：或者，火花隙可以通过浸没在反应器地面水中的电极接地。
    4. 通过打开气阀并调节流量，用压缩空气（0.5-1 atm）吹扫火花隙，以确保内部气氛稳定并保持温度一致。
      注意：火花隙内气体成分、温度、压力和电极间距的变化会影响等离子体特性。
    5. 将 variac 连接到 230 V 交流电源插座并断开红色安全开关以启用高音量tage。
    6. 使用变压开关逐渐增加电压（0 V 至 250 V）来点燃等离子体放电。
  6. 实验终止
    1. 通过降低变压电压、关闭电源并接合安全开关来停止高压作。
    2. 如果适用，请停止阳离子表面活性剂的计量泵。
    3. 如果使用氦气和压缩空气，请关闭所有气体阀。
    4. 用接地棒触摸所有金属部件，验证它们的接地情况。
    5. 反转泵流向，将处理过的样品转移回水箱。
    6. 通过在系统中循环清水和/或有机溶剂来冲洗装置。
    7. 妥善收集和处置废物，确保符合有害物质的安全法规。
    8. 进行最终检查，确认所有组件均已关闭电源，不存在泄漏，并且设置安全以供后续使用。

Results

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图3、图4、图5和图6所示的电路工作原理如下：连接到230 V交流电网的变压开关（V）调节输入电压并将其提供给氖变压器（T），氖变压器将电压升压到高压交流电。然后，该高压交流电通过由二极管 （D1-D 4） 组成的桥式整流器转换为高压直流电。由此产生的直流信号为电容器 （Cx） 充电，电流通过附加二极管 （Dx） 分布在多个分支上。包括放电电阻器 （Rx），以确保电容器在系统关闭后逐渐放电。在单极放电配置中，火花隙 （SG） 用于互连非活动极性侧电容器的接地端子。

图7说明了单极正极、单极负极和双极闪络等离子体放电的电流和电压脉冲曲线的比较分析。闪络放电的脉冲持续时间比单极脉冲的脉冲持续时间短约两个数量级（分别为 0.6 μs 和 60 μs）。此外，与单极正脉冲（60 mA）和负脉冲（30 mA）相比，闪络放电的峰值电流（3.4 A）明显更高。在单极脉冲的情况下，等离子体细丝沿着水面传播。相反，对于闪络放电，通过阴极和阳极之间的气水界面建立等离子体通道。当相反极性的等离子体细丝在水面汇聚时，它们会形成低阻抗导电等离子体通道，从而增强带电粒子的迁移率。阻抗的这种降低与在闪络放电状态下观察到的较短脉冲持续时间有关。

图8显示了LTspice32 对电容器充电和快速放电过程中电位差的仿真，对应 于图4、 图5和 图6所示的电路。该仿真演示了通过高压桥式整流器进行交流到直流转换的电容器充电。由于等离子体放电无法在LTspice中直接仿真，因此采用压控开关来模拟击穿。触发后，会发生快速电压降。虽然放电脉冲的详细形状无法建模——因为它依赖于压力、温度、湿度、电极间隙和水电导率等因素——但仿真清楚地展示了所提出电路的功能及其产生具有各种极性配置的脉冲信号的能力。

图9绘制了三种放电的每脉冲能量和功耗。测量正单极放电的功率输入为 1.8 W，负单极放电为 1.6 W，闪络放电为 1.2 W。因此，在给定的等离子体功率下，等离子体处理持续时间直接对应于总能量输入。能量测量方法的详细描述可以在8 中找到。

图10描述了使用三种排放类型在空气气氛中等离子体处理75 min后水化学的变化。分析的关键参数包括 pH 值、氧化还原电位 （ORP）、电导率 （EC） 以及活性氧（过氧化氢 H2O2）和氮（亚硝酸盐NO 2- 和硝酸盐NO 3- ）的浓度。在3次放电中，闪络放电引起的化学变化最为明显，RONS产生量最高。尽管需要最低的功率输入（1.2 W， 图 9），但闪络放电表现出最高的处理效率。这可以归因于其脉冲持续时间短，可防止流光过渡到具有显着欧姆耗散的热弧，从而增强电离概率和反应物质的产生。

此外，闪络放电在位于等离子体-水界面的两个带相反电荷的电极之间建立等离子体通道，长度约为 5 cm。与单极脉冲相比，这种构型显着增加了等离子体-水相互作用面积，从而增强了反应物质的产生并促进了液相的更有效处理。

所有PFAS样品均采用液相色谱-质谱联用法进行分析。使用色谱柱（1.8 μm，50 × 2.1 mm）进行分析。为确保样品稳定性，用甲醇以1：1的比例稀释，将1 mL稀释的样品转移到塑料阳离子瓶中。通过使用组合氟化物电极测量水样中游离氟离子的浓度来评估脱氟。

图11讨论了全氟辛烷磺酸（PFOS）在初始浓度为14 μg·L−1 ± 5%和240 μg·L−1 ± 5%。闪络放电表现出最高的全氟辛烷磺酸降解效率，同时需要最低的能量输入。因此，后续实验仅使用闪络放电进行，以优化处理性能。

图 12 显示了 PFAS 基质的降解，该基质由不同链长的分子以及检测到的降解副产物组成。长链PFAS在处理75 min后降解效率超过92%，而短链PFAS的降解率明显较低。此外，短链 PFAS 化合物（全氟己酸 （PFHxA）、全氟戊烷酸 （PFPeA） 和全氟丁酸 （PFBA））作为长链分子的降解副产物出现，这些较短的物质没有观察到的降解。这可以用 PFAS 独特的理化性质来解释。长链PFAS具有很强的表面活性剂特性，倾向于在气液界面积累或粘附在表面上，促进与等离子体产生的高能物质的相互作用。相比之下，短链PFAS表现出更大的亲水性，并且往往保持分散在散装溶液中，从而限制了它们直接暴露于血浆33。正如之前报道的 31，等离子体系统中 PFAS 的主要降解途径涉及与等离子体产生的反应物质（如电子、离子、羟基自由基和溶剂化电子）的相互作用。由于寿命短，这些物种主要局限于空气-水界面。因此，优先在表面积累的长链 PFAS 的降解效率更高，而溶解在散装溶液中的短链 PFAS 受到的影响较小。在同一项研究中，评估了有和没有空气吹扫的PFAS降解。未吹扫体系中反应物质浓度显著较高，略微增强了短链PFAS的降解。然而，这也导致等离子体区内能量耗散增加，导致长链PFAS的降解效率降低。

大多数PFAS分子由于其带负电的末端官能团（如RCOO-，RSO3-）33而充当阴离子表面活性剂。为了提高表面活性剂性能较弱的短链PFAS的降解效率，以4 μM·min−1的流速添加阳离子表面活性剂Hyamine 1622。这种表面活性剂与带负电的PFAS头基相互作用，形成有利于传输到等离子体-水界面的离子对，从而显着提高降解效率。提出主要降解途径涉及PFAS-Hyamine复合物与等离子体产生的电子和离子之间的相互作用31。

图13显示了与 图12相同的PFAS基质的降解，但添加了表面活性剂。 图12 和 图13 的比较清楚地表明，表面活性剂的剂量可显著提高长链和短链PFAS分子的降解效率。处理10 min后，长链PFAS降解率超过90%，75 min后达到97%以上。与在没有表面活性剂的情况下观察到的结果类似，短链 PFAS 需要更长的降解时间，部分原因是它们是作为长链化合物的降解副产物形成的。然而，Hyamine 1622 的引入显着增强了短链 PFAS 的降解。具体而言，PFBA处理结果从19%的回收率提高到53%，而PFBS的降解率在处理75 min后从22%提高到95%。表 1显示了治疗前和治疗后的PFAS浓度，无论是否给予表面活性剂。

此外，还检测到降解副产物，包括PFHxA和PFPeA。然而，与之前的实验不同的是，PFHxA在20分钟后下降，PFPeA在30分钟后，它们的浓度下降。处理75 min后，其浓度接近检测限，表明PFAS降解中间体逐渐缩短链。此外，脱氟效率从 48% 提高到 82%（图 14），进一步支持观察到的降解趋势，并表明 PFAS 矿化程度很高。

此外，PFAS污染的地下水样品在添加和不添加表面活性剂的情况下处理75 min（图15）。PFAS的初始浓度如 表2所示。这些样本是从荷兰的浅层含水层采集的，但由于保密协议，无法透露确切位置。与 图12 和 图13所示的结果相比，在两种情况下（使用和不加表面活性剂）的总体降解效率均较低。值得注意的是，即使使用表面活性剂，含有羧基官能团的短链PFAS（如PFPeA和PFBA）的降解仍然有限，分别仅达到40%和2%的去除率。效率的降低可能是由于地下水中存在高浓度的竞争离子（表3），这可能会阻碍PFAS-Hyamine络合物的形成，从而限制其降解。这些发现表明，高度污染的样品可能受益于预处理以降低离子浓度，或者可能需要延长处理时间。值得注意的是，在所有情况下，总有机碳和无机碳均大幅减少（表 3），表明等离子体处理不仅能够降解 PFAS，还能够降解溶液中的多种其他物质，凸显了其作为多功能水处理技术的潜力。

figure-results-1
图 1：各种等离子体放电类型的电极配置。 红色圆圈表示正极性的电极，蓝色圆圈表示负极性的电极，紫色圆圈表示连接到高压交流电的电极，黑色圆圈对应于接地的电极，因为它们与反应器中的接地水相连。（A）单极正放电，（B）单极负放电，（C）双极闪络放电，（D）交流电弧放电，（E）直流电弧放电，（F）辉光放电。 请点击此处查看此图的大图。

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图 2：双曲涡流等离子体设置的照片： 1.蠕动泵;2、pH、氧化还原电位（ORP）和电导率（EC）探头;3、发射器;4、用于电压和电流信号测量的BNC连接器;5.双曲漏斗;6、不锈钢电极;7、高压探头;8、电流互感器;9、定制电路;10、霓虹变压器;11、漏斗盖，装有电极、通风、燃气管线连接;12、气体检测仪;13、柜内接地水进出水口;14.水库。 请点击此处查看此图的大图。

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图3：用于实验的高压电源电路图。 （A）直流电弧等离子体放电，（B）交流电弧等离子体放电。 请点击此处查看此图的大图。

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图 4：用于双极闪络和辉光放电实验的高压电源的电路图。 （A） 电路，（B） 双极闪络等离子体放电在运行中的照片。 请点击此处查看此图的大图。

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图 5：用于单极正放电实验的高压电源的电路图。 （A） 电路，（B） 运行中单极正等离子体放电的照片。 请点击此处查看此图的大图。

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图6：用于单极负放电实验的高压电源的电路图。 （A）电路，（B）运行中单极负等离子体放电的照片。 请点击此处查看此图的大图。

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图 7：电流和电压的脉冲特性。 （甲、乙）对于正负单极放电，（C，D）用于双极闪络放电。请点击此处查看此图的大图。

figure-results-8
图 8：LTspice 中电容器充电和快速放电期间的电位差模拟。 （A） 用于闪络放电，（B） 用于正负单极放电。 请点击此处查看此图的大图。

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图 9：三种不同类型的双极和单极放电的能量特性： 双极闪络、正单极和负单极。（A） 每脉冲能量，（B） 等离子体功率。 请点击此处查看此图的大图。

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图10：对三种不同类型的双极和单极放电（双极闪络、正单极和负单极）处理75 min后，水化学性质、pH、EC、ORP、活性氧（H2O2）的产生和氮物质（NO2−和NO 3−）的变化。请点击此处查看此图的大图。

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图11：PFOS在不同浓度下随时间的降解。 结果比较了三种放电模式：双极闪络、正单极和负单极放电。（A） 14 μg·L−1 ± 5%， （B） 240 μg·L−1 ± 5%。 请点击此处查看此图的大图。

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图 12：人工废水中 PFAS 基质随时间的转化。 负值表示 PFAS 回收率。（A） PFAS 基质转化，（B） 鉴定的降解副产物。 请点击此处查看此图的大图。

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图 13：在恒定剂量的 Hyamine 1622 下，人工废水中 PFAS 基质随时间的转化 。（A） PFAS 基质转化，（B） 鉴定的降解副产物。 请点击此处查看此图的大图。

figure-results-14
图 14：在空气等离子体放电下，在有和没有恒定的透明胺 1622 表面活性剂剂量下，人工废水中的 PFAS 基质脱氟。请点击此处查看此图的大图。

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图15：在1.2 kWh·m-3 的能量输入下处理75 min后，有和没有Hyamine 1622加量后，受污染地下水中的PFAS转化率。 负值表示 PFAS 回收率。 请点击此处查看此图的大图。

名字公式初始浓度（μg·L-1）不含表面活性剂的终浓度（μg·L-1）表面活性剂加量的终浓度（μg·L-1）
PFDA的C10高频19O26.20.120.12
PFNA的C9HF17O211.80.410.47
全氟辛烷磺酸C8高频17O3S8.70.650.22
全氟辛烷磺酸C8HF15O216.31.200.52
PFHpAC7高频13O213.93.940.17
PFBS的C4HF9O3S19.116.370.90
PFBA的C4高频7O210.312.694.81

表 1：处理前后加标到人工废水中的 PFAS 化合物浓度，有和没有 Hyamine 1622 剂量。

名字公式初始浓度 / μg·L-1不含表面活性剂的终浓度（μg·L-1）表面活性剂加量的终浓度（μg·L-1）
全氟辛烷磺酸C8高频17O3S5.04.3<0.03
全氟辛烷磺酸C8HF15O22.40.8<0.02
PFHpAC7高频13O20.90.4<0.05
PFHxSC6高频13O3S0.60.2<0.05
PFHxAC6高频11O25.53.60.3
PFPeAC5HF9O22.32.21.4
PFBS的C4HF9O3S23.817.91
PFBA的C4高频7O22.732.6

表2：处理前后地下水中PFAS化合物的浓度，有和没有Hyamine 1622剂量。

物质不含表面活性剂含表面活性剂
0 分钟75 分钟0 分钟75 分钟
无机碳562475641480
总有机碳252226257221
硫酸盐396426420442
氯化物2000216020002160
钠1692175616601788
钾552578532588
镁133122128117

表3：部分物质含水量变化（单位：mg· 在表面活性剂加药和不加表面活性剂加药前后处理前后地下水中的 L-1。

Discussion

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在开始实验之前，必须彻底检查所有电气连接。在与高压元件交互之前，应使用接地棒释放电路中的任何残余电荷。必须实施这些全面的安全措施，以降低意外触电的风险，即使在程序疏忽的情况下（门开关、连接到电容器的泄放电阻器等），因为高压电容器会因记忆效应、大气静电或宇宙辐射而充电。它们用于这些实验的存储能量数量级通常为 10-1-10 1 J，甚至是危险的，甚至致命。因此，步骤 1.1 和 2.1.1 对于确保系统安全运行至关重要。在为系统供电之前，应检查装置是否有反应器气相和液相泄漏。等离子体产生的气体含有可能造成吸入危险的反应性物质，因此步骤 1.4 和 2.1.2 尤为重要。作室的所有入口和出口必须接地。反应堆外壳应由金属制成并正确接地，以确保安全运行。此外，验证是否没有漏水也至关重要，因为 PFAS 化合物被归类为 CMR 物质，不得污染实验室环境。因此，在开始实验之前应特别注意步骤1.3。

在这项研究中，闪络放电实现了最高性能。这种放电模式导致更高的 RONS 产量（图 10）和更高的 PFOS 降解（图 11），同时比其他测试的放电类型（图 9）需要更少的功率。尽管闪络放电表现出卓越的性能，但由于需要将两个相反带电的通道连接到同一电容器，因此其实施带来了挑战。扩大这种方法需要更强大的电源。在我们的电流设置中，变压器将主电压交流电（最高 220 V）转换为高压交流电（最高 10 kV），然后使用二极管将其整流为直流电。虽然生成的直流信号非常接近理想的直流波形，但微小的波动仍然存在34。我们的电路设计提供了跨多种状态的作灵活性。然而，大规模应用将需要高压直流电源，这些电源通常以单极性和单一高压输出运行，从而限制了同时处理多个极性的能力。

交流和直流电弧放电由于能耗明显较高，因此没有进行微污染物降解测试，这将使其工业应用在经济上不可行，特别是在直流等离子体的情况下。在之前的一项研究8 中，已经证明，增加等离子体-液体界面面积可以增强相同能量输入的RONS产生，从而提高微污染物降解效率。在我们的电路中（图 3A、 图 4、 图 5 和 图 6），二极管将交流电转换为直流电，用于为电容器充电，然后将其存储的能量分布在电极几何形状上，以产生多个脉冲功率等离子体放电。

在大气压和标准条件下，只有使用具有高电离能的惰性气体才能维持稳定的辉光放电，例如氦气（第一电离能24.6 eV）或氖气（第一电离能21.6 eV）35。氩气的第一电离能为 15.8 eV35，在这些条件下不支持稳定的辉光放电。然而，通过施加外部磁场进行等离子体稳定，仍然可以在空气中产生辉光放电36。惰性气体使用成本高，使得辉光放电不适合本研究中的微污染物降解。

正如引言中所讨论的，吸附、膜过滤和高级氧化工艺等传统处理方法在有效解决 PFAS 污染方面面临重大局限性。等离子体放电是PFAS降解的一种有前途的替代方案，据报道，根据微污染物浓度、样品成分和等离子体参数等因素，能耗从几kWh·m-3到超过1000 kWh·m-3不等29,37,38,39,40,41.然而，短链 PFAS 仍然特别耐降解，而短链副产物（例如 PFBA）已被确定为长链 PFAS 分解的中间体。

我们工作的新颖之处在于将双曲涡流等离子体反应器与阳离子表面活性剂透明胺 1622 加样相结合，显着提高了降解率，包括短链 PFAS（图 13）。这种反应器设计增加了等离子体-液体界面面积，并有助于通过水涡流增强混合。在1.2 kWh·m-3的中等能量输入下处理75 min，我们的系统实现了95-100%的大多数PFAS降解（PFBA除外，PFBA仍显示出53%的去除率）。这些结果优于许多纯等离子体研究，并证明我们的方法可以在相对较低的能量输入下实现PFAS深层矿化。然而，这项研究是在实验室规模上进行的。为了增强其实际应用，需要扩大规模，包括修改反应器几何形状（特别是扩大顶部圆柱形截面），以增加处理水量并容纳额外的电极。这些改性将增强等离子体-水相互作用并提高处理效率。虽然反应堆的电气设计允许直接扩展，但不断增加的运行功率需要更强大的电源和改进的安全措施，以确保在更大范围内稳定高效的性能。扩大系统的规模将需要增加电源和电容器组的尺寸，这会带来重大的安全问题。所有电气元件都必须仔细排列并放置在靠近反应堆的位置，同时在运行过程中保持无法接近。为确保安全放电，每个电容器在使用后必须单独接地，需要专用的接地开关，因为它们不能互连，必须用二极管相互隔离以进行直流隔离。此外，更高的功率水平会产生更强的电磁场，可能会干扰附近的仪器。因此，反应堆和周围设备都应适当屏蔽，最好在法拉第笼内。精确控制水涡流至关重要，因为等离子体排放性能对流动条件和漏斗几何形状高度敏感。这需要一个经过良好编程的液压控制系统。此外，反应堆必须充分绝缘，连接到通风系统，并配备用于吹扫的进气口。如果预计会产生高浓度的挥发性氟化副产物，例如氟化氢，则应实施补充气体处理步骤。这些可以包括干式或湿式洗涤系统42,43，或钙基吸附剂的应用44。

通过添加表面活性剂，可以降低中试规模反应器的能耗，表面活性剂将 PFAS 浓缩在空气-水界面。通过降低表体积比，PFAS化合物在界面处变得更加局限，使等离子体能够在单位面积内与更高浓度的目标化合物相互作用，从而提高每次放电的降解效率。然而，增加总水量可能会延长所需的处理时间，从而可能抵消节能效果。利用高压、大功率直流电源进行电容器充电，可以精确控制能量输入，从而可以系统地评估不同的能量状态以进行优化。

未来的研究将侧重于根据所描述的作原理扩大技术规模，以实现 1 m3·h-1 的中试应用处理能力。此外，对降解产物进行详细研究至关重要，特别关注最短链 PFAS、三氟乙酸以及其他潜在转化产物的形成和分解。进一步的研究还旨在确定一种有效、可生物降解且具有成本效益的阳离子表面活性剂，能够通过改善表面活性剂-PFAS 复合物的形成来增强 PFAS 降解。

Disclosures

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作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或个人关系似乎会影响本文中报告的工作。在这项工作的准备过程中，作者使用了 OpenAI （2023）、ChatGPT（2025 年 3 月版本）[大型语言模型]来构建文本。使用该工具后，作者根据需要对内容进行审核和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。

Acknowledgements

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这项工作是在 Gilbert-Armstrong 高压实验室应用水物理主题内的 Wetsus 欧洲可持续水技术卓越中心 （www.wetsus.eu） 的合作框架内进行的。Wetsus 由荷兰经济事务部和基础设施与环境部、弗里斯兰省和荷兰北部省共同创立。这项研究获得了欧盟地平线 2020 研究和创新计划的资助，该计划根据玛丽·斯克洛多夫斯卡-居里拨款协议第 665874 号。

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
放水电阻器泰德斯RCR42G206JS20 个月
BNC 连接器速卖通不适用BNC适配器
电容器安信AXCT8GD202K40DB40 kV 2000 pF
阳离子表面活性剂西格玛-奥尔德里奇51126-1L-FHyamine 1622 溶液
列安捷伦  Zorbax Eclipse Plus C18 RRHD1.8 &亩;米，50 倍;2.1 毫米
电流互感器麦格纳实验室CT-F0.25-S
数据记录仪Endress+豪瑟CM442利喹啉
门开关QWORK的ME-8104型10A 250VAC
计量泵 KNF1.10 TT.18RC2有限元材料
博士äGER传感器&NBSP;博士ä德国X-am 5000氧2、氧3、NO2
EC 传感器恩德斯和豪瑟CLS15E型忆安
电极速卖通不适用陶瓷点火棒
氟化物电极梅特勒-托利多完美
漏斗盖 定制不适用PVC材料
接地棒定制不适用
氦气威斯特法伦联合国 104699.999 体积 % He
高压二极管易趣FHVP54461p 5A 40kV
高压探头北极星高压PVM-5型
双曲漏斗定制不适用玻璃材质
液相色谱/质谱安捷伦科技6420 三通道四通道 LC/MS美国加利福尼亚州圣克拉拉
诺恩变压器F/艺术SBD63HT2X10000V 18mA 
ORP 传感器恩德斯和豪瑟CPS12D型备忘录
蠕动泵Masterflex L/S13-200-007MFLX7771236
PFBA的西格玛-奥尔德里奇375-22-4用于实验的PFAS
PFBS的西格玛-奥尔德里奇375-73-5用于实验的PFAS
PFDA的西格玛-奥尔德里奇335-76-2用于实验的PFAS
PFHpA西格玛-奥尔德里奇375-85-9用于实验的PFAS
PFNA的西格玛-奥尔德里奇375-95-1用于实验的PFAS
全氟辛烷磺酸西格玛-奥尔德里奇335-67-1用于实验的PFAS
全氟辛烷磺酸西格玛-奥尔德里奇1763-23-1用于实验的PFAS
pH 传感器恩德斯和豪瑟CPS11DMemosens Orbisint
安全联锁控制面板定制不适用
火花隙定制不适用
变形世界技术TDGC2-1K4a
水库 定制不适用玻璃材质

References

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